纳米TiO2-GO改性土的力学性能及微观机理
李维1
鲍文博2
黄志强2
郭宇轩2
1.沈阳工业大学 材料科学与工程学院,辽宁 沈阳 110870;沈阳工业大学 建筑与土木工程学院,辽宁 沈阳 1108702.沈阳工业大学 建筑与土木工程学院,辽宁 沈阳 110870
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28d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7d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0.0459.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
分类号：TU526(建筑材料)
资助基金：辽宁省明清古城墙病害专项调查测绘研究项目(2024-0-43-189)
论文发表日期：2026-01-25
在线出版日期：2026-03-17（本平台首次上网日期，不代表文献的发表时间）
页数：10( 83-92 )
英文信息