固化沙漠風(fēng)積砂土強(qiáng)度特性分析

劉俊芳，蘇躍宏

(內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)大學(xué)　土木學(xué)院，內(nèi)蒙古　呼和浩特　010051)

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固化沙漠風(fēng)積砂土強(qiáng)度特性分析

劉俊芳，蘇躍宏

(內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)大學(xué)土木學(xué)院，內(nèi)蒙古呼和浩特010051)

摘要：為研究固化沙漠風(fēng)積砂土的強(qiáng)度特性，擴(kuò)大其在道路工程中的應(yīng)用范圍，從強(qiáng)度角度分析其作為路面結(jié)構(gòu)底基層的適用性。采用路面材料強(qiáng)度儀測定了不同固化劑含量的固化沙漠風(fēng)積砂土的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度值，利用電鏡掃描(SEM)技術(shù)對風(fēng)積砂土以及添加了PX固化劑的固化風(fēng)積砂土的微觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，結(jié)合二者揭示固化沙漠風(fēng)積砂土的強(qiáng)度特性及強(qiáng)度形成機(jī)理。研究結(jié)果表明：(1)摻量為10%的PX固化劑固化風(fēng)積砂土，其7 d無側(cè)限抗壓強(qiáng)度達(dá)到路面結(jié)構(gòu)底基層的強(qiáng)度要求；(2)固化土強(qiáng)度與固化劑摻量有關(guān)，10%為最佳摻量；(3)SEM圖像顯示風(fēng)積砂土加入固化劑后，形成一部分由凝膠體和團(tuán)粒組成的粒間填充物，使土體間的黏結(jié)強(qiáng)度發(fā)生變化，這是其強(qiáng)度增長的主要原因。

關(guān)鍵詞：道路工程；風(fēng)積砂土；掃描電鏡(SEM)；微觀結(jié)構(gòu)；PX固化劑

0引言

我國的沙漠比較多，沙漠總面積約為130×104km2，約占全國土地面積的13%左右。沙漠風(fēng)積砂土是天然的建筑材料庫，合理利用沙漠風(fēng)積砂土，將會帶來可觀的經(jīng)濟(jì)效益。近年來很多學(xué)者致力于沙漠風(fēng)積砂土的工程應(yīng)用研究[1-4]，采用固化劑對沙漠風(fēng)積砂土進(jìn)行改良后應(yīng)用也有報(bào)道[5-7]。鑒于土性的時(shí)空變異性，本文以庫布其沙漠風(fēng)積砂土為研究對象，首先采用土壤固化劑固化庫布其沙漠風(fēng)積砂土，然后在實(shí)驗(yàn)室測定其無側(cè)限抗壓強(qiáng)度，同時(shí)利用掃描電鏡技術(shù)(SEM)對其強(qiáng)度增長機(jī)理進(jìn)行分析，從而探討其強(qiáng)度方面應(yīng)用于路面結(jié)構(gòu)底基層的可行性，以及強(qiáng)度的發(fā)展機(jī)理，為固化風(fēng)積砂土應(yīng)用與路面結(jié)構(gòu)底基層做理論上的指導(dǎo)。

1庫布其沙漠風(fēng)積砂土特性

試樣土樣取自伊克昭盟達(dá)拉特旗境內(nèi)的庫布其沙漠邊緣。土樣的級配情況與物理指標(biāo)見表1、表2。從表中可看出，風(fēng)積砂土粒徑單一，大多集中在0.25～0.1 mm，微小的黏粒較少；天然含水率小，孔隙比較大。土樣呈黃白色，松散狀態(tài)，經(jīng)野外觀察和室內(nèi)試驗(yàn)，定名為細(xì)砂；擊實(shí)試驗(yàn)結(jié)果顯示見圖1，其最佳含水率7.66%，最大干密度1.735 g/cm3。

表1　沙漠風(fēng)積砂土顆粒組成

表2　沙漠風(fēng)積砂土的物理指標(biāo)

圖1　沙漠風(fēng)積砂土擊實(shí)曲線Fig.1　Compaction curve of desert aeolian sandy soil

2PX固化劑

PX土壤固化劑屬于多種表面活性劑復(fù)配產(chǎn)品，采用電離子原理減薄土壤顆粒外吸附的水膜厚度，經(jīng)外力壓實(shí)，使土壤顆粒固結(jié)產(chǎn)生永久性疏水的板體結(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)會使水的二次進(jìn)入困難，致使土壤穩(wěn)定，不再出現(xiàn)濕陷和凍裂，見圖2。

圖2　PX固化劑[8] Fig.2　PX stabilizer

3無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)

將沙漠風(fēng)積砂土摻一定量的PX固化劑，按照《公路工程無機(jī)結(jié)合料穩(wěn)定材料試驗(yàn)規(guī)程》(JTG E51—2009)的相關(guān)規(guī)定進(jìn)行制樣，試樣在最佳含水量和最大干密度條件下成型。將固化劑摻量為4%，6%，8%，10%和12%的試件，養(yǎng)護(hù)齡期分別為7，14，21 d和28 d后，在路面材料強(qiáng)度儀上進(jìn)行無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)。為使試件的形變逐漸增加，試驗(yàn)過程中，保持速率約為1 mm/min。記錄應(yīng)變ε和最大破壞壓力P。試件無側(cè)限抗壓強(qiáng)度按下式計(jì)算：

Rc=P/A,

A=0.25πD2。

式中，Rc為固化土試件無側(cè)限抗壓強(qiáng)度；A為試件的截面積；D為試件的直徑；P為試件破壞時(shí)的最大壓力，試驗(yàn)結(jié)果如圖3所示。

圖3　固化風(fēng)砂土試件的抗壓強(qiáng)度 Fig.3　Compressive strengths of solidified aeolian sandy soil

從圖中可以看出，隨著齡期增加，固化沙漠風(fēng)積砂土強(qiáng)度增長。7 d強(qiáng)度隨著固化劑摻量的增加而增加，21，28 d強(qiáng)度值固化劑摻量小于10%時(shí)，隨著固化劑摻量的增加強(qiáng)度值增加，之后隨著摻量的增加強(qiáng)度相反在降低，最佳摻量為10%。在固化摻量為10%時(shí)，7 d的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度值已達(dá)到0.662 MPa，能夠滿足底基層對無機(jī)結(jié)合料穩(wěn)定細(xì)粒土的強(qiáng)度要求[8]；從28 d試驗(yàn)結(jié)果可以看出，固化劑摻量為10%時(shí)，強(qiáng)度達(dá)到最大值1.996 MPa，放大100倍的SEM圖像,固化效果最佳。

4掃描電鏡(SEM)試驗(yàn)

4.1試樣制備

為了充分了解添加固化劑后風(fēng)積砂土的細(xì)觀結(jié)構(gòu)變化，本文對添加了固化劑的試樣和未添加固化劑的試樣進(jìn)行了掃描電鏡試驗(yàn)。

電鏡掃描技術(shù)，Scanning Electron Microscope , 簡稱SEM 測試技術(shù)，其可以通過光學(xué)系統(tǒng)獲得掃描電子束，使樣品產(chǎn)生各種物理信號，收集各種信號并顯示成圖像，可以顯示三維圖像。目前在土的微觀結(jié)構(gòu)研究中應(yīng)用較普遍[9-14]。

結(jié)合無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果，固化劑摻量10%為最佳含量，固化后無側(cè)限抗壓強(qiáng)度值達(dá)到最大，所以SEM試驗(yàn)時(shí)，固化劑摻量為10% 。另外為了分析固化土的微觀結(jié)構(gòu)特性，了解其固化后與原素土的微觀結(jié)構(gòu)的不同，SEM試驗(yàn)試件分為兩種:一種為摻入PX固化劑試件，一種為不摻入固化劑的素土試件。試件的成件方法與無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)時(shí)試件的成件方法相同。裝入模具成型、靜壓、脫模，在養(yǎng)護(hù)箱中養(yǎng)護(hù)28 d，取出直接烘干，用小鋸條將試件切割成邊長為1 cm左右的小正方體，為了避免有小的土顆粒掉到工作臺上，損壞探頭，外部用錫紙包裹，頂部留一小口，方便觀察。由于試件為土樣的散粒，直接看不太清晰，同時(shí)頂部開的孔隙較小，為了便于觀察，對放到底座上的試樣進(jìn)行了在真空條件下的鍍金操作。試樣如圖4所示。

圖4　SEM試驗(yàn)試樣Fig.4　Test samples displayed by SEM

4.2試驗(yàn)結(jié)果

試驗(yàn)過程中，將試樣分別放大100，500，1 000，2 000，5 000倍進(jìn)行觀察。為了描述風(fēng)積砂土固化前后微觀結(jié)構(gòu)的區(qū)別，將從整體結(jié)構(gòu)組成、基本單元的形態(tài)特征兩個(gè)方面來進(jìn)行分析。

(1)整體結(jié)構(gòu)及組成特征

圖5、圖6分別是素土和固化沙漠風(fēng)積砂土的SEM微觀圖像。從圖5中可以明顯看出，素土顆粒較均勻，有少量黏粒填充在孔隙中，但黏粒數(shù)量較少，所以孔隙比較大，整體呈單粒結(jié)構(gòu)。圖6(a)是填加固化劑后放大100倍的SEM圖像，孔隙被形成物所填充，孔隙明顯減小，整體結(jié)構(gòu)組成變?yōu)閱瘟?粒間填充物。因此固化沙漠風(fēng)積砂土強(qiáng)度增大應(yīng)緣于粒間填充物的黏結(jié)作用。

圖5　風(fēng)積砂土SEM圖像(放大100倍)Fig.5　SEM image of aeolian sandy soil (magnification=100)

圖6　固化沙漠風(fēng)積砂土SEM圖像Fig.6　SEM image of solidified aeolian sandy soil

(2)粒間填充物基本單元及形態(tài)特征

為了進(jìn)一步探討固化沙漠風(fēng)積砂土的強(qiáng)度增長機(jī)理，將圖6(a)中局部區(qū)域放大倍數(shù)來顯示粒間填充物的結(jié)構(gòu)形態(tài)。圖6(b)為放大500倍的固化沙漠風(fēng)積砂土SEM圖像，可以看出粒間填充物呈細(xì)小的膠凝狀顆粒，黏結(jié)在單個(gè)土粒的表面。放大1 000 倍后，見圖6(c)，膠凝狀更加明顯，但單元性質(zhì)不均勻，形狀、大小各異，部分物質(zhì)凝結(jié)在一起，內(nèi)部有孔隙，也存在單個(gè)離散的團(tuán)粒，即粒間填充物由兩種基本單元組成，凝膠體和離散團(tuán)粒。凝膠體結(jié)構(gòu)見圖6(d)和圖6(e)分別為放大2 000 倍后不同部位SEM圖像。凝膠體基本上呈片狀結(jié)構(gòu)，面面接觸，而團(tuán)粒單元?jiǎng)t是絮凝狀結(jié)構(gòu)，見圖6(f)，有的包裹著小土粒，有的未包裹土粒。

5結(jié)論

結(jié)合無側(cè)限抗壓強(qiáng)度與掃描電鏡試驗(yàn)，就固化沙漠風(fēng)積砂土的強(qiáng)度，可以得到以下結(jié)論：

(1)固化劑摻量超過10%時(shí)，7 d的固化沙漠風(fēng)積砂土的強(qiáng)度就能夠達(dá)到高等級公路底基層的強(qiáng)度要求；且固化土強(qiáng)度與固化劑摻量有關(guān)，28 d的強(qiáng)度在摻量較小時(shí)隨著摻量的增加強(qiáng)度增加，摻量超過10%后，強(qiáng)度反而有所降低。

(2)固化沙漠風(fēng)積砂土的強(qiáng)度高于素土，主要源于加入固化劑后形成了粒間填充物，減小了孔隙比，并將顆粒與顆粒黏結(jié)在一起，增加了強(qiáng)度。

(3)粒間填充物有兩種基本單元，即凝膠體與團(tuán)粒，凝膠體是面面接觸的片狀結(jié)構(gòu)，團(tuán)粒為絮狀結(jié)構(gòu)，有的團(tuán)粒包裹著細(xì)小的土粒，有的未包裹。

(4)從無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果可以看出，固化后土體強(qiáng)度的增加與固化劑摻量有關(guān)，結(jié)合SEM微觀試驗(yàn)結(jié)果，可以分析得出：固化劑摻量影響其強(qiáng)度的主要原因在于，不同固化劑摻量會影響粒間填充物的形成多少，即凝膠體與團(tuán)粒的數(shù)量取決于固化劑摻量的多少。在摻量較小時(shí)，隨著摻量的增加，凝膠體與團(tuán)粒的數(shù)量都在增加，土粒間黏結(jié)強(qiáng)度增加，所以總體強(qiáng)度會增加；當(dāng)摻量過大時(shí)，形成了較多的粒間填充物，但由于素土中的小顆粒較少，形成包裹土粒的團(tuán)粒也較小，粒間黏結(jié)強(qiáng)度雖然增大，但粒間摩擦強(qiáng)度降低，總體強(qiáng)度反而會降低。

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收稿日期：2015-04-20

作者簡介：劉俊芳(1975-)，女，內(nèi)蒙古呼和浩特人，碩士.(18647964316@163.com)

doi:10.3969/j.issn.1002-0268.2016.07.009

中圖分類號：TD853.34

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1002-0268(2016)07-0053-05

Analysis on Intensity Characteristics of Stabilized Desert Aeolian Sandy Soil

LIU Jun-fang, SU Yue-hong

(College of Civil Engineering，Inner Mongolia University of Technology，Huhhot Inner Mongolia 010051, China)

Abstract：In order to research the strength characteristics of stabilized desert aeolian sandy soil and expand its application scope in road engineering，its suitability for pavement subbase is analysed in the light of strength. The unconfined compressive strengths of the curing desert aeolian sandy soil with different contents of curing agent are measured using the pavement material strength meter. The microstructures of aeolian sandy soil and the solidified aeolian sandy soil which added curing agent are analysed using scanning electron microscope (SEM). The strength characteristics and the strength mechanism of the solidified aeolian sandy soil are revealed based on these analyses. The result shows that (1) for solidified aeolian sandy soil with the dosage of 10% PX, the 7 d unconfined compressive strength can achieve the requirements of strength of the pavement subbase; (2) the strength of solidified soil is associated with curing agent dosage, and the dosage of 10% is the best; (3) the SEM image shows that after adding curing agent, a sect1 of aeolian sandy soil formed gel and aggregate intergranular filler, which changed the adhesive strength between the soil sect1icles, this is the chief reason for the increase in the strength.

Key words：road engineering；aeolian sandy soil; SEM; microstructure; PX curing agent