海泡石纖維固化鹽漬土的強度試驗研究

朱 燕， 余湘娟， 高 磊

(1.河海大學 巖土工程研究所， 江蘇 南京 210098； 2.南通職業大學 建筑工程學院， 江蘇 南通 226007)

1 概述

沿海鹽漬土為細顆粒的特殊土，易溶鹽含量大于0.3%，其中氯化鈉占絕大部分，具有強烈的鹽脹、溶陷和腐蝕等工程特性。氯鹽易于吸水，致使土體軟化，而沿海地區的高地下水位和細顆粒土的強烈毛細性，容易引起固化鹽漬土的吸水軟化。傳統的鹽漬土固化處理的方法一般以石灰、水泥和二灰等為主[1-3]，施工便利、價格低廉，適用范圍廣。但這些材料固化的鹽漬土早期強度低、易開裂，不能用于高等級公路的路堤填筑。近些年來，學者們對高分子材料固化鹽漬土進行了系統研究[4-6]，但其經濟性和環保性還有待論證。本文選取天然礦物海泡石纖維作為固化材料，采用室內人工配置氯鹽漬土，對海泡石纖維固化鹽漬土的力學特性及固化機理進行了試驗研究及初步探討。

2 試驗概況

2.1 試驗用土

試驗用土取自南通地區用土，取土深度為地下2 m，該土層的物理指標如下：土樣編號為1，比重2.63，液限22.3%，塑限10.4%,塑性指數11.9，最大干密度1.57g/cm3,最佳含水率18.2%,2～0.075 mm顆粒3.56%,0.075～0.005 mm顆粒73.71%,<0.005 mm顆粒22.73%，屬于非鹽漬土。

2.2 固化材料及固化方案

本次試驗選用海泡石纖維固化鹽漬土，海泡石纖維是市售(河北泓耀礦產品加工有限公司)的普通海泡石，化學式為 Mg8Si12O30(OH)4(OH2)4·8H2O，是一種層鏈狀的硅酸鹽礦物，外觀為灰白色絮狀物，比重2～2.3，容重1.2～1.5 t /m3，硬度2～2.5，熔點1650℃，粘度30～40s。具有較好的抗鹽性、吸附性、流變性、離子交換性和催化特性等。海泡石纖維的主要化學成分如下：64.12%SiO2,18.29%MgO,1.02%CaO,1.98%Al2O3，3.26%Fe2O3。固化方案見表1。

2.3 試驗方法

試驗主要采用人工配制氯鹽漬土。依據表1中最優含水率和最大干密度，首先將海泡石纖維按照上述摻量加入人工配置的鹽漬土中，再稱取適量水加入鹽漬土中攪拌均勻。采用靜壓法制備試樣，試樣制備方法按《土工試驗方法標準》(GB/T 50123-1999)進行，成型尺寸為直徑39.1mm，高度80mm，每組3個平行試樣。將制備好的試樣放入標準養護箱(溫度25℃，濕度95%)中養護到規定齡期。本次試驗選用無側限抗壓強度作為評價指標，試驗儀器是南京寧曦土壤儀器有限公司生產的YYW-2型應變控制式無側限抗壓強度儀，抗壓強度儀升降板的速率為2.4mm/min。

表1 鹽漬土固化方案Table 1 Solidified scheme of saline soil試樣編號海泡石纖維摻量/%最大干密度/(g·cm-3)最佳含水率/%無側限抗壓強度/MPa0 d7 d14 d21 d28 dO0.01.6521.40.400.700.720.830.94B10.21.7318.30.410.770.851.061.08B20.41.7418.40.500.911.101.191.29B30.61.7318.40.510.971.271.301.43B40.81.7418.50.491.071.311.411.57B51.01.7518.60.501.141.361.511.64B61.21.8618.10.511.531.591.751.92 注: 固化材料摻量=固化材料質量/干土質量。

3 試驗結果及分析

3.1 固化材料摻量對強度的影響

按照表1中鹽漬土的固化方案，制備含鹽量為3%的中鹽漬土，分別標準養護0、7、14、21和28 d，測試不同固化鹽漬土樣的無側限抗壓強度，試驗結果如表1和圖1所示。

圖1 固化材料摻量對強度的影響

從圖1可以看出，固化鹽漬土的無側限抗壓強度隨著海泡石纖維摻量的增加而顯著增加。當海泡石纖維摻量在1.0%以內時，固化鹽漬土的無側限抗壓強度增長速度較為平穩，齡期為7、14、21和28 d的平均增幅為10.22%、13.80%、12.90%和11.76%；而當海泡石纖維摻量為1.2%時，增長的速度突增，7 d增幅達到了200%；齡期為7、14、21和28 d時，1.2%海泡石纖維固化鹽漬土的無側限抗壓強度分別達到了1.53、1.59、1.75和1.92 MPa，比素鹽漬土的無側限抗壓強度分別增加了118%、121%、111%和104%。這說明海泡石纖維的加入可有效提高鹽漬土的無側限抗壓強度，且摻量為1.2%海泡石纖維固化鹽漬土效果明顯。

選取具有代表性的養護齡期7 d、含鹽量為3%的海泡石纖維固化鹽漬土試樣的應力應變曲線，如圖2所示。從曲線中可以看出，海泡石纖維的摻入可顯著提高鹽漬土的無側限抗壓強度，且海泡石纖維摻量為1.2%時獲得最大軸向應力1530kPa。海泡石纖維摻量為0.2%～1.2%的最大軸向應力比素鹽漬土分別增加了70、210、270、370、440和830kPa。根據ASTM d4609-08標準[7]，有效固化穩定的標準是軸向應力增量最低為345kPa，故海泡石纖維摻量為0.8%～1.2%的固化方案均符合這一標準，可作為有效固化方案。

圖2 不同試樣的應力 — 應變曲線

3.2 養護齡期對強度的影響

按照表1中鹽漬土的固化方案，制備含鹽量為3%的中鹽漬土，標準養護0、7、14、21和28 d，測試不同齡期不同土樣的無側限抗壓強度，試驗結果如表1和圖3所示。

圖3 養護齡期對強度的影響

從圖3可以看出，海泡石纖維固化鹽漬土的無側限抗壓強度隨著養護齡期的增長而增大，素鹽漬土的強度變化也有類似的規律，且沒有經過養護的固化鹽漬土樣與素鹽漬土樣在強度上幾乎相等。6種固化鹽漬土樣在0～28 d內強度分別增加了163.41%、158.00%、180.39%、220.41%、228.00%和276.47%，分別達到了1.08、1.29、1.43、1.57、1.64和1.92 MPa，這說明所有固化鹽漬土樣的強度經過養護后都顯著提高，且提高的幅度隨著海泡石纖維摻量的增加而增大。

3.3 含鹽量變化對強度的影響

根據鹽漬土按含鹽量的分類，配置含鹽量為0%的非鹽漬土、0.4%的弱鹽漬土、3%的中鹽漬土、6%的強鹽漬土和9%的超鹽漬土，并按照表1中的固化方案分別制備不同含鹽量的固化鹽漬土樣，標準養護7 d，測試不同含鹽量固化鹽漬土的無側限抗壓強度，試驗結果如圖4所示。

圖4 含鹽量變化對強度的影響

從圖4中可以看出，海泡石纖維固化鹽漬土的無側限抗壓強度隨著含鹽量的增加而減小。當土中含鹽量在0.4%以內時，鹽份對固化土的強度影響較小，6種固化鹽漬土的強度分別只降低了9.94%、6.15%、7.96%、11.57%、10.13%和4.07%。而當土中含鹽量超過0.4%時，固化鹽漬土的強度隨土中含鹽量的增加而迅速降低，達到3%以后，強度降幅變緩。其中，當土中含鹽量從0.4%到3%之間，6種固化鹽漬土的強度降幅最為明顯，分別達到了52.76%、50.27%、47.58%、43.98%、46.48%和45.94%，強度幾乎降低了一半，而且素鹽漬土的強度降幅也達到了38.05%。這說明土中鹽份含量對固化鹽漬土強度的影響較大，雖海泡石纖維具有抗鹽性，能夠抵抗鹽類腐蝕，但當土體中含鹽量過大時，亦會降低固化土體的強度，故道路基層施工時應隨時抽檢土中含鹽量，確保施工質量。

3.4 含水率變化對強度的影響

按照表1中的固化方案，分別制備含水率為15.6%、16.9%、18.2%、19.5%、20.8%和22.1%、含鹽量為3%的中鹽漬土的土樣，標準養護7 d，測試不同含水率固化鹽漬土的無側限抗壓強度，試驗結果如圖5所示。

圖5 含水率變化對強度的影響

從圖5中可以看出，海泡石纖維固化鹽漬土的無側限抗壓強度隨著含水率的增大先增加后減少。當含水率由15.6%逐漸增大后，固化鹽漬土的強度也隨之提高，當含水率達到18.2%～19.5%時，固化鹽漬土的強度達到最大值。當含水率超過19.5%以后，固化鹽漬土的強度隨著含水率的增加而呈現下降的趨勢。在最佳含水率18.2%處，6種固化鹽漬土的抗壓強度分別為0.77、0.91、0.97、1.07、1.34和1.53 MPa，是最大值的98.59%、83.70%、80.53%、80.17%、96.40%和98.04%，這說明海泡石纖維固化鹽漬土在最佳含水率時，其無側限抗壓強度不一定是最大，對于海泡石纖維固化鹽漬土而言，其含水率在最佳含水率的0%～5%范圍內時，強度達到最大值。由此可知，道路基層施工時，海泡石纖維固化鹽漬土的含水率應控制在略高于最佳含水率5%范圍內，可獲得較高的強度。

4 固化機理試驗研究

根據表1中O和B6固化方案，制備含鹽量為3%的無側限抗壓強度圓柱試件，標準養護7 d。對未改良的鹽漬土及海泡石纖維固化后的鹽漬土進行微觀電鏡掃描，獲得SEM照片，放大倍數為×3000。試驗結果如圖6所示。

圖6 掃描電鏡圖

對比觀察圖6中(a)和(b)可知，未經改良的鹽漬土呈現分散的、不連續的孔隙結構，孔洞數量多、體積大。而經海泡石纖維改良后的鹽漬土，孔隙中充填細小纖維物質，使得土體中主要礦物成分平均晶粒尺寸均有不同程度的減小，降低了土體的孔隙率，孔隙結構更為密實，且海泡石纖維纏繞、包裹土體顆粒，起到增強加筋的作用，提高土樣的強度。

海泡石纖維具有微孔結構，吸水性較強，通過水解反應、質子化反應和靜電引力作用，使土體吸附層減薄，致使鹽漬土顆粒發生聚結。微小的海泡石纖維分支較多，纖維相互纏繞，且表面粗糙不平，粗細不均，纖維端部有明顯的突起，似“觸角”狀，有利于相互搭接，在土體當中以三維網絡結構均勻分布，包裹、連接顆粒，有效地填充土體中的微小孔隙，使土體結構變得致密，從而促使土體干密度增大，同樣可以提高土體強度[8]。當土體受到外部荷載作用發生變形時，彎曲纏繞在土顆粒間的海泡石纖維也發生拉伸變形，同時提供拉力。由海泡石纖維提供的拉力可以部分抵消外荷載，起到“加筋”的作用，從而提高土體強度。

5 結論

a.本文選取天然礦物海泡石纖維作為固化材料對鹽漬土進行加固改良，通過多種固化方案的試驗研究，使其能夠滿足公路工程的建設需要。在保證工程質量的前提下，將鹽漬土資源化，充分利用海泡石纖維固化改良的鹽漬土作為路基填料，從而減少傳統路基填料中砂石的用量，將大幅度降低沿海公路的建設成本。

b. 海泡石纖維可以在較大程度上提高鹽漬土的強度，固化后的鹽漬土強度符合規范要求。建議對含鹽量為3%的鹽漬土中摻入海泡石纖維摻量1.2%，可達到最佳固化效果。從工程應用角度出發，盡量采用含鹽量較低的鹽漬土(含鹽量低于1%)，施工含水率應控制在略高于最佳含水率5%范圍內。

c.根據掃描電鏡結果顯示，海泡石纖維通過吸附、“觸角”和“加筋”作用，纏繞填充在土體孔隙中，吸收土中水分，使鹽漬土顆粒結合形成穩定整體，從而提高鹽漬土的抗壓強度及耐久性。