水泥硅灰固化超鹽漬土的抗剪強度試驗

李宏波，田軍倉，陳文兵，吳振華

(寧夏大學a.土木與水利工程學院;b.寧夏節水灌溉與水資源調控工程技術研究中心;c.旱區現代農業水資源高效利用教育部工程研究中心，銀川750021)

0 引言

寧夏各類鹽漬土土地3 850 km2，占寧夏土地總面積的7.4%，其中80%左右的鹽漬土在北部。在鐵路、公路和水利工程的建設中，其基礎不可避免地填筑在鹽漬土之上，或者利用鹽漬土作為填料修筑路基，由于鹽漬土的鹽脹性和溶陷性危及到工程的安全運營，故工程地基填料的選擇和對不良填料的改良關系到工程穩定性及運營的安全性[1]。利用物理、化學及物理化學方法改良固化鹽漬土，可提高鹽漬土的強度和剛度[2－7]。水泥和石灰摻入各種土中，通過化學作用，可以改良土的工程性能和抗鹽堿性[8－12]。

文獻[13]試驗結果表明，普通水泥中摻入硅灰可顯著提高抗硫酸鹽侵蝕性能，并且在15%摻量范圍內，摻量越大，其抗蝕能力越強;文獻[14－16]研究結果表明，硅灰可以提高混凝土中固化氯離子的比例，降低混凝土結構中鋼筋的銹蝕概率，再生混凝土中加入礦物摻和料，能夠有效地提高再生粗骨料混凝土的抗滲性能;文獻[17－18]研究結果表明，堿性激發劑對水泥－錳渣膠凝材料活性的激發效果因品種而異;文獻[2，6，12]研究結果表明，適量堿激發礦渣類土后其強度會增強。

前人研究成果都是采用硅灰對混凝土性能的改良，未利用硅灰對鹽漬土進行改良。本文為分析硅灰替代水泥對固化鹽漬土的抗剪強度影響，通過三軸試驗測定其抗剪強度指標，分析了水泥、硅灰摻量對固化超鹽漬土的抗剪強度的影響。

1 試驗部分

1.1 試驗材料

水泥(C)采用寧夏賽馬實業股份有限公司生產的賽馬牌水泥P.O 32.5。硅灰(SF)產于中通偉業工程材料有限公司，化學成分見表1。鹽漬土取自寧夏平羅縣姚伏鎮，土中可溶性鹽組分分析結果見表2;其液限為36.54，塑限為22.2;電導率16.4 S/m，全鹽20.96%，pH值8.85，屬于超鹽漬土。

1.2 試驗方案

為研究硅灰不同替代水泥摻量對水泥改良固化鹽漬土抗剪強度指標的影響規律，水泥土中水泥(C)摻量一般限制在6%以內。已有研究表明，混凝土中硅灰(SF)替代水泥摻量在10%～18%較佳，本試驗中硅灰替代水泥摻量分別為10%、20%、30%，水泥摻量分別為2%、4%、6%，以確定寧夏平羅地區改良固化超鹽漬土的最優水泥摻量和硅灰替代水泥摻量。試驗方案見表3。

超鹽漬土作為鐵路、公路路基和渠道地基填料，其施工速度較快，土層較厚，故采用不固結不排水試驗。最大干密度和最佳含水量見表4，硅灰摻量較少，對水泥鹽漬土最大干密度和最佳含水量的影響較少，采用水泥摻量相同的鹽漬土的最佳含水量和最大干密度，按96%壓實度每組試驗制作8個試塊，依照三軸試驗規程分別測定計算7、28 d齡期的抗剪強度指標。

表1 硅灰化學成分Table 1 Chemical composition of silica fumewB/%

表2 鹽漬土中可溶性鹽組分分析結果Table 2 Analysis of soluble salts in saline soilmmol/kg

表3 試驗方案Table 3 Experiment schemewB/%

表4 水泥鹽漬土的最佳含水量與最大干密度Table 4 Correlation of optimum water content with maximum dry density of salinized soil groups

2 試驗結果與分析

2.1 抗剪強度分析

2.1.17 d齡期抗剪強度分析7 d齡期試塊的三軸試驗結果見表5。其中，C6SF30試樣在養護3 d后，發生了自然開裂破壞(圖1)，其余試樣未發生破壞。

圖1 試樣C6SF30自然開裂破壞形貌Fig.1 Natural crack morphology of C6SF30

由表5可知，7 d齡期固化超鹽漬土的摩擦角和粘聚力隨著水泥摻量的增加而增加。從圖2、圖3可以看出:(1)當水泥摻量為2%，硅灰替代量由0增加到30%時，粘聚力呈先增大后減小的趨勢，最大增幅為9.2%;摩擦角呈增大趨勢，最大增幅為118.9%。(2)當水泥摻量為4%，硅灰替代量由0增加到30%時，粘聚力呈先減小后增大的趨勢，最大增幅為19.52%;摩擦角呈減小趨勢，最大降幅為13.4%。(3)當水泥摻量為6%，硅灰替代量由0增加到20%時，粘聚力呈增大趨勢，最大增幅為32.9%;摩擦角呈減小趨勢，最大降幅為23.3%。

根據水泥硅灰固化鹽漬土機理分析，土體強度不是顆粒自身的強度，而是顆粒間的相互作用，由顆粒間摩擦力和粘聚力的大小決定。其中，摩擦力分為滑動摩擦和咬合摩擦，滑動摩擦由顆粒之間發生滑動時顆粒的粗糙接觸面產生，咬合摩擦為顆粒間對于相對移動的約束作用，由顆粒的形狀和大小、礦物成分、級配等因素決定。對于細粒土的粘聚力c取決于土顆粒間的靜電力、范德華力、膠結作用力和毛細力等。固化鹽漬土的粘聚力和摩擦角主要取決于水泥和硅灰對土體的膠結作用、形成顆粒形狀和大小。

表5 7d齡期抗剪強度指標Table 5 Shear strength index test of 7 d

圖2 7d齡期硅灰替代水泥摻量與粘聚力增量的關系Fig.2 Correlation between dosage of cement-fly ash and cohesion in increment age 7 d

圖3 7d齡期硅灰替代水泥摻量與摩擦角增量的關系Fig.3 Correlation between dosage of cement-fly ash and friction angle in increment age 7 d

水泥對鹽漬土的加固機理有四方面:(1)水泥水化作用，通過其自身的水化作用，生成有膠凝結構的產物;(2)水泥的離子交換作用，水泥的鈣離子與土中的鈉、氫、鉀離子產生離子交換作用，原來的鈉鉀土變成鈣土;(3)化學激發作用，在堿性條件下，Ca(OH)2激發了粘土礦物的活性，將粘土顆粒凝結成整體;(4)碳酸化作用，在土中的Ca(OH)2與空氣中的CO2作用生成CaCO3。

硅灰、水泥共同固化機理:硅灰中含有較多的SiO2、Al2O3、CaO等物質，在堿性條件下，與水泥中Ca(OH)2發生火山灰反應，生成水化硅鈣凝膠(C—S—H)。隨著養護齡期的增加，鹽漬土形成結晶結構，鹽漬土的板體性、強度和穩定性隨之增加。

硅灰和水泥對固化鹽漬土的不利影響:一是硅灰和水泥在固化的過程易產生收縮，使得土體產生裂縫;二是鹽漬土中硫酸鹽吸水結晶體積增大產生鹽膨脹，可加劇土體的開裂，不同摻量的水泥和硅灰造成的裂縫和土顆粒不同，直接影響著固化土體的粘聚力和摩擦角。隨著水泥和硅灰摻量的增加，上述兩種不利結果造成了固化鹽漬土的嚴重開裂(圖1)。

綜上可知，當水泥摻量為2%時，硅灰的替代摻量在20%較佳;當水泥摻量為4%時，硅灰的替代摻量在10%以內較佳;當水泥摻量為6%時，僅參考粘聚力增量，硅灰的替代摻量在20%以內較佳;當硅灰替代為30%時，由于上述兩方面產生裂縫的原因，造成了試樣的開裂破壞。故當水泥摻量較高時，可以考慮采用較低硅灰替代摻量。

2.1.2 28d齡期抗剪強度分析28 d齡期試塊的三軸試驗結果見表6。

表6 28d齡期抗剪強度指標Table 6 Shear strength index test of 28 d

28 d齡期固化超鹽漬土的摩擦角和粘聚力隨著水泥摻量的增加而增加。由表6、圖4和圖5得出:(1)水泥摻量為2%，硅灰替代量由0增加到30%時，粘聚力呈先增大后減小的趨勢，最大增幅為9.5%;摩擦角呈增大趨勢，最大增幅為39.7%。(2)水泥摻量為4%、6%時，隨硅灰替代量的增加，粘聚力和摩擦角呈減小趨勢。

圖4 28d齡期硅灰替代水泥摻量與粘聚力增量的關系Fig.4 Correlation between dosage of cement-fly ash and cohesion in increment age 28 d

圖5 28d齡期硅灰替代水泥摻量與摩擦角增量的關系Fig.5 Correlation between dosage of cement-fly ash and friction angle in increment age 28 d

隨著齡期和水泥、硅灰摻量的增加，一方面，水泥和硅灰在固化鹽漬土的過程中，其收縮裂縫破壞作用突顯出來，形成的裂縫增多變寬，土顆粒成塊變小，造成粘聚力和摩擦角隨著水泥硅灰摻量的增加而減小;另一方面，隨著齡期的增加，水泥和硅灰對土顆粒固化作用的放緩，而硫酸鹽生成量增加，其體積膨脹可增大1.5～3倍，形成較強的膨脹力，造成粘聚力和摩擦角隨著水泥硅灰摻量的增加而減小。故在利用硅灰和水泥改善鹽漬土時，當水泥摻量在2%時，硅灰摻量采用10%替代量為佳，當水泥摻量增加時，要相應減少硅灰的替代摻量。

2.2 試樣鹽析出形貌分析

圖6為C2SF10試樣試驗破壞形貌，試樣外表有明顯灰白色的鹽結皮、鹽霜等特征;圖7為C4SF10試樣試驗的破壞形貌，試樣外表有少量鹽結皮和較少的鹽霜現象;圖8為C6SF10試樣試驗的破壞形貌，試樣外表鹽結皮消除，存在少量鹽霜現象。可見，水泥和硅灰摻量的增加，可以降低和抑制固化鹽漬土中鹽分的析出，故能有效地減少鹽漬土地基對混凝土基礎或者構造物的鹽腐蝕病害。在實際工程中改良超鹽漬土，可通過提高水泥摻量和采用適當的硅灰替代水泥摻量降低工程鹽腐蝕病害。

圖6 C2SF10試樣試驗破壞形貌Fig.6 Damage morphology of C2SF10

圖7 C4SF10試樣試驗破壞形貌Fig.7 Damage morphology of C4SF10

圖8 C6SF10試樣試驗破壞形貌Fig.8 Damage morphology of C6SF10

3 結論

通過試驗對7、28 d齡期水泥硅灰固化超鹽漬土的抗剪強度分析可以得出以下結論:

(1)7 d齡期固化超鹽漬土的摩擦角和粘聚力隨著水泥摻量的增加而增加。當水泥摻量為2%時，硅灰的替代摻量在20%較佳;當水泥摻量為4%時，硅灰的替代摻量在10%以內較佳;當水泥摻量為6%時，僅參考粘聚力增量，硅灰的替代摻量在20%以內較佳。

(2)28 d齡期固化超鹽漬土，在利用硅灰和水泥改善鹽漬土，當水泥摻量在2%時，硅灰摻量采用10%替代量為佳，當水泥摻量增加時，要相應減少硅灰的替代摻量。

(3)水泥和硅灰可以降低和抑制固化鹽漬土中鹽分的析出，故能有效減少鹽漬土地基對混凝土基礎或者構造物的鹽腐蝕病害。在實際工程中改良超鹽漬土，可通過提高水泥摻量和采用適當的硅灰替代水泥摻量降低工程鹽腐蝕病害。

[1]付兵先，張千里，史存林，等.凍融循環條件下延遲時間對水泥改良低液限粉土動力特性影響試驗研究[J].中國鐵道科學，2010，31(1):9－15.

[2]覃銀輝，何瑋，柴壽喜，等.濱海鹽漬土固化后物理力學性能試驗研究[J].西安建筑科技大學學報:自然科學版，2007，39(3):408－413.

[3]魏麗，柴壽喜，蔡宏洲，等.麥秸稈加筋濱海鹽漬土的抗剪強度與偏應力應變[J].土木工程學報，2012，45(1):109－114.

[4]周永祥，閻培渝.固化鹽漬土的自生體積穩定性[J].清華大學學報:自然科學版，2007，47(12):2089－2094.

[5]周永祥，閻培渝.不同類型鹽漬土固化體的干縮與濕脹特性[J].巖土工程學報，2007，29(11):1653－1658.

[6]周永祥，閻培渝.用于鹽漬土的土壤固化劑的性能研究[J].公路交通科技:應用技術版，2007(8):94－95.

[7]周永祥，閻培渝.固化鹽漬土抗凍融性能的研究[J].巖土工程學報，2007，29(1):14－19.

[8]李英濤，袁露.水泥改良鹽漬土強度形成機理微觀研究[J].公路，2013(3):164－168.

[9]于新，孫強.水泥石灰改良氯鹽漬土強度特性試驗研究[J].華東交通大學學報，2011，28(5):29－34.

[10]程寅，李戰國，鄧曉軒，等.一種新固化材料固化濱海氯鹽漬土的試驗研究[J].巖土工程學報，2011，33(8):1240－1245.

[11]周琦，韓文峰，鄧安，等.濱海鹽漬土作公路路基填料試驗研究[J].巖土工程學報，2006，28(9):1177－1180.

[12]李宏波，田軍倉，何芳，等.水泥粉煤灰固化超鹽漬土的力學性能試驗研究[J].廣西大學學報:自然科學版，2014，39(4):809－816.

[13]梁詠寧，王佳，林旭健.摻合料對混凝土抗硫酸鹽侵蝕能力的影響[J].混凝土，2011(2):63－65.

[14]劉斌云，李凱，趙尚傳.復摻粉煤灰和硅灰對混凝土抗氯離子滲透性和抗凍性的影響研究[J].混凝土，2011(11):83－85.

[15]楊文武，郭立杰，王璐.海工硅灰混凝土抗凍性和抗氯離子滲透性與孔結構的研究[J].大連民族學院學報，2012，14(3):246－250.

[16]楊文武，錢覺時，黃煜鑌.海洋環境下硅灰混凝土的抗凍性與氯離子擴散性[J].重慶大學學報:自然科學版，2009，32(2):158－162.

[17]王振軍，陳平，陸海，等.錳渣微粉－石灰石粉作為水泥混合材的試驗[J].桂林理工大學學報，2011，31(3):439－442.

[18]陳平，劉榮進，陸志星.化學激發劑對水泥－錳渣膠凝材料性能的影響[J].桂林理工大學學報，2010，30(2):282－288.