凍融循環下微硅粉對水泥土力學性能影響的試驗研究

張新新，董玉萍

（西安翻譯學院，西安 710105）

隨著國家經濟建設的發展，水泥土在實際工程當中應用逐漸增多，但是水泥土摻量較低時對地基、路基等工程強度的影響不大，而水泥在生產過程中浪費資源和能源，破壞生態環境，水泥摻量較高時造價較高。微硅粉是工業電爐高溫熔煉工業硅及硅鐵的過程中，隨廢棄逸出的煙塵經特殊的捕集裝置收集處理而成；硅灰中的活性物質二氧化硅與水泥水化析出Ca（OH）2發生化學反應，生成水化水化CSH凝膠體后堵塞毛孔，增強密實性。通過很多學者的研究表明硅粉能有效提高混凝土、水泥土的性能。如禹貴香[1]進行了水泥硅粉復合劑提升公路路基與底基層力學性能研究，研究表明，硅粉是一種良好的添加材料，可以提高路基和底基層的水分不敏感性，有利于現場碾壓施工；王文軍等[2]分析了納米硅粉改性水泥土工程形狀的機理；閆仙麗等[3]采用正交試驗的方法研究水膠比、粉煤灰摻量、礦粉摻量、硅灰摻量4個因素對高性能混凝土的影響，研究表明硅灰摻量的影響因此僅次于水膠比；王德輝等[4]采取正交試驗研究了水泥-硅灰-礦粉-粉煤灰膠凝體系下超高強混凝土的硬化過程，分析了其對UHSC 水化、微觀結構和強度的影響；李茂英等[5]對納米硅粉改善水泥土抗腐蝕性能機理進行了研究。

通過大量研究表明，微硅粉已經廣泛應用在在水泥土及高強混凝土中；目前，學者對于硅粉在工程中的研究主要集中在水泥土和混凝土中，以及對于水泥土抗腐蝕性能的影響，對于硅粉水泥土在凍融循環條件下強度的影響研究還是比較少的。本文主要將硅粉摻入到水泥土中，著重分析凍融循環作用下其強度變化規律及其作用機理，為微硅粉水泥土在季節性凍土地區的應用提供一定技術支持。

1 試驗

1.1 原材料

本試驗用土取自西安市長安區某地下管廊工程中的黃土，土的物理力學指標如表1所示，試驗水泥采用西安瑞泰復合材料有限公司生產的普通硅酸鹽水泥，等級為32.5R；試驗所用微硅粉為四川郎天資源綜合利用有限責任公司生產，其主要性質指標如表2所示。

表1 土的物理性質Tab.1 Physical properties of soil

表2 微硅粉的主要性質指標Tab.2 Main properties of micro silicon powder

1.2 試驗方案

本試驗按照土工試驗規定的方法，將土烘干、碾壓后過篩，土、水泥和微硅粉按照比例制備土樣；土樣分三層放入直徑為39.1mm，高度為80mm的擊實儀中；按試驗標準分層擊實，相同比例做三個平行試樣，根據文獻[2]，摻加納米硅粉的水泥土養護7d 后早期強度較大[2]，為了減少工期，本試驗中土樣放入標準養護箱均養護7d；一次凍融循環共24h，凍結12h，融化12h，經養護及凍融循環后采用萬能試驗機測定土樣的無側限壓縮強度。

為研究水泥、微硅粉以及凍融循環次數對水泥土壓縮強度的影響，文獻[6]中提出，納米硅粉水泥土和普通水泥土相同強度相比，納米硅粉水泥土的成本仍然較高，本文從經濟的角度采用下述指標安排本次試驗，試驗中考慮的三因素（水泥A、微硅粉B、凍融循環次數C），三因素指標A1=5%，A2=10%，A3=15%，B1=2%，B2=4%；B3=6%，B4=8%，B5=10%；C1=0d，C2=2d，C3=4d，C4=6d，C5=8d，共計15 組分別進行壓縮強度試驗，對試驗數據進行分析。

2 試驗結果及其分析

2.1 凍融循環作用下微硅粉水泥土強度分析

圖1 水泥摻量5%時凍融次數與與強度的關系Fig.1 Relation between freeze-thaw frequency and strengthwhen cement content is 5%

圖2 水泥摻量10%時凍融次數與與強度的關系Fig.2 Relation between freeze-thaw frequency and strength when cement content is 10%

圖3 水泥摻量15%時凍融次數與與強度的關系Fig.3 Relation between freezing-thawing times and strength when cement content is 15%

從圖1、2、3可以看出，微硅粉水泥土的壓縮強度隨著凍融循環次數的增加有明顯的下降趨勢，其中普通水泥土的壓縮強度呈現明顯線性下降的趨勢，而水泥摻量較少時其變化趨勢與普通水泥土變化比較相似；隨水泥摻量的增加，逐漸由線性轉變為曲線變化趨勢。水泥摻量為15%，8 次凍融循環微硅粉摻量為10%的壓縮強度是普通水泥土的6.2 倍；微硅粉摻加對提高水泥土凍融循環后強度增強效果是非常明顯的。微硅粉水泥土的抗凍性能遠優于普通水泥土，尤其是在多次凍融循環后，普通水泥土的強度下降非常明顯，而微硅粉水泥土的凍融循環凍融循環次數的增多其強度逐漸趨于穩定，并遠高于普通水泥土。

表3 水泥摻量為15%時的強度損失率（%）Tab.3 Strength loss rate when cement content is 15%（%）

從表3可以看出，普通水泥土在凍融循環下的強度損失率逐漸增大，8 次凍融循環達到了55.9%，強度下降比較明顯；2 次、4 次的強度損失率的增幅最為明顯，6 次、8 次的強度損失率的增幅開始逐漸變緩；隨微硅粉摻加的增多，相同凍融循環次數下質量損失率出現先減少后增大的變化趨勢，8次凍融循環下，微硅粉摻量8%的強度損失率為26.1%，為硅粉摻量10%時，其損失率降低到29.9%；當微硅粉摻量在8%左右時其強度損失率最低，后開始緩慢增加。

2.2 微硅粉水泥土強度損失及其擬合曲線

圖4 水泥摻量15%不同微硅粉摻量下的強度損失及其擬合曲線Fig.4 Strength loss and fitting curve of 15% cement content and different silica powder content

通過多項式擬合的方法對水泥摻量5%，10%和15%，不同微硅粉摻量的8 次凍融循環下的強度損失曲線進行擬合，可以得到微硅粉摻量與微硅粉強度損失率的關系曲線。式（1）為水泥摻量5%的擬合曲線，式（2）為水泥摻量10%的擬合曲線，式（3）為水泥摻量15%的擬合曲線。

式中，x為微硅粉摻量；y為壓縮強度損失率。

根據式（1）、式（2）、式（3）可知，試驗值與理論值擬合較好，其相關系數分別為x2=0.9946，x2=0.9924，x2=0.9854，說明凍融循環后微硅粉水泥土的壓縮強度與微硅粉摻量具有較高的相關性，得出在凍融循環次數相同的情況下微硅粉摻量與水泥土強度損失率之間的關系為式（4）

式中，a為二次項系數；b為一次項系數；c為常數項。

根據上述公式可以判斷出微硅粉摻量為8%左右時，其強度損失率達到最低，為最優摻量。

綜上，微硅粉在摻量合適的情況下，能有效提高其壓縮強度；以水泥摻量15%為例，非凍融循環下微硅粉摻量8%的壓縮強度是普通水泥土的3.17 倍，而經8次凍融循環后，其強度達到了普通水泥土的5.17倍，說明微硅粉水泥土的壓縮強度要遠優于普通水泥土，尤其在凍融循環作用下其強度增強效果更加顯著。

3 微硅粉水泥土凍融循環作用機理

凍融條件下，土體中的水變成固態的冰，體積膨脹率約為9%，體積膨脹產生的膨脹力超過土體本身的強度，土體就會產生微裂縫，致使壓縮強度減小；這是水泥土在季節性凍土地區破壞的主要原因［6］；當摻量水泥及為硅粉摻量較小時，土體中的孔隙較多，殘留部分未完全水化的水泥，土體的膨脹力遠大于土體本身的強度，使土體出現微小的不可逆的裂縫，其壓縮強度下降幅度較大。隨微硅粉摻量的逐漸增加，微硅粉不僅能發生火山灰消耗水泥水化產生的Ca （OH）2，生成更多的水化凝膠體；微硅粉與土體表面所帶電荷發生離子交換作用，改善土體的膠結狀態，促進未完全水化水泥的進一步水化，土體中的大孔隙變小，變成了細小的孔隙，水泥土更加密實。

總的來說，在凍融循環作用下，土體的膨脹力不變，而土體本身的強度呈逐漸增長的趨勢，土體中不可逆的裂縫呈現逐漸減小的趨勢，所以隨水泥及微硅粉摻量的增加，微硅粉水泥土的強度呈現逐漸上升的趨勢。當微硅粉和水泥摻量較高時，水泥水化作用以及微硅粉火山灰作用、膠結作用增強，土體越更加密實，空隙減少，土體經凍融循環作用后土體體積膨脹量增大，土體所受的應力逐漸增大，這是微硅粉摻量10%的水泥土壓縮強度損失率比摻量8%的水泥土高的原因；從試驗結果看，微硅粉摻量達到8%左右時，其強度損失率達到最低；隨著微硅粉摻量的增加，雖然在非凍融循環狀態其強度仍然呈現逐漸增長的趨勢，但是由于膨脹作用逐漸增強，在凍融循環作用下的強度會降低，而且凍融循環次數越多，強度損失率增加的越明顯；綜上可以分析出，在季節性凍土地區，考慮經濟合理及其強度的變化規律等因素的影響，微硅粉摻量在8%左右比較經濟合理。

4 結語

1）微硅粉的適量摻加，有效提高水泥土的強度，微硅粉作為外加劑，起到良好的強度增強效果；微硅粉水泥土的早期強度較普通水泥土有顯著提高，在工程實際中可充分利用其早期強度，對減少工期，降低工程造價有一定的作用。

2）微硅粉在提高水泥土抗凍性能上發揮了重要作用，水泥摻量15%，微硅粉摻量在8%時，8 次凍融循環下能夠提高壓縮強度，其值達到非凍融循環下的73%，并逐漸趨于穩定，所以，微硅粉摻量在8%左右時能夠充分發揮其作用，從多種角度分析在水泥摻量合適的情況下，微硅粉在8%左右為最合適摻量。

3）在凍融循環作用下，不同水泥摻量及微硅粉摻量下，隨著凍融次數的增多出現先減小后逐漸穩定的趨勢；得出強度損失率與微硅粉摻量之間的關系模型y=ax2+bx+c，相對于普通水泥土，其強度增加比較顯著。

4）微硅粉作為外加劑，能夠在合適摻量下經過凍融循環作用表現出良好的強度和性能，它的充分利用對環境保護也是非常有益的；特別是在季節性凍土提高水泥土的抗凍性能具有廣闊的應用前景。