凍融循環(huán)下微硅粉對水泥土力學性能影響的試驗研究

張新新，董玉萍

（西安翻譯學院，西安 710105）

隨著國家經(jīng)濟建設(shè)的發(fā)展，水泥土在實際工程當中應用逐漸增多，但是水泥土摻量較低時對地基、路基等工程強度的影響不大，而水泥在生產(chǎn)過程中浪費資源和能源，破壞生態(tài)環(huán)境，水泥摻量較高時造價較高。微硅粉是工業(yè)電爐高溫熔煉工業(yè)硅及硅鐵的過程中，隨廢棄逸出的煙塵經(jīng)特殊的捕集裝置收集處理而成；硅灰中的活性物質(zhì)二氧化硅與水泥水化析出Ca（OH）2發(fā)生化學反應，生成水化水化CSH凝膠體后堵塞毛孔，增強密實性。通過很多學者的研究表明硅粉能有效提高混凝土、水泥土的性能。如禹貴香[1]進行了水泥硅粉復合劑提升公路路基與底基層力學性能研究，研究表明，硅粉是一種良好的添加材料，可以提高路基和底基層的水分不敏感性，有利于現(xiàn)場碾壓施工；王文軍等[2]分析了納米硅粉改性水泥土工程形狀的機理；閆仙麗等[3]采用正交試驗的方法研究水膠比、粉煤灰摻量、礦粉摻量、硅灰摻量4個因素對高性能混凝土的影響，研究表明硅灰摻量的影響因此僅次于水膠比；王德輝等[4]采取正交試驗研究了水泥-硅灰-礦粉-粉煤灰膠凝體系下超高強混凝土的硬化過程，分析了其對UHSC 水化、微觀結(jié)構(gòu)和強度的影響；李茂英等[5]對納米硅粉改善水泥土抗腐蝕性能機理進行了研究。

通過大量研究表明，微硅粉已經(jīng)廣泛應用在在水泥土及高強混凝土中；目前，學者對于硅粉在工程中的研究主要集中在水泥土和混凝土中，以及對于水泥土抗腐蝕性能的影響，對于硅粉水泥土在凍融循環(huán)條件下強度的影響研究還是比較少的。本文主要將硅粉摻入到水泥土中，著重分析凍融循環(huán)作用下其強度變化規(guī)律及其作用機理，為微硅粉水泥土在季節(jié)性凍土地區(qū)的應用提供一定技術(shù)支持。

1 試驗

1.1 原材料

本試驗用土取自西安市長安區(qū)某地下管廊工程中的黃土，土的物理力學指標如表1所示，試驗水泥采用西安瑞泰復合材料有限公司生產(chǎn)的普通硅酸鹽水泥，等級為32.5R；試驗所用微硅粉為四川郎天資源綜合利用有限責任公司生產(chǎn)，其主要性質(zhì)指標如表2所示。

表1 土的物理性質(zhì)Tab.1 Physical properties of soil

表2 微硅粉的主要性質(zhì)指標Tab.2 Main properties of micro silicon powder

1.2 試驗方案

本試驗按照土工試驗規(guī)定的方法，將土烘干、碾壓后過篩，土、水泥和微硅粉按照比例制備土樣；土樣分三層放入直徑為39.1mm，高度為80mm的擊實儀中；按試驗標準分層擊實，相同比例做三個平行試樣，根據(jù)文獻[2]，摻加納米硅粉的水泥土養(yǎng)護7d 后早期強度較大[2]，為了減少工期，本試驗中土樣放入標準養(yǎng)護箱均養(yǎng)護7d；一次凍融循環(huán)共24h，凍結(jié)12h，融化12h，經(jīng)養(yǎng)護及凍融循環(huán)后采用萬能試驗機測定土樣的無側(cè)限壓縮強度。

為研究水泥、微硅粉以及凍融循環(huán)次數(shù)對水泥土壓縮強度的影響，文獻[6]中提出，納米硅粉水泥土和普通水泥土相同強度相比，納米硅粉水泥土的成本仍然較高，本文從經(jīng)濟的角度采用下述指標安排本次試驗，試驗中考慮的三因素（水泥A、微硅粉B、凍融循環(huán)次數(shù)C），三因素指標A1=5%，A2=10%，A3=15%，B1=2%，B2=4%；B3=6%，B4=8%，B5=10%；C1=0d，C2=2d，C3=4d，C4=6d，C5=8d，共計15 組分別進行壓縮強度試驗，對試驗數(shù)據(jù)進行分析。

2 試驗結(jié)果及其分析

2.1 凍融循環(huán)作用下微硅粉水泥土強度分析

圖1 水泥摻量5%時凍融次數(shù)與與強度的關(guān)系Fig.1 Relation between freeze-thaw frequency and strengthwhen cement content is 5%

圖2 水泥摻量10%時凍融次數(shù)與與強度的關(guān)系Fig.2 Relation between freeze-thaw frequency and strength when cement content is 10%

圖3 水泥摻量15%時凍融次數(shù)與與強度的關(guān)系Fig.3 Relation between freezing-thawing times and strength when cement content is 15%

從圖1、2、3可以看出，微硅粉水泥土的壓縮強度隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加有明顯的下降趨勢，其中普通水泥土的壓縮強度呈現(xiàn)明顯線性下降的趨勢，而水泥摻量較少時其變化趨勢與普通水泥土變化比較相似；隨水泥摻量的增加，逐漸由線性轉(zhuǎn)變?yōu)榍€變化趨勢。水泥摻量為15%，8 次凍融循環(huán)微硅粉摻量為10%的壓縮強度是普通水泥土的6.2 倍；微硅粉摻加對提高水泥土凍融循環(huán)后強度增強效果是非常明顯的。微硅粉水泥土的抗凍性能遠優(yōu)于普通水泥土，尤其是在多次凍融循環(huán)后，普通水泥土的強度下降非常明顯，而微硅粉水泥土的凍融循環(huán)凍融循環(huán)次數(shù)的增多其強度逐漸趨于穩(wěn)定，并遠高于普通水泥土。

表3 水泥摻量為15%時的強度損失率（%）Tab.3 Strength loss rate when cement content is 15%（%）

從表3可以看出，普通水泥土在凍融循環(huán)下的強度損失率逐漸增大，8 次凍融循環(huán)達到了55.9%，強度下降比較明顯；2 次、4 次的強度損失率的增幅最為明顯，6 次、8 次的強度損失率的增幅開始逐漸變緩；隨微硅粉摻加的增多，相同凍融循環(huán)次數(shù)下質(zhì)量損失率出現(xiàn)先減少后增大的變化趨勢，8次凍融循環(huán)下，微硅粉摻量8%的強度損失率為26.1%，為硅粉摻量10%時，其損失率降低到29.9%；當微硅粉摻量在8%左右時其強度損失率最低，后開始緩慢增加。

2.2 微硅粉水泥土強度損失及其擬合曲線

圖4 水泥摻量15%不同微硅粉摻量下的強度損失及其擬合曲線Fig.4 Strength loss and fitting curve of 15% cement content and different silica powder content

通過多項式擬合的方法對水泥摻量5%，10%和15%，不同微硅粉摻量的8 次凍融循環(huán)下的強度損失曲線進行擬合，可以得到微硅粉摻量與微硅粉強度損失率的關(guān)系曲線。式（1）為水泥摻量5%的擬合曲線，式（2）為水泥摻量10%的擬合曲線，式（3）為水泥摻量15%的擬合曲線。

式中，x為微硅粉摻量；y為壓縮強度損失率。

根據(jù)式（1）、式（2）、式（3）可知，試驗值與理論值擬合較好，其相關(guān)系數(shù)分別為x2=0.9946，x2=0.9924，x2=0.9854，說明凍融循環(huán)后微硅粉水泥土的壓縮強度與微硅粉摻量具有較高的相關(guān)性，得出在凍融循環(huán)次數(shù)相同的情況下微硅粉摻量與水泥土強度損失率之間的關(guān)系為式（4）

式中，a為二次項系數(shù)；b為一次項系數(shù)；c為常數(shù)項。

根據(jù)上述公式可以判斷出微硅粉摻量為8%左右時，其強度損失率達到最低，為最優(yōu)摻量。

綜上，微硅粉在摻量合適的情況下，能有效提高其壓縮強度；以水泥摻量15%為例，非凍融循環(huán)下微硅粉摻量8%的壓縮強度是普通水泥土的3.17 倍，而經(jīng)8次凍融循環(huán)后，其強度達到了普通水泥土的5.17倍，說明微硅粉水泥土的壓縮強度要遠優(yōu)于普通水泥土，尤其在凍融循環(huán)作用下其強度增強效果更加顯著。

3 微硅粉水泥土凍融循環(huán)作用機理

凍融條件下，土體中的水變成固態(tài)的冰，體積膨脹率約為9%，體積膨脹產(chǎn)生的膨脹力超過土體本身的強度，土體就會產(chǎn)生微裂縫，致使壓縮強度減?。贿@是水泥土在季節(jié)性凍土地區(qū)破壞的主要原因［6］；當摻量水泥及為硅粉摻量較小時，土體中的孔隙較多，殘留部分未完全水化的水泥，土體的膨脹力遠大于土體本身的強度，使土體出現(xiàn)微小的不可逆的裂縫，其壓縮強度下降幅度較大。隨微硅粉摻量的逐漸增加，微硅粉不僅能發(fā)生火山灰消耗水泥水化產(chǎn)生的Ca （OH）2，生成更多的水化凝膠體；微硅粉與土體表面所帶電荷發(fā)生離子交換作用，改善土體的膠結(jié)狀態(tài)，促進未完全水化水泥的進一步水化，土體中的大孔隙變小，變成了細小的孔隙，水泥土更加密實。

總的來說，在凍融循環(huán)作用下，土體的膨脹力不變，而土體本身的強度呈逐漸增長的趨勢，土體中不可逆的裂縫呈現(xiàn)逐漸減小的趨勢，所以隨水泥及微硅粉摻量的增加，微硅粉水泥土的強度呈現(xiàn)逐漸上升的趨勢。當微硅粉和水泥摻量較高時，水泥水化作用以及微硅粉火山灰作用、膠結(jié)作用增強，土體越更加密實，空隙減少，土體經(jīng)凍融循環(huán)作用后土體體積膨脹量增大，土體所受的應力逐漸增大，這是微硅粉摻量10%的水泥土壓縮強度損失率比摻量8%的水泥土高的原因；從試驗結(jié)果看，微硅粉摻量達到8%左右時，其強度損失率達到最低；隨著微硅粉摻量的增加，雖然在非凍融循環(huán)狀態(tài)其強度仍然呈現(xiàn)逐漸增長的趨勢，但是由于膨脹作用逐漸增強，在凍融循環(huán)作用下的強度會降低，而且凍融循環(huán)次數(shù)越多，強度損失率增加的越明顯；綜上可以分析出，在季節(jié)性凍土地區(qū)，考慮經(jīng)濟合理及其強度的變化規(guī)律等因素的影響，微硅粉摻量在8%左右比較經(jīng)濟合理。

4 結(jié)語

1）微硅粉的適量摻加，有效提高水泥土的強度，微硅粉作為外加劑，起到良好的強度增強效果；微硅粉水泥土的早期強度較普通水泥土有顯著提高，在工程實際中可充分利用其早期強度，對減少工期，降低工程造價有一定的作用。

2）微硅粉在提高水泥土抗凍性能上發(fā)揮了重要作用，水泥摻量15%，微硅粉摻量在8%時，8 次凍融循環(huán)下能夠提高壓縮強度，其值達到非凍融循環(huán)下的73%，并逐漸趨于穩(wěn)定，所以，微硅粉摻量在8%左右時能夠充分發(fā)揮其作用，從多種角度分析在水泥摻量合適的情況下，微硅粉在8%左右為最合適摻量。

3）在凍融循環(huán)作用下，不同水泥摻量及微硅粉摻量下，隨著凍融次數(shù)的增多出現(xiàn)先減小后逐漸穩(wěn)定的趨勢；得出強度損失率與微硅粉摻量之間的關(guān)系模型y=ax2+bx+c，相對于普通水泥土，其強度增加比較顯著。

4）微硅粉作為外加劑，能夠在合適摻量下經(jīng)過凍融循環(huán)作用表現(xiàn)出良好的強度和性能，它的充分利用對環(huán)境保護也是非常有益的；特別是在季節(jié)性凍土提高水泥土的抗凍性能具有廣闊的應用前景。