[发明专利]一种高性能水泥土及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及土木工程材料技术领域，具体涉及一种高性能水泥土及其制备方法，用超声波技术将天然纤维和纳米材料进行有效粘结，在水泥土中可以起到类似于混凝土中带肋钢筋的作用，可以有效地提高水泥土的韧性和强度。

背景技术

早在1915年，美国首次创造了水泥土材料。由于土料就地取材、造价较低、施工便捷等优点，之后的几十年中，水泥土得到了广泛的应用，从单一的筑路工程发展到软土地区的地基加固、公路边坡的维护等。但是由与水泥土比强度较低，导致水泥土大范围的应用也遭到了限制，有些工程建设为了满足强度要求继续使用混凝土材料，使得工程成本昂贵了许多，造成的污染也更加严重。

基于以上原因，人们越来越关注水泥土强度的研究，通过对水泥土强度的影响因素分析，提出了一些加强水泥土强度的方法，如增加水泥的用量、提高水泥的强度等级、提高水泥土的密实度、采取特殊的养护方法、掺入单一或复合外加剂等，其效果各异，且有些方法很大程度上造成材料成本的增加、对环境污染更大。

自古有之，人们在泥墙中掺入麦秆、谷壳等来提高墙的强度和稳定性，可以将之看作钢筋水泥土的雏形，随着人们的实践经验增加和理论分析的巩固，钢筋混凝土、纤维增强型混凝土等随之出现。

但是，现已发表的文献和和专利多采外加剂来增强水泥土强度，其易导致水泥土的脆性增加；或采用玻璃纤维、聚丙烯纤维来提高水泥土的韧性，而经过试验验证水泥土的抗压强度有一定程度的降低。

发明内容

为了解决现有水泥土韧性与强度之间的矛盾，本发明的目的在于提供一种高性能水泥土及其制备方法，可广泛应用于路基工程、护坡工程、地基加固工程和其他土木工程等。

为了实现上述目的，本发明的技术方案如下：

一种高性能水泥土的制备方法，具体制备方法包括如下步骤：

（1）将天然纤维与纳米材料按1:1～10的重量比混合，超声处理使天然纤维和纳米材料粘结，干燥，得到纳米材料天然纤维复合材料；

（2）按以下重量百分比称取原料：干细的天然土料：70%～90%；水泥：5%～25%；纳米材料天然纤维复合材料：1%～10%；

（3）将纳米材料天然纤维复合材料加入干细的天然土料中，搅拌均匀，随后加水搅拌均匀，其中加入的水的质量占干细天然土料和水泥总重的10%，放入水浸润过的容器内静置1d；

（4）取出容器内的混合料，加入水泥与水搅拌均匀，得到高性能水泥土，其中加入的水的质量占干细天然土料和水泥总重的10%。

步骤（1）中的纳米材料优选为无机纳米材料，进一步优选为纳米硅粉、纳米三氧化二铝、纳米氢氧化钙、纳米石膏或纳米水玻璃。

步骤（1）中的天然纤维为植物纤维或动物纤维，天然纤维的直径为0.01μm～100μm，长度为0.1mm～100mm。

上述植物纤维为种子纤维、韧皮纤维、植物叶纤维或果实纤维等；动物纤维为动物毛发的角蛋白纤维、蚕丝与蜘蛛丝的丝蛋白纤维、虾蟹中的甲壳素纤维或鱼鳞类的胶原蛋白纤维。

步骤（1）中超声的时间为10min～300min，超声所采用的超声波装置的频率为10KHz～10MHz，功率为10W～2KW。

步骤（1）干燥的时间为10min～60min，温度为30℃～100℃。

步骤（2）中干细的天然土料是按以下方法制备而成：将pH值为4～10的天然土料使用回转式烘干机在40℃～110℃处理5min～60min，该烘干机的功率为3KW～75KW、转速为1r/min～10r/min；然后使用直径为0.075mm～30mm的方孔筛或圆孔筛处理，得到干细的天然土料。

上述制备方法制备的高性能水泥土。

本发明的有益效果如下：

（1）一般的水泥土初期水泥水解水化不完全，纤维水泥土若受到载荷，纤维和水泥土易产生部分相对位移，而将纳米材料天然纤维复合材料加入水泥土后，表面粘结有纳米材料的天然纤维可以看作“带肋钢筋”，纳米材料天然纤维组合材料可以有效地阻止因受到载荷而产生相对滑移。而随着水泥水解水化的进行，纳米材料和水泥水解水化生成的氢氧化钙反应会生成水化硅酸钙等，可以替代纳米材料继续有效地粘结天然纤维和水泥土，还可以增加水泥土的强度，可以有效地解决单独加入外加剂或纤维后给水泥土带来的韧性或强度上的缺陷。

（2）本发明适合面广，只要有不同尺度分级结构的天然纤维及纳米材料，均可采用本发明制备高性能水泥土。

（3）本发明制备材料中天然纤维原料丰富、易加工、节能环保。