摘要 為研究納米碳酸鈣對濱海水泥土的改性效果，文章對納米碳酸鈣改性水泥土進行了力學試驗。試驗結果表明，納米碳酸鈣對濱海水泥土的無側限抗壓強度具有重要影響，其中濱海水泥土的無側限抗壓強度隨著納米碳酸鈣摻量的增加呈現先增加后減小的趨勢；當納米碳酸鈣摻入比為2%時，無側限抗壓強度達到最大，7 d齡期下為2 704 kPa；與納米碳酸鈣摻入比為0的試樣相比，摻入比為2%的試樣無側限抗壓強度提高了26%。

關鍵詞 濱海水泥土；納米碳酸鈣；應力-應變曲線；無側限抗壓強度

中圖分類號 U414 文獻標識碼 A 文章編號 2096-8949（2025）03-0125-03

0 引言

濱海軟土廣泛分布于世界各地沿海和湖泊地區(qū)，尤其是在我國的東部和東南亞地區(qū)。然而，濱海軟土具有抗剪強度低、土壤性質變化大、孔隙率大、壓縮性高等不良特性[1-3]，建造在此類軟土上的建筑物可能因其承載力不足而出現沉降不均勻等問題。因此，為了避免此類工程質量問題并確保建筑物安全，應對濱海軟土地基進行改良以提高其承載力[4]。目前，常用水泥、石灰等無機膠凝材料對濱海軟土進行改良，其中水泥因其強度高、抗凍性好等優(yōu)點廣泛應用于地基加固中。然而，大量的使用水泥會極大地增加碳排放量，且某些情況下單用水泥改性軟土并不能滿足要求。為減少水泥用量，一些學者利用其他材料和水泥共同對軟土進行改良以提升其力學性能?，F有研究表明，納米材料作為新型添加劑在提高水泥土力學性能方面具有顯著效果[5]。

在現有的研究中，改性水泥土的納米材料主要包括納米SiO2、納米TiO2、納米MgO、納米硅、納米Al2O3等，并且摻入適量的納米材料可以有效提高水泥土的力學性能[6]。然而，納米碳酸鈣應用于水泥土方面的相關研究鮮有公開報道。納米碳酸鈣（NCa）是指粒徑介于1～100 nm之間的碳酸鈣微顆粒聚集體，粒子超細化導致晶體結構和表面電子結構的改變，產生普通粒子不具有的表面效應、小尺寸效應和宏觀量子隧道效應[7]。

根據國內外的現有研究可以發(fā)現，納米碳酸鈣主要用于混凝土及土的改良中。例如，陳學軍等[8]通過不固結不排水三軸壓縮試驗研究納米碳酸鈣對桂林紅黏土力學強度特性的影響，發(fā)現隨著納米碳酸鈣摻量的增加，紅黏土的黏聚力、內摩擦角及抗剪強度呈現先減小后增大的趨勢；Ohadian等[9]通過單軸抗壓強度和加州承載比（CBR）試驗，研究了納米碳酸鈣改性泥灰土的力學性能，研究結果表明：納米碳酸鈣的最佳摻量為2%，相應的CBR和單軸抗壓強度分別是未摻納米碳酸鈣試樣的2.7倍和1.4倍；Kannan等[10]通過無側限抗壓強度試驗，探究了納米碳酸鈣固化低塑性細粒土的力學性能，發(fā)現納米碳酸鈣的最優(yōu)摻量為0.4%，相應的無側限抗壓強度則是沒有摻入納米碳酸鈣試樣的兩倍；Poudyal等[11]通過耐久性、硬化性等試驗，探究了納米碳酸鈣摻量對硅酸鹽水泥混凝土力學性能的影響，發(fā)現摻入1%納米碳酸鈣的硅酸鹽混凝土表現出了最佳的力學性能，其在56d齡期下的抗壓強度和滲透系數與普通硅酸鹽水泥混凝土相比，分別增加了7%和降低了13%；Tao等[12]通過單軸壓縮試驗，研究了復合納米碳酸鈣添加劑對海洋環(huán)境下水泥固化土強度的影響，發(fā)現摻入復合納米碳酸鈣添加劑的水泥固化土在海洋環(huán)境下30 d的抗壓強度較于復合納米碳酸鈣添加劑摻量為0的試驗有顯著提高，在相同水泥摻量為15%和22%的條件下分別提高了14.2%和7.8%。

上述研究中可以看出，直接利用納米碳酸鈣對水泥土進行改性方面的研究較少，納米碳酸鈣對水泥土的改良效果究竟如何值得探究。因此，該文利用納米碳酸鈣對濱海水泥土進行改性，并利用無側限抗壓強度試驗探究納米碳酸鈣摻量對濱海水泥土力學性能的影響進行研究，以期為納米碳酸鈣在實際工程中的應用提供參考。

1 試驗方案

1.1 試驗材料

試驗用土料取自浙江紹興的濱海軟土，按照土工試驗方法標準（GB/T 50123—2019）進行相關土工試驗[13]，得到濱海軟土的物理指標如表1所示。試驗用的納米碳酸鈣，采用南京先鋒納米材料科技有限公司的XF11-1型納米碳酸鈣（40～80 nm），具體技術參數見表2所示。試驗用的水泥，為紹興會稽山建材有限公司生產的P.O 42.5普通硅酸鹽水泥，其主要技術指標見表3所示。

1.2 試樣制作

先將土風干后粉碎，過2 mm篩后再密封保存，按照試驗設計的各組分質量，分別稱量土、水泥、水和納米碳酸鈣并充分攪拌均勻。試樣為直徑39.1 mm、高度80 mm的圓柱形試件，靜壓5 min成形。成形試件在標準養(yǎng)護箱內進行養(yǎng)護，標準養(yǎng)護箱的溫度為20±3℃，相對濕度為95%。

試樣養(yǎng)護到相應齡期后進行無側限抗壓強度試驗，試驗儀器采用由南京泰克奧科技有限公司生產的01-LH0501型全自動無側限抗壓儀，加載速率為1 mm/min，試驗方案見表4所示：

2 無側限抗壓強度試驗的結果與分析

2.1 無側限抗壓強度的數據離散性分析

為分析NCa試樣無側限抗壓強度的離散程度，引入變異系數CV，當變異系數≥0.15時則離散性較大，表示有效值與真實值之間的誤差較大；反之，則試驗數據就更為接近真實值[14]。其變異系數公式如下：

（1）

式中，σi——第i組峰值強度的實測值；——強度σ的平均值；n——樣本容量。

如表5所示，給出了不同納米碳酸鈣摻量下水泥土的CV。所有試樣的無側限抗壓強度變異系數均小于0.15，可見無側限抗壓強度有效值與真實值之間的誤差較小。

2.2 應力-應變曲線

如圖1所示，為不同納米碳酸鈣摻量下NCa試樣的應力-應變曲線。根據圖1顯示，隨著水泥土中納米碳酸鈣含量的增加，7 d齡期下試樣的軸向應力明顯增強。所有試樣的應力-應變曲線均表現出了明顯的軟化特征，軸向應力達到峰值后迅速下降。在相同養(yǎng)護條件下，隨著土中納米碳酸鈣的增多，水泥土的應力-應變關系曲線發(fā)生較大變化。在加載初期，水泥土的應力-應變曲線處于彈性受力階段，成線性增長；在加載中期，應力變化速度較快，迅速達到峰值；在加載后期，隨著應變的增大，應力先急速下降后趨向平穩(wěn)。

2.3 無側限抗壓強度

無側限抗壓強度試驗中應力-應變曲線的峰值軸向應力，即為試樣的抗壓強度。根據圖1可以得到不同納米碳酸鈣摻量下NCa試樣的無側限抗壓強度，如圖2所示。相較于NCa0，摻入不同比例納米碳酸鈣下的NCa試樣抗壓強度均有所提升，這是由于少量的納米碳酸鈣具有良好的填充效應。由于顆粒尺寸遠小于水泥顆粒，使水泥顆粒之間的細小空隙被填實，從而提高了抗壓強度[15]。同時，隨著納米碳酸鈣摻量的增加，NCa試樣的抗壓強度呈現先增加后減小的趨勢。相較于NCa0，7 d養(yǎng)護齡期下NCa1、NCa2和NCa3試樣的抗壓強度分別提高了15%、26%和9%?？梢姡琋Ca試樣在納米碳酸鈣摻量為2%時，抗壓強度達到最大，可認為納米碳酸鈣改性濱海水泥土的最優(yōu)摻量為2%。

根據《公路路面基層施工技術細則》（JTG/T F20—2015）規(guī)定，水泥穩(wěn)定材料的7 d無側限抗壓強度是施工質量控制的主要指標[16]。其中，要求特重交通底基層填料在7 d齡期下的無側限抗壓強度達到2.5 MPa。當納米碳酸鈣的摻量為2%時，試樣在7 d齡期下的無側限抗壓強度為2.7 MPa，滿足2.5 MPa的強度要求。因此，通過該文的研究可為納米碳酸鈣改性水泥土的應用提供數據支撐。

3 結論

該文通過無側限抗壓強度試驗，研究了納米碳酸鈣摻量對納米碳酸鈣改性濱海水泥土的應力-應變曲線、無側限抗壓強度等方面的影響，得出如下結論：

（1）相同水泥摻入比及齡期的條件下，摻入納米碳酸鈣的水泥土的無側限抗壓強度均大于未摻納米碳酸鈣的水泥土強度，且其強度隨著摻量增加而出現先增大后減小的趨勢。

（2）在7 d齡期下，納米碳酸鈣對水泥改性濱海軟土的最優(yōu)摻量為2%。無側限抗壓強度為2.7 MPa，滿足特重交通底基層填料在7 d齡期下的無側限抗壓強度滿足2.5 MPa的強度要求。

需要說明的是，無側限抗壓強度的試驗結果受試樣制作方法、試樣均勻性等因素的制約和影響，尤其是納米碳酸鈣不溶于水，其在攪拌過程中的均勻性很難得到保證，勢必會對試驗結果造成影響。如何減少試樣制作方面的影響，有待進一步的研究探索。

參考文獻

[1]Yin P， Wang K， Chen L， et al. Horizontal Bearing Capacity and Reliability of Piles in Coastal Soft Soil Considering the Time-varying Characteristics[J]. Journal of Marine Science and Engineering， 2023（2）：247.

[2]Wang Y， Wang W， Zhao Y， et al. Modification Effect of Nano-Clay on Mechanical Behavior of Composite Geomaterials： Cement， Nano-Silica and Coastal Soft Soil[J]. Materials， 2022（24）：8735.

[3]Li N， Zhu Q， Wang W， et al. Compression Characteristics and Microscopic Mechanism of Coastal Soil Modified with Cement and Fly Ash[J]. Materials， 2019（19）：3182.

[4]Eisa M.S.，Basiouny M.E.，Mohamady A.，et al. Improving Weak Subgrade Soil Using Different Additives[J]. Materials， 2022（15）：4462.

[5]黃帥帥.納米二氧化硅改性水泥土靜動力學特性研究[D].紹興：紹興文理學院， 2023.

[6]張陳，李娜，王偉，等.納米MgO改性濱海水泥土的直剪試驗及微觀機理[J].長江科學院院報， 2019（4）：135-139.

[7]張哲軒，周洋，李潤豐，等.納米碳酸鈣——生產、改性和應用[J].材料導報， 2023（S2）：162-171.

[8]陳學軍，胡舒?zhèn)?，黃耀意，等.納米碳酸鈣影響下紅黏土強度特性試驗研究[J].工程地質學報 2017（5）：1293-1298.

[9]OhadianA， Mokhberi M. Experimental Investigation of Mechanical Behavior of Improved Marly Soil Using Nano Calcium Carbonate[J]. Journal of Structural Engineering and Geo-Techniques， 2021（1）：33-44.

[10]Kannan G， O'Kelly B C， Sujatha E R. Geotechnical Investigation of Low-plasticity Organic Soil Treated with Nano-calcium Carbonate[J]. Journal of Rock Mechanics and Geotechnical Engineering， 2023（2）：500-509.

[11]Poudyal L， Adhikari K， Won M. Mechanical and Durability

Properties of Portland Limestone Cement （PLC） Incorporated with Nano Calcium Carbonate （CaCO3）[J]. Materials，2021（4）：905.

[12]Meng T， Qiang Y， Hu A， et al. Effect of Compound Nano-CaCO3 Addition on Strength Development and Microstructure of Cement-stabilized Soil in the Marine Environment[J]. Construction and Building Materials， 2017（151）：775-781.

[13]土工試驗方法標準：GB/T 50123—2019[S].北京：中國計劃出版社， 2019.

[14]王偉，劉靜靜，李娜，等.納米SiO2改性濱海水泥土的短齡期力學性能與微觀機制[J].復合材料學報， 2022（4）：1701-1714.

[15]詹培敏，孫斌祥，何智海，等.納米碳酸鈣對水泥基材料性能影響的研究進展[J].硅酸鹽通報， 2018（3）：881-887+910.

[16]公路路面基層施工技術細則：JTG/T F20—2015[S].北京：人民交通出版社， 2015.

收稿日期：2024-07-16

作者簡介：王寶忠（1984—），男，本科，高級工程師，研究方向：軟土地基處理、建筑結構加固。

通訊作者：楊佳偉（2001—），男，碩士研究生，研究方向：施工技術與項目管理。