水泥硅灰固化超鹽漬土的抗剪強度試驗

李宏波，田軍倉，陳文兵，吳振華

(寧夏大學(xué)a.土木與水利工程學(xué)院;b.寧夏節(jié)水灌溉與水資源調(diào)控工程技術(shù)研究中心;c.旱區(qū)現(xiàn)代農(nóng)業(yè)水資源高效利用教育部工程研究中心，銀川750021)

0 引言

寧夏各類鹽漬土土地3 850 km2，占寧夏土地總面積的7.4%，其中80%左右的鹽漬土在北部。在鐵路、公路和水利工程的建設(shè)中，其基礎(chǔ)不可避免地填筑在鹽漬土之上，或者利用鹽漬土作為填料修筑路基，由于鹽漬土的鹽脹性和溶陷性危及到工程的安全運營，故工程地基填料的選擇和對不良填料的改良關(guān)系到工程穩(wěn)定性及運營的安全性[1]。利用物理、化學(xué)及物理化學(xué)方法改良固化鹽漬土，可提高鹽漬土的強度和剛度[2－7]。水泥和石灰摻入各種土中，通過化學(xué)作用，可以改良土的工程性能和抗鹽堿性[8－12]。

文獻(xiàn)[13]試驗結(jié)果表明，普通水泥中摻入硅灰可顯著提高抗硫酸鹽侵蝕性能，并且在15%摻量范圍內(nèi)，摻量越大，其抗蝕能力越強;文獻(xiàn)[14－16]研究結(jié)果表明，硅灰可以提高混凝土中固化氯離子的比例，降低混凝土結(jié)構(gòu)中鋼筋的銹蝕概率，再生混凝土中加入礦物摻和料，能夠有效地提高再生粗骨料混凝土的抗?jié)B性能;文獻(xiàn)[17－18]研究結(jié)果表明，堿性激發(fā)劑對水泥－錳渣膠凝材料活性的激發(fā)效果因品種而異;文獻(xiàn)[2，6，12]研究結(jié)果表明，適量堿激發(fā)礦渣類土后其強度會增強。

前人研究成果都是采用硅灰對混凝土性能的改良，未利用硅灰對鹽漬土進(jìn)行改良。本文為分析硅灰替代水泥對固化鹽漬土的抗剪強度影響，通過三軸試驗測定其抗剪強度指標(biāo)，分析了水泥、硅灰摻量對固化超鹽漬土的抗剪強度的影響。

1 試驗部分

1.1 試驗材料

水泥(C)采用寧夏賽馬實業(yè)股份有限公司生產(chǎn)的賽馬牌水泥P.O 32.5。硅灰(SF)產(chǎn)于中通偉業(yè)工程材料有限公司，化學(xué)成分見表1。鹽漬土取自寧夏平羅縣姚伏鎮(zhèn)，土中可溶性鹽組分分析結(jié)果見表2;其液限為36.54，塑限為22.2;電導(dǎo)率16.4 S/m，全鹽20.96%，pH值8.85，屬于超鹽漬土。

1.2 試驗方案

為研究硅灰不同替代水泥摻量對水泥改良固化鹽漬土抗剪強度指標(biāo)的影響規(guī)律，水泥土中水泥(C)摻量一般限制在6%以內(nèi)。已有研究表明，混凝土中硅灰(SF)替代水泥摻量在10%～18%較佳，本試驗中硅灰替代水泥摻量分別為10%、20%、30%，水泥摻量分別為2%、4%、6%，以確定寧夏平羅地區(qū)改良固化超鹽漬土的最優(yōu)水泥摻量和硅灰替代水泥摻量。試驗方案見表3。

超鹽漬土作為鐵路、公路路基和渠道地基填料，其施工速度較快，土層較厚，故采用不固結(jié)不排水試驗。最大干密度和最佳含水量見表4，硅灰摻量較少，對水泥鹽漬土最大干密度和最佳含水量的影響較少，采用水泥摻量相同的鹽漬土的最佳含水量和最大干密度，按96%壓實度每組試驗制作8個試塊，依照三軸試驗規(guī)程分別測定計算7、28 d齡期的抗剪強度指標(biāo)。

表1 硅灰化學(xué)成分Table 1 Chemical composition of silica fumewB/%

表2 鹽漬土中可溶性鹽組分分析結(jié)果Table 2 Analysis of soluble salts in saline soilmmol/kg

表3 試驗方案Table 3 Experiment schemewB/%

表4 水泥鹽漬土的最佳含水量與最大干密度Table 4 Correlation of optimum water content with maximum dry density of salinized soil groups

2 試驗結(jié)果與分析

2.1 抗剪強度分析

2.1.17 d齡期抗剪強度分析7 d齡期試塊的三軸試驗結(jié)果見表5。其中，C6SF30試樣在養(yǎng)護(hù)3 d后，發(fā)生了自然開裂破壞(圖1)，其余試樣未發(fā)生破壞。

圖1 試樣C6SF30自然開裂破壞形貌Fig.1 Natural crack morphology of C6SF30

由表5可知，7 d齡期固化超鹽漬土的摩擦角和粘聚力隨著水泥摻量的增加而增加。從圖2、圖3可以看出:(1)當(dāng)水泥摻量為2%，硅灰替代量由0增加到30%時，粘聚力呈先增大后減小的趨勢，最大增幅為9.2%;摩擦角呈增大趨勢，最大增幅為118.9%。(2)當(dāng)水泥摻量為4%，硅灰替代量由0增加到30%時，粘聚力呈先減小后增大的趨勢，最大增幅為19.52%;摩擦角呈減小趨勢，最大降幅為13.4%。(3)當(dāng)水泥摻量為6%，硅灰替代量由0增加到20%時，粘聚力呈增大趨勢，最大增幅為32.9%;摩擦角呈減小趨勢，最大降幅為23.3%。

根據(jù)水泥硅灰固化鹽漬土機理分析，土體強度不是顆粒自身的強度，而是顆粒間的相互作用，由顆粒間摩擦力和粘聚力的大小決定。其中，摩擦力分為滑動摩擦和咬合摩擦，滑動摩擦由顆粒之間發(fā)生滑動時顆粒的粗糙接觸面產(chǎn)生，咬合摩擦為顆粒間對于相對移動的約束作用，由顆粒的形狀和大小、礦物成分、級配等因素決定。對于細(xì)粒土的粘聚力c取決于土顆粒間的靜電力、范德華力、膠結(jié)作用力和毛細(xì)力等。固化鹽漬土的粘聚力和摩擦角主要取決于水泥和硅灰對土體的膠結(jié)作用、形成顆粒形狀和大小。

表5 7d齡期抗剪強度指標(biāo)Table 5 Shear strength index test of 7 d

圖2 7d齡期硅灰替代水泥摻量與粘聚力增量的關(guān)系Fig.2 Correlation between dosage of cement-fly ash and cohesion in increment age 7 d

圖3 7d齡期硅灰替代水泥摻量與摩擦角增量的關(guān)系Fig.3 Correlation between dosage of cement-fly ash and friction angle in increment age 7 d

水泥對鹽漬土的加固機理有四方面:(1)水泥水化作用，通過其自身的水化作用，生成有膠凝結(jié)構(gòu)的產(chǎn)物;(2)水泥的離子交換作用，水泥的鈣離子與土中的鈉、氫、鉀離子產(chǎn)生離子交換作用，原來的鈉鉀土變成鈣土;(3)化學(xué)激發(fā)作用，在堿性條件下，Ca(OH)2激發(fā)了粘土礦物的活性，將粘土顆粒凝結(jié)成整體;(4)碳酸化作用，在土中的Ca(OH)2與空氣中的CO2作用生成CaCO3。

硅灰、水泥共同固化機理:硅灰中含有較多的SiO2、Al2O3、CaO等物質(zhì)，在堿性條件下，與水泥中Ca(OH)2發(fā)生火山灰反應(yīng)，生成水化硅鈣凝膠(C—S—H)。隨著養(yǎng)護(hù)齡期的增加，鹽漬土形成結(jié)晶結(jié)構(gòu)，鹽漬土的板體性、強度和穩(wěn)定性隨之增加。

硅灰和水泥對固化鹽漬土的不利影響:一是硅灰和水泥在固化的過程易產(chǎn)生收縮，使得土體產(chǎn)生裂縫;二是鹽漬土中硫酸鹽吸水結(jié)晶體積增大產(chǎn)生鹽膨脹，可加劇土體的開裂，不同摻量的水泥和硅灰造成的裂縫和土顆粒不同，直接影響著固化土體的粘聚力和摩擦角。隨著水泥和硅灰摻量的增加，上述兩種不利結(jié)果造成了固化鹽漬土的嚴(yán)重開裂(圖1)。

綜上可知，當(dāng)水泥摻量為2%時，硅灰的替代摻量在20%較佳;當(dāng)水泥摻量為4%時，硅灰的替代摻量在10%以內(nèi)較佳;當(dāng)水泥摻量為6%時，僅參考粘聚力增量，硅灰的替代摻量在20%以內(nèi)較佳;當(dāng)硅灰替代為30%時，由于上述兩方面產(chǎn)生裂縫的原因，造成了試樣的開裂破壞。故當(dāng)水泥摻量較高時，可以考慮采用較低硅灰替代摻量。

2.1.2 28d齡期抗剪強度分析28 d齡期試塊的三軸試驗結(jié)果見表6。

表6 28d齡期抗剪強度指標(biāo)Table 6 Shear strength index test of 28 d

28 d齡期固化超鹽漬土的摩擦角和粘聚力隨著水泥摻量的增加而增加。由表6、圖4和圖5得出:(1)水泥摻量為2%，硅灰替代量由0增加到30%時，粘聚力呈先增大后減小的趨勢，最大增幅為9.5%;摩擦角呈增大趨勢，最大增幅為39.7%。(2)水泥摻量為4%、6%時，隨硅灰替代量的增加，粘聚力和摩擦角呈減小趨勢。

圖4 28d齡期硅灰替代水泥摻量與粘聚力增量的關(guān)系Fig.4 Correlation between dosage of cement-fly ash and cohesion in increment age 28 d

圖5 28d齡期硅灰替代水泥摻量與摩擦角增量的關(guān)系Fig.5 Correlation between dosage of cement-fly ash and friction angle in increment age 28 d

隨著齡期和水泥、硅灰摻量的增加，一方面，水泥和硅灰在固化鹽漬土的過程中，其收縮裂縫破壞作用突顯出來，形成的裂縫增多變寬，土顆粒成塊變小，造成粘聚力和摩擦角隨著水泥硅灰摻量的增加而減小;另一方面，隨著齡期的增加，水泥和硅灰對土顆粒固化作用的放緩，而硫酸鹽生成量增加，其體積膨脹可增大1.5～3倍，形成較強的膨脹力，造成粘聚力和摩擦角隨著水泥硅灰摻量的增加而減小。故在利用硅灰和水泥改善鹽漬土?xí)r，當(dāng)水泥摻量在2%時，硅灰摻量采用10%替代量為佳，當(dāng)水泥摻量增加時，要相應(yīng)減少硅灰的替代摻量。

2.2 試樣鹽析出形貌分析

圖6為C2SF10試樣試驗破壞形貌，試樣外表有明顯灰白色的鹽結(jié)皮、鹽霜等特征;圖7為C4SF10試樣試驗的破壞形貌，試樣外表有少量鹽結(jié)皮和較少的鹽霜現(xiàn)象;圖8為C6SF10試樣試驗的破壞形貌，試樣外表鹽結(jié)皮消除，存在少量鹽霜現(xiàn)象?？梢姡嗪凸杌覔搅康脑黾?，可以降低和抑制固化鹽漬土中鹽分的析出，故能有效地減少鹽漬土地基對混凝土基礎(chǔ)或者構(gòu)造物的鹽腐蝕病害。在實際工程中改良超鹽漬土，可通過提高水泥摻量和采用適當(dāng)?shù)墓杌姨娲鄵搅拷档凸こ帖}腐蝕病害。

圖6 C2SF10試樣試驗破壞形貌Fig.6 Damage morphology of C2SF10

圖7 C4SF10試樣試驗破壞形貌Fig.7 Damage morphology of C4SF10

圖8 C6SF10試樣試驗破壞形貌Fig.8 Damage morphology of C6SF10

3 結(jié)論

通過試驗對7、28 d齡期水泥硅灰固化超鹽漬土的抗剪強度分析可以得出以下結(jié)論:

(1)7 d齡期固化超鹽漬土的摩擦角和粘聚力隨著水泥摻量的增加而增加。當(dāng)水泥摻量為2%時，硅灰的替代摻量在20%較佳;當(dāng)水泥摻量為4%時，硅灰的替代摻量在10%以內(nèi)較佳;當(dāng)水泥摻量為6%時，僅參考粘聚力增量，硅灰的替代摻量在20%以內(nèi)較佳。

(2)28 d齡期固化超鹽漬土，在利用硅灰和水泥改善鹽漬土，當(dāng)水泥摻量在2%時，硅灰摻量采用10%替代量為佳，當(dāng)水泥摻量增加時，要相應(yīng)減少硅灰的替代摻量。

(3)水泥和硅灰可以降低和抑制固化鹽漬土中鹽分的析出，故能有效減少鹽漬土地基對混凝土基礎(chǔ)或者構(gòu)造物的鹽腐蝕病害。在實際工程中改良超鹽漬土，可通過提高水泥摻量和采用適當(dāng)?shù)墓杌姨娲鄵搅拷档凸こ帖}腐蝕病害。

[1]付兵先，張千里，史存林，等.凍融循環(huán)條件下延遲時間對水泥改良低液限粉土動力特性影響試驗研究[J].中國鐵道科學(xué)，2010，31(1):9－15.

[2]覃銀輝，何瑋，柴壽喜，等.濱海鹽漬土固化后物理力學(xué)性能試驗研究[J].西安建筑科技大學(xué)學(xué)報:自然科學(xué)版，2007，39(3):408－413.

[3]魏麗，柴壽喜，蔡宏洲，等.麥秸稈加筋濱海鹽漬土的抗剪強度與偏應(yīng)力應(yīng)變[J].土木工程學(xué)報，2012，45(1):109－114.

[4]周永祥，閻培渝.固化鹽漬土的自生體積穩(wěn)定性[J].清華大學(xué)學(xué)報:自然科學(xué)版，2007，47(12):2089－2094.

[5]周永祥，閻培渝.不同類型鹽漬土固化體的干縮與濕脹特性[J].巖土工程學(xué)報，2007，29(11):1653－1658.

[6]周永祥，閻培渝.用于鹽漬土的土壤固化劑的性能研究[J].公路交通科技:應(yīng)用技術(shù)版，2007(8):94－95.

[7]周永祥，閻培渝.固化鹽漬土抗凍融性能的研究[J].巖土工程學(xué)報，2007，29(1):14－19.

[8]李英濤，袁露.水泥改良鹽漬土強度形成機理微觀研究[J].公路，2013(3):164－168.

[9]于新，孫強.水泥石灰改良氯鹽漬土強度特性試驗研究[J].華東交通大學(xué)學(xué)報，2011，28(5):29－34.

[10]程寅，李戰(zhàn)國，鄧曉軒，等.一種新固化材料固化濱海氯鹽漬土的試驗研究[J].巖土工程學(xué)報，2011，33(8):1240－1245.

[11]周琦，韓文峰，鄧安，等.濱海鹽漬土作公路路基填料試驗研究[J].巖土工程學(xué)報，2006，28(9):1177－1180.

[12]李宏波，田軍倉，何芳，等.水泥粉煤灰固化超鹽漬土的力學(xué)性能試驗研究[J].廣西大學(xué)學(xué)報:自然科學(xué)版，2014，39(4):809－816.

[13]梁詠寧，王佳，林旭健.摻合料對混凝土抗硫酸鹽侵蝕能力的影響[J].混凝土，2011(2):63－65.

[14]劉斌云，李凱，趙尚傳.復(fù)摻粉煤灰和硅灰對混凝土抗氯離子滲透性和抗凍性的影響研究[J].混凝土，2011(11):83－85.

[15]楊文武，郭立杰，王璐.海工硅灰混凝土抗凍性和抗氯離子滲透性與孔結(jié)構(gòu)的研究[J].大連民族學(xué)院學(xué)報，2012，14(3):246－250.

[16]楊文武，錢覺時，黃煜鑌.海洋環(huán)境下硅灰混凝土的抗凍性與氯離子擴散性[J].重慶大學(xué)學(xué)報:自然科學(xué)版，2009，32(2):158－162.

[17]王振軍，陳平，陸海，等.錳渣微粉－石灰石粉作為水泥混合材的試驗[J].桂林理工大學(xué)學(xué)報，2011，31(3):439－442.

[18]陳平，劉榮進(jìn)，陸志星.化學(xué)激發(fā)劑對水泥－錳渣膠凝材料性能的影響[J].桂林理工大學(xué)學(xué)報，2010，30(2):282－288.