纳米二氧化硅粉改良棕榈加筋黏土及其制备方法和应用技术领域
本发明属于建筑学领域，涉及一种改良黏土，具体来说是一种纳米二氧化硅粉改
良棕榈加筋黏土及其制备方法和应用。
背景技术
沿海地区地基土层一般由软土组成，其特点是天然含水量大、压缩系数高、强度
低，并具有蠕变性、触变性等特殊性质，如处理不当，会给公路的施工和使用造成很大的影
响。选用软土作为路基，必须采取切实可行的技术措施。
边坡土质表面生态环境恶劣，如不加处理，容易发生碎落、崩塌，既破坏环境，又影
响道路和桥梁的正常运行。为了保证边坡的稳定性，防止坡体碎落和崩塌，需要采取合理的
工程措施对土体进行改良。
纳米二氧化硅是一种无机化工材料，俗称白炭黑。由于是超细纳米级，尺寸范围在
1-100nm，因此具有许多独特的性质，如具有对抗紫外线的光学性能，能提高其他材料抗老
化、强度和耐化学性能。纳米二氧化硅为无定形白色粉末，无毒、无味、无污染，微结构为球
形，呈絮状和网状的准颗粒结构，分子式和结构式为SiO2，不溶于水。纳米二氧化硅的用途
分非常广泛，一般添加重量在0.5-2％，个别产品体系可到10％以上。
棕榈原产我国，除西藏外我国秦岭以南地区均有分布，北起陕西南部，南到广东、
广西和云南、西达西藏边界，东至上海浙江。从长江出海口，沿长江上游西岸500千米地带广
为分布。棕榈是国内分布最广，分布纬度最高的棕榈科种类，因此棕榈纤维每年产量巨大。
发明内容
针对现有技术中的上述技术问题，本发明提供了一种纳米二氧化硅粉改良棕榈加
筋黏土及其制备方法和应用，所述的这种纳米二氧化硅粉改良棕榈加筋黏土及其制备方法
和应用要解决现有技术中的沿海地区地基土层一般由软土组成，如处理不当，会给公路的
施工和使用造成很大的影响的技术问题，同时要解决边坡土质表面生态环境恶劣，如不加
处理，容易发生碎落、崩塌，既破坏环境，又影响道路和桥梁的正常运行的技术问题。
本发明提供了一种纳米二氧化硅粉改良棕榈加筋黏土，由黏土、棕榈纤维和纳米
二氧化硅粉组成，所述的棕榈纤维的质量为黏土质量的1.2％，所述的纳米二氧化硅粉的质
量为黏土质量的0.7-1.0％，余量为黏土，在所述的加筋黏土中，其含水量在20％-22％之
间。
进一步的，纳米二氧化硅粉的平均粒径15±5nm；黏土的颗粒不大于2mm。
本发明还提供了上述的一种纳米二氧化硅粉改良棕榈加筋黏土的制备方法，包括
如下步骤：
1)取一定质量的黏土，在自然条件下风干后，在碎土机中粉碎后放入烘箱中100～
120℃烘8`16h，之后过2mm土工筛，量取其质量，并均分为三份；
2)将棕榈纤维洗净，自然条件下风干后修剪，其长度为12±2mm，按照黏土质量的
1.2％称取相应棕榈纤维，并均分为三份；
3)称取纳米二氧化硅粉，所述的纳米二氧化硅粉的质量为黏土质量的0.7-1.0％，
取相应质量的并均分为三份；
4)按照黏土-棕榈纤维-纳米二氧化硅粉-黏土-棕榈纤维-纳米二氧化硅粉-黏土-
棕榈纤维-纳米二氧化硅粉的铺设顺序铺设，将三者混合均匀；
5)加水控制土壤的含水量在20％-22％，养护缸中养护20～30小时；
6)在常温条件下蒸发水分至含水量在20％-22％之间，即得到一种纳米二氧化硅
粉改良棕榈加筋黏土。
本发明还提供了上述的纳米二氧化硅粉改良棕榈加筋黏土在土质改良或者边坡
防护中的应用。
本发明将纳米二氧化硅粉、棕榈纤维和黏土结合在一起成形成混合物。纳米二氧
化硅粉均匀得分散在土中，可看做一种匀质的各向同性的材料。这样，混合物中结合纳米二
氧化硅粉，其超细分子呈絮状吸附性强，同时棕榈纤维牢固、耐磨、耐盐、透气、质轻、富有弹
性、耐腐蚀等特性，并且其表面凹凸明显、粗糙、有短绒，且具有一定的“沟槽”，这样的表面
能够显着提高纤维与土之间的机械咬合力，增大棕榈纤维与土之间的摩擦力等特点，使纳
米二氧化硅粉、棕榈纤维和黏土的混合物不存在明显的水土流失的薄弱面，混合的效果使
黏土在承受外力雨水冲刷时，表现出水土流失不严重，粘结力更好的状态。纳米二氧化硅粉
混合于棕榈纤维加筋黏土中既拓展了纳米二氧化硅粉的用途，又做到了棕榈纤维在道路建
筑业上经济环保可循环利用的特点，拓宽了土地可持续发展的方法。
本发明的纳米二氧化硅粉改良棕榈加筋黏土的强度性能主要表现在提高土壤的
内摩擦角、提高土壤的粘聚力、增强土壤抗剪强度。利用纳米二氧化硅超细分子粉絮状吸附
性强等性质以提高黏土的粘聚力，可取得生态与经济的双重效益。
本发明和已有技术相比，其技术进步是显著的。本发明采用的纳米二氧化硅粉超
细分子呈絮状吸附性强，其生产工艺现在已经大大提高，可满足工程需求，并且成本低，无
毒无害性质稳定效果持久，为改良加筋黏土提供了新方法。本发明改善了土壤结构性，提高
土体粘聚力、内摩擦角和抗剪强度；本发明采用的纳米二氧化硅粉、棕榈纤维和黏土的适宜
的质量比，不仅能最大限度改善黏土的结构特性，还能增强黏土的抗剪强度。而且本发明不
需要对土地进行任何工程改造，后期管理简单、操作方便，施加时无特定要求。
附图说明
图1是本发明纳米二氧化硅粉改良棕榈纤维加筋黏土的制备方法的流程图。
图2是纳米SiO2对质量加筋率为1.2％的棕榈加筋黏土的剪切位移-剪应力关系曲
线(σn＝100kPa)。
图3是纳米SiO2对质量加筋率为1.2％的棕榈加筋黏土的剪切位移-剪应力关系曲
线(σn＝200kPa)。
图4是纳米SiO2对质量加筋率为1.2％的棕榈加筋黏土的剪切位移-剪应力关系曲
线(σn＝400kPa)。
图5是纳米SiO2对质量加筋率为1.2％的棕榈纤维加筋黏土的垂直荷载与最大剪
切强度的关系。
具体实施方式
下面结合试验实例对本发明进一步说明
实施例1
如图1所示，首先，进行黏土的制备S1。将取自上海浦东张江工业园区某大型施工
基坑项目。其土的性质为最大干密度1.62g/cm3，塑限含水率为20.56％，最优含水率
20.72％，液限含水率为42.34％，塑性指数为21.78。在自然条件下风干，碾碎，过筛。使黏土
的颗粒不大于2mm，每组试验分别在密实状态下取2000g的土，并将土均分为三份。
然后，进行棕榈纤维的制备S2。棕榈纤维取自上海崇明，洗净自然条件下风干后修
剪，其长度为12±2mm；制备时按照黏土质量百分比1.2％称取，每组均分为三份。
然后，进行纳米二氧化硅粉的制备S3。纳米二氧化硅粉购于成都麦卡希化工有限
公司，平均粒径15±5nm；制备时按照黏土质量百分比0.7-1.0％称取，每组均分为三份。
然后，进行纳米二氧化硅粉、棕榈纤维和黏土均匀混合S4，按照黏土-棕榈纤维-纳
米二氧化硅粉-黏土-棕榈纤维-纳米二氧化硅粉-黏土-棕榈纤维-纳米二氧化硅粉的顺序
进行铺设，并在搅拌机中充分搅拌混合，得到纳米二氧化硅粉、棕榈纤维和黏土的混合物。
然后，制备混合土拌合物S5，将充分拌合均匀的土中加入水，根据2000ml土的质
量，结合土的液限含水率加入一定量的水，将拌合物在拌合搅拌机内搅拌直到均匀。
然后，置于器皿中S6，养护缸中养护至水分蒸发至20％，在养护箱中养护1天。
最后，得到改良混合物S7。
为测量纳米二氧化硅粉改良棕榈纤维加筋黏土的效果，进行了以下试验组与对照
组的对比。
试验组：
将得到的改良混合物S7在实验室击实后进行直剪试验，共27组。
对照组：
对黏土进行过筛搅拌，同时加入质量百分比1.2％的棕榈纤维，混合均匀后加水至
最佳含水率20％，养护箱中养护1天，在与试验组条件一样的条件下在实验室击实后进行直
剪试验，共9组。
图2、3、4为混合土的直剪试验抗剪强度结果：
图5为混合土的直剪试验测试的垂直荷载与最大剪切强度结果：
表1为混合土的直剪试验测试的粘聚力和内摩擦角结果：
表1为纳米SiO2作用于质量加筋率为1.2％的棕榈纤维加筋黏土的黏聚力与内摩
擦角。
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从图2、3、4的试验结果可以看出：纳米二氧化硅粉加入棕榈纤维加筋黏土后，黏土
的抗剪强度有了明显变化，其中无论在哪种纳米二氧化硅粉质量百分比中，抗剪强度都呈
增大趋势，其中当纳米二氧化硅粉加入质量百分比为0.7-1.0％时，其抗剪强度增长最大，
而抗剪强度表征了土壤抵抗剪切破坏的能力，进而表征了土壤的强度，因而说明适当的纳
米二氧化硅粉改良棕榈纤维加筋黏土后土体强度明显增强了。
从表1中可以看出，在配比中，土壤的粘聚力明显提高。在纳米二氧化硅粉加入质
量百分比为0.7-1.0％时效果最明显。加入纳米二氧化硅粉后，土壤的粘聚力增大了，表明
土壤分子之间的吸引能力增强，所以土壤的粘聚力得到提高，所以土壤的抗剪强度增强。因
此，将纳米二氧化硅粉作为棕榈纤维加筋黏土的改良剂，是提高黏土强度的一种方法。
从表1可以看出：纳米二氧化硅粉加入棕榈纤维加筋黏土后，可以提高土壤的内摩
擦角。土的内摩擦角反映了土的摩擦特性，一般认为包含两个部分：土颗粒的表面摩擦力，
颗粒间的嵌入和联锁作用产生的咬合力。内摩擦角是土力学上很重要的一个概念。土壤的
内摩擦角的增加对土壤强度尤其是抗剪强度有提高作用。因此，最大幅度提高土壤的内摩
擦角对提高黏土的抗剪强度是十分有利的，从表中可以看到，当纳米二氧化硅粉加入质量
百分比为0.7-1.0％时其对棕榈纤维加筋黏土的改良效果是最明显的。
纳米二氧化硅粉、棕榈纤维和黏土按照一定比例混合后，对黏土的抗剪强度、粘聚
力和内摩擦角都有显着提高；并且，纳米二氧化硅粉十分稳定，无毒无害不易被腐蚀融掉，
其效力可持久存在，长久提高土壤抗剪强度；并且棕榈纤维对环境十分友好，纤维即使被分
解后也不会对环境造成危害；所以，在农业种植方面拥有广泛前景。
具体实施方法的效果：本发明所取得效果，与素土相比，其抗剪强度最大提高了
43％，粘聚力最大提高了56％，内摩擦角最大提高了15％。
以上，仅为本发明的一种具体实施方式，并非限定本发明实施范围，由本发明引出
的显而易见的变化，仍属本发明的保护范围之内。