納米SiO2和石灰改良黃泛區(qū)粉土的力學(xué)特性研究*

張艷美 馬 ?、?李國(guó)勛 畢艦心

(①中國(guó)石油大學(xué)儲(chǔ)運(yùn)與建筑工程學(xué)院，青島 266580，中國(guó)) (②國(guó)網(wǎng)山東省電力公司，濱州 256610，中國(guó))

0 引 言

粉土在我國(guó)分布廣泛，實(shí)際工程中經(jīng)常會(huì)面臨將粉土作為路基填料問(wèn)題，很多情況下若將粉土直接應(yīng)用于路基，會(huì)引發(fā)一系列工程問(wèn)題(Zhu et al.，2008)，因而需要對(duì)粉土進(jìn)行改良，使其滿足相應(yīng)的工況要求才可使用。許多學(xué)者已對(duì)傳統(tǒng)改良劑如水泥、石灰、粉煤灰等改良粉土進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)傳統(tǒng)改良劑可以與土體發(fā)生一系列物理化學(xué)作用，生成的膠結(jié)物質(zhì)對(duì)土體的強(qiáng)度、剛度、耐久性等有著顯著改良作用； 還有研究表明混合摻加傳統(tǒng)改良劑(如同時(shí)摻加水泥與石灰，或水泥與粉煤灰等)可以進(jìn)一步提高土體的強(qiáng)度(朱志鐸等， 2004； Altun et al.，2009； Lemaire et al.，2013； 張艷軍等， 2015； Mehenni et al.，2016； 何中江等， 2018)。但是傳統(tǒng)改良劑在改良粉土的同時(shí)存在著改變土壤pH值、導(dǎo)致礦物質(zhì)流失、破壞植被等一系列生態(tài)問(wèn)題，不符合可持續(xù)發(fā)展的理念(張濤等， 2015； 彭麗云等， 2017)，因此尋求高效、環(huán)保、經(jīng)濟(jì)的粉土改良劑是十分必要的。

圖 1 擊實(shí)試驗(yàn)結(jié)果Fig. 1 Compaction test result

納米材料的尺寸在1～100nm范圍內(nèi)，因而其在物理、化學(xué)性質(zhì)等方面具有許多異于常規(guī)材料的特性，是現(xiàn)如今光電材料、環(huán)境和能源、生物醫(yī)學(xué)、航天和航空、軍事等領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。目前納米材料在土木工程領(lǐng)域特別是水泥基材料中已有較多應(yīng)用，但是在巖土工程方面仍相對(duì)較少(陳學(xué)軍等， 2017， 2018; Ghasabkolaei et al.，2017)。納米材料種類繁多，其中納米SiO2具有無(wú)污染、價(jià)格便宜、改良效果好等優(yōu)點(diǎn)，是一種應(yīng)用相對(duì)廣泛的納米材料，國(guó)內(nèi)外學(xué)者也對(duì)其進(jìn)行了許多研究。Li et al. (2015)研究發(fā)現(xiàn)納米SiO2和納米石灰石可以提高超高性能混凝土的抗彎和抗壓強(qiáng)度。Chithra et al. (2016)發(fā)現(xiàn)摻加2%的納米SiO2可以使得以銅渣作為部分細(xì)骨料的高性能混凝土取得最大的抗壓強(qiáng)度、劈裂抗拉強(qiáng)度和抗彎強(qiáng)度。李陽(yáng)等(2017)通過(guò)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)在水泥砂漿中摻加4%(水泥質(zhì)量百分比)的納米SiO2可以使混凝土的抗折與抗壓強(qiáng)度達(dá)到最大值。Gelsefidi et al. (2013)和Pashabavandpouri et al. (2015)利用納米SiO2和石灰改良黏土，經(jīng)短期養(yǎng)護(hù)后，改良土的抗壓強(qiáng)度較素土即有大幅度提高。任曉川(2016)通過(guò)試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)添加納米SiO2能顯著提高黏土的液塑限和無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度。Choobbasti et al. (2015)和Ghasabkolaei et al. (2016)采用納米SiO2改良水泥土，試驗(yàn)結(jié)果表明納米SiO2能夠提高水泥土的最大干密度和無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度。Changizi et al. (2015)和璩繼立等(2017)研究了納米SiO2和纖維對(duì)黏土的改良作用，發(fā)現(xiàn)兩者共同作用下可以提高黏土的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度和抗剪強(qiáng)度。Zomorodian et al. (2017)分別使用納米黏土(蒙脫石)和納米SiO2改良未被煤油污染和被煤油污染的砂質(zhì)黏土，結(jié)果表明兩種改良劑均可以提高砂質(zhì)黏土的強(qiáng)度，并且未被污染的砂質(zhì)黏土的改良效果更好。納米SiO2對(duì)混凝土、水泥土和黏土等的改良作用已經(jīng)有了很多研究，但是在粉土改良方面還相對(duì)較少。

本文擬在黃泛區(qū)粉土中摻加不同摻量的納米SiO2和石灰，通過(guò)擊實(shí)試驗(yàn)、無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)、水穩(wěn)試驗(yàn)等室內(nèi)試驗(yàn)研究納米SiO2和石灰對(duì)粉土力學(xué)特性的影響，并通過(guò)掃描電鏡(SEM)和X射線熒光光譜儀(XRF)分析改良土的微觀結(jié)構(gòu)和固化機(jī)理，以期為將來(lái)實(shí)際工程中粉土路基的改良提供參考。

1 試驗(yàn)材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)用土取自東營(yíng)某施工現(xiàn)場(chǎng)，土的黏粒含量、粉粒含量和砂粒含量分別為6.3%、48.2%和45.2%。土樣的主要物理性質(zhì)如表 1所示。液限、塑限和塑性指數(shù)分別為22.53%、12.87%和9.66。結(jié)合顆粒分析試驗(yàn)和界限含水率試驗(yàn)的結(jié)果，根據(jù)《鐵路路基設(shè)計(jì)規(guī)范》(TB 10001-2016)，試驗(yàn)用土為含砂的低液限粉土(ML)。

表 1 試驗(yàn)土樣的物理性質(zhì)指標(biāo)Table 1 Physical properties of test soil samples

納米SiO2產(chǎn)自山東省壽光市微納化工廠，為親水型納米SiO2，呈白色蓬松粉末狀，平均粒徑為15nm，純度為99.8%，無(wú)毒。納米SiO2的規(guī)格指標(biāo)如表 2所示。石灰產(chǎn)自河南萬(wàn)祥水處理材料有限公司，型號(hào)為CL85-QP。

表 2 納米二氧化硅的規(guī)格指標(biāo)Table 2 Specifications of Nano-SiO2

1.2 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)前將粉土烘干并過(guò)2mm篩，根據(jù)試驗(yàn)需要稱取所需的納米SiO2、石灰、干土和水進(jìn)行充分?jǐn)嚢?采用JJ-5型水泥膠砂攪拌機(jī)進(jìn)行攪拌)，悶料12h后制樣。改良劑的摻量按改良劑質(zhì)量與干土質(zhì)量的比值確定。無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)和直剪試驗(yàn)的試樣按擊實(shí)試驗(yàn)測(cè)得的最大干密度與最優(yōu)含水率進(jìn)行制作，壓實(shí)度取92%。試樣制作完成后用保鮮膜包裹密封放入混凝土養(yǎng)護(hù)箱(YH-60B)并在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)條件下(養(yǎng)護(hù)箱參數(shù)：溫度20±1℃，濕度≥95%)養(yǎng)護(hù)至指定天數(shù)。

擊實(shí)試驗(yàn)、無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)和直剪試驗(yàn)的試驗(yàn)方法按照《鐵路工程土工試驗(yàn)規(guī)程》(TB 10102-2010)中的具體要求進(jìn)行操作。擊實(shí)試驗(yàn)方法為重型擊實(shí)，采用DJ型電動(dòng)擊實(shí)儀； 無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)采用YSH-2型無(wú)側(cè)限壓力儀； 直剪試驗(yàn)采用ZJ型應(yīng)變控制式直剪儀。上述試驗(yàn)儀器均由南京土壤儀器廠生產(chǎn)。各試驗(yàn)的具體試驗(yàn)方案如表 3所示。

表 3 試驗(yàn)方案Table 3 Test plan

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 壓實(shí)特性

圖1是不同石灰和納米SiO2摻量下改良土的擊實(shí)試驗(yàn)結(jié)果。由圖 1可以看出單獨(dú)摻加納米SiO2時(shí)，改良土的干密度與素土相比有明顯提升，且隨納米SiO2摻量的增加而提高，此時(shí)改良土的最優(yōu)含水率隨納米SiO2摻量的增加也略有增加。在納米SiO2改良土中摻加石灰會(huì)明顯降低改良土的最大干密度，但最優(yōu)含水率會(huì)提高; 隨著石灰摻量的增加，這一現(xiàn)象愈發(fā)顯著。這是因?yàn)閱为?dú)摻加納米SiO2時(shí)，納米SiO2會(huì)填充土體間孔隙，導(dǎo)致改良土的最大干密度有所增大，而納米SiO2為親水型納米SiO2，在發(fā)揮改良作用的同時(shí)會(huì)吸附一部分水，因而最優(yōu)含水率也會(huì)稍有增加。在納米SiO2改良土中摻加石灰后，因?yàn)槭业乃饔脮?huì)將細(xì)顆粒黏結(jié)成較大顆粒，增大了土顆粒間的孔隙，導(dǎo)致改良土的最大干密度減小，同時(shí)水化作用會(huì)消耗水，因而改良土的最優(yōu)含水率會(huì)有明顯增加。

圖 2 摻量和養(yǎng)護(hù)齡期對(duì)改良粉土強(qiáng)度的影響Fig. 2 Effect of dosage and curing age on the strength of improved silt

2.2 無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度

圖2是不同納米SiO2和石灰摻量下改良土的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果，可以看出， 1d養(yǎng)護(hù)齡期時(shí)，不同納米SiO2和石灰摻量下改良土的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度(以下簡(jiǎn)稱UCS)較素土有較大提升； 7d養(yǎng)護(hù)齡期時(shí)，各摻量下改良土的UCS較1d時(shí)顯著提高，之后增長(zhǎng)緩慢， 28d后逐步趨于穩(wěn)定。由圖 2還可以看出納米SiO2-石灰改良土的UCS在1d養(yǎng)護(hù)齡期時(shí)即可形成很高的強(qiáng)度，即納米SiO2與石灰協(xié)同作用可以加速土體強(qiáng)度的形成。

圖3是7d齡期下不同納米SiO2和石灰摻量下改良土的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度結(jié)果，可以看出，單獨(dú)摻加納米SiO2的改良土的UCS較素土有較大幅度提升，在1%～2%的納米SiO2摻量范圍內(nèi)，改良土的UCS隨著納米SiO2摻量的增加而提高； 2%納米SiO2改良土(304.37kPa)的UCS較素土(28.17kPa)的增幅約為980%。當(dāng)采用納米SiO2和石灰聯(lián)合改良劑時(shí)，改良土的UCS隨納米SiO2摻量的增加先提高后降低； 當(dāng)摻入配合比為1.5%納米SiO2和2%石灰時(shí)，改良土的UCS最大，達(dá)到906.14kPa，與素土相比增加約為3120%。

圖 3 7d齡期下不同納米SiO2和 石灰摻量下改良粉土的UCSFig. 3 UCS of improved silt under different nano-SiO2 and lime content after cured by 7 days

圖4是7d齡期改良土的軸向應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線。從圖中可以看出，在粉土中摻入納米SiO2和石灰后，改良土呈現(xiàn)出脆性破壞特征，即軸向應(yīng)力達(dá)到峰值后急劇降低，并且隨石灰摻量的增加脆性加劇，試驗(yàn)過(guò)程中表現(xiàn)為軸向應(yīng)力達(dá)到峰值后即出現(xiàn)一條主裂縫，然后裂縫迅速擴(kuò)展并貫穿試樣，強(qiáng)度迅速減小至零。使用納米SiO2和石灰改良粉土可以顯著提高粉土的UCS，但改良后土的脆性也會(huì)增加，因此，實(shí)際工程中使用石灰和納米SiO2改良粉土?xí)r要考慮改良土脆性的影響，注意改善改良土的脆性問(wèn)題。

圖 4 7d齡期改良粉土的軸向應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線Fig. 4 Axial stress-strain curve of improved silt after cured by 7 days

圖 5 改良粉土7d齡期飽和強(qiáng)度折減率Fig. 5 Saturation strength reduction rate of improved silt under nano-SiO2 and lime after cured by 7 days

圖 6 水穩(wěn)性試驗(yàn)照片F(xiàn)ig. 6 Water stability test photos a. 素土； b.2%納米SiO2改良土； c.1%石灰+1%納米SiO2改良土； d.2%石灰+1.5%納米SiO2改良土

2.3 水穩(wěn)性

按照《鐵路工程土工試驗(yàn)規(guī)程》(TB 10102-2010)的規(guī)定，將養(yǎng)護(hù)6d后的試樣置于盛滿水的燒杯中，水沒(méi)過(guò)試樣，浸泡24h，取出試樣吸去表面余水并稱取試樣的質(zhì)量，對(duì)于不符合規(guī)范要求的試樣作廢，對(duì)于符合要求的試樣測(cè)定其飽和無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度。因?yàn)楦牧纪恋臐B透性很小，試驗(yàn)時(shí)對(duì)于符合要求的試樣浸水24h后又采用真空飽和法使其達(dá)到飽和。

圖5是不同納米SiO2和石灰摻量下改良土7d齡期飽和強(qiáng)度折減率結(jié)果，圖 6是7d齡期下水穩(wěn)性試驗(yàn)照片。飽和強(qiáng)度折減率定義為土樣非飽和強(qiáng)度(最優(yōu)含水率下)和飽和強(qiáng)度的差值與非飽和強(qiáng)度的比值。圖 5中可以看出：素土和單摻納米SiO2時(shí)改良土的水穩(wěn)性較差，飽和強(qiáng)度折減率為100%，試樣在水中浸泡1h后不能保持原有形狀，無(wú)法測(cè)得強(qiáng)度，試驗(yàn)后的照片如圖 6a、圖6b所示； 在納米SiO2改良土中分別摻加1%和2%的石灰，土體的水穩(wěn)性得到明顯改善，飽和強(qiáng)度折減率的范圍分別保持在45%～60%和30%～40%，在0～2%的石灰摻量范圍內(nèi)，納米SiO2改良土的飽和強(qiáng)度折減率隨著石灰摻量的增加而減少，試樣在水中浸泡24h后無(wú)明顯損壞，試驗(yàn)后的照片如圖 6c、圖6d所示。因?yàn)樗赝烈苑哿：蜕傲橹鳎ち：枯^少，黏結(jié)性較弱，所以水穩(wěn)性較差； 單摻納米SiO2時(shí)，納米SiO2主要填充土體內(nèi)部孔隙，無(wú)法提供足夠的黏結(jié)作用，所以水穩(wěn)性也較差； 隨著石灰的摻入，土體內(nèi)部發(fā)生某種反應(yīng)，生成物可以黏結(jié)土顆粒，改善土體的水穩(wěn)性能。

2.4 抗剪強(qiáng)度

圖7為不同摻量改良土的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)?？梢钥闯?， 2%納米SiO2改良土的黏聚力和內(nèi)摩擦角較素土有所提高。在納米SiO2改良土中摻加2%石灰后，黏聚力和內(nèi)摩擦角較單摻2%納米SiO2有顯著提高，并且隨納米SiO2摻量的增加先提高后降低。1.5%納米SiO2-2%石灰改良土的黏聚力和內(nèi)摩擦角最大，黏聚力和內(nèi)摩擦角較素土分別提高至97.06kPa和41.34°。

圖 7 改良粉土的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)Fig. 7 Shear strength index of improved silt

綜合改良土的抗壓強(qiáng)度、水穩(wěn)性等試驗(yàn)結(jié)果，并考慮節(jié)省石灰和成本，認(rèn)為改良黃泛區(qū)粉土的最佳摻量為2%石灰和1.5%納米SiO2。

2.5 微觀結(jié)構(gòu)及機(jī)理分析

圖8是300倍掃描電鏡照片。圖 8a中素土顆粒棱角分明，顆粒間存在較大的孔隙，顆粒與顆粒之間基本沒(méi)有連接； 摻加2%納米SiO2后顆粒之間的孔隙被填充，土體的孔隙率明顯減??； 摻加2%石灰與1.5%納米SiO2后可以看到更多的膠結(jié)物質(zhì)把土顆粒黏結(jié)起來(lái)，顆粒之間孔隙更少。改良土的微觀結(jié)構(gòu)的變化特征表明，單獨(dú)把納米SiO2摻加到土體中，納米SiO2主要起到填充土顆粒之間孔隙的作用，由于孔隙被填充使得土體的微觀結(jié)構(gòu)變得密實(shí)； 同時(shí)摻加石灰與納米SiO2，土顆粒之間的膠結(jié)物質(zhì)更多，孔隙更少，形成更為致密、穩(wěn)定的土體結(jié)構(gòu)。改良土飽和強(qiáng)度折減率的降低以及黏聚力和內(nèi)摩擦角的提高也可以側(cè)面印證這一分析結(jié)果。Bell(1996)和Yong et al. (2007)研究認(rèn)為納米SiO2在石灰改良土中起到火山灰添加劑的作用，因?yàn)槠錇榧{米尺度，與普通二氧化硅相比性質(zhì)較為活潑，可以作為催化劑促使石灰發(fā)生反應(yīng)，進(jìn)而固化土體。土體中石灰的水化反應(yīng)生成大量Ca2+和(OH)ˉ，隨著石灰摻量的增加，土體的pH會(huì)隨之升高，當(dāng)pH達(dá)到12.4左右時(shí)，土壤中溶解的硅酸鹽和硅離子會(huì)在納米SiO2作用下與(OH)ˉ反應(yīng)生成Si(OH)3，Si(OH)3最終會(huì)與Ca2+反應(yīng)生成水化硅酸鈣(C-S-H)，水化硅酸鈣是一種絮凝膠，可以黏結(jié)土顆粒，從而提高土體強(qiáng)度。根據(jù)上述學(xué)者的研究成果，推測(cè)納米SiO2-石灰改良土中形成膠結(jié)物質(zhì)為水化硅酸鈣，因而可以大幅度提高土體的強(qiáng)度。

圖8 掃描電鏡照片F(xiàn)ig. 8 Scanning electron micrographs a. 素土； b.2%納米SiO2改良土； c.2%石灰+1.5%納米SiO2改良土

Ca(OH)2→Ca2++2(OH)-

(1)

Ca2++2(OH)-+SiO2→CaO·SiO2+H2O

(2)

通過(guò)X射線熒光光譜儀(AXIOS-Petro)測(cè)得素土、1.5%納米SiO2改良土和2%石灰加1.5%納米SiO2改良土3類土樣的化學(xué)成分，XRF試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表 4?？梢钥闯?，3類土的主要化學(xué)成分是SiO2、Al2O3和 CaO； 單獨(dú)加入納米SiO2時(shí)，CaO的濃度幾乎不變，SiO2的濃度大幅提高，表明此時(shí)納米SiO2主要起到填充孔隙的作用； 摻入2%石灰和1.5%納米SiO2后，SiO2的濃度降低，如前所述，其參與反應(yīng)形成了水化硅酸鈣，使得土體的強(qiáng)度得到較大的提高。

表 4 試樣的化學(xué)成分Table 4 Chemical compositions of samples

3 結(jié) 論

本文對(duì)不同摻量下的納米SiO2-石灰改良土進(jìn)行了系列室內(nèi)試驗(yàn)，研究了兩種改良劑的摻量對(duì)黃泛區(qū)粉土力學(xué)特性的影響，并對(duì)特定摻量下的改良土進(jìn)行了掃描電鏡和XRF試驗(yàn)，所得結(jié)論如下：

(1)納米SiO2改良土的最大干密度和最優(yōu)含水率隨納米SiO2摻量的增加均呈現(xiàn)出遞增的趨勢(shì)，最大干密度的增加較為顯著； 納米SiO2改良土中摻加石灰會(huì)顯著增加最優(yōu)含水率，但會(huì)降低最大干密度。

(2)不同摻量的納米SiO2-石灰改良土的UCS較素土有顯著提高，UCS隨養(yǎng)護(hù)齡期的增加而增加， 1d至7d養(yǎng)護(hù)齡期內(nèi)提高最為顯著； 2%石灰和1.5%納米SiO2聯(lián)合使用時(shí)，改良土的UCS較素土增幅約3120%。

(3)素土與納米SiO2改良土的水穩(wěn)性較差； 納米SiO2改良土摻加石灰會(huì)顯著改良土體的水穩(wěn)性能，并且隨著石灰摻量的增加，改良土的飽和強(qiáng)度折減率隨之降低。

(4)單獨(dú)摻入納米SiO2主要起到填充顆粒間孔隙的作用，同時(shí)摻加石灰和納米SiO2可以反應(yīng)生成水化硅酸鈣，進(jìn)一步發(fā)揮黏結(jié)與填充作用，使土體強(qiáng)度提高、結(jié)構(gòu)更穩(wěn)定。