纳米TiO₂-GO改性土的力学性能及微观机理

摘要

【目的】纳米材料因具有表征尺度小，比表面积大的特性，在土遗址修复材料领域的应用关注度日益提升。针对辽宁地区土遗址受损严重、亟待修复的问题，本文聚焦纳米二氧化钛（TiO₂）和氧化石墨烯（graphene oxide,GO），探究二者对土遗址修复材料无侧限抗压性能、三轴抗剪性能和微观结构的影响，以及纳米TiO₂-GO的协同增强机理。【方法】以有机硅-复合改性土（S-GLS）为基础，研究不同添加比例的纳米TiO₂和GO对纳米TiO₂-GO改性土（SN-GLS）物理性能的影响，其中纳米TiO₂质量分数为1%、3%、5%,GO质量分数为0.02%、0.025%和0.03%;通过无侧限抗压试验和三轴剪切试验，获取SN-GLS在对应工况下的力学行为特征和应力-应变全过程曲线;借助扫描电镜（SEM）与压汞孔隙率（MIP）试验，分析SN-GLS的微观结构形态、孔隙特征及其分布规律。【结果】随着TiO₂-GO的掺入，SN-GLS的抗压强度和抗剪强度均显著提升。三轴剪切试验结果显示，试样的宏观破坏形式发生转变，由原有的斜向剪切破坏，转变为鼓胀与多剪切破坏的组合形式，即试样中间部位产生侧向鼓胀，裂缝以竖向、横向发展的多形式剪切带呈现。当TiO₂和GO的掺量分别达到3%和0.025%时，根据28 d龄期SN-GLS的应力-应变全过程曲线显示，其应变在2.5%～4%区间达到峰值，且残余强度保持率为75%～90%，这表明纳米TiO₂-GO的掺入提升了原始土的延性，使SN-GLS具有更优的抗剪性能与塑性变形特征。同时，该掺量下，SN-GLS的7 d龄期黏聚力较S-GLS提升了61.8%,28 d龄期黏聚力提升了42.7%且内摩擦角提高了1°。扫描电镜与压汞孔隙率试验结果显示，与S-GLS相比，SN-GLS的微观结构优化及力学性能提升，源于GO与纳米TiO₂的协同作用，具体表现为:GO的掺入使SN-GLS形成粗糙且褶皱的层状结构，增大了原始土的层间距，其表面含氧官能团为原始土水化反应提供成核位点，起到“模板”作用，促使SN-GLS内部生成更多水化产物（如C-S-H），因而力学性能得到显著提升。纳米TiO₂通过小尺度效应与填充效应，填充土样内部孔隙并增强土颗粒间的连接;同时改变土样骨架的排列方式，提高其定向性，最终使SN-GLS的分形维数较S-GLS增大0.045 9。上述作用共同导致SN-GLS的孔隙分布显著优化，中孔隙占比较S-GLS降低18%，小孔隙占比增加16%，微孔隙占比增加2%;中孔隙向小孔隙、微孔隙转化，微观结构更致密，总孔隙率较S-GLS减小10.09%。【结论】本文为土遗址修复材料的研究与改进提供了新的思路，纳米TiO₂和GO在土遗址保护和加固方面具有潜在应用价值。

关键词

土遗址 / 改性土 / 纳米二氧化钛 / 氧化石墨烯 / 无侧限抗压强度 / 三轴抗剪性能 / 微观结构 / 孔隙特征

基金资助

辽宁省明清古城墙病害专项调查测绘研究项目(2024-0-43-189)