石英粉對抗疏力固化劑改良黃土力學(xué)性能的影響

田 威，張旭東，賈 能，李 騰，許尚杰

(1. 長安大學(xué)建筑工程學(xué)院，陜西西安 710061； 2. 日喀則市水利局，西藏日喀則 875000)

0 引 言

黃土在中國分布廣泛，約占全國土地面積的6.6%。隨著西部大開發(fā)和一帶一路的推進(jìn)，西北部黃土地區(qū)鐵路及高速公路的建設(shè)發(fā)展迅猛，在天然石料缺乏的情況下，黃土常被用作各類路基的填料。由于黃土本身具有大孔隙[1]、粒間結(jié)構(gòu)弱膠結(jié)[2]和濕陷性特征[3]，難以滿足工程路基的使用要求，一般要經(jīng)過物理或化學(xué)、生物改良后才能使用[4-5]。

黃土物理改良對工程環(huán)境影響較大，生物法雖然有其環(huán)境友好的優(yōu)越性，但工程耐久性不足。因此，研究人員把目光多鎖定在化學(xué)類固化劑對黃土性能改良的相關(guān)研究上?，F(xiàn)今中國工程中應(yīng)用較多的化學(xué)類固化劑如美國的EN-1有機(jī)高分子ISS離子型固化劑[6]、日本的Aught-set高性能固化劑[7]以及中國規(guī)范建議的水泥、石灰和粉煤灰無機(jī)礦物型固化劑[8]等，對黃土的工程性質(zhì)都有較好改善作用，但也存在如水穩(wěn)性較差和環(huán)境污染的問題。

鑒于此，具有環(huán)境友好型的有機(jī)高分子固化材料逐漸被關(guān)注，其中抗疏力固化劑由于其工程便捷性、經(jīng)濟(jì)性和效果穩(wěn)定性，已被中國學(xué)者引用至軟土路基固化的研究中，并初步推廣至黃土路基[9-18]?？故枇袒瘎┦且环N一端帶有親水分子，另一端帶有憎水分子的有機(jī)高分子材料，包括水劑SOLODRY(SD)和粉劑CONSOLID444(C444)，其主要功能是可以加速土壤的再石化過程，降低工程使用期地表水對軟土路基的侵蝕作用，縮短工期。

針對抗疏力固化劑的黃土改良，中國學(xué)者對其作用機(jī)制開展了相關(guān)研究。例如，張虎元等[15]、林澄斌[16]確定了抗疏力固化劑改良蘭州黃土的最佳配比為2.5%；指出了改良后黃土的抗壓強(qiáng)度增大，并且抗壓強(qiáng)度改良效果優(yōu)于石灰改良后的黃土。尹磊等[17]提出抗疏力固化劑對路基基層材料的力學(xué)性能有明顯提升效果,具有廣泛的工程應(yīng)用前景。彭宇等[18]進(jìn)一步確定了抗疏力固化劑不與土體顆粒發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，主要通過細(xì)小顆粒(粒徑r≤0.075 mm)的凝聚來改變土體顆粒級配，從而提高結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。

針對顆粒級配對土體強(qiáng)度的影響，不同學(xué)者[19-25]雖然都指出土體內(nèi)摩擦角、黏聚力與顆粒級配有很大關(guān)系，但結(jié)論尚未統(tǒng)一。例如，一些學(xué)者[19-21]指出，隨著土中粗顆粒粒徑(r>5 mm)的增加，土的黏聚力增長，內(nèi)摩擦角線性增大，土體強(qiáng)度值增高；另一些學(xué)者[21-25]指出，可通過添加細(xì)顆粒，如摻入2 000目超細(xì)微硅粉、納米二氧化硅、納米碳酸鈣等，使黃土的黏聚力顯著增加，內(nèi)摩擦角緩慢增加，土體強(qiáng)度值增高。

基于此，本文使用與黃土主成分一致的石英粉(造景廢砂)為原料，通過單軸抗壓的方式研究在抗疏力固化劑改良土中摻入不同細(xì)度的石英粉對其改良效果的影響，并確定抗疏力固化劑和石英粉的最佳配比及其復(fù)合改良效果，為黃土路基工程的固化提供有指導(dǎo)意義的參數(shù)值。

1 試驗(yàn)材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)所用土采自西安市高新區(qū)某工地基坑，為Q3黃土，原狀土呈黃褐色，基本物理性能見表1。

表1 原狀黃土的基本物理性能Tab.1 Basic Physical Properties of Undisturbed Loess

所選SD-C444抗疏力固化劑為瑞士Consolid AG公司產(chǎn)品。

1.2 試驗(yàn)方案

本次試驗(yàn)分擊實(shí)試驗(yàn)、單軸抗壓試驗(yàn)和掃描電鏡三部分。

(1)分別對每個抗疏力固化劑摻量試樣進(jìn)行擊實(shí)試驗(yàn)，試驗(yàn)方案見表2。

(2)先通過單摻抗疏力固化劑的單軸抗壓試驗(yàn)確定抗疏力固化劑的最佳摻量；再通過不同目數(shù)、不同摻量石英粉的單軸抗壓試驗(yàn)測定石英粉的最優(yōu)摻量及最佳目數(shù)；最后將3種目數(shù)下最佳摻量的石英粉分別與各摻量抗疏力固化劑混摻進(jìn)行單軸抗壓試驗(yàn)。試驗(yàn)方案見表3，4，試驗(yàn)總試樣為24組。

表2 擊實(shí)試驗(yàn)方案Tab.2 Compaction Test Scheme

表3 單摻石英粉改良黃土的單軸抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)方案Tab.3 Uniaxial Compressive Strength Test Scheme of Modified Loess with Single-doped Quartz Powder

表4 雙摻抗疏力固化劑和石英粉改良黃土的單軸抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)方案Tab.4 Uniaxial Compressive Strength Test Scheme of Modified Loess with Double-doped Consolid System and Quartz Powder

1.3 試驗(yàn)方法及試樣制備

1.3.1 擊實(shí)試驗(yàn)

擊實(shí)試驗(yàn)按照《土工試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T 50123—2019)進(jìn)行，擊實(shí)儀選用手動擊實(shí)儀。試樣配比時SD以干粉的形式摻入土中，C444先與水溶液混合后再按照固定比例與土拌合。定義抗疏力固化劑與混合物干重的比率為摻量(質(zhì)量分?jǐn)?shù))Rm，例如，Rm=0.5%為1 kg的土和SD混合物中有5 g的SD，根據(jù)現(xiàn)有研究成果和生產(chǎn)廠商的建議，取水劑C444與粉劑SD質(zhì)量配比為1∶25[15]。本次試驗(yàn)參考前人研究結(jié)果，取Rm為0%，0.5%，1%，2%，3%。試樣按照標(biāo)準(zhǔn)方法充分?jǐn)嚢杞?4 h后進(jìn)行擊實(shí)試驗(yàn)。

1.3.2 單軸抗壓試驗(yàn)

單軸抗壓試驗(yàn)按照《土工試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T 50123—2019)進(jìn)行，壓力機(jī)為長春科新試驗(yàn)儀器有限公司生產(chǎn)的WDW-30型微控電子萬能試驗(yàn)機(jī)(圖1)，最大試驗(yàn)力為30 kN。

圖1 WDW-30型壓力機(jī)

試樣直徑和高度均為50 mm，每組制備6個試樣。試樣制好后立即用塑料袋封裝并用濕毛巾覆蓋，移送養(yǎng)護(hù)室。養(yǎng)護(hù)溫度為18～22 ℃，相對濕度在95%以上。試樣制備過程如圖2，3所示。單軸壓縮試驗(yàn)時按1 mm·min-1位移控制，取峰值強(qiáng)度作為抗壓強(qiáng)度。

圖2 燜料過程

圖3 單軸壓縮土樣

2 試驗(yàn)結(jié)果及討論

2.1 抗疏力固化劑改良黃土擊實(shí)試驗(yàn)

試驗(yàn)得出的西安Q3黃土的最大干密度和最優(yōu)含水率如圖4，5所示。

圖4 不同抗疏力固化劑摻量改良黃土的最大干密度

圖5 不同抗疏力固化劑摻量改良黃土的最優(yōu)含水率

由圖4，5可知：抗疏力固化劑改良西安Q3黃土的最大干密度隨固化劑摻量的增加而減??；最優(yōu)含水率隨固化劑摻量的增加而增大。

最優(yōu)含水率、最大干密度在0.5%～1%之間變化較大，因此試驗(yàn)在配制固化劑摻量為0.5%～1%之間的試樣時，通過控制試樣養(yǎng)護(hù)前后含水率的誤差嚴(yán)格控制了整體單軸抗壓試驗(yàn)的誤差。為了使摻入石英粉前后的2組試驗(yàn)結(jié)果具有可對比性，試驗(yàn)中，聯(lián)合摻入石英粉試樣的最大干密度和最優(yōu)含水率與單摻抗疏力固化劑的最大干密度和最優(yōu)含水率取相同值。

2.2 抗疏力固化劑改良黃土單軸抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)

不同抗疏力固化劑摻量下改良黃土的單軸抗壓強(qiáng)度和應(yīng)力-應(yīng)變曲線見圖6，7。

圖6 不同抗疏力固化劑摻量改良黃土的單軸抗壓強(qiáng)度

圖7 不同抗疏力固化劑摻量改良黃土的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系

由圖6可知：抗疏力固化劑的摻入可以提高黃土的抗壓強(qiáng)度，且隨著其摻量的增加，改良黃土的強(qiáng)度逐步提高，但在Rm=1%～3%內(nèi)強(qiáng)度提高率逐步降低，在Rm=2%～3%內(nèi)強(qiáng)度提高率降低幅度明顯。為了提高抗疏力固化劑的利用率，可取2%為抗疏力固化劑改良黃土的最優(yōu)摻量。

由圖7可知：相對于巖石等脆性破壞[26]，素黃土和改良黃土的應(yīng)力-應(yīng)變曲線都呈現(xiàn)出塑性破壞特征。素黃土的應(yīng)力-應(yīng)變曲線類似于應(yīng)變軟化型，抗疏力固化黃土的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系類似于應(yīng)變硬化型，可見抗疏力固化劑摻入后黃土的塑性變形逐步減小。

本次試驗(yàn)所得抗疏力固化劑摻量與單軸抗壓強(qiáng)度的關(guān)系與現(xiàn)有研究結(jié)果[16]較為一致，且提高后黃土強(qiáng)度為0.199 MPa，提高幅度為10%，這與尹磊等[17]研究結(jié)果處于同一量級?？梢娛褂每故枇袒瘎S土工程抗壓強(qiáng)度改善作用是普適的(無論黃土類型均可以提高其抗壓強(qiáng)度)，但是改良黃土的強(qiáng)度提高幅度還有待提高。

2.3 石英粉改良黃土單軸抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)

為了驗(yàn)證抗疏力改良黃土中摻入石英粉的改良效果，首先在素黃土中摻入不同摻量、不同目數(shù)的石英粉進(jìn)行第一步改良，探索石英粉對黃土強(qiáng)度的影響，試驗(yàn)結(jié)果見圖8，9。

圖8 單軸抗壓強(qiáng)度和石英粉摻量的關(guān)系

圖9 10%石英粉摻量下改良黃土應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系

由圖8可知：40目和200目石英粉的摻量與黃土抗壓強(qiáng)度呈正相關(guān)關(guān)系，而1 000目石英粉的摻入后抗壓強(qiáng)度呈先增大后減小的趨勢；200目石英粉的摻入對抗壓強(qiáng)度提高幅度最大，40目的石英粉次之，1 000目石英粉的摻入對抗壓強(qiáng)度的提高幅度最小，甚至?xí)档忘S土強(qiáng)度。

試驗(yàn)中還發(fā)現(xiàn)：當(dāng)石英粉摻量超過10%后，其對黃土的抗壓強(qiáng)度提高率開始降低，改良黃土強(qiáng)度緩慢增長，甚至?xí)霈F(xiàn)下降的趨勢。為了提高石英粉的改良效率，可以取40目和200目石英粉的最優(yōu)摻量均為10%；在石英粉最優(yōu)摻量下，200目石英粉改良黃土的單軸抗壓強(qiáng)度提高了8.5%；40目的石英粉改良黃土的抗壓強(qiáng)度僅提高4.5%，可見石英粉對黃土強(qiáng)度的提高有限。

2.4 抗疏力固化劑和石英粉對改良黃土彈性模量的影響

取應(yīng)力-應(yīng)變曲線的直線段斜率近似為改良黃土的彈性模量。通過對圖7中改良黃土彈性模量的計(jì)算可知：Rm=2%改良黃土的彈性模量為素黃土彈性模量的1.4倍，Rm=2%聯(lián)合10%的200目石英粉改良黃土的彈性模量為Rm=2%改良黃土彈性模量94%。由此可見，抗疏力固化劑摻入后可以增大黃土彈性模量，但聯(lián)合摻入200目石英粉后對改良黃土彈性模量影響較小。此外，抗疏力改良黃土在峰值點(diǎn)后強(qiáng)度明顯降低，素黃土隨著應(yīng)變的增長可持續(xù)承受破壞荷載，說明抗疏力固化劑摻入后可以改善黃土的強(qiáng)度和剛度，但是使抗疏力改良黃土的塑性變形能力降低，增大了改良黃土的脆性。

從圖9可以得到：在石英粉為5%和10%的摻量下，40目石英砂改良黃土的彈性模量較200目石英粉改良黃土的彈性模量分別提高43%和23%，200目石英粉改良黃土彈性模量較1 000目石英粉改良黃土彈性模量分別提高93%和47%?？梢娫谑⒎蹞搅恳欢ǖ那闆r下，改良黃土的彈性模量隨著石英粉目數(shù)的減小而增大。

進(jìn)一步研究石英粉摻量對黃土彈性模量的影響可以發(fā)現(xiàn)：5%摻量下40目、200目和1 000目石英粉改良黃土的彈性模量較素黃土彈性模量分別提高了323%，195%，53%。10%摻量下40目、200目和1 000目石英粉改良黃土的彈性模量較5%摻量下分別提高了47%，71%，53%。可見改良黃土彈性模量隨著石英粉摻量的增加而增加，但增速逐漸變緩。

2.5 抗疏力固化劑聯(lián)合石英粉改良黃土的單軸抗壓強(qiáng)度

針對上述試驗(yàn)結(jié)果，進(jìn)一步在抗疏力固化劑改良黃土中摻入10%的200目石英粉，對其進(jìn)行單軸抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)，研究石英粉聯(lián)合抗疏力固化劑的改良效果，試驗(yàn)結(jié)果如圖10所示。

圖10 摻入10%的200目石英粉抗疏力固化劑改良黃土單軸抗壓強(qiáng)度

從試驗(yàn)結(jié)果可以看出：

(1)摻入石英粉后可以進(jìn)一步提高抗疏力固化劑改良黃土的單軸抗壓強(qiáng)度，且在Rm≤2%時，單軸抗壓強(qiáng)度隨抗疏力固化劑摻量增長的速率較高，Rm>2%時，抗壓強(qiáng)度隨抗疏力固化劑摻量增長的速率較低。這與單摻抗疏力固化劑改良黃土的抗壓強(qiáng)度隨摻量變化規(guī)律相似。

(2)摻入10%的200目石英粉后，Rm=1%時，改良黃土的單軸抗壓強(qiáng)度提高了10.7%；Rm=2%時，單軸抗壓強(qiáng)度提高了16.2%；Rm=3%時，單軸抗壓強(qiáng)度提高了17.1%。由此可見，當(dāng)固化劑的摻量在2%～3%時，強(qiáng)度提高率并沒有進(jìn)一步增加，即可以認(rèn)為2%的固化劑摻量同樣為聯(lián)合改良的最優(yōu)摻量。

(3)單摻10%的200目石英粉改良黃土的單軸抗壓強(qiáng)度較素黃土提高8.3%，單摻抗疏力固化劑Rm=2%時的單軸抗壓強(qiáng)度較素黃土提高9.4%。Rm=2%的抗疏力固化劑聯(lián)合10%的200目石英粉改良黃土的單軸抗壓強(qiáng)度比單摻抗疏力固化劑改良黃土提高16.2%，且比未改良的素黃土單軸抗壓強(qiáng)度提高27%。可見在抗疏力固化劑改良黃土中摻入10%的200目石英粉可顯著提高黃土強(qiáng)度。

因此，10%的200目石英粉摻入可以系統(tǒng)性放大各摻量下抗疏力固化劑改良黃土的單軸抗壓強(qiáng)度，但并未改變抗疏力固化劑的最優(yōu)摻比，與單摻抗疏力固化劑時的最優(yōu)摻量一致，為2%。

2.6 掃描電鏡試驗(yàn)

為了研究抗疏力固化劑聯(lián)合石英粉的改良機(jī)理，通過500倍的掃描電鏡試驗(yàn)分別分析了素黃土、Rm=2%抗疏力固化劑改良黃土以及Rm=2%聯(lián)合10%的200目石英粉改良黃土的顆粒排列和膠結(jié)狀態(tài)，3種摻量改良黃土的SEM結(jié)果如圖11～13所示。

圖11 素黃土掃描電鏡結(jié)果

圖12 Rm=2%掃描電鏡圖

圖13 Rm=2%聯(lián)合10%的200目石英粉掃描電鏡圖

從圖11可以看出，素黃土顆粒之間缺少有效的黏結(jié)，土顆粒間距較大，孔隙發(fā)達(dá)且呈連通狀態(tài)，圖像中未出現(xiàn)細(xì)顆粒團(tuán)聚體，且排列松散，呈現(xiàn)為膠結(jié)較弱的松散結(jié)構(gòu)。從圖12可以看出，單摻抗疏力固化劑改良黃土的土顆粒排列方式主要為點(diǎn)與點(diǎn)的接觸，抗疏力固化劑摻入后土體有明顯的膠結(jié)物生成，將土顆粒黏結(jié)在一起。土骨架中也出現(xiàn)土顆粒團(tuán)聚體，但是土顆粒之間仍然排列較為松散，還有很多孔隙?？梢?，抗疏力材料增強(qiáng)了土顆粒之間的黏結(jié)力，但并未使土樣變得更加密實(shí)。從圖13可以看出，聯(lián)合改良黃土中200目石英粉的摻入可以大量填充土壤孔隙，使土體變得更加密實(shí)?？故枇袒瘎⒋罅客令w粒包裹起來，并在土顆粒接觸的地方形成膠結(jié)體，使改良黃土形成一個整體。從部分未被包裹的土顆粒可以看出，土顆粒排列從原來的點(diǎn)與點(diǎn)接觸變?yōu)殍偳妒降拿媾c面接觸，且出現(xiàn)了明顯的層狀排列結(jié)構(gòu)，增大了土顆粒之間的機(jī)械摩擦力。

由此可見，200目石英粉在抗疏力改良黃土過程中起到了提供膠結(jié)原材料的作用，其改良機(jī)理見圖14。

圖14解釋了200目石英粉和抗疏力固化劑所起到的作用。根據(jù)抗疏力固化劑的原理可知，抗疏力固化劑親水的一端與土顆粒緊密聯(lián)結(jié)，可以使細(xì)小土顆粒發(fā)生凝聚，產(chǎn)生團(tuán)聚體，聚集在黃土骨架的接觸點(diǎn)，進(jìn)一步形成土顆粒之間的膠結(jié)體。結(jié)合上述掃描電鏡試驗(yàn)可以發(fā)現(xiàn)，原狀松散的素黃土黏粒含量較小，難以對黃土骨架土顆粒造成有效的黏聚作用?？故枇袒瘎┑膿饺肟梢允裹S土中細(xì)小顆粒與抗疏力固化劑一起組成膠結(jié)體，增加黃土骨架的膠結(jié)力。在抗疏力固化劑改良黃土中摻入200目石英粉可以更好地發(fā)揮抗疏力固化劑黏聚細(xì)小土顆粒的作用，使膠結(jié)體充分包裹土顆粒，填堵毛細(xì)空隙，從而大幅提高強(qiáng)度。

2.7 改良黃土對內(nèi)摩擦角的影響

通過摻入不同細(xì)度、不同摻量石英粉和不同摻量抗疏力固化劑改良黃土的單軸抗壓試驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)，土體破壞形態(tài)基本上都呈現(xiàn)1條斜裂縫，如圖15所示。

圖15 土體壓壞后破壞形態(tài)

土體破裂面與最大主應(yīng)力面的夾角為45°+φ/2，根據(jù)破壞后土體的破裂角可以分析石英粉對黃土內(nèi)摩擦角的影響。通過測量得知：素黃土的破裂角為49°；摻入5%的40目石英粉后黃土的破裂角擴(kuò)大為53°，黃土的破裂角較未摻入石英粉提高8.16%；當(dāng)摻入10%石英粉后，黃土破裂角擴(kuò)大為58°，破裂角增加了9.4%；當(dāng)石英粉摻量為15%時，改良黃土破裂角增加為61°，內(nèi)摩擦角較未摻入石英粉增加了5.17%。

摻入200目的石英粉后，摻量為5%時破裂角為56°，摻量為10%時破裂角為58°，摻量為15%時破裂角為56°，隨200目石英粉摻量的增加黃土破裂角變化率僅為3.6%，并沒有很大變化。摻入1 000目的石英粉后，5%，10%，15%摻量下的破裂角分別為50°，48°，47°，內(nèi)摩擦角有少量遞減，變化率為-4%～-2%。

由以上結(jié)果可知，摻入40目石英粉后可以顯著提高黃土的內(nèi)摩擦角，提高幅度為62.5%～100%。40目石英粉摻量在10%以內(nèi)時，內(nèi)摩擦角變化值較小，摻量為10%～15%時，內(nèi)摩擦角變化值較大；摻入200目和1 000目的石英粉對黃土的內(nèi)摩擦角改變不大，總體不超過4%。

分析其原因：當(dāng)40目石英粉摻量小于10%時，石英粉的摻入逐步替代原有黃土顆粒的骨架，使得石英粉和原有黃土骨架成為新的骨架體系，二者相互咬合，從而增大了土體的內(nèi)摩擦角。當(dāng)40目石英砂摻量達(dá)到10%～15%時，石英粉取代了黃土原有的骨架體系成為主要的骨架體系，這時黃土內(nèi)摩擦角較之前增加速率較快，其改良機(jī)理如圖16所示。

圖16 摻入40目石英砂后黃土骨架體系變化過程

綜上所述，不同細(xì)度的石英粉在聯(lián)合抗疏力固化劑改良黃土過程中扮演著不同的角色，200目石英粉的摻入可以改善土體的黏聚力，從而改善土體的力學(xué)性能。40目石英粉摻入后可以改善土體的顆粒級配，提高黃土的內(nèi)摩擦角，進(jìn)而改善土體的力學(xué)性能。因此，在抗疏力固化劑改良黃土?xí)r摻入一定配比的40目、200目石英粉，可以顯著提高改良黃土的抗剪強(qiáng)度。

3 結(jié)語

(1)抗疏力固化劑適用于西安地區(qū)Q3黃土，改良效果較好，最佳摻量為2%。在抗疏力固化劑改良黃土過程中摻入10%的200目石英粉可以提高顆粒間的黏聚力，改善骨架顆粒間的排列方式，系統(tǒng)性放大改良黃土的強(qiáng)度，且在Rm=2%時抗壓強(qiáng)度最大，改良效果最佳。

(2)抗疏力固化劑可以改善黃土的強(qiáng)度和剛度，降低黃土的塑性變形能力，增大黃土的脆性；隨著石英粉目數(shù)的提高，改良黃土的剛度逐步降低，塑性變形能力逐步增加；隨著石英粉摻量增加，土樣彈性模量逐步增長，但增長速率逐漸變緩。

(3)40目石英砂摻入黃土中可以顯著提高黃土的內(nèi)摩擦角，其內(nèi)摩擦角隨著石英粉目數(shù)增加而增加；200目石英粉對黃土內(nèi)摩擦角影響較??；1 000目石英粉會緩慢降低黃土內(nèi)摩擦角。施工過程中可以通過試驗(yàn)尋找40目石英粉在具體工程中的最佳配比，從而提高改良黃土強(qiáng)度。