文|柳八原

编辑|柳八原

随着科技的发展，跨领域研究是当前的趋势，纳米材料和纳米技术在土木工程领域有着重大突破，纳米颗粒的独特特性和优势，为我们提供了一种改善土壤强度和稳定性的新方法。

通过添加纳米颗粒，可以改变土壤的化学和物理属性，提高土壤的负荷承载能力和稳定性。

其中，SiC纳米颗粒具有独特的物理和化学特性，在高温、高拉伸强度和硬度方面表现出色。

所以，我们将选取这种低塑性黏土作为研究对象，添加了纳米碳化硅（SiC）颗粒，来证明是否能够提升土壤强度，进一步了解纳米材料对土壤强度和稳定性的影响。

实验材料与方法

样本收集：在印度北方邦阿里加尔地区的印度-恒河平原的淤积土中，挖取一块黏土。

物理和工程性质测定：测定了黏土样本的特定重力（2.52）、土壤分类（CL）、液性限（38）、可塑性指数（16%）、最适含水量（19%）和最大干容重（1.64 g/cm³）。土壤的摩擦角为8度，凝聚力为45千帕。

SiC纳米颗粒：SiC纳米颗粒由研究院购入。

黏土和SiC纳米颗粒的纳米复合材料的合成如下：通过机械方法使用“割锥法”制备了纳米复合材料混合物。

在符合标准规范的实验程序下进行了含有不同SiC纳米颗粒的实验，使用印度标准IS 2720-5，采用Casagrande设备测定了土壤混合物的液性限。此外，根据IS 2720-6，通过测定土壤硅灰混合物的可塑性限。

在无孔隙水测量的非固结不排水三轴压缩下测定了土壤样品的抗剪强度参数。采用了应变控制的三轴试验仪，按照IS 2720-11的规定进行。通过使用给定的关系式：

根据可塑性指数的值计算得出土壤的膨胀潜力（SP）。

为了研究改性土壤的压实行为，按照IS 2720-7的建议，在OMC (最佳含水量)条件下进行了Proctors压实试验。

同时，还对纯样品和混合纳米材料样品进行了扫描电子显微镜（SEM）和X射线衍射（XRD）分析。

在SEM分析中，将少量样品固定在SEM支架上，并利用金溅射涂覆单元用金蒸镀涂层进行涂覆。样品装在铝样品台上，在15kV下使用扫描电子显微镜观察，还进行了对样品进行傅立叶变换红外（FTIR）光谱分析的研究。

结果

进行了一系列全面的实验，以确定黏土土壤在自然状态和与SiC纳米颗粒混合后的地工性质。同时，还监测了混合物的行为，因为混合的SiC纳米颗粒的百分比发生变化。

SiC纳米材料在亚洲大部分国家的在线和离线市场上都可以购买到。这种材料的价格受供需关系的影响，在不同地点和季节会有所变动。

随着向黏土中添加SiC纳米颗粒（在0.25克以下），液性限、可塑性限、可塑性指数和其他指标性质均有所降低。

与对照组（0克SiC）相比，0.25克SiC导致液性限降低了15.8％，可塑性限降低了13.6％，可塑性指数降低了18.7％，然而，SiC含量进一步增加则导致趋势反转。降低可塑性指数表明土壤性质得到改善。

因此，极小量的SiC纳米颗粒能够显著提高土壤的强度和改善其性质，这个结果与早期报告的纳米颗粒行为一致。

减少可塑性指数导致土壤膨胀潜力的降低，当向土壤中添加SiC纳米颗粒（0.25克以下）时，与对照组相比，土壤的膨胀潜力降低到40.1％。这种膨胀潜力的降低可以归因于SiC纳米颗粒充填土壤矿物的孔隙，使得较少的水进入孔隙，从而降低蒙脱石的膨胀。

土壤的抗剪强度由内聚力（C）和摩擦角（Φ）控制。化学键合力由内聚力代表，而摩擦角是影响颗粒间滑移和摩擦强度的重要因素。

在黏土中，内聚力值预计大于摩擦角，在沙土中则相反。为了观察SiC纳米颗粒含量与抗剪强度参数之间的关系，将参数（C和Φ）绘制在SiC含量上。

在图中显示了SiC纳米颗粒含量与内聚力、摩擦角之间的关系。随着SiC纳米颗粒含量的增加，摩擦角和内聚力也增加。对照组（不含SiC）的摩擦角为8度，而0.3克SiC的摩擦角为19度。

相反，土壤的内聚力根据SiC的百分比而变化，范围在45到60之间。当SiC纳米颗粒引入土壤中时，SiC纳米颗粒填充土壤与土壤之间的空隙，并开始在土壤中诱导锁结行为。

这有助于解释为什么随着SiC纳米颗粒含量的增加，粘土土壤具有较高的内聚力和摩擦角值。与对照组相比，0.25克和0.3克SiC时，土壤的内聚力分别增加了26.7%和33.3%。此外，当SiC含量从0.25克增加时，摩擦角的增加幅度也相应增加。

与对照组相比，0.3克SiC时，摩擦角的增加幅度为137.5%，较高。将SiC纳米颗粒引入黏土后，黏土强度的提高可以归因于硅碳化物纳米颗粒与黏土颗粒之间的强烈“库仑相互作用”。

硅碳化物纳米颗粒具有较大的表面积，黏土颗粒可以均匀地混合在上面，通过插入在它们之间来保持黏土颗粒的强度。

图中显示了纯SiC纳米颗粒的SEM图像，其呈现出非常细小的颗粒状结构。

下图显示了样品S0、S1、S3和S5纳米复合材料的SEM图像，放大倍数为5 µm，展示了纯黏土的片状结构。

黏土、SiC纳米复合材料与纯黏土几乎具有相同的形态，但由于硅碳化物纳米颗粒与黏土颗粒之间存在强库仑相互作用，它们呈现出更加聚集的形态。

此外，没有出现纯硅碳化物纳米颗粒，这表明土壤已经完全与SiC纳米颗粒混合在一起。

在纯黏土的光谱中，3620 cm–1处的峰是由于O-H键拉伸振动，而3436 cm–1处的峰是由于O-H（水合）键拉伸振动引起的。O-H弯曲振动导致了1638 cm–1处的峰，Si-O面内拉伸振动在1020 cm–1处有峰。

在黏土SiC（S1）的情况下，由于O-H键拉伸的峰稍微向低波数处移动，并出现在3610 cm–1处，而在3435 cm–1处发现了与纯黏土几乎相似的水合（O-H）键拉伸振动。

由于Si-O面内拉伸的振动峰出现变宽并略微向高波数处移动，大约在1030 cm–1附近。

S3和S5纳米复合材料的FTIR光谱显示了与S1纳米复合材料相同的模式。S1、S2和S3纳米复合材料中峰值的移动表明黏土与硅碳化物纳米颗粒之间，发生了库仑相互作用。

X射线衍射（XRD）已发展成为一种快速分析技术。在这种分析中，被分析的材料必须经过精细研磨、均匀混合，并确定其平均成分。XRD主要用于鉴定物质结晶性质的物相。通过这种技术还可以确定晶胞参数。

图中显示了样品S0、S1、S3和S5纳米复合材料的XRD（X射线衍射）光谱。黏土的X射线衍射图样表明，主要由石英组成，少量蒙脱石和方解石。

S1、S3和S5纳米复合材料的XRD光谱与黏土（S0）的峰相似。在将硅碳化物纳米颗粒掺入黏土后，石英的峰强度显著降低，但由于其含量较低，无法观察到额外的硅碳化物峰。

讨论

添加少量SiC纳米颗粒会引起物理化学相互作用，从而改善研究土壤的岩土性能。

将硅碳化物纳米颗粒掺入土壤后，土壤强度的增加可以归因于硅碳化物纳米颗粒与土壤颗粒之间的强库仑相互作用。超过最佳含量的SiC纳米颗粒添加会导致团簇结合在一起的状态，这会影响土壤的机械性能。

由于公开文献中，对使用SiC改善土壤的相关工作不多，该材料的性能已与其他纳米材料进行比较，研究人员对使用纳米粘土改善土壤的分析进行了研究。

计算了塑限和液限，并发现当使用0.5 wt%的纳米粘土时，未观察到显着改善，但当添加1 wt%的纳米粘土时，液限和塑限分别增加了13%和38%，这证明了塑性指数减少了40%。

将黏土砂与0.05-3%的CNTs（碳纳米管）按土壤重量混合于土壤处理领域。与原始黏土相比，含3% CNTs的土壤的抗压强度增加了约120%。虽然抗剪强度增加了，但阿特伯格极限降低了。

关于纳米材料与环境和地球的安全性和反应性正在进行研究。最近对锌和铜基纳米材料的风险和不确定性进行了研究。然而，对于SiC纳米材料的安全性和反应性的研究相对较少。

对土壤的所有指标性能进行了评估，包括液限、塑限、塑性指数、膨胀潜力以及C和Φ参数，这些研究结果可以帮助专家促进更好的土壤质量和其他土壤性质。

添加SiC纳米颗粒后，内聚力参数似乎有所改善，摩擦角也随SiC纳米颗粒的添加而增加。采用机械混合方法成功合成了黏土/SiC纳米复合材料，并通过SEM、XRD和FTIR分析对其进行了表征。

这些研究证实了黏土和SiC纳米颗粒混合物显示出不同水平的化学相互作用。本研究结果表明，0.25克的SiC纳米颗粒可以使液限、塑限和塑性指数分别降低15.8%、13.6%和18.7%。

当前研究明确SiC对土壤的强度、指数和强度性质产生影响，可用于岩土工程中的土壤改良。此外，还需要进一步研究纳米颗粒的安全性和反应性的影响。