硅微粉固化鹽漬土強(qiáng)度試驗(yàn)研究

王濤 唐瑞兆

摘? 要：文章以雙洮公路沿線鹽漬土為研究對象，利用硅微粉固化改良鹽漬土，研究其無側(cè)限抗壓強(qiáng)度的變化規(guī)律。在鹽漬土中分別摻入2%、4%、6%、8%的硅微粉進(jìn)行固化改良，調(diào)整試樣的養(yǎng)護(hù)齡期，通過無側(cè)限抗壓試驗(yàn)，研究了不同試樣的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度和應(yīng)力應(yīng)變曲線。試驗(yàn)結(jié)果表明，硅微粉固化鹽漬土存在最優(yōu)摻量，隨著養(yǎng)護(hù)齡期增長，最優(yōu)摻量有小幅增加，齡期為56d的試樣，硅微粉摻量為8%時，強(qiáng)度為0.751MPa，較素土試樣強(qiáng)度增加了155%。

關(guān)鍵詞：鹽漬土;硅微粉;無側(cè)限抗壓強(qiáng)度

中圖分類號：P642? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? ? ? ?文章編號：2095-2945（2020）04-0110-03

Abstract： In this paper， the salinized soil along the Shuangtao highway is taken as the research object， and the change rule of unconfined compressive strength of the salinized soil is studied. Adding 2%， 4%， 6% and 8% silica powder to the salinized soil for curing， adjusting the curing age of the samples， and through the unconfined compression test， the unconfined compressive strength and stress-strain curves of different samples were studied. The test results show that there is an optimal content of silica fume in solidified saline soil. With the increase of curing age， the optimal content of silica fume increases slightly. The strength of the sample with the age of 56d is 0.751mpa when the content of silica fume is 8%， which is 155% higher than that of the sample with plain soil.

Keywords： saline soil; silica powder; unconfined compressive strength

1 概述

鹽漬土是指土中易溶鹽含量在0.3%～20%之間，而且隨外界環(huán)境變化容易產(chǎn)生溶陷和鹽脹等工程性質(zhì)的土[1]。不同行業(yè)內(nèi)關(guān)于鹽漬土的定義略有部分偏差，主要體現(xiàn)在含鹽量的界限值方面，鐵路行業(yè)認(rèn)為，在表層1m內(nèi)土層易溶鹽的平均含鹽量大于0.5%的特殊土，可以定義為鹽漬土[2]，而在公路行業(yè)，這個標(biāo)準(zhǔn)降低到了0.3%[3]，說明公路建設(shè)對鹽漬土的容忍度更低，鹽漬土對于公路建設(shè)的影響更為突出。鹽漬土在全球分布廣泛，據(jù)統(tǒng)計(jì)，在全世界100多個國家和地區(qū)有各類鹽漬土，其覆蓋面積達(dá)9.544億公頃[4]。

鹽漬土具有很強(qiáng)的環(huán)境敏感性，影響其這種特殊性質(zhì)的主要因素是土體內(nèi)部的易溶鹽，易溶鹽在土體中主要有兩種存在方式，分別是鹽結(jié)晶和鹽溶液，而且兩種狀態(tài)會隨著外界環(huán)境變化而發(fā)生變化。當(dāng)有流動的水浸入土體或者土體處于靜水中時，鹽結(jié)晶在水中發(fā)生溶解，變成鹽溶液，由于原有的結(jié)晶顆粒消失，從而土中產(chǎn)生較多較大的孔隙，整體孔隙率升高，在上覆荷載或者自重的情況下極其容易發(fā)生沉陷。溫度降低時，土中的鹽溶液會吸收土體內(nèi)部的水分變成結(jié)晶體，由于變成晶體后體積膨脹，從而從內(nèi)部擴(kuò)大了土體的孔隙率，也使土體發(fā)生膨脹，也就是鹽脹現(xiàn)象。由于鹽漬土性質(zhì)較弱，不利于工程建設(shè)，在實(shí)際工程中，都要盡量避開在鹽漬土地區(qū)進(jìn)行建設(shè)。但是實(shí)際工程總會不可避免的經(jīng)過鹽漬土地區(qū)，少量情況下，可以采用換填技術(shù)，將鹽漬土置換為工程性質(zhì)良好的土，但是在大量鹽漬土存在的情況下，如果一味地采用換填技術(shù)，人力財(cái)力損失都比較大。因此有關(guān)鹽漬土固化改良的研究變得至關(guān)重要，通過向鹽漬土中加入水泥、石灰等無機(jī)材料，在滿足經(jīng)濟(jì)效益的基礎(chǔ)上，改善其工程性質(zhì)，使其可以進(jìn)行正常的工程建設(shè)，能夠有效的節(jié)省大量的人力物力。

目前國內(nèi)外較多專家學(xué)者都對鹽漬土的固化改良進(jìn)行了一系列研究，通過利用水泥、石灰、礦渣、粉煤灰等材料，都取得了一定的成果。柴壽喜[5]研究了石灰、水泥、粉煤灰及SH固化劑對濱海鹽漬土的壓實(shí)度以及強(qiáng)度的影響規(guī)律研究;孟慧芳[6]研究了溫度改性水玻璃、復(fù)合改性水玻璃以及石灰、粉煤灰摻溫度改性水玻璃三種方案改良鹽漬土;周永祥[7]研究了水泥和礦渣對鹽漬土的體積變化影響規(guī)律，劉誠斌[8]研究了礦渣復(fù)合膠凝材料改良濱海鹽漬土的強(qiáng)度和水穩(wěn)性。

本文以吉林省雙洮高速公路沿線碳酸鹽漬土為研究對象，采用硅微粉展開固化改良鹽漬土研究。硅微粉是由天然石英（SiO2）或熔融石英（天然石英經(jīng)高溫熔融、冷卻后的非晶態(tài)SiO2）經(jīng)破碎、球磨（或振動、氣流磨）、浮選、酸洗提純、高純水處理等多道工藝加工而成的微粉。是一種無毒、無味、無污染的無機(jī)非金屬材料，具備耐溫性好、耐酸堿腐蝕、導(dǎo)熱系數(shù)高、高絕緣、低膨脹、化學(xué)性能穩(wěn)定、硬度大等優(yōu)良的性能，被廣泛用于化工、電子、集成電路（IC）、電器、塑料、涂料、高級油漆、橡膠、國防等領(lǐng)域，目前鹽漬土在土木工程領(lǐng)域研究較少，有部分學(xué)者利用硅微粉進(jìn)行了固化黃土的試驗(yàn)研究，由于鹽漬土具有更強(qiáng)的環(huán)境敏感性，本文計(jì)劃展開硅微粉對鹽漬土的固化改良研究。

2 試驗(yàn)土樣選取

結(jié)合工程勘探資料及線路現(xiàn)場地形地貌，本試驗(yàn)取樣地點(diǎn)位于雙洮公路K130+720～K131+300標(biāo)段內(nèi)，取樣點(diǎn)較為干旱，地形地貌為荒草地和鹽堿地。取樣點(diǎn)植被分布多為雜草，未見莊稼，鹽漬土呈條狀或塊斑狀分布，地表干旱且返鹽現(xiàn)象明顯，呈現(xiàn)有淺黃色或灰白色的易溶鹽結(jié)晶。首先對沿線鹽漬土進(jìn)行了一系列基本工程性質(zhì)的檢測試驗(yàn)，測得其天然含水率為12.36%，天然密度為1.625g/cm3，液限為23%，塑限為16%，塑性指數(shù)為7，為含砂低液限粉土，最佳含水量為12.80%，對應(yīng)的最大干密度為1.96g/cm3，PH值為10.51，呈弱堿性。粒徑組成及易溶鹽含量見表1和表2。

3 試樣方案

無側(cè)限抗壓試驗(yàn)是測試試件所能承受的最大軸向壓力的試驗(yàn)，試驗(yàn)期間試件側(cè)面不受任何約束限制條件[9]。在公路工程中，抗壓強(qiáng)度高低是評價公路路基好壞的重要標(biāo)準(zhǔn)之一。在實(shí)驗(yàn)室條件下，無側(cè)限抗壓試驗(yàn)?zāi)軌蛲ㄟ^試件軸向抗壓強(qiáng)度，對該公路路基強(qiáng)度有較為準(zhǔn)確的判斷，而且該試驗(yàn)操作較簡便，試驗(yàn)方法成熟。作為評價固化鹽漬土力學(xué)性能的重要標(biāo)準(zhǔn)之一，本文對固化土的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度進(jìn)行測試。

根據(jù)《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）中T 0805-1994 無機(jī)結(jié)合料穩(wěn)定材料無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)方法[10]。分別針對不同試樣，按照預(yù)定的最優(yōu)含水量及最大干密度和所需水泥及硅微粉的比例計(jì)算好試樣所需干土、水泥、硅微粉及水的質(zhì)量，將試樣分別加入不同量的蒸餾水使其達(dá)到最優(yōu)含水量，并擊實(shí)至壓實(shí)度達(dá)95%以上（試件的干密度為最大干密度的95%以上），試件尺寸為直徑×高=100mm×100mm。試件成型后，用聚乙烯薄膜將試件包裹，進(jìn)行養(yǎng)護(hù)，養(yǎng)護(hù)溫度控制為20℃，養(yǎng)生時間為7d、14d、28d、56d。試件達(dá)到養(yǎng)護(hù)時間后，置于萬能試驗(yàn)機(jī)上，以1mm/min的速率進(jìn)行抗壓試驗(yàn)，記錄試件破壞時的最大壓力。

4 試驗(yàn)結(jié)果分析

圖1所示為不同齡期條件下試樣的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度隨齡期變化趨勢圖。在一定摻量范圍內(nèi)，隨著硅微粉摻量的增加，試樣的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度逐漸增加，7d齡期時，硅微粉摻量為6%時，強(qiáng)度為0.521MPa，較素土試樣0.295MPa增加了76.6%;14d齡期時，硅微粉摻量為6%時，強(qiáng)度為0.634MPa，較素土試樣增加了115%;28d齡期時，硅微粉摻量為8%時，強(qiáng)度為0.695MPa，較素土試樣增加了136%; 56d齡期時，硅微粉摻量為8%時，強(qiáng)度為0.751MPa，較素土試樣增加了155%。說明整體情況下，硅微粉的摻入能較大程度提升鹽漬土的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度，并且隨著齡期的增加而逐漸增加。

但是從趨勢圖可以看出，隨著硅微粉摻量的逐漸增加，試樣無側(cè)限抗壓強(qiáng)度的增長趨勢逐漸減小，并且除56d齡期的試樣外，其余試樣都有強(qiáng)度下降的趨勢，說明硅微粉對鹽漬土的無側(cè)向抗壓強(qiáng)度的提升不是無限增長的，而是存在一個最優(yōu)摻量。在最優(yōu)摻量時，試樣的無側(cè)向抗壓強(qiáng)度最大，超過最優(yōu)摻量，試樣強(qiáng)度開始逐漸減小。對強(qiáng)度變化曲線進(jìn)行擬合分析，擬合曲線如表所示：

擬合二次函數(shù)，R2均大于0.9，分別計(jì)算各個方程最大值，可以得出7d、14d、28d、56d的最大值對應(yīng)的硅微粉摻量分別為5.87%、6.26%、6.86%、7.23%，證實(shí)了前文的分析，硅微粉提升鹽漬土強(qiáng)度有最大摻量，均在6%左右，且隨著試樣養(yǎng)護(hù)齡期的增長逐漸增加。

圖2為素土試樣和摻加不同硅微粉摻量試樣的應(yīng)力-應(yīng)變曲線，從圖中可以看出硅微粉改良土樣呈現(xiàn)明顯的塑性破壞形式。與素土試樣在軸向應(yīng)變達(dá)3%時應(yīng)力出現(xiàn)明顯變化不同，硅微粉改良試樣在軸向應(yīng)變達(dá)3%時，應(yīng)力仍隨著應(yīng)變增加而增加。試驗(yàn)過程中可以觀察到在軸向應(yīng)變達(dá)到3%時，試樣已經(jīng)產(chǎn)生一些較為細(xì)小的裂縫，而且在后續(xù)應(yīng)變持續(xù)增加的過程中，裂縫逐漸延展，應(yīng)力也逐漸增大，直到軸向應(yīng)變達(dá)6%時應(yīng)力開始逐漸平緩，此時可以認(rèn)為土樣抗壓強(qiáng)度達(dá)到峰值，土樣破壞形態(tài)如圖3。

對摻加硅微粉試樣的應(yīng)力應(yīng)變曲線進(jìn)行分析，隨著單軸荷載逐漸增加，試件持續(xù)被壓縮，硅微粉由于其粒徑小、吸附性強(qiáng)的性質(zhì)與土顆粒充分接觸，在土體中交織分布，形成一層一層的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，對土體橫向和豎向變形產(chǎn)生約束，相當(dāng)于土樣有了一個較小的側(cè)限條件。在有側(cè)限的條件下進(jìn)行加載，相當(dāng)于固結(jié)試驗(yàn)，這個情況下土體的抗壓縮性開始發(fā)揮作用，由于硅微粉自身粒徑小，填充了土體內(nèi)部孔隙，也即是提升了土體的抗壓縮性，從而硅微粉固化鹽漬土的試樣在應(yīng)變達(dá)到3%時，應(yīng)力仍然持續(xù)增長。

5 結(jié)束語

（1）硅微粉能有效提升鹽漬土的抗壓強(qiáng)度，齡期為56d的試樣，硅微粉摻量為8%時，強(qiáng)度為0.751MPa，較素土試樣強(qiáng)度增加了155%。

（2）硅微粉固化鹽漬土存在最優(yōu)摻量，約為6%，且隨著養(yǎng)護(hù)齡期的增加，最優(yōu)摻量有小幅度增加。

（3）硅微粉固化鹽漬土試樣破壞時呈現(xiàn)塑性破壞，應(yīng)力應(yīng)變曲線呈現(xiàn)應(yīng)變硬化型，有利于工程建設(shè)。

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