水泥硅微粉改良黃土的抗剪強度試驗研究

葛 菲，巨玉文，蔣宗耀，張偉龍

(太原理工大學建筑與土木工程學院，太原 030024)

亞洲板塊是世界上黃土分布最廣的地區，在中國黃土主要集中分布在黃土高原。改良黃土的強度與黃土地域邊坡和公路路堤的安全性和穩定性息息相關。黃土具有濕陷性，故不能直接作為工程土應用，必須對其加以技術處理，以滿足不同工程實際要求。

中國在不良土質的改良處理研究方面與日本、歐美等差距較大，自主研發的改良劑種類較少，對土質的改良理論及技術方面還有待創新和加強。近幾年，中國在土壤改良方面也先后取得了一系列研究成果，如蘭州大學自主研發出的SH新型高分子材料固化劑，武漢水利電力大學研制出的HEC新型土體固化劑等，也吸引了諸多學者對其在改良土方面進行抗壓強度、抗剪強度和滲透試驗等分析研究[1-8]，而且其中一些產品已經在實際工程建設中得到應用。當前階段，中國對土壤固化劑的研究大部分集中在無機材料方面，并取得了很大的進展，以水泥熟料、石灰、粉煤灰、硅灰、工業廢渣等為主要原料，通過添加其他材料制備土壤固化劑的研究越來越多[9-12]。與硅灰不同，硅微粉是以天然石英或熔融石英為原材料，經過分揀、破碎、研磨、浮選、酸洗凈化、高純水處理等多道工藝制成的二氧化硅粉體材料，一般為白色。

李宏波等[13-14]將硅微粉摻入鹽漬土和粉砂土中極大地提高了其抗剪強度；瞿瑜等[15-16]通過三軸試驗和無側限抗壓試驗研究了水泥、硅微粉固化黃土的強度變化規律，結果表明：硅微粉和水泥雙因素作用下對提高黃土的抗剪強度和抗壓強度起到了極大的影響。但是在硅微粉和水泥對黃土強度的影響方面報道較少。在實際工程中，直剪試驗的操作相對簡便且耗時較少所以應用較多。故現將水泥和硅微粉摻入黃土并進行直剪試驗，分析試驗結果并得出其最優摻入比和不同因素對改良黃土強度的作用，為黃土改良在工程中的應用提供更多參考。

1 試驗部分

1.1 試驗材料

硅微粉產自河北京航礦產品有限公司，其成分見表1；水泥選用太原生產的強度等級為42.5的普通硅酸鹽水泥；試驗用黃土為山西太原地區黃土，其主要物理力學參數見表2。

表1 硅微粉化學成分Table 1 Chemical constituents of silicon powder

表2 黃土的主要物理力學參數Table 2 Main physical and mechanical parameters of loess

1.2 試驗方案

試驗前先將黃土在烘箱中烘至恒量，并過孔徑2 mm的篩，過篩后將其密封儲存在塑料箱中備用。選擇水泥和硅微粉固化黃土，開展不同摻量條件下的抗剪強度試驗：水泥摻入比分別控制在3%、5%、7%，硅微粉摻入比取5%、10%、15%。標號中的前項代表水泥摻入比，后項代表硅微粉摻入比，例如“3-5”代表水泥和硅微粉的摻入比分別為3%、5%。材料配比見表3。

1.3 試件制備與試驗

黃土過篩后，根據材料配比方案，將計算和稱量好的改良劑加入并攪拌均勻，然后將水倒入混合材料中，加水后攪拌的時間不超過20 min。根據試驗規程采用靜壓法，制作直徑為6.18 cm、高為2.0 cm的圓柱體直剪試樣，壓實度控制在95%。經過24 h后，將試件脫模后標號并用保鮮膜或保鮮袋密封，然后將試件放入標準養護箱中養護。達到規定養護期后，采用快剪的方式分別對直剪盒內的土樣施加100、200、300、400 kPa的垂直壓力進行剪切，并記錄量力環的讀數。試驗儀器為南京生產的EDJ-1型電動等應變直剪儀。1～4組只制作齡期為7 d的試件，5～16組制作齡期為7 d和28 d的兩種試件，共28組，每組需12個試件。

表3 試驗配比方案Table 3 Test proportion scheme

2 試驗結果與分析

2.1 試驗結果

水泥、硅微粉改良土兩種齡期的試件由直剪試驗測得的數據見表4。其中一些試件(如7-5)的強度值太高，由于儀器量程的限制導致無法測得結果，造成了數據的缺失。

表4 改良土抗剪強度指標Table 4 Shear strength index of improved soil

注：c為黏聚力，φ為內摩擦角。

2.2 單因素作用對抗剪強度的影響

由表4可以看出：

(1)單摻硅微粉時，硅微粉摻入比越高，改良土的黏聚力和內摩擦角越大，但增長率較低。針對其分析認為，硅微粉的化學性質穩定，較難和其他材料產生膠凝反應，分散度也較高，故僅摻硅微粉無法使黃土抗剪強度明顯增強。

(2)單摻水泥時，水泥摻入比越高，改良土的黏聚力增長越快。其中5%水泥摻量的改良黃土黏聚力值達到了素黃土的11.5倍，表明水泥對提高黃土抗剪強度有良好的成效。原因在于水泥和土體中的CaO發生水化作用，生成的膠凝物質填充在土體結構的孔隙中，使土體內部的聯結逐步加強。

2.3 雙因素作用對抗剪強度的影響

通過表4可知：

(1)水泥摻入比和養護齡期不變時，在水泥黃土中摻入硅微粉可以大幅度地提高固化黃土的黏聚力，比僅摻加水泥時的效果顯著，而相應的內摩擦角隨著其摻入比的提高則先上升后下降。隨著硅微粉摻入比的提高，其中的CaO可以與水泥不斷水化，水泥固化土的黏聚力隨之呈現上升趨勢。一方面是因為硅微粉的火山灰反應逐漸強化，生成的水化硅酸鈣膠凝產物不斷增加；另一方面促進了水泥水化進程，同時提高了水泥石的強度。

(2)齡期為7 d、水泥摻入比為3%時，當硅微粉摻量從0%提高到15%時，固化黃土的黏聚力值增加了712.38 kPa，增長了11.58倍；當硅微粉摻量從0提高到5%時，內摩擦角增加了8.76%；當硅微粉摻量從5%提高到15%時，內摩擦角降低了45.27%。水泥摻入比為5%不變時，當硅微粉摻量從0提高到15%時，固化黃土的黏聚力增加了1 432.92 kPa，增長了6.75倍；當硅微粉摻量從0提高到5%時，內摩擦角增加了5.14%，當硅微粉摻量從5%提高到15%時，內摩擦角降低了46.20%。

(3)齡期為28 d，水泥摻入比為3%不變時，當硅微粉摻量從0%提高到15%時，固化黃土的黏聚力從276.75 kPa增加到974.78 kPa，增加了698.03 kPa，增長了2.52倍；當硅微粉摻量從0提高到5%時，內摩擦角增加了10.35%，當硅微粉摻量從5%提高到15%時，內摩擦角降低了39.20%。說明硅微粉極大地提升了黃土的黏聚力，且前期增長較快，后期增長幅度有所減緩。

觀察圖1可發現：

圖1 不同垂直應力下改良土7 d 0-0和7 d 3-xx的應力-位移曲線Fig.1 Stress-displacement curves of 7 d 0-0 and 7 d 3-xx improved soils under different vertical stresses

(1)水泥摻入比為3%，垂直應力在100 kPa下，在硅微粉摻量分別為5%、10%、15%時，試件的極限應力相對素土分別提高了1.41倍、6.45倍、7.27倍。表明黃土的極限應力隨著硅微粉摻入比的提高有較大的上升。

(2)在400 kPa的垂直應力作用下，水泥摻入比相同的試件3-10和3-15的剪應力與剪切位移曲線極為相似，而且在其他應力作用下也存在相同的情況。因此不難發現，硅微粉摻入比達到10%后，其摻入比對抗剪強度影響削弱，抗剪強度隨著其摻入比的提高增長幅度減緩。原因在于過量的硅微粉無法參與反應，硅微粉本身表面的填充系統性能較低且表面積較小，這些顆粒充斥在孔隙中，不利于水泥改良土的抗剪強度的提高，導致硅微粉水泥土強度的增長不明顯。

綜上所述，硅微粉和水泥雙摻對改善黃土抗剪強度效果顯著。

2.4 養護齡期對抗剪強度的影響

由圖2可見：養護時間從7 d增加到28 d的過程中，改良土的黏聚力急速提升。水泥摻入比為3%時，在硅微粉摻入比分別為5%、10%、15%的條件下，硅微粉水泥土的黏聚力值分別增加了7.97、0.35、0.26倍。其中，硅微粉摻入比為5%時黏聚力增長尤為明顯，超過5%時，增長幅度減緩。雖然改良土的內摩擦角隨著齡期的增加略有減小，但總體上隨著齡期的增加，改良土的抗剪強度有較大增長。

圖2 3%水泥摻量下不同齡期時黏聚力與內摩擦角隨硅微粉摻量變化的關系Fig.2 Relationship between cohesion and internal friction angle with the variation of silicon micropowder at different ages under 3% cement content

2.5 變形分析

7 d 0-0、7 d 3-10和28 d 3-10固化土在不同垂直應力狀態下的應力-位移曲線見圖3。從圖3(a)中可以看出，素黃土的剪應力-位移關系曲線沒有明顯的峰值點出現，呈現出應變硬化型且強度較低；在圖3(b)與圖3(c)中，試件在其變形較小時就出現了明顯的破壞點，呈現出了應變軟化型且強度很高。由試件7 d 3-10和28 d 3-10的試驗數據對照可以發現，兩幅圖中曲線的基本形態大致相似，且養護時間越長，改良土的抗剪強度提高越多。7d 3-10的試件在不同法向應力條件下，在剪切位移較小(<2.75 mm)時，其應力-位移曲線的關系近似呈線性，為彈性變形階段。28 d 3-10的試件剪切位移約在2.5 mm之前呈現為彈性變形，相較7 d 3-10略有減小，表明改良土的變形能力與齡期的長度成反比。

圖3 7 d 0-0，7 d 3-10和28 d 3-10改良土應力-位移曲線Fig.3 7 d 0-0,7 d 3-10 and 28 d 3-10 improved soil stress-displacement curves

3 結論

(1)在黃土中只摻入硅微粉進行改良對其強度的增強效果不明顯。

(2)在水泥改良黃土中摻入硅微粉可大幅度提升其黏聚力，改良土的內摩擦角隨著硅微粉摻入比的提高則表現出先升后降的趨勢。

(3)硅微粉在水泥改良黃土中的摻入比在10%附近效果最好。

(4)養護齡期越長，改良黃土的抗剪強度越高，故在條件允許的情況下，應盡量延長改良土的養護時間。

(5)素土的變形呈應變硬化型，具有塑性特征；改良黃土的變形能力較差，呈應變軟化型。