【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及土工试验，特别涉及一种利用纳米压痕和弯曲元反演水泥土力学性能的方法。
技术介绍
1、我国沿海、沿江地区广泛分布软黏土，因其具有“三高两低”的不良工程地质特性（高含水量、高孔隙比、高压缩性、低渗透性和低强度），从而长期困扰该地区的基础设施规划和建设。因此，如何既经济又高效地加固软黏土，就成为工程建设亟待解决的重点和难点。
2、目前，水泥系软土地基加固方法已经得到长足发展，以浅/深层搅拌桩、高压旋喷桩技术为例，其本质是利用水泥基材料与土体之间发生物理、物理-化学或化学反应，通过水化产物的胶结、填充作用，使软土形成具有较高强度和水稳定性的复合增强体。其中，水泥基材料（包括硅酸盐水泥和工业固废）是重要载体。就固化土而言，当前主要理论分析及设计仍沿用同是水泥胶结作用下形成的砂浆/混凝土材料框架。值得指出的是，水泥土与砂浆/混凝土存在较大差别，主要表现为：
3、（1）软黏土为天然级配，而砂浆/混凝土集料则采用富勒或贝雷人工级配；
4、（2）固化土的峰值微观孔径分布于300~1000 nm，而砂浆/混凝土峰值微观孔径则分布于30 nm左右；
5、（3）水泥土里存在大量活性黏土矿物（如高岭石、伊利石和蒙脱石），饱和状态下，黏土矿物会与水泥水化产物发生反应，使得固化土变得多相，而砂浆/混凝土中的砂或碎石则为惰性集料或原生矿物。
6、关于（1）（2）两点，已有研究和实践基本取得了共识。然而，第（3）点“水化产物与黏土矿物在碱性环境下的相互作用过程”，因二者的相互作用过程缓慢，
7、固化土多相、多过程和多尺度耦合的显著特点给深入认识固化土强度形成机制带来许多富有挑战性难题。现场水泥土强度测试以取芯后进行无侧限抗压强度为主，费时费力且对搅拌桩力学性能带来不利影响。当前国内外的固化土相关研究大多停留在基于宏观或者唯象层面表征固化土变形和破坏等力学特性，无法合理描述微纳观尺度固化土的力学特性，跨尺度关联模型的研究更是近乎空白。近年来，在材料测试技术日益发展的今天，岩土工程以外的诸多领域已通过材料科学的进步完成物相识别技术的更新。越来越多的岩土工程工作者采用新的技术，通过微纳观层次对水泥土进行其力学性质研究。
8、例如专利cn116330002a公开了一种土体微纳米界面力学与表面形貌表征方法，通过对块状土体微纳米界面力学与表面形貌进行无损精细表征，真实、全面反映了其微纳米界面力学与表面形貌；专利cn104677708b公开了一种纳米水泥土真三轴试样的制样方法，可以最大限度的减少真三轴试样制作缺陷对纳米水泥土力学测试的不利影响；专利cn110987619b公开了一种固化剂稳定水泥土大三轴试样抗拉强度测试系统，可为地基土体的宏观力学性能提供实验数据支撑。但现有公开专利主要针对单元尺度进行力学性能分析，未能进行多尺度一体化的力学性能分析。若能通过室内试验明晰水化产物和黏土矿物在微纳-细-宏观的力学响应规律，构建多尺度一体化链接模型，不仅可明晰软土中黏土矿物与水泥基材料水化产物间的反应机制，还可为水泥固化软黏土的宏观力学性能的预测提供普适性科学依据。
技术实现思路
1、本专利技术所要解决的技术问题是，提供一种利用纳米压痕和弯曲元反演水泥土力学性能的方法，基于黏土矿物-水化产物相互作用多尺度力学模型，通过纳米压痕和弯曲元测试等无损测试方法，反演出给定成分，包括黏土矿物和水化产物种类及丰度的固化土的宏观力学性能，科学有效指导水泥土的设计及施工。
2、为解决上述技术问题，本专利技术采用的技术方案为，一种利用纳米压痕和弯曲元反演水泥土力学性能的方法，包括以下步骤：
3、步骤一，选定实验材料：
4、材料包括两部分，其中一部分为单矿黏土高岭土、伊利土、膨润土和绿泥土，另一部分为高温煅烧制备的单矿熟料c3s、c2s、c3a和c4af；
5、步骤二，配置试样：
6、水化产物-黏土矿物复配固化土按照相应的配合比，一共设置了16种配比试样；
7、步骤三，制作试样：
8、将试样制作成浆体，倒入可拆卸的试模中，置于恒温恒湿养护室中养护60天过后切割试样块；
9、步骤四，纳米压痕试验：
10、对测试试样开展纳米压痕测试，采用一个较小的尖端压头压入试样内部，进而得到一个荷载 p-位移 h曲线，通过应用一个连续尺度力学模型，可以从荷载 p-位移 h曲线中选取参数，再通过两个力学公式计算，分别得到被测材料压痕位置处的压痕硬度 h和压痕模量 m，以此得到大量微纳观模量数据，通过大数据解卷积和均匀化自洽模型，得到固化土微纳观尺度模量 e1；
11、步骤五，小应变弯曲元试验：
12、弯曲元测试采用的是gds-bes系统，该系统由函数发生器、电荷放大器、发射弯曲元、接收弯曲元、电荷放大器、示波器和计算机数据采集系统组成；将试样固定于接收和发射弯曲元之间后，对试样进行弯曲元测试，获得剪切波传播时间 ts，测量剪切波传播的真实距离 h，然后采用位移 h-时间 ts公式计算得到剪切波速vs，进而通过剪切模量g-剪切波速vs公式得到固化土细观尺度模量 e2；
13、步骤六，无侧限抗压强度测试：
14、无侧限抗压强度测试设备为50 kn的压力机，试验中加载速率为1.0 mm/min，当应力-应变曲线达到峰值荷载或者应变超过15%时则停止加载，该强度对应为无侧限抗压强度值，得到固化土宏观尺度剪切模量 e3；
15、步骤七，建立不同单矿熟料固化单矿黏土的微纳-细-宏观的力学性能关系：
16、建立固化土微纳观、细观模量、宏观模量和黏土矿物种类及单矿熟料种类的函数关系；
17、步骤八，测定待反演固化土的力学性能：
18、测定待反演固化土的黏土矿物和水泥基材料组分，测定固化土微纳观或细观模量 e1、 e2；
19、步骤九，反演固化土的宏观模量：
20、根据固化土组分和微纳/细观模量，通过步骤六、七计算反演得到固化土的宏观模量 e3。
【技术保护点】
1.一种利用纳米压痕和弯曲元反演水泥土力学性能的方法，其特征在于：包括以下步骤：
2.根据权利要求1所述的一种利用纳米压痕和弯曲元反演水泥土力学性能的方法，其特征在于：步骤一中所述熟料C3S、C2S、C3A和C4AF的主要原料选用市售分析纯试剂CaCO3、SiO2、Al2O3和Fe2O3，纯度均超过99wt.%，此外，还包含了微量矿化剂CaF2。
3.根据权利要求1所述的一种利用纳米压痕和弯曲元反演水泥土力学性能的方法，其特征在于：步骤三中所述试样，是将浆体倒入直径为50mm、高度为50mm的可拆卸试模中，置于温度为20±3°C、湿度为90%的恒温恒湿养护室中养护60天；养护60天后，从脱模后试样的中心部分切下棱长约为1cm的立方体试样。
4.根据权利要求1所述的一种利用纳米压痕和弯曲元反演水泥土力学性能的方法，其特征在于：步骤四中所述纳米压痕试验，是试样养护60天后脱模冷却，在一个微小变形下得到各组分的压痕硬度H和压痕模量M，纳米压痕测试前需采用原子力探针显微镜对试样表面进行平整度测试试验。
5.根据权利要求4所述的一种利用纳米压
6.根据权利要求1所述的一种利用纳米压痕和弯曲元反演水泥土力学性能的方法，其特征在于：步骤四中所述纳米压痕试验中，每组试样分别随机选取3块区域压10×10的矩阵网格，共计300个点，每个点的间距设为30µm。
7.根据权利要求1所述的一种利用纳米压痕和弯曲元反演水泥土力学性能的方法，其特征在于：步骤四中所述被测材料压痕位置处的压痕硬度H和压痕模量M两个力学参数公式为：
8.根据权利要求1所述的一种利用纳米压痕和弯曲元反演水泥土力学性能的方法，其特征在于，步骤五所述位移H-时间ts公式和剪切模量E2-剪切波速Vs公式分别为：
9.根据权利要求1所述的一种利用纳米压痕和弯曲元反演水泥土力学性能的方法，其特征在于：步骤六中所述无侧限抗压强度测试或现场回弹模量测试中，在测试之前，每个试样的质量和尺寸都再次进行了测量，避免养护差异对试验结果造成的干扰；在加载前需要在试样两端均匀涂抹凡士林，避免试样和承载板/压头之间摩擦引起的紧箍效应。
10.根据权利要求1所述的一种利用纳米压痕和弯曲元反演水泥土力学性能的方法，其特征在于，步骤七中所述建立不同单矿熟料固化单矿黏土的微纳-细-宏观的力学性能关系，所建立的函数关系如下：
...【技术特征摘要】
1.一种利用纳米压痕和弯曲元反演水泥土力学性能的方法，其特征在于：包括以下步骤：
2.根据权利要求1所述的一种利用纳米压痕和弯曲元反演水泥土力学性能的方法，其特征在于：步骤一中所述熟料c3s、c2s、c3a和c4af的主要原料选用市售分析纯试剂caco3、sio2、al2o3和fe2o3，纯度均超过99wt.%，此外，还包含了微量矿化剂caf2。
3.根据权利要求1所述的一种利用纳米压痕和弯曲元反演水泥土力学性能的方法，其特征在于：步骤三中所述试样，是将浆体倒入直径为50mm、高度为50mm的可拆卸试模中，置于温度为20±3°c、湿度为90%的恒温恒湿养护室中养护60天；养护60天后，从脱模后试样的中心部分切下棱长约为1cm的立方体试样。
4.根据权利要求1所述的一种利用纳米压痕和弯曲元反演水泥土力学性能的方法，其特征在于：步骤四中所述纳米压痕试验，是试样养护60天后脱模冷却，在一个微小变形下得到各组分的压痕硬度h和压痕模量m，纳米压痕测试前需采用原子力探针显微镜对试样表面进行平整度测试试验。
5.根据权利要求4所述的一种利用纳米压痕和弯曲元反演水泥土力学性能的方法，其特征在于，所述平整度测试试验的具体步骤如下：
【专利技术属性】
技术研发人员：吴军，万昌明，邓永锋，谈云志，明华军，李辉，张伦，
申请(专利权)人：三峡大学，
类型：发明
国别省市：
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