[发明专利]利用石墨烯提高土的直接剪切强度的方法

说明书

本发明公开了一种利用石墨烯提高土的直接剪切强度的方法，包括以下步骤：(1)将干土和水配置为土样；(2)在土样中掺入质量百分比为干土质量0％～4％的石墨烯。步骤(1)中，土样的含水率范围为14％～18％；步骤(2)中，土样与石墨烯的混合物干密度为1.5g/cm3。与现有技术相比，本发明将石墨烯作为土的加固材料，能有效提高土体的粘聚力，在岩土工程实践中具有广阔的应用前景。

技术领域

本发明涉及土体加固方法，尤其涉及利用石墨烯提高土的直接剪切强度的方法。

背景技术

自然界中的某些特殊土体，自身强度低，性能不稳定，遇水和失水有膨胀和收缩性，不能直接作为工程建设的填筑材料。因此，开发土体改性技术对不良土体进行处理，显得格外重要。土体改性剂是根据土体自身的性质，采用其它材料的优势对土体进行改性，从而提高土体稳定性和强度的复合型材料。已有的研究表明，纳米材料可以改善土体的微观结构，提高其抗压、抗剪强度和耐久性能。而石墨烯是2004年从石墨中分离出来的新型碳纳米材料，由相互作用最强的碳碳sp2共价化学键组成，具有单层原子膜结构，其杨氏模量、抗拉强度，剪切模量和剪切强度等力学性能非常优异，是已知材料中强度和硬度最高的晶体结构之一，在土木工程领域有着极大的应用前景。

目前关于石墨烯对土体的影响研究较少，且两者之间的作用机理尚需深入的探究。因此，将石墨烯应用于改性粘土，对于科学客观地评价石墨烯改性土工程的可行性，并进一步推广该技术在工程中的应用具有重大的意义。

发明内容

发明目的：本发明的目的是提供一种利用石墨烯提高土的直接剪切强度的方法，以提高土体的粘聚力。

技术方案：利用石墨烯提高土的直接剪切强度的方法，包括以下步骤：

(1)将干土和水配置为土样；

(2)在土样中掺入质量百分比为干土质量0％～4％的石墨烯。

步骤(1)中，土样的含水率范围为14％～18％。

步骤(2)中，土样与石墨烯的混合物干密度为1.5g/cm3。

石墨烯为多层石墨烯。

石墨烯的平均晶粒尺寸范围为4～5nm，表面积为200m2/g。

工作原理：本发明在土样中加入石墨烯，由于石墨烯具有空间网状形态，且颗粒小、比表面积大、强度高、刚度大，因此与土颗粒接触时，能与土颗粒较好地咬合。当土体受到横向剪切力的作用时，土颗粒间会产生相对运动或相对运动趋势，石墨烯凭借与土颗粒间的咬合力限制土颗粒的运动及变形。当石墨烯掺量增加后，石墨烯与土颗粒均匀拌合，并填充在土颗粒形成的孔隙中，每个土颗粒被石墨烯包围，这些石墨烯构成一个空间网格，因此石墨烯对土颗粒起到约束作用。土颗粒能有效地将力传到该石墨烯构成的空间受力结构上，且该空间结构可根据土颗粒的变形及运动进行调整，形成一个新的受力结构来更好的约束土颗粒。这种有效的作用模式，使得石墨烯改性土的抗剪强度提高。因此，石墨烯的掺入填充了土中孔隙，减少了土体结构中大孔隙的数量并减小了孔隙的尺寸，这种填充作用在石墨烯掺量较大时的效应尤为明显。而土体的抗剪强度与孔隙率有关，孔隙率的降低有利于土体粘聚力的提高。

有益效果：与现有技术相比，本发明将石墨烯作为土中的加固材料，有效提高了土体的粘聚力，在岩土工程实践中具有广阔的应用前景。

附图说明

图1是石墨烯掺量对土样粘聚力的影响的曲线图；

图2是石墨烯掺量对土样摩擦角的影响的曲线图；

图3是含水率对土样粘聚力的影响的曲线图；

图4是含水率对土样摩擦角的影响的曲线图。