本发明公开了属于土木工程材料领域的一种高性能水泥土及其制备方法，使用天然纤维和纳米材料来协同改善水泥土的性能。本发明的高性能水泥土的制备方法包括如下步骤：将天然土料烘干、粉碎、过筛，得到干细的天然土料；将天然纤维和纳米材料进行超声粘结制得纳米材料天然纤维复合材料并进行干燥；将上述干燥的纳米材料天然纤维复合材料加入干细的天然土料中，加水搅拌均匀后放置在湿润的容器内；在上述混合土料中加入水泥和水搅拌均匀即得到高性能水泥土。本发明制备的高性能水泥土能大幅度提高水泥土的韧性和强度，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，可广泛应用于路基工程、护坡工程和地基加固工程等。
1.一种高性能水泥土的制备方法，其特征在于，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％；所述纳米材料为无机纳米材料，选自纳米硅粉、纳米三氧化二铝、纳米氢氧化钙、纳米石膏或纳米水玻璃中的一种；所述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。
2.根据权利要求1所述的高性能水泥土的制备方法，其特征在于，步骤(1)中所述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。
3.根据权利要求2所述的高性能水泥土的制备方法，其特征在于，所述植物纤维为种子纤维、韧皮纤维、植物叶纤维或果实纤维；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。
4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤(1)中所述超声的时间为10min～300min，超声所采用的超声波装置的频率为10KHz～10MHz，功率为10W～2KW。
5.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤(1)所述干燥的时间为10min～60min，温度为30℃～100℃。
6.权利要求1～5任一项所述的制备方法制备的高性能水泥土。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。（4）本发明制备的高性能水泥土强度可调，无论是高性能水泥土的强度或某一耐久性能，均可从原料组成配比中加以适当调整，以满足工程需要。（5）本发明用将回转式烘干机将热空气或热烟气将热量传给天然土料，使水分蒸发，同时依靠通风设备的作用，使干燥设备内的天然土料不断更新，以排除水汽，更效率地对天然土料进行干燥，将得到的干土料磨碎、过筛去杂得到干细土料。这样一套工序能使得加入的纳米材料天然纤维经过搅拌后均匀地分散在干细土料中，使得纳米材料天然纤维水泥土的性能稳定。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行详细的说明，但并不因此而限制本发明的保护范围。下述实施例采用的超声波解离装置规格为：频率10KHz，最大功率为900W。显然，在本发明中还可以采用其他能产生符合要求的频率为10KHz～10MHz、功率为10W～2KW的超声波设备，类似的设备还有超声波纳米自备机、超声波振荡器、超声波匀浆机等具有超声波发生器和超声波振动系统的超声波类装置。下述实施例采用的回转式烘干机的转速为8r/min，功率为8KW。显然，在本发明中还可以采用其他能烘干土料的转速为1r/min～10r/min和功率为3KW～75KW的回转式烘干机，类似的设备还有液流烘干机、流态烘干机等具有干燥土料功能的烘干机。下述实施例采用的方孔筛的孔径为5mm。显然，在本发明中还可以采用其他孔径为0.075mm～30mm的方孔筛或圆孔筛。实施例1高性能水泥土的具体制备步骤如下：（1）将清华大学某草地的pH值为4～10的天然土料放入回转式烘干机，在40℃下处理60min，烘干得到干土料，将干土料在粉碎机上粉碎后通过孔径为5mm的方孔筛得到干细的天然土料；（2）按照重量比1:1将直径约为20μm、长度约为20mm的蚕丝纤维和纳米硅粉混合，放入超声波解离装置中超声粘结10min，取出后在30℃的烘箱中干燥60min，得到纳米硅粉蚕丝纤维复合材料；（3）按以下重量百分比称取原料：干细的天然土料：70%；强度等级为42.5的普通硅酸盐水泥：20%；纳米硅粉蚕丝纤维复合材料：10%；（4）将纳米硅粉蚕丝纤维复合材料加入干细的天然土料中，搅拌均匀，随后加入水，搅拌均匀，其中加入的水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；（5）取出步骤（4）中容器内的混合料，加入水泥与水，搅拌均匀，得到高性能水泥土，其中加入的水占干细天然土料和水泥总重的10%。实施效果：本实施例制备的高性能水泥土，与干细的天然土料、水泥的重量比为7：2的常规水泥土相比，7天后，其韧性提高了64%，抗压强度提高了17%，抗拉强度提高了46%；28天后，其韧性提高了81%，抗压强度提高了19%，抗拉强度提高了58%。与干细的天然土料、水泥、蚕丝纤维的重量比7：2：1的蚕丝纤维水泥土相比，7天后，本实施例制备的高性能水泥土的韧性提高了3%，抗压强度提高了2%，抗拉强度提高了3%；28天后，其韧性提高了7%，抗压强度提高了3%，抗拉强度提高了11%。而与干细天然土料、水泥、纳米硅粉的重量比为7：2：1的纳米硅粉水泥土相比，7天后，本实施例制备的高性能水泥土的韧性提高了17%，抗压强度提高了9%，抗拉强度提高了16%；28天后，其韧性提高了45%，抗压强度提高了12%，抗拉强度调高了22%。实施例2高性能水泥土的具体制备步骤如下：（1）将清华大学某草地的pH值为4～10的天然土料放入回转式烘干机，在50℃下处理40min，烘干得到干土料，将干土料在粉碎机上粉碎后通过孔径为5mm的方孔筛得到干细的天然土料；（2）按照重量比1:3将直径约为10μm、长度约为30mm的植物叶纤维和纳米石膏混合，放入超声波解离装置中超声粘结60min，取出后在40℃的烘箱中干燥50min，得到纳米石膏叶纤维复合材料；（3）按以下重量百分比称取原料：干细的天然土料：75%；强度等级为42.5的普通硅酸盐水泥：17%；纳米石膏植物叶纤维复合材料：8%；（4）将纳米硅粉蚕丝纤维复合材料加入干细的天然土料中，搅拌均匀，随后加入水，搅拌均匀，其中加入的水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；（5）取出步骤（4）中容器内的混合料，加入水泥与水，搅拌均匀，得到高性能水泥土，其中加入的水占干细天然土料和水泥总重的10%。实施效果：本实施例制备的高性能水泥土，与干细的天然土料、水泥的重量比为5：1的常规水泥土相比，7天后，其韧性提高了58%，抗压强度提高了12%，抗拉强度提高了42%；28天后，其韧性提高了63%，抗压强度提高了17%，抗拉强度提高了51%。与干细的天然土料、水泥、植物叶纤维的重量比为75：17：8的植物叶纤维水泥土相比，7天后，本实施例制备的高性能水泥土的韧性提高了3%，抗压强度提高了5%，抗拉强度提高了4%；28天后，其韧性提高了7%，抗压强度提高了3%，抗拉强度提高了11%。而与干细天然土料、水泥、纳米石膏的重量比为75：17：8的纳米石膏水泥土相比，7天后，本实施例制备的高性能水泥土的韧性提高了15%，抗压强度提高了4%，抗拉强度提高了13%；28天后，其韧性提高了45%，抗压强度提高了7%，抗拉强度调高了18%。实施例3高性能水泥土的具体制备步骤如下：（1）将清华大学某草地的pH值为4～10的天然土料放入回转式烘干机，在60℃处理30min，烘干得到干土料，将干土料在粉碎机上粉碎后通过孔径为5mm的方孔筛得到干细的天然土料；（2）按照重量比1:5将直径约为100μm、、长度约为100mm的亚麻纤维和纳米三氧化二铝混合，放入超声波解离装置中超声粘结180min，取出后在70℃的烘箱中干燥40min，制得纳米三氧化二铝亚麻纤维复合材料；（3）按以下重量百分比称取原料：干细的天然土料：70%；强度等级为42.5的普通硅酸盐水泥：25%；纳米三氧化二铝亚麻纤维复合材料：5%；（4）将纳米硅粉蚕丝纤维复合材料加入干细的天然土料中，搅拌均匀，随后加入水，搅拌均匀，其中加入的水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；（5）取出步骤（4）中容器内的混合料，加入水泥与水，搅拌均匀，得到高性能水泥土，其中加入的水占干细天然土料和水泥总重的10%。实施效果：本实施例制备的高性能水泥土，与干细的天然土料：水泥=70：25的常规水泥土相比，7天后，其韧性提高了42%，抗压强度提高了12%，抗拉强度提高了25%；28天后，其韧性提高了56%，抗压强度提高了15%，抗拉强度提高了31%。与干细的天然土料、水泥、亚麻纤维的重量比为70：25：5的亚麻纤维水泥土相比，7天后，本实施例制备的高性能水泥土的韧性提高了6%，抗压强度提高了1%，抗拉强度提高了5%；28天后，其韧性提高了8%，抗压强度提高了4%，抗拉强度提高了9%。而与干细天然土料、水泥、纳米三氧化二铝的重量比为70：25：5的纳米三氧化二铝水泥土相比，7天后，本实施例制备的高性能水泥土的韧性提高了19%，抗压强度提高了4%，抗拉强度提高了11%；28天后，其韧性提高了27%，抗压强度提高了7%，抗拉强度调高了13%。实施例4高性能水泥土的具体制备步骤如下：（1）将清华大学某草地的pH值为4～10的天然土料放入回转式烘干机，在80℃下处理20min，烘干得到干土料，将干土料在粉碎机上粉碎后通过孔径为5mm的方孔筛得到干细的天然土料；（2）按照重量比1:7将直径约为0.01μm、长度约为0.1mm的胶原蛋白纤维和纳米水玻璃混合，放入超声波解离装置中超声粘结240min，取出后在90℃的烘箱中干燥10min，得到纳米水玻璃胶原蛋白纤维复合材料；（3）按以下重量百分比称取原料：干细的天然土料：75%；强度等级为42.5的普通硅酸盐水泥：22%；纳米水玻璃胶原蛋白纤维复合材料：3%；（4）将纳米硅粉蚕丝纤维复合材料加入干细的天然土料中，搅拌均匀，随后加入水，搅拌均匀，其中加入的水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；（5）取出步骤（4）中容器内的混合料，加入水泥与水，搅拌均匀，得到高性能水泥土，其中加入的水占干细天然土料和水泥总重的10%。实施效果：本实施例制备的高性能水泥土，与干细的天然土料：水泥=75：22的常规水泥土相比，7天后，其韧性提高了39%，抗压强度提高了12%，抗拉强度提高了18%；28天后，其韧性提高了48%，抗压强度提高了14%，抗拉强度提高了27%。而与干细的天然土料：水泥：胶原蛋白纤维=7：2：1的蚕丝纤维水泥土相比，7天后，本实施例制备的高性能水泥土的韧性提高了5%，抗压强度提高了2%，抗拉强度提高了2%；28天后，其韧性提高了9%，抗压强度提高了3%，抗拉强度提高了7%。而与干细天然土料：水泥：纳米水玻璃=70：25：5的纳米水玻璃水泥土相比，7天后，本实施例制备的高性能水泥土的韧性提高了17%，抗压强度提高了5%，抗拉强度提高了12%；28天后，其韧性提高了23%，抗压强度提高了6%，抗拉强度调高了14%。实施例5高性能水泥土的具体制备步骤如下：（1）将清华大学某草地的pH值为4～10的天然土料放入回转式烘干机在110℃处理5min，烘干得到干土料，将干土料在粉碎机上粉碎后通过孔径为5mm的方孔筛得到干细的天然土料；（2）按照重量比1:10将直径约为40μm、长度约为40mm的甲壳素纤维和纳米氢氧化钙混合，放入超声波解离装置中超声粘结300min，取出后在100℃的烘箱中干燥10min，制得纳米氢氧化钙甲壳素纤维复合材料；（3）按以下重量百分比称取原料：干细的天然土料：90%；强度等级为42.5的普通硅酸盐水泥：9%；纳米氢氧化钙甲壳素纤维复合材料：1%；（4）将纳米硅粉蚕丝纤维复合材料加入干细的天然土料中，搅拌均匀，随后加入水，搅拌均匀，其中加入的水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；（5）取出步骤（4）中容器内的混合料，加入水泥与水，搅拌均匀，得到高性能水泥土，其中加入的水占干细天然土料和水泥总重的10%。实施效果：本实施例制备的高性能水泥土，与干细的天然土料、水泥的重量比为10：1的常规水泥土相比，7天后，其韧性提高了12%，抗压强度提高了4%，抗拉强度提高了5%；28天后，其韧性提高了27%，抗压强度提高了7%，抗拉强度提高了7%。与干细的天然土料、水泥、甲壳素纤维的重量比为90：9：1的甲壳素纤维水泥土相比，7天后，本实施例制备的高性能水泥土的韧性提高了4%，抗压强度提高了2%，抗拉强度提高了2%；28天后，其韧性提高了7%，抗压强度提高了3%，抗拉强度提高了5%。而与干细天然土料、水泥、纳米氢氧化钙的重量比为90：9：1的纳米氢氧化钙水泥土相比，7天后，本实施例制备的高性能水泥土的韧性提高了7%，抗压强度提高了2%，抗拉强度提高了4%；28天后，其韧性提高了13%，抗压强度提高了3%，抗拉强度调高了5%。在详细说明的较佳实施例之后，熟悉该项技术的人士可清楚的了解，在不脱离上述申请专利范围与精神下可进行各种变化与修改，凡依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均属于本发明技术方案的范围。