復合改良黃土狀亞砂土強度特性及微觀機制

李 博，石振武，劉俊辰，張洪瑞，2

(1.東北林業大學土木工程學院,哈爾濱 150036；2.黑龍江省交投公路建設投資有限公司，哈爾濱 150069)

0 引 言

綏大高速公路試驗段土體屬黃土狀亞砂土，粒組以粉粒為主，細砂和黏粒含量較高，粒度成分連續性差，孔隙較大[1]。路塹邊坡土體含水量較高，為近飽和狀態，開挖后會出現滑塌病害，工程性能較差，需要進行改良處理。

部分學者采用石灰、粉煤灰、糯米漿、水泥等進行改良研究[2-4]，強度提升顯著[5]，但當土體含水量較高時，改良土凝膠時間長[6]，早期強度低。摻入水玻璃和石灰能提高粉土的早期強度[7]，相關研究闡明了其膠凝材料的固化機理[8-11]。目前鈉基、鉀基水玻璃已逐漸改進為鋰基[12]，其能夠生成持續對試樣內部孔隙結構進行填充的不溶物質，具有良好的密封固化效果[13]，但在改良土中的應用較少。

部分學者采用纖維加筋提升改良土強度，提出并驗證了纖維與土之間界面力的應力-應變關系參數模型[14-15]，分析了干濕循環條件下纖維加筋對裂隙發展的影響[16]，以及石灰摻量與孔隙率對聚丙烯纖維增強土體性能的影響[17]。部分學者[18-20]對纖維加筋的微觀機理進行了研究，但多停留在定性分析層面，對于纖維加筋土的定量分析較少。

可以看出，改良土的研究偏重于尋找新型改性材料的最優摻量，分析微觀機制以及揭示強度增長機理。因此，本研究通過引入新型改性材料硅酸鋰，進行無側限抗壓強度試驗確定復合改良土的最佳配合比，并通過凍融循環試驗、X射線衍射(XRD)和掃描電子顯微鏡(SEM)等測試手段對比研究石灰改良土及復合改良土的強度變化、微觀機制及孔隙結構，定量分析改良土的微觀固化機理，為實際工程應用提供參考。

1 實 驗

1.1 試驗材料

選取綏大高速公路(K26+840-K27+400)的邊坡土進行試驗研究，土樣的基本物理指標如表1所示。硅酸鋰溶液產自河北省石家莊市，基本指標如表2所示。石灰產自江西省宜春市，白色粉末狀，粒度(200目(74 μm)通過率)為95.36%，CaO含量為88.36%(質量分數)。聚丙烯纖維平均直徑為0.33 mm，平均抗拉強度為368 MPa，平均拉伸模量為3 500 MPa，平均斷裂伸長率為15%。

表1 土樣的基本物理指標Table 1 Basic physical indexes of soil samples

表2 硅酸鋰溶液基本指標Table 2 Basic indexes of lithium silicate solution

1.2 試樣制備

設置原狀土作對照組，判別摻加各類物質后的性能提升狀況。由于原狀土含水率大，無側限抗壓強度小，單摻聚丙烯纖維試件的強度提升不穩定，特摻4%(質量分數)石灰進行纖維改良土強度測定，確定聚丙烯纖維的最佳摻量；在最佳聚丙烯纖維摻量的基礎上進行石灰改良土的制備，確定石灰的最佳摻量；在最佳石灰摻量的基礎上進行復合改良土的制備，確定硅酸鋰的最佳摻量，最終得到復合改良土的最佳配合比。經前期研究，試驗設計配合比如表3所示。試驗采用風干碾碎后過2 mm篩的原狀土，在65 ℃的條件下進行烘干，晾涼后進行試樣制備，各組分材料按順序及比例充分混合，加自來水后充分拌和并密封24 h，重塑試樣采用壓實法制備，控制為同一壓實度、含水率和干密度。

表3 試樣設計配合比Table 3 Specimen design mix ratio

1.3 試驗方法

無側限抗壓強度試驗選用WDW-100微機控制電子萬能試驗機，以2 mm/min的加壓速率對試件進行加載，試驗過程嚴格按照《公路土工試驗規程》(JTG 3430—2020)進行。對表3中4類試樣進行無側限抗壓強度試驗，試樣直徑為50 mm，高為50 mm，確定最佳配合比。對最佳配合比的石灰改良土和復合改良土進行凍融循環試驗，凍結時恒溫箱溫度控制在-15 ℃，時長12 h；融化時溫度控制在25 ℃，時長12 h，循環60次。設置對照組進行標準養護((20±2) ℃、95%以上濕度)，測得相應無側限抗壓強度。

2 結果與討論

2.1 復合改良土最優配合比

2.1.1 聚丙烯纖維最佳摻量

當石灰摻量為4%(質量分數，下同)時，不同纖維改良土的無側限抗壓強度變化曲線如圖1所示。

圖1 不同纖維改良土的無側限抗壓強度隨聚丙烯纖維摻量變化曲線Fig.1 Variation curves of unconfined compressive strength of different fiber modified soils with polypropylene fiber dosage

可以看出:當纖維長度一定時，纖維改良土的無側限抗壓強度隨著摻量的增加均呈先增大后減少的趨勢；當纖維摻量一定時，隨著長度的增加，無側限抗壓強度亦呈先增大后減小的變化趨勢。當纖維摻量為0.4%(質量分數，下同)、長度為12 mm時，纖維改良土的無側限抗壓強度值達到最大，為466.02 kPa，與原狀土強度82.27 kPa相比提高了466.45%。因此，確定聚丙烯纖維的最佳摻量為0.4%，長度為12 mm。

2.1.2 石灰最佳摻量

圖2為石灰改良土的無側限抗壓強度變化曲線。可以看出，摻加石灰可有效提高纖維改良土的抗壓強度，隨著石灰摻量增加，石灰改良土抗壓強度呈先增大后緩慢減小的變化趨勢。當摻量達到4%時，石灰改良土抗壓強度增長緩慢，摻量為6%時，抗壓強度達到最大，為489.73 kPa，之后抗壓強度下降。這是由于石灰水化反應與土體中氧化物生成凝膠物質，填充顆?？紫?，形成空間網絡結構，提高土體密實度和抗壓強度。但由于石灰具有強吸水性，遇水釋放熱量，當石灰超過最佳摻量后，會使土體內水分大量減少，水化反應延緩，凝膠物質生成量減少，土體抗壓強度降低。

圖2 石灰改良土的無側限抗壓強度隨石灰摻量變化曲線Fig.2 Variation curve of unconfined compressive strength of lime modified soil with lime dosage

2.1.3 硅酸鋰最佳摻量

對最佳摻量的石灰改良土增摻不同含量的硅酸鋰溶液后進行無側限抗壓強度試驗，結果如圖3所示。

圖3 復合改良土的無側限抗壓強度隨硅酸鋰摻量變化曲線Fig.3 Variation curve of unconfined compressive strength of composite modified soil with lithium silicate dosage

可以看出，復合改良土的無側限抗壓強度隨著硅酸鋰摻量的增加呈先增大后減少的趨勢。當硅酸鋰摻量為3%(質量分數，下同)時，復合改良土的無側限抗壓強度值達到最大，為1 576.41 kPa，與石灰改良土無側限抗壓強度相比提高了221.89%，與原狀土的無側限抗壓強度相比提高了1 816.14%。

無側限抗壓強度增加的原因是硅酸鋰溶液發生水解，為石灰的水化反應提供堿性環境，土體中氧化物活性被激發，遇水反應后生成水化硅鋁酸鈣(C-A-S-H)等水化產物。這些水化產物具有凝膠性，能夠填充土體孔隙，使顆粒間的膠結力不斷增大。但摻入過多的硅酸鋰會使土體含水量大幅度降低，不利于水化反應的進行。

經以上分析，確定復合改良土的最佳配合比：硅酸鋰摻量3%，石灰摻量6%，聚丙烯纖維摻量0.4%，纖維長度12 mm。

2.1.4 試樣變形及破壞特征

圖4(a)～(c)分別為最佳摻量下的纖維改良土、石灰改良土和復合改良土試樣在進行無側限抗壓強度試驗時的破壞形態。可以看出，纖維改良土與石灰改良土的破壞特征相似，均呈“塑性鼓脹型破壞”，試樣外表面出現明顯的剪切破裂面，裂隙寬大且上下貫通，側向變形量大，纖維使試樣保持“裂而不斷”，具有一定的完整性。復合改良土呈“延性破壞”，土樣表面出現細短而分散的裂紋，上表層部分碎成小土粒，由于纖維的連接作用，并未脫落。

圖4 不同改良土的破壞形態Fig.4 Destruction patterns of different modified soils

2.2 改良土凍融特性

對最佳摻量的石灰改良土、復合改良土進行標準養護及凍融循環試驗，繪制的無側限抗壓強度變化曲線如圖5所示。從圖5可以看出，隨著養護齡期的增加，石灰改良土的無側限抗壓強度在第3～14天的增長最快，之后增長緩慢，這是由于前期石灰水化反應量較大，后期水化反應量逐漸減少。標準養護條件下試樣的無側限抗壓強度不斷增加，在第60天時達到最大，為960.35 kPa；凍融循環條件下試樣的無側限抗壓強度較低且增長緩慢，這是由于土中水凍結膨脹，土顆粒重新排列，微裂隙不斷增多，水分加快擴散進入土體內部與未完全水化的石灰進一步反應，產生膠凝物質，填充進微裂縫和顆?？紫?，在一定程度上提升了開裂土體的無側限抗壓強度，但這種填充作用并非一直有效，隨著養護齡期的增長，土體原有結構的破壞性凸顯，在第60天時，無側限抗壓強度出現下降，由28 d的最大值650.19 kPa下降至612.22 kPa。

圖5 不同養護條件下改良土的無側限抗壓強度隨養護齡期變化曲線Fig.5 Variation curves of unconfined compressive strength of modified soil with curing age under different curing conditions

復合改良土初期的無側限抗壓強度較高，表現出明顯的水硬性能，這是由于土體的含水量大，石灰與土中水分充分接觸，硅酸鋰不僅作為堿激發劑促進了水化反應，同時還作為強度黏結劑使土體顆粒結構黏固，大幅提高固化土的無側限抗壓強度。隨著養護齡期的增加，土體的無側限抗壓強度呈先迅速減小后緩慢增大的趨勢，這是由于隨著水化反應的進行，土體顆粒的黏固效應出現破壞，取而代之的是水化產物填充進顆?？紫?，來增強固化土的無側限抗壓強度。在標準養護條件下，試件的無側限抗壓強度在第3天時降至最低，為1 004.84 kPa，之后由于水化產物對強度的提升作用大于黏固破壞的負效應，試件的無側限抗壓強度不斷增長，在第60天時達到最大，為1 866.59 kPa；凍融循環條件下，試樣前期的無側限抗壓強度下降速度較慢，后期增長幅度也較低，在第28天時達到最大，為1 499.57 kPa，與同種養護條件下的石灰改良土最大強度值相比分別提升130.64%(第28天)、94.37%(第60天)。

增摻硅酸鋰可以大幅提升石灰改良土的初期無側限抗壓強度，雖然隨著養護齡期的增加，會出現短暫的無側限抗壓強度下降，但總體來說，不論標準養護還是凍融循環條件下，摻加硅酸鋰都起到了增強劑的作用，提升了石灰改良土的無側限抗壓抗壓強度。

2.3 應力-應變關系

圖6為第28天時不同養護條件下改良土的應力-應變關系曲線?？梢钥闯?，各組改良土應力-應變關系曲線可分為4個階段：彈性階段、塑性階段、強度屈服階段和應力衰減階段，均屬于“應變軟化型破壞”。與標準養護相比，凍融循環條件下土體彈性階段斜率較小，說明凍融循環會延緩水化反應的進行，弱化水化產物的膠結作用，促進裂縫的發展，降低改良土的彈性模量。在增摻硅酸鋰后，改良土被破壞時的應力-應變均增大，這是由于硅酸鋰及新產物提升了改良土的穩固性，阻礙了裂隙的發展。同時由于聚丙烯纖維的拉拔作用增強了土體之間的黏結性，當應變增大到一定程度時，聚丙烯纖維起到拉扯效果，使試件在一定的位移段內承受了較大試驗力，避免了試件破壞后出現應力驟降的現象，其中石灰改良土尤其顯著。

3 微觀機制

為探究石灰改良土、復合改良土在標準養護及凍融循環條件下的強度發展機理，對標準養護及凍融循環7 d的石灰改良土、復合改良土與原狀土進行XRD分析和SEM分析。

3.1 XRD分析

通過進行X射線衍射試驗，得到XRD譜，采用MDI Jade 6軟件分析試樣物相的峰,結果如圖7所示。采用Quantitative Analysis模塊得到各試樣物相成分的質量分數，如表4所示。

表4 原狀土和不同養護條件下改良土的主要化學組成Table 4 Main chemical composition of natural soil and modified soil under different curing conditions

圖7 不同養護條件下7 d試樣的XRD譜Fig.7 XRD patterns of specimens under different curing conditions at 7 d

由圖7可知，原狀土中的主要物相為風化形成的SiO2，其在酸性或中性環境中遇到膠體狀態的Al(OH)3、Fe(OH)3等物質時會互相凝聚生成非晶形礦物，再構成晶形的次生黏土礦物、硅酸鹽礦物，最后形成黃土狀亞砂土。

石灰改良土中SiO2的衍射峰強度增強，并生成新物質鈉長石、鈣長石、C-A-S-H凝膠等，礦物成分復雜性增加。部分石灰與土中自由水接觸結晶，生成Ca(OH)2結晶網格；少部分石灰在水中電離產生熱量，使土體內溫度增高，砂化作用加強，內部結構破碎，孔隙數量增多，假黏聚力增大，孔隙中保水能力增強。但在物相成分檢索過程中未能發現Ca(OH)2，這是由于Ca(OH)2與土中無定形氧化物反應生成C-A-S-H凝膠，具體反應式如式(1)、式(2)所示。

(1)

(2)

C-A-S-H凝膠具有良好的水穩定性及黏結能力，能夠在土顆粒間生成黏性強的膜狀結構，填充土?？紫?，增強土體膠結力，使顆粒形成團聚體。鈉長石、鈣長石及鉀長石構成石灰改良土的骨架結構，使石灰改良土的物理力學性能明顯強于原狀土。

在復合改良土中，硅酸鋰提供堿性環境，使石灰水化反應加劇，反應過程中消耗大量SiO2使其衍射峰強度降低，并生成新物質Li[AlSi4O10](透鋰長石)，Na、Al氧化物等，豐富了生成物的物相種類，有效減少了原狀土中游離的離子含量，使顆粒間連接更為緊密；凝膠生成量增多，增加了土顆粒之間的黏結性，提升復合改良土的宏觀強度。生成的透鋰長石能夠大大降低土體的熱膨脹系數，使其具有良好的高溫穩定性能，有效減少了溫度過高導致的土體砂化、內部結構破碎現象的出現，減少了孔隙數量，使結構更加致密。

對比標準養護及凍融循環，可以看出在凍融循環作用下，鈉長石、C-A-S-H凝膠等物質的衍射峰強度低且質量分數較小，而SiO2的衍射峰強度及質量分數較高。這主要是由于凍融循環會抑制石灰的水化反應，使SiO2的消耗量減少，水化產物的生成量減少，導致凍融土的強度相對較低。

3.2 SEM分析

3.2.1 微觀結構

切取10 mm×10 mm×5 mm試樣，暴露自然表面，噴金鍍膜后采用QUANTA200儀器進行電子顯微鏡掃描，獲得各試樣的SEM照片，如圖8～圖10所示。

圖8 原狀土SEM照片Fig.8 SEM images of natural soil

圖10 不同養護條件下改良土的SEM照片Fig.10 SEM images of modified soil under different curing conditions

從圖8可以看出，原狀土呈扁平片狀、顆粒狀、黏聚體，有清晰可見的孔隙結構，孔隙較大且數量較多，分布紊亂，整體性較差，土顆粒間的附存形態以面面接觸或邊面接觸為主，孔隙形態多樣，沒有定向排列。

從圖9可以看出，纖維表面附著的片狀黏土礦物，對纖維產生一定的黏結力和摩擦力，使大量隨機分布的纖維在土體中形成網狀結構，約束土顆粒的位移和變形，承擔土體在荷載作用下的部分拉應力。當土體在軸向應力作用下發生破壞，出現明顯的剪切錯動面和張拉裂隙時，纖維的拉筋作用能夠有效阻礙裂隙進一步發展，增強土體的臨界斷裂韌度，從而呈現出較高的殘余強度。

圖9 纖維改良土SEM照片Fig.9 SEM images of fiber modified soil

從圖10可以看出，摻加石灰后，部分細小顆粒膠結形成團聚體，有效粒徑變大，土體的結構性、整體性得到改善，密實度得到提高。凍融循環作用下部分結構發生破壞，有破損土粒出現。鈉長石、C-A-S-H凝膠、Li[AlSi4O10]等水化物質填充進土粒孔隙，使土中扁平片狀、顆粒狀結構物質減少，改良了土體的孔隙結構，使其具有較好的板體性和剛性。這些水化產物可附著在聚丙烯纖維表面，提升纖維與土顆粒間的膠結作用，也可填充進纖維與土體間的孔隙，提升改良土的密實性以及纖維在內部結構中的骨架作用。

3.2.2 孔隙數據

采用Image-Pro Plus 6.0軟件對SEM照片進行數字化處理。進行圖像采集時，選取亮度和對比度差別不大的區域，采用相同的圖像處理和數據提取方法，使人為差異最小。SEM照片處理步驟如下：

(1)將照片轉換為標準尺寸；

(2)選用histeq函數實現直方圖均衡化來增強圖像的亮度對比度；

(3)利用medfilt2函數進行中值濾波，選取3×3卷積模板對圖像進行降噪處理；

(4)采用基于極小值標記的分水嶺分割算法來進行二值化處理；

(5)獲取天然孔隙率下的RGB(R：red,G:green,B:blue)顏色系統參數。

調整RGB顏色系統，使所選框區域中的深色面積占總面積的比值與原狀土孔隙率44.39%相一致，得到RGB顏色系統數值R：0～67,G：0～67,B：0～67。

將數值導入改良土的RGB顏色系統中進行圖像處理，得到土體孔隙相關參數，如表5所示。

表5 原狀土和不同養護條件下改良土的孔隙相關參數Table 5 Porosity related parameters of natural soil and modified soil under different curing conditions

由表5可以看出：在標準養護條件下，增摻石灰及硅酸鋰后土體孔隙率大幅度下降，分別由原狀土的44.39%下降至24.04%、21.73%，降幅分別為45.84%、51.05%；凍融循環條件下，石灰改良土和復合改良土的孔隙率分別降為41.98%、29.99%，下降幅度較低。孔隙面積均值下降明顯，石灰改良土由231.49 μm2降至81 μm2以下，降幅超過65%，在增摻硅酸鋰后，又有30%以上的降幅?？梢娝a物是土體孔隙率及孔隙面積均值下降的主要原因，凍融循環阻礙了石灰的水化反應，因此降幅較低，標準養護環境以及增摻硅酸鋰后提供的堿性環境能夠促進水化反應的進行，加大孔隙率的下降幅度。

增摻石灰及硅酸鋰使孔隙直徑不斷減小，分別下降30%、43%以上，這表明水化產物的有效物質填充了土粒孔隙，使大孔隙減少，土體的結構性、整體性得到改善。對于同類土，標準養護條件下的孔隙直徑小，但養護環境對于孔隙直徑的影響小于增摻硅酸鋰的影響。

孔徑分形維數存在一定幅度的降低，但變化量較小，說明水化產物的填充改變了土體的孔隙結構，但都是微調整。這表明原狀土顆粒間相互交叉，孔隙輪廓線較為復雜，在摻加改良劑后，生成的水化產物填平了孔隙中部分不平整的內壁，孔隙輪廓變得簡單，因此孔徑分形維數出現一定下降。

4 結 論

(1)設計了試樣配比，確定復合改良土的最佳配合比：硅酸鋰摻量為3%(質量分數)，石灰摻量為6%(質量分數)，聚丙烯纖維摻量為0.4%(質量分數)，纖維長度為12 mm。

(2)比較了試樣的變形破壞特征，纖維改良土與石灰改良土的破壞特征相似，呈“塑性鼓脹型破壞”，出現明顯的剪切破裂面，裂隙寬大且上下貫通；復合改良土呈“延性破壞”，試樣表面出現細短而分散的裂紋，上表層部分碎成小土粒，由于纖維的連接作用，并未脫落。

(3)進行了凍融循環試驗，確定了增摻硅酸鋰可以大幅提升石灰改良土的初期抗壓強度，雖然隨著養護齡期的增加，會出現短暫的強度下降，但總體來說，不論標準養護還是凍融循環環境，硅酸鋰都起到了增強劑的作用，與同種養護條件下的石灰改良土最大強度值相比，分別提升了130.64%(凍融循環第28天)、94.37%(標準養護第60天)。聚丙烯纖維能夠起到拉扯效果，使試件在一定位移段內承受較大的試驗力，呈現較高的殘余強度。

(4)硅酸鋰堿性環境能使石灰水化反應加劇，生成鈉長石、C-A-S-H凝膠、Li[AlSi4O10]等新物質，豐富了生成物的物相種類，提升復合改良土的宏觀強度。

(5)增摻石灰及硅酸鋰后土體孔隙相關參數下降，在標準養護7 d的條件下，石灰改良土與復合改良土土孔隙率降幅分別為45.84%、51.05%，孔隙面積降幅超過65%。水化產物的生成是土體孔隙相關參數下降的主要原因，良好的養護環境及堿性環境能夠促進水化反應的進行，加大孔隙參數下降幅度，有效提升改良土的無側限抗壓強度。