黏性土和纖維對風積沙改性土熱膨脹特性的影響

周富彪，蘇占東，田夢楠，李 高，陳 祥，孫進忠,

(1.防災科技學院巖土工程研究中心，廊坊 065201；2.中國地質科學院巖溶地質研究所，桂林 541004； 3.中國地質大學(北京)工程技術學院，北京 100083；4.有色金屬礦產地質調查中心，北京 100012； 5.北京交通大學土木建筑工程學院，北京 100044)

0 引 言

風積沙是被風吹搬運和積淀的砂石顆粒(砂層)，廣泛分布在我國的西北干旱區、青藏高原區、東部季風區三大自然地理區[1-3]。沙漠天然風積沙結構松散、無粘聚強度、穩定性差、承載力低[4-7]，對天然風積沙添加水泥進行加固改良可形成強度足夠的風積沙改性土[8-11]，可用作路基等線性工程的主要填筑材料[12-13]，克服沙漠地區缺乏砂礫、碎石等筑路材料的局限，能夠達到工程造價經濟、施工快捷的目的[14]。然而，高溫差沙漠區實際工程應用中，利用風積沙摻加水泥形成風積沙改性土進行高鐵路堤填筑，在晝夜及季節性溫差作用下路面出現垂直于路堤走向的溫度裂縫，對高鐵路堤的長期穩定性構成威脅。大型風積沙改性土路堤試驗段變形監測研究表明，改性土具有熱脹冷縮特性，路堤裂縫成因為路堤材料凍縮開裂，在改性土中添加黏性土可有效改善路堤的凍縮開裂病害[15]。基于彎拉強度、彎拉模量、最大失水量、溫差和最大干縮、溫縮應變的研究表明，加入聚丙烯纖維可明顯減小二灰(石灰、粉煤灰)穩定風積沙的干縮裂縫[16]。單絲纖維具有強度高、耐腐蝕的特點，纖維摻入屬于物理改性，可有效提高軟粘土的壓縮強度、抗剪強度、抗拉能力和承載力，使試樣呈現較高的韌性[17-21]。

但在水泥固化風積沙的基礎上繼續摻加黏性土或聚丙烯纖維材料，并分析摻量對風積沙改性土的熱膨脹特性的影響方面的研究鮮有報道。因此，本文以改性土中水泥和風積沙為基礎，繼續調整水泥摻量并摻加不同質量黏性土和不同質量聚丙烯纖維，對比分析水泥、黏性土和聚丙烯纖維不同配比下各外加劑摻量的改變對風積沙改性土熱膨脹系數的影響，為高溫差沙漠地區優化改性土在熱脹冷縮下的溫度穩定性提供試驗依據。

1 實 驗

1.1 材料及配比

試驗依托內蒙古科爾沁沙漠地區某工程路堤項目，考慮工程使用風積沙摻5%質量比的水泥固化改性后脆性路堤出現熱脹冷縮溫度裂縫，試驗設計在此基礎上分別添加延性較好的黏性土以及起到物理加筋錨固作用的聚丙烯纖維，風積沙、水泥、黏性土和聚丙烯纖維按質量摻比進行風積沙改性土配制，分別測試不同配比風積沙改性土的熱膨脹系數，探索提高風積沙改性土溫度穩定性的改性方法。

試驗所用風積沙改性土材料如圖1所示。風積沙取自依托項目料源地，除去雜質烘干后測得風積沙主要成分為石英，含有一定量的斜長石、鉀長石和少量的伊利石、蒙脫石，風積沙的最大干密度為1.863 g/cm3，土粒比重2.685，不均勻系數Cu=2.1<5，曲率系數Cc=0.92<1，說明顆粒較均勻，屬不良級配[22]。

圖1 風積沙改性土材料
Fig.1 Materials of aeolian sand modified soil

黏性土取自依托項目段攪拌廠附近的黏性土磚場黏性土料源地，黏性土平均含水率為8.8%，塑性指數為10.19，液性指數為-0.59。試驗所用的水泥型號為普通硅酸鹽水泥，旋窯熟料，比表面積348 m2/kg，強度等級為42.5，初凝時間177 min，終凝時間209 min，標準稠度25.4%。所用的聚丙烯纖維物理力學參數如表1所示。

表1 聚丙烯纖維物理力學參數Table 1 Physical and mechanical parameters of polypropylene fiber

根據試驗目的，研究黏性土和聚丙烯纖維不同摻入量對風積沙改性土膨脹系數的影響，分別設計了兩組改性方案。方案一：風積沙+水泥+黏性土。研究水泥和黏性土的不同摻比對改性土熱膨脹系數的影響。風積沙、水泥和黏性土不同改性配比組合，在水泥摻量為5%的情況下分別設計黏性土摻量為0%、5%、10%，在黏性土摻量為10%的情況下分別設計水泥摻量為3%、5%、6%、8%，如表2所示。

表2 方案一風積沙、水泥和黏性土不同改性配比組合Table 2 Different modification ratios of aeolian sand, cement and clayey soil in scheme No.1

方案二：風積沙+水泥+聚丙烯纖維。研究水泥和聚丙烯纖維的不同摻比對改性土熱膨脹系數的影響。風積沙、水泥和聚丙烯纖維的配比組合，設計了4×4的交叉試驗，水泥的含量分別為3%、5%、7%、9%，纖維的含量分別為0%、0.1%、0.2%、0.4%，如表3所示。最終選取測試樣品數均為1個。

表3 方案二風積沙、水泥和聚丙烯纖維不同改性配比組合Table 3 Different modification ratios of aeolian sand, cement and polypropylene fiber in scheme No.2

試驗樣品根據試驗儀器要求，所有配比的改性土均制作成尺寸為 10 mm×10 mm×50 mm的試樣，試樣均在含水率為10%的條件下配制，通過應力控制壓實法控制含黏性土試樣的壓實度為90%，含聚丙烯纖維試樣的壓實度75%，并在養護箱中養護7 d，養護條件為溫度(20±2) ℃，相對濕度90%，養護完成后開展改性土試件的熱膨脹系數試驗，改性土試樣如圖2所示。

圖2 風積沙改性土試驗試樣
Fig.2 Test samples of aeolian sand modified soil

1.2 試驗設備及原理

熱膨脹系數是衡量物體溫度變形性能的參數，其物理意義為等壓條件下單位溫度變化所導致的長度量值的變化。熱膨脹系數有線膨脹系數、面膨脹系數和體膨脹系數之分[23]。對于可看做一維物體的各向均勻的風積沙改性土線性路堤，裂縫產生方向垂直于路堤方向表明路堤主要產生長度方向的伸縮變化，這時改性土試樣的熱膨脹系數可簡化定義為：單位溫度改變下長度的增加量與的原長度的比值，即線膨脹系數。線膨脹系數分為某一溫度點的線膨脹系數和某一溫度區間的線膨脹系數，后者稱為平均線膨脹系數，是指單位長度的材料在某一溫度區間，每升高一度溫度的平均伸長量[24]。平均線膨脹系數用符號α表示，計算公式如式(1)所示。

(1)

式中，L2和L1分別為溫度為t2和t1時對應的試樣長度，L0為試樣的原始長度，長度單位均為μm，α單位為10-6/℃。

熱膨脹系數測試采用的是湘潭市儀器儀表有限公司制造的ZRPY-1000，該儀器適用于測定在高溫狀態金屬、陶瓷、玻璃、耐火材料及其他非金屬材料在受熱過程中的膨脹和收縮性能。ZRPY-1000熱膨脹系數測定儀由傳感器裝置、電阻爐、小車、基座電器控制柜組成，其測量方法屬于頂桿式間接法，原理是電爐升溫后，爐膛內的試樣發生膨脹，頂在試樣端部的測試桿產生與之等量的位移量，并被電感位移計精確地量測，并由此轉化為線膨脹系數。電阻爐由微電腦控溫，控溫精度可達到±0.1 ℃，位移傳感器測量精度0.5 μm。測試過程如圖3所示。

圖3 風積沙改性土試樣膨脹系數測試
Fig.3 Test of thermal expansion coefficient of aeolian sand modified soil

2 結果與討論

改性土熱膨脹系數室內測試的溫度范圍分別為，方案一風積沙、水泥和黏性土不同配比改性土試樣在室溫至60 ℃情況下的平均線膨脹系數測試，方案二風積沙、水泥和聚丙烯纖維不同配比改性土試樣在室溫至80 ℃情況下的平均線膨脹系數測試。溫度上下限的取值主要考慮滿足兩個原則：一是試驗設備儀器支持開展相應溫度范圍的測試，二是室內測試溫度上限須比研究區工程現場風積沙改性土承受的實際最高溫度略高且范圍合理。本次測試使用的熱膨脹系數測試儀器主要功能為相關材料的正溫熱膨脹測試，其測試最低溫度為室溫。其次，內蒙古科爾沁研究區的歷年極端最高氣溫為38.2 ℃，測試溫度上限取值為60 ℃或80 ℃均已高出研究區歷年極端最高氣溫38.2 ℃，溫度上限取值滿足研究區實際溫度上限的研究需求。以下對比分析所選取的數據來自相同溫度段(室溫至60 ℃)下的測試結果。

2.1 水泥、黏性土摻量變化對風積沙改性土試樣的線膨脹系數的影響

試驗儀器測試風積沙、水泥和黏性土不同配比改性土試樣在室溫至60 ℃情況下的平均線膨脹系數，軟件記錄了樣品條在測試溫度范圍內某溫度的變形量并根據初始長度計算出樣品的線膨脹系數。如表4所示為風積沙改性土編號F2的其中一個樣品F2-1的線膨脹系數測試過程記錄表。

取樣品在不同溫度時對應的線膨脹系數之和的平均作為衡量不同配比樣品的平均線膨脹系數，如為多個測試樣品則再求多個樣品的平均值。方案一風積沙、水泥和黏性土不同配比改性土的平均線膨脹系數測試結果匯總如表5所示。

表4 風積沙改性土編號F2-1熱膨脹系數測試數據表Table 4 Thermal expansion test result of aeolian sand modified soil No.F2-1

表5 方案一改性土的平均線膨脹系數試驗結果Table 5 Average coefficient of linear expansion of modified soil of scheme No.1

根據風積沙、水泥和黏性土不同配比改性土的平均線膨脹系數試驗結果繪制改性土線膨脹系數隨水泥摻量、黏性土摻量改變的變化曲線如圖4和圖5所示。

圖4 水泥摻量改變對改性土線膨脹系數的影響
Fig.4 Effect of cement content on the coefficient of linear expansion of modified soil

圖5 黏性土摻量改變對改性土線膨脹系數的影響
Fig.5 Effect of clayey soil content on the coefficient of linear expansion of modified soil

線膨脹系數表征材料的尺寸熱穩定性，數值越小，材料的尺寸熱穩定性越高。由圖4可知，當黏性土摻量為10%時，隨著水泥摻量的增加，風積沙改性土的平均線膨脹系數總體呈現增大趨勢，因為單一材料純石英砂的熱膨脹系數極低，僅為5.5×10-7/℃[25]，而單一材料水泥石熱膨脹系數是(12～20)×10-6/℃[26]，約為風積沙的30倍，水泥摻入量的增大對改性土的熱膨脹系數影響顯著。水泥的摻入，有助于固化和改性天然松散的風積沙，使得風積沙改性土強度可滿足工程需求，但同時也導致了改性土的熱膨脹系數相比天然風積沙顯著增大，改性土材料尺寸的熱穩定性有所降低。我們注意到，當風積沙改性土中水泥的摻量為6%時，改性土的平均線膨脹系數有所降低，這可能是隨著水泥顆粒添加至6%時，水化反應形成聚合體的過程中會造成顆粒的重新分布，使試樣的內部產生微空隙，顆粒受熱膨脹產生的應力不能及時傳遞擴散，使熱膨脹系數減小；而當水泥含量達到一定程度時(超過6%)，這種反應會使結構更加密實，熱膨脹系數顯著增大[27]。因此，現行的風積沙摻水泥進行固化改性其水泥摻量為5%，在此基礎上將水泥摻量提高至6%可相對改善改性土的熱穩定性。

由圖5可知，當水泥摻量為5%時，隨著黏性土摻量的增加，風積沙改性土的平均線膨脹系數呈現增大趨勢，因為單一材料黏性土的熱膨脹系數是(3～12)×10-6/℃[28]，約為風積沙的10倍。水泥固化風積沙形成改性土表現出較大的脆性特性，而黏性土是一種延性較好的材料，若改性土中繼續摻入延性較好的黏性土可在一定程度上降低改性土的脆性，也即添加黏性土的改性土在發生破壞前可以產生較大的變形。但隨著黏性土摻入量的不斷增加，風積沙改性土的尺寸熱敏感性隨之增大，在溫度升高或降低過程中更容易出現體積的增大或縮小。

2.2 水泥、聚丙烯纖維摻量變化對風積沙改性土試樣的線膨脹系數的影響

選取方案二風積沙、水泥和聚丙烯纖維不同配比改性土在室溫至60 ℃情況下的平均線膨脹系數測試結果匯總如表6所示。

表6 方案二改性土的平均線膨脹系數試驗結果Table 6 Average coefficient of linear expansion of modified soil of scheme No.2

根據風積沙、水泥和聚丙烯纖維不同配比改性土的平均線膨脹系數試驗結果繪制改性土線膨脹系數隨水泥摻量、聚丙烯纖維摻量改變的變化曲線如圖6和圖7所示。

圖6 水泥摻量改變對改性土線膨脹系數的影響
Fig.6 Effect of cement content on the coefficient of linear expansion of modified soil

圖7 聚丙烯纖維摻量改變對改性土線膨脹系數的影響
Fig.7 Effect of polypropylene fiber content on the coefficient of linear expansion of modified soil

由圖6可知，當聚丙烯纖維摻量固定時，隨著水泥摻量的增加，風積沙改性土的平均線膨脹系數呈現增大趨勢，方案二(風積沙+水泥+聚丙烯纖維)中水泥對改性土熱膨脹系數的影響與方案一(風積沙+水泥+黏性土)類似，整體上水泥摻量的增加都會導致改性土的熱膨脹系數增大。但對比纖維摻入量為0.1%、0.2%和0.4%的改性土線膨脹系數增長擬合線可知，隨著聚丙烯纖維摻入量的提高，改性土的線膨脹系數增速放緩，是因為聚丙烯纖維發揮了加筋約束作用。

由圖7可知，當水泥摻量固定時，隨著聚丙烯纖維摻量的增加，風積沙改性土的平均線膨脹系數呈現明顯的減小趨勢。在改性土中添加聚丙烯纖維，屬于物理改性，高強度的纖維在改性土中起到了加筋的作用，當纖維上有水泥膠結形成時，纖維與水泥膠結體在改性土中發揮了類似帶肋鋼筋的錨固作用，即使改性土有發生較大的膨脹趨勢，也難以克服纖維的加筋和錨固力，因此聚丙烯纖維的摻入很顯著地阻礙了風積沙改性土的受熱膨脹，使得改性土的平均線膨脹系數明顯減小。

3 結 論

結合實際工程中使用風積沙摻加水泥形成風積沙改性土填筑工程路堤出現溫度裂縫的實際情況，在原配比基礎上分別添加不同配比黏性土和聚丙烯纖維設計了兩個試驗方案配比組合，對不同配比風積沙改性土試樣的熱膨脹系數進行測試，對比分析黏性土和聚丙烯纖維兩種韌性材料摻量的變化對風積沙改性土熱膨脹特性的影響，結果表明：

(1)風積沙改性土的平均線膨脹系數隨著水泥摻入量的增加總體上呈增大趨勢，隨著黏性土摻入量的增加而增大，隨著聚丙烯纖維摻入量的增加而減小；

(2)當風積沙改性土的黏性土摻量為10%時，水泥摻量為6%的改性土其平均線膨脹性系數比水泥摻量為5%的改性土要低，水泥摻量為6%比5%更能改善風積沙改性土的體積熱穩定性；

(3)利用水泥和聚丙烯纖維共同對風積沙進行加固改性，可以發揮聚丙烯纖維的加筋和錨固作用，顯著減弱改性土的受熱膨脹特性，提高改性土的溫度穩定性。