硅微粉固化盐渍土强度试验研究

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　　摘  要：文章以双洮公路沿线盐渍土为研究对象，利用硅微粉固化改良盐渍土，研究其无侧限抗压强度的变化规律。在盐渍土中分别掺入2%、4%、6%、8%的硅微粉进行固化改良，调整试样的养护龄期，通过无侧限抗压试验，研究了不同试样的无侧限抗压强度和应力应变曲线。试验结果表明，硅微粉固化盐渍土存在最优掺量，随着养护龄期增长，最优掺量有小幅增加，龄期为56d的试样，硅微粉掺量为8%时，强度为0.751MPa，较素土试样强度增加了155%。
　　关键词：盐渍土;硅微粉;无侧限抗压强度
　　中图分类号：P642         文献标志码：A         文章编号：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
　　盐渍土是指土中易溶盐含量在0.3%～20%之间，而且随外界环境变化容易产生溶陷和盐胀等工程性质的土[1]。不同行业内关于盐渍土的定义略有部分偏差，主要体现在含盐量的界限值方面，铁路行业认为，在表层1m内土层易溶盐的平均含盐量大于0.5%的特殊土，可以定义为盐渍土[2]，而在公路行业，这个标准降低到了0.3%[3]，说明公路建设对盐渍土的容忍度更低，盐渍土对于公路建设的影响更为突出。盐渍土在全球分布广泛，据统计，在全世界100多个国家和地区有各类盐渍土，其覆盖面积达9.544亿公顷[4]。
　　盐渍土具有很强的环境敏感性，影响其这种特殊性质的主要因素是土体内部的易溶盐，易溶盐在土体中主要有两种存在方式，分别是盐结晶和盐溶液，而且两种状态会随着外界环境变化而发生变化。当有流动的水浸入土体或者土体处于静水中时，盐结晶在水中发生溶解，变成盐溶液，由于原有的结晶颗粒消失，从而土中产生较多较大的孔隙，整体孔隙率升高，在上覆荷载或者自重的情况下极其容易发生沉陷。温度降低时，土中的盐溶液会吸收土体内部的水分变成结晶体，由于变成晶体后体积膨胀，从而从内部扩大了土体的孔隙率，也使土体发生膨胀，也就是盐胀现象。由于盐渍土性质较弱，不利于工程建设，在实际工程中，都要尽量避开在盐渍土地区进行建设。但是实际工程总会不可避免的经过盐渍土地区，少量情况下，可以采用换填技术，将盐渍土置换为工程性质良好的土，但是在大量盐渍土存在的情况下，如果一味地采用换填技术，人力财力损失都比较大。因此有关盐渍土固化改良的研究变得至关重要，通过向盐渍土中加入水泥、石灰等无机材料，在满足经济效益的基础上，改善其工程性质，使其可以进行正常的工程建设，能够有效的节省大量的人力物力。
　　目前国内外较多专家学者都对盐渍土的固化改良进行了一系列研究，通过利用水泥、石灰、矿渣、粉煤灰等材料，都取得了一定的成果。柴寿喜[5]研究了石灰、水泥、粉煤灰及SH固化剂对滨海盐渍土的压实度以及强度的影响规律研究;孟慧芳[6]研究了温度改性水玻璃、复合改性水玻璃以及石灰、粉煤灰掺温度改性水玻璃三种方案改良盐渍土;周永祥[7]研究了水泥和矿渣对盐渍土的体积变化影响规律，刘诚斌[8]研究了矿渣复合胶凝材料改良滨海盐渍土的强度和水稳性。
　　本文以吉林省双洮高速公路沿线碳酸盐渍土为研究对象，采用硅微粉展开固化改良盐渍土研究。硅微粉是由天然石英（SiO2）或熔融石英（天然石英经高温熔融、冷却后的非晶态SiO2）经破碎、球磨（或振动、气流磨）、浮选、酸洗提纯、高纯水处理等多道工艺加工而成的微粉。是一种无毒、无味、无污染的无机非金属材料，具备耐温性好、耐酸碱腐蚀、导热系数高、高绝缘、低膨胀、化学性能稳定、硬度大等优良的性能，被广泛用于化工、电子、集成电路（IC）、电器、塑料、涂料、高级油漆、橡胶、国防等领域，目前盐渍土在土木工程领域研究较少，有部分学者利用硅微粉进行了固化黄土的试验研究，由于鹽渍土具有更强的环境敏感性，本文计划展开硅微粉对盐渍土的固化改良研究。 　　2 试验土样选取
　　结合工程勘探资料及线路现场地形地貌，本试验取样地点位于双洮公路K130+720～K131+300标段内，取样点较为干旱，地形地貌为荒草地和盐碱地。取样点植被分布多为杂草，未见庄稼，盐渍土呈条状或块斑状分布，地表干旱且返盐现象明显，呈现有浅黄色或灰白色的易溶盐结晶。首先对沿线盐渍土进行了一系列基本工程性质的检测试验，测得其天然含水率为12.36%，天然密度为1.625g/cm3，液限为23%，塑限为16%，塑性指数为7，为含砂低液限粉土，最佳含水量为12.80%，对应的最大干密度为1.96g/cm3，PH值为10.51，呈弱碱性。粒径组成及易溶盐含量见表1和表2。
　　3 试样方案
　　无侧限抗压试验是测试试件所能承受的最大轴向压力的试验，试验期间试件侧面不受任何约束限制条件[9]。在公路工程中，抗压强度高低是评价公路路基好坏的重要标准之一。在实验室條件下，无侧限抗压试验能够通过试件轴向抗压强度，对该公路路基强度有较为准确的判断，而且该试验操作较简便，试验方法成熟。作为评价固化盐渍土力学性能的重要标准之一，本文对固化土的无侧限抗压强度进行测试。
　　根据《公路工程无机结合料稳定材料试验规程》（JTG E51-2009）中T 0805-1994 无机结合料稳定材料无侧限抗压强度试验方法[10]。分别针对不同试样，按照预定的最优含水量及最大干密度和所需水泥及硅微粉的比例计算好试样所需干土、水泥、硅微粉及水的质量，将试样分别加入不同量的蒸馏水使其达到最优含水量，并击实至压实度达95%以上（试件的干密度为最大干密度的95%以上），试件尺寸为直径×高=100mm×100mm。试件成型后，用聚乙烯薄膜将试件包裹，进行养护，养护温度控制为20℃，养生时间为7d、14d、28d、56d。试件达到养护时间后，置于万能试验机上，以1mm/min的速率进行抗压试验，记录试件破坏时的最大压力。
　　4 试验结果分析
　　图1所示为不同龄期条件下试样的无侧限抗压强度随龄期变化趋势图。在一定掺量范围内，随着硅微粉掺量的增加，试样的无侧限抗压强度逐渐增加，7d龄期时，硅微粉掺量为6%时，强度为0.521MPa，较素土试样0.295MPa增加了76.6%;14d龄期时，硅微粉掺量为6%时，强度为0.634MPa，较素土试样增加了115%;28d龄期时，硅微粉掺量为8%时，强度为0.695MPa，较素土试样增加了136%; 56d龄期时，硅微粉掺量为8%时，强度为0.751MPa，较素土试样增加了155%。说明整体情况下，硅微粉的掺入能较大程度提升盐渍土的无侧限抗压强度，并且随着龄期的增加而逐渐增加。
　　但是从趋势图可以看出，随着硅微粉掺量的逐渐增加，试样无侧限抗压强度的增长趋势逐渐减小，并且除56d龄期的试样外，其余试样都有强度下降的趋势，说明硅微粉对盐渍土的无侧向抗压强度的提升不是无限增长的，而是存在一个最优掺量。在最优掺量时，试样的无侧向抗压强度最大，超过最优掺量，试样强度开始逐渐减小。对强度变化曲线进行拟合分析，拟合曲线如表所示：
　　拟合二次函数，R2均大于0.9，分别计算各个方程最大值，可以得出7d、14d、28d、56d的最大值对应的硅微粉掺量分别为5.87%、6.26%、6.86%、7.23%，证实了前文的分析，硅微粉提升盐渍土强度有最大掺量，均在6%左右，且随着试样养护龄期的增长逐渐增加。
　　图2为素土试样和掺加不同硅微粉掺量试样的应力-应变曲线，从图中可以看出硅微粉改良土样呈现明显的塑性破坏形式。与素土试样在轴向应变达3%时应力出现明显变化不同，硅微粉改良试样在轴向应变达3%时，应力仍随着应变增加而增加。试验过程中可以观察到在轴向应变达到3%时，试样已经产生一些较为细小的裂缝，而且在后续应变持续增加的过程中，裂缝逐渐延展，应力也逐渐增大，直到轴向应变达6%时应力开始逐渐平缓，此时可以认为土样抗压强度达到峰值，土样破坏形态如图3。
　　对掺加硅微粉试样的应力应变曲线进行分析，随着单轴荷载逐渐增加，试件持续被压缩，硅微粉由于其粒径小、吸附性强的性质与土颗粒充分接触，在土体中交织分布，形成一层一层的网状结构，对土体横向和竖向变形产生约束，相当于土样有了一个较小的侧限条件。在有侧限的条件下进行加载，相当于固结试验，这个情况下土体的抗压缩性开始发挥作用，由于硅微粉自身粒径小，填充了土体内部孔隙，也即是提升了土体的抗压缩性，从而硅微粉固化盐渍土的试样在应变达到3%时，应力仍然持续增长。
　　5 结束语
　　（1）硅微粉能有效提升盐渍土的抗压强度，龄期为56d的试样，硅微粉掺量为8%时，强度为0.751MPa，较素土试样强度增加了155%。
　　（2）硅微粉固化盐渍土存在最优掺量，约为6%，且随着养护龄期的增加，最优掺量有小幅度增加。
　　（3）硅微粉固化盐渍土试样破坏时呈现塑性破坏，应力应变曲线呈现应变硬化型，有利于工程建设。
　　参考文献：
　　[1]徐攸在，等.盐渍土地基[M].北京：中国建筑工业出版社，1993，12.
　　[2]TB 10077-2001.铁路工程岩土分类标准[S].北京：中国铁道出版社，2001.
　　[3]JTG C20-2011.公路工程地质勘察规范[S].北京：人民交通出版社，2011.
　　[4]石玉林.《中国1：100万土地资源图》土地资源数据集[M].北京：中国人民大学出版社，1991.
　　[5]柴寿喜.固化滨海盐渍土的强度特性研究[D].兰州大学，2006.
　　[6]孟惠芳.改性水玻璃固化硫酸盐渍土及其冻融循环耐久性[D].兰州大学，2017.
　　[7]周永祥，阎培渝，冷发光，等.水泥基固化盐渍土的温度变形特性研究[J].建筑材料学报，2010，13（03）：341-346.
　　[8]刘诚斌，纪洪广，刘娟红，等.矿渣复合胶凝材料固化滨海盐渍土的试验研究[J].建筑材料学报，2015，18（01）：82-87.
　　[9]余云燕，赵德安，彭典华，等.南疆铁路改良盐渍土无侧限抗压强度试验研究[J].兰州交通大学学报，2008，27（04）：9-13.
　　[10]行业标准.“公路工程无机结合料稳定材料试验规程”
　　（JTGE51-2009）[S].北京：人民交通出版社，2009.
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