硅微粉固化鹽漬土強度試驗研究

王濤 唐瑞兆

摘? 要：文章以雙洮公路沿線鹽漬土為研究對象，利用硅微粉固化改良鹽漬土，研究其無側限抗壓強度的變化規律。在鹽漬土中分別摻入2%、4%、6%、8%的硅微粉進行固化改良，調整試樣的養護齡期，通過無側限抗壓試驗，研究了不同試樣的無側限抗壓強度和應力應變曲線。試驗結果表明，硅微粉固化鹽漬土存在最優摻量，隨著養護齡期增長，最優摻量有小幅增加，齡期為56d的試樣，硅微粉摻量為8%時，強度為0.751MPa，較素土試樣強度增加了155%。

關鍵詞：鹽漬土;硅微粉;無側限抗壓強度

中圖分類號：P642? ? ? ? ?文獻標志碼：A? ? ? ? ?文章編號：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

鹽漬土是指土中易溶鹽含量在0.3%～20%之間，而且隨外界環境變化容易產生溶陷和鹽脹等工程性質的土[1]。不同行業內關于鹽漬土的定義略有部分偏差，主要體現在含鹽量的界限值方面，鐵路行業認為，在表層1m內土層易溶鹽的平均含鹽量大于0.5%的特殊土，可以定義為鹽漬土[2]，而在公路行業，這個標準降低到了0.3%[3]，說明公路建設對鹽漬土的容忍度更低，鹽漬土對于公路建設的影響更為突出。鹽漬土在全球分布廣泛，據統計，在全世界100多個國家和地區有各類鹽漬土，其覆蓋面積達9.544億公頃[4]。

鹽漬土具有很強的環境敏感性，影響其這種特殊性質的主要因素是土體內部的易溶鹽，易溶鹽在土體中主要有兩種存在方式，分別是鹽結晶和鹽溶液，而且兩種狀態會隨著外界環境變化而發生變化。當有流動的水浸入土體或者土體處于靜水中時，鹽結晶在水中發生溶解，變成鹽溶液，由于原有的結晶顆粒消失，從而土中產生較多較大的孔隙，整體孔隙率升高，在上覆荷載或者自重的情況下極其容易發生沉陷。溫度降低時，土中的鹽溶液會吸收土體內部的水分變成結晶體，由于變成晶體后體積膨脹，從而從內部擴大了土體的孔隙率，也使土體發生膨脹，也就是鹽脹現象。由于鹽漬土性質較弱，不利于工程建設，在實際工程中，都要盡量避開在鹽漬土地區進行建設。但是實際工程總會不可避免的經過鹽漬土地區，少量情況下，可以采用換填技術，將鹽漬土置換為工程性質良好的土，但是在大量鹽漬土存在的情況下，如果一味地采用換填技術，人力財力損失都比較大。因此有關鹽漬土固化改良的研究變得至關重要，通過向鹽漬土中加入水泥、石灰等無機材料，在滿足經濟效益的基礎上，改善其工程性質，使其可以進行正常的工程建設，能夠有效的節省大量的人力物力。

目前國內外較多專家學者都對鹽漬土的固化改良進行了一系列研究，通過利用水泥、石灰、礦渣、粉煤灰等材料，都取得了一定的成果。柴壽喜[5]研究了石灰、水泥、粉煤灰及SH固化劑對濱海鹽漬土的壓實度以及強度的影響規律研究;孟慧芳[6]研究了溫度改性水玻璃、復合改性水玻璃以及石灰、粉煤灰摻溫度改性水玻璃三種方案改良鹽漬土;周永祥[7]研究了水泥和礦渣對鹽漬土的體積變化影響規律，劉誠斌[8]研究了礦渣復合膠凝材料改良濱海鹽漬土的強度和水穩性。

本文以吉林省雙洮高速公路沿線碳酸鹽漬土為研究對象，采用硅微粉展開固化改良鹽漬土研究。硅微粉是由天然石英（SiO2）或熔融石英（天然石英經高溫熔融、冷卻后的非晶態SiO2）經破碎、球磨（或振動、氣流磨）、浮選、酸洗提純、高純水處理等多道工藝加工而成的微粉。是一種無毒、無味、無污染的無機非金屬材料，具備耐溫性好、耐酸堿腐蝕、導熱系數高、高絕緣、低膨脹、化學性能穩定、硬度大等優良的性能，被廣泛用于化工、電子、集成電路（IC）、電器、塑料、涂料、高級油漆、橡膠、國防等領域，目前鹽漬土在土木工程領域研究較少，有部分學者利用硅微粉進行了固化黃土的試驗研究，由于鹽漬土具有更強的環境敏感性，本文計劃展開硅微粉對鹽漬土的固化改良研究。

2 試驗土樣選取

結合工程勘探資料及線路現場地形地貌，本試驗取樣地點位于雙洮公路K130+720～K131+300標段內，取樣點較為干旱，地形地貌為荒草地和鹽堿地。取樣點植被分布多為雜草，未見莊稼，鹽漬土呈條狀或塊斑狀分布，地表干旱且返鹽現象明顯，呈現有淺黃色或灰白色的易溶鹽結晶。首先對沿線鹽漬土進行了一系列基本工程性質的檢測試驗，測得其天然含水率為12.36%，天然密度為1.625g/cm3，液限為23%，塑限為16%，塑性指數為7，為含砂低液限粉土，最佳含水量為12.80%，對應的最大干密度為1.96g/cm3，PH值為10.51，呈弱堿性。粒徑組成及易溶鹽含量見表1和表2。

3 試樣方案

無側限抗壓試驗是測試試件所能承受的最大軸向壓力的試驗，試驗期間試件側面不受任何約束限制條件[9]。在公路工程中，抗壓強度高低是評價公路路基好壞的重要標準之一。在實驗室條件下，無側限抗壓試驗能夠通過試件軸向抗壓強度，對該公路路基強度有較為準確的判斷，而且該試驗操作較簡便，試驗方法成熟。作為評價固化鹽漬土力學性能的重要標準之一，本文對固化土的無側限抗壓強度進行測試。

根據《公路工程無機結合料穩定材料試驗規程》（JTG E51-2009）中T 0805-1994 無機結合料穩定材料無側限抗壓強度試驗方法[10]。分別針對不同試樣，按照預定的最優含水量及最大干密度和所需水泥及硅微粉的比例計算好試樣所需干土、水泥、硅微粉及水的質量，將試樣分別加入不同量的蒸餾水使其達到最優含水量，并擊實至壓實度達95%以上（試件的干密度為最大干密度的95%以上），試件尺寸為直徑×高=100mm×100mm。試件成型后，用聚乙烯薄膜將試件包裹，進行養護，養護溫度控制為20℃，養生時間為7d、14d、28d、56d。試件達到養護時間后，置于萬能試驗機上，以1mm/min的速率進行抗壓試驗，記錄試件破壞時的最大壓力。

4 試驗結果分析

圖1所示為不同齡期條件下試樣的無側限抗壓強度隨齡期變化趨勢圖。在一定摻量范圍內，隨著硅微粉摻量的增加，試樣的無側限抗壓強度逐漸增加，7d齡期時，硅微粉摻量為6%時，強度為0.521MPa，較素土試樣0.295MPa增加了76.6%;14d齡期時，硅微粉摻量為6%時，強度為0.634MPa，較素土試樣增加了115%;28d齡期時，硅微粉摻量為8%時，強度為0.695MPa，較素土試樣增加了136%; 56d齡期時，硅微粉摻量為8%時，強度為0.751MPa，較素土試樣增加了155%。說明整體情況下，硅微粉的摻入能較大程度提升鹽漬土的無側限抗壓強度，并且隨著齡期的增加而逐漸增加。

但是從趨勢圖可以看出，隨著硅微粉摻量的逐漸增加，試樣無側限抗壓強度的增長趨勢逐漸減小，并且除56d齡期的試樣外，其余試樣都有強度下降的趨勢，說明硅微粉對鹽漬土的無側向抗壓強度的提升不是無限增長的，而是存在一個最優摻量。在最優摻量時，試樣的無側向抗壓強度最大，超過最優摻量，試樣強度開始逐漸減小。對強度變化曲線進行擬合分析，擬合曲線如表所示：

擬合二次函數，R2均大于0.9，分別計算各個方程最大值，可以得出7d、14d、28d、56d的最大值對應的硅微粉摻量分別為5.87%、6.26%、6.86%、7.23%，證實了前文的分析，硅微粉提升鹽漬土強度有最大摻量，均在6%左右，且隨著試樣養護齡期的增長逐漸增加。

圖2為素土試樣和摻加不同硅微粉摻量試樣的應力-應變曲線，從圖中可以看出硅微粉改良土樣呈現明顯的塑性破壞形式。與素土試樣在軸向應變達3%時應力出現明顯變化不同，硅微粉改良試樣在軸向應變達3%時，應力仍隨著應變增加而增加。試驗過程中可以觀察到在軸向應變達到3%時，試樣已經產生一些較為細小的裂縫，而且在后續應變持續增加的過程中，裂縫逐漸延展，應力也逐漸增大，直到軸向應變達6%時應力開始逐漸平緩，此時可以認為土樣抗壓強度達到峰值，土樣破壞形態如圖3。

對摻加硅微粉試樣的應力應變曲線進行分析，隨著單軸荷載逐漸增加，試件持續被壓縮，硅微粉由于其粒徑小、吸附性強的性質與土顆粒充分接觸，在土體中交織分布，形成一層一層的網狀結構，對土體橫向和豎向變形產生約束，相當于土樣有了一個較小的側限條件。在有側限的條件下進行加載，相當于固結試驗，這個情況下土體的抗壓縮性開始發揮作用，由于硅微粉自身粒徑小，填充了土體內部孔隙，也即是提升了土體的抗壓縮性，從而硅微粉固化鹽漬土的試樣在應變達到3%時，應力仍然持續增長。

5 結束語

（1）硅微粉能有效提升鹽漬土的抗壓強度，齡期為56d的試樣，硅微粉摻量為8%時，強度為0.751MPa，較素土試樣強度增加了155%。

（2）硅微粉固化鹽漬土存在最優摻量，約為6%，且隨著養護齡期的增加，最優摻量有小幅度增加。

（3）硅微粉固化鹽漬土試樣破壞時呈現塑性破壞，應力應變曲線呈現應變硬化型，有利于工程建設。

參考文獻：

[1]徐攸在，等.鹽漬土地基[M].北京：中國建筑工業出版社，1993，12.

[2]TB 10077-2001.鐵路工程巖土分類標準[S].北京：中國鐵道出版社，2001.

[3]JTG C20-2011.公路工程地質勘察規范[S].北京：人民交通出版社，2011.

[4]石玉林.《中國1：100萬土地資源圖》土地資源數據集[M].北京：中國人民大學出版社，1991.

[5]柴壽喜.固化濱海鹽漬土的強度特性研究[D].蘭州大學，2006.

[6]孟惠芳.改性水玻璃固化硫酸鹽漬土及其凍融循環耐久性[D].蘭州大學，2017.

[7]周永祥，閻培渝，冷發光，等.水泥基固化鹽漬土的溫度變形特性研究[J].建筑材料學報，2010，13（03）：341-346.

[8]劉誠斌，紀洪廣，劉娟紅，等.礦渣復合膠凝材料固化濱海鹽漬土的試驗研究[J].建筑材料學報，2015，18（01）：82-87.

[9]余云燕，趙德安，彭典華，等.南疆鐵路改良鹽漬土無側限抗壓強度試驗研究[J].蘭州交通大學學報，2008，27（04）：9-13.

[10]行業標準.“公路工程無機結合料穩定材料試驗規程”

（JTGE51-2009）[S].北京：人民交通出版社，2009.