CN108086300A

CN108086300A - 利用石墨烯提高土的直接剪切强度的方法

Info

Publication number: CN108086300A
Application number: CN201711443622.1A
Authority: CN
Inventors: 高磊; 任可意; 余湘娟; 胡国辉
Original assignee: Hohai University HHU
Current assignee: Hohai University HHU
Priority date: 2017-12-27
Filing date: 2017-12-27
Publication date: 2018-05-29

Abstract

本发明公开了一种利用石墨烯提高土的直接剪切强度的方法，包括以下步骤：(1)将干土和水配置为土样；(2)在土样中掺入质量百分比为干土质量0％～4％的石墨烯。步骤(1)中，土样的含水率范围为14％～18％；步骤(2)中，土样与石墨烯的混合物干密度为1.5g/cm³。与现有技术相比，本发明将石墨烯作为土的加固材料，能有效提高土体的粘聚力，在岩土工程实践中具有广阔的应用前景。

Description

利用石墨烯提高土的直接剪切强度的方法

技术领域

本发明涉及土体加固方法，尤其涉及利用石墨烯提高土的直接剪切强度的方法。

背景技术

自然界中的某些特殊土体，自身强度低，性能不稳定，遇水和失水有膨胀和收缩性，不能直接作为工程建设的填筑材料。因此，开发土体改性技术对不良土体进行处理，显得格外重要。土体改性剂是根据土体自身的性质，采用其它材料的优势对土体进行改性，从而提高土体稳定性和强度的复合型材料。已有的研究表明，纳米材料可以改善土体的微观结构，提高其抗压、抗剪强度和耐久性能。而石墨烯是2004年从石墨中分离出来的新型碳纳米材料，由相互作用最强的碳碳sp²共价化学键组成，具有单层原子膜结构，其杨氏模量、抗拉强度，剪切模量和剪切强度等力学性能非常优异，是已知材料中强度和硬度最高的晶体结构之一，在土木工程领域有着极大的应用前景。

目前关于石墨烯对土体的影响研究较少，且两者之间的作用机理尚需深入的探究。因此，将石墨烯应用于改性粘土，对于科学客观地评价石墨烯改性土工程的可行性，并进一步推广该技术在工程中的应用具有重大的意义。

发明内容

发明目的：本发明的目的是提供一种利用石墨烯提高土的直接剪切强度的方法，以提高土体的粘聚力。

技术方案：利用石墨烯提高土的直接剪切强度的方法，包括以下步骤：

(1)将干土和水配置为土样；

(2)在土样中掺入质量百分比为干土质量0％～4％的石墨烯。

步骤(1)中，土样的含水率范围为14％～18％。

步骤(2)中，土样与石墨烯的混合物干密度为1.5g/cm3。

石墨烯为多层石墨烯。

石墨烯的平均晶粒尺寸范围为4～5nm，表面积为200m²/g。

工作原理：本发明在土样中加入石墨烯，由于石墨烯具有空间网状形态，且颗粒小、比表面积大、强度高、刚度大，因此与土颗粒接触时，能与土颗粒较好地咬合。当土体受到横向剪切力的作用时，土颗粒间会产生相对运动或相对运动趋势，石墨烯凭借与土颗粒间的咬合力限制土颗粒的运动及变形。当石墨烯掺量增加后，石墨烯与土颗粒均匀拌合，并填充在土颗粒形成的孔隙中，每个土颗粒被石墨烯包围，这些石墨烯构成一个空间网格，因此石墨烯对土颗粒起到约束作用。土颗粒能有效地将力传到该石墨烯构成的空间受力结构上，且该空间结构可根据土颗粒的变形及运动进行调整，形成一个新的受力结构来更好的约束土颗粒。这种有效的作用模式，使得石墨烯改性土的抗剪强度提高。因此，石墨烯的掺入填充了土中孔隙，减少了土体结构中大孔隙的数量并减小了孔隙的尺寸，这种填充作用在石墨烯掺量较大时的效应尤为明显。而土体的抗剪强度与孔隙率有关，孔隙率的降低有利于土体粘聚力的提高。

有益效果：与现有技术相比，本发明将石墨烯作为土中的加固材料，有效提高了土体的粘聚力，在岩土工程实践中具有广阔的应用前景。

附图说明

图1是石墨烯掺量对土样粘聚力的影响的曲线图；

图2是石墨烯掺量对土样摩擦角的影响的曲线图；

图3是含水率对土样粘聚力的影响的曲线图；

图4是含水率对土样摩擦角的影响的曲线图。

具体实施方式

本实施例选用工业级多层石墨烯，其基本参数为：黑色细腻粉末状固体，平均晶粒尺寸为5nm，表面积为200m²/g，质量分数大于95％，其物理力学性质如表1所示：

表1粘土的物理性质

试样的制备依据《土工试验规程》CL237-1999进行，粘土经过风干、碾散、过筛等预备程序后，测得风干含水率为3.2％的干土。取干土和水在试验室内配置含水率分别为14％、16％和18％的土样，每一个含水率下石墨烯的掺量分别为干土重量的0％、1％、2％、3％和4％，各相关参数如表2所示，其中每组配比制备3个平行试样。试样的制备采取压样法，控制试样的干密度为1.5g/cm³，将两个抹好凡士林的环刀刀口相背放置于平面上，将计算好质量的湿土倒入，用一个直径、高度与所用环刀相同的铁块压入上层环刀内，即将土刚好压入底部环刀中。试样成型后放入保湿器内待用。所配置的试样参数如表2所示：

表2直接剪切强度试验试样参数

对配制的15组试样进行直接剪切试验，测试各试样的直接剪切强度值，所有试样均在测试之前完全浸水24h。本次试验所用试验仪器为ZJ型应变控制式直剪仪，控制加载速率为1.2mm/min，直至土样破坏。

不同石墨烯掺量试样的直接剪切强度值如表3所示：

表3试样的直接剪切强度值

从表3中可以看出，在所设定的3个含水率下，石墨烯的掺入都明显增大了土的粘聚力，如石墨烯掺量为0％的试样C1、C6、C11的粘聚力分别为53.1kPa、44.9kPa和31.8kPa，掺量为4％的试样C5、C10、C15的粘聚力达到了106.6kPa、97.2kPa和87.5kPa，增长幅度分别100.8％、116.5％和175.2％。以石墨烯掺量为横坐标，改性土的抗剪强度指标为纵坐标，绘制其关系曲线如图1所示，石墨烯掺量对土粘聚力的影响表现得更为明显直观。

如图1、图2所示，含水率相同时，改性土的粘聚力随着石墨烯掺量的增加而增加，但摩擦角的变化不明显，当掺量达到4％时，粘聚力提高幅度最大。

以含水率为横坐标、直接剪切强度指标为纵坐标，绘制土强度指标随含水率变化的关系曲线如图3、图4所示，对于同一石墨烯掺量的试样，粘聚力随着含水率的提高而逐渐减小，以石墨烯掺量为4％时为例，含水率为14％、16％、18％的试样C5、C10、C15的粘聚力分别为106.6kPa、97.2kPa、87.5kPa，即相对强度分别降低了9.63％、4.24％。由表3和图3可知，含水率越高，粘聚力增幅越明显，当含水率为14％、18％时，石墨烯掺量为4％的试样的强度增幅分别为100.8％和175.2％。

在同一含水率下，当垂直压力较小，压力p＝100kPa时，不同石墨烯掺量的试样剪应力-剪切位移关系曲线均表现为软化型，具有较为明显的峰值强度和残余强度。在剪应力达到峰值之前，剪应力随剪切位移逐渐增加，且石墨烯掺量越大时，曲线斜率越大，表明石墨烯对试样初始刚度具有一定的增强作用。剪应力达到峰值时，剪切位移范围在1mm～1.5mm之间。取该峰值剪应力作为该试样的抗剪强度。四种掺量改性土的残余强度均高于素土的残余强度。当垂直压力p增大，压力依次为200kPa、300kPa和400kPa时，石墨烯改性土试样的剪应力-剪切位移关系曲线未出现峰值点，表现为硬化型。同一含水率条件下，随着垂直压力的增加，土体由应***化向应***化过渡，剪切位移3mm～4mm段曲线的斜率随之增大，硬化特征越明显。

在相同含水率下，石墨烯的掺量越高，改性土的粘聚力越大，当掺量达到4％时，粘聚力提高最为显著。当石墨烯掺量相同时，土的粘聚力则会随着含水率的提高而降低。

Claims

1.一种利用石墨烯提高土的直接剪切强度的方法，其特征在于：包括以下步骤：

(1)将干土和水配置为土样；

(2)在土样中掺入质量百分比为干土质量0％～4％的石墨烯。

2.根据权利要求1所述的利用石墨烯提高土的直接剪切强度的方法，其特征在于：步骤(1)中，所述土样的含水率范围为14％～18％。

3.根据权利要求1所述的利用石墨烯提高土的直接剪切强度的方法，其特征在于：步骤(2)中，所述土样与石墨烯的混合物干密度为1.5g/cm³。

4.根据权利要求1所述的利用石墨烯提高土的直接剪切强度的方法，其特征在于：所述石墨烯为多层石墨烯。

5.根据权利要求1所述的利用石墨烯提高土的直接剪切强度的方法，其特征在于：所述石墨烯的平均晶粒尺寸范围为4～5nm，表面积为200m²/g。