納米SiO2和石灰改良黃泛區粉土的力學特性研究*

張艷美 馬 丁② 李國勛 畢艦心

(①中國石油大學儲運與建筑工程學院，青島 266580，中國) (②國網山東省電力公司，濱州 256610，中國)

0 引 言

粉土在我國分布廣泛，實際工程中經常會面臨將粉土作為路基填料問題，很多情況下若將粉土直接應用于路基，會引發一系列工程問題(Zhu et al.，2008)，因而需要對粉土進行改良，使其滿足相應的工況要求才可使用。許多學者已對傳統改良劑如水泥、石灰、粉煤灰等改良粉土進行了研究，發現傳統改良劑可以與土體發生一系列物理化學作用，生成的膠結物質對土體的強度、剛度、耐久性等有著顯著改良作用； 還有研究表明混合摻加傳統改良劑(如同時摻加水泥與石灰，或水泥與粉煤灰等)可以進一步提高土體的強度(朱志鐸等， 2004； Altun et al.，2009； Lemaire et al.，2013； 張艷軍等， 2015； Mehenni et al.，2016； 何中江等， 2018)。但是傳統改良劑在改良粉土的同時存在著改變土壤pH值、導致礦物質流失、破壞植被等一系列生態問題，不符合可持續發展的理念(張濤等， 2015； 彭麗云等， 2017)，因此尋求高效、環保、經濟的粉土改良劑是十分必要的。

圖 1 擊實試驗結果Fig. 1 Compaction test result

納米材料的尺寸在1～100nm范圍內，因而其在物理、化學性質等方面具有許多異于常規材料的特性，是現如今光電材料、環境和能源、生物醫學、航天和航空、軍事等領域的研究熱點。目前納米材料在土木工程領域特別是水泥基材料中已有較多應用，但是在巖土工程方面仍相對較少(陳學軍等， 2017， 2018; Ghasabkolaei et al.，2017)。納米材料種類繁多，其中納米SiO2具有無污染、價格便宜、改良效果好等優點，是一種應用相對廣泛的納米材料，國內外學者也對其進行了許多研究。Li et al. (2015)研究發現納米SiO2和納米石灰石可以提高超高性能混凝土的抗彎和抗壓強度。Chithra et al. (2016)發現摻加2%的納米SiO2可以使得以銅渣作為部分細骨料的高性能混凝土取得最大的抗壓強度、劈裂抗拉強度和抗彎強度。李陽等(2017)通過試驗發現在水泥砂漿中摻加4%(水泥質量百分比)的納米SiO2可以使混凝土的抗折與抗壓強度達到最大值。Gelsefidi et al. (2013)和Pashabavandpouri et al. (2015)利用納米SiO2和石灰改良黏土，經短期養護后，改良土的抗壓強度較素土即有大幅度提高。任曉川(2016)通過試驗研究發現添加納米SiO2能顯著提高黏土的液塑限和無側限抗壓強度。Choobbasti et al. (2015)和Ghasabkolaei et al. (2016)采用納米SiO2改良水泥土，試驗結果表明納米SiO2能夠提高水泥土的最大干密度和無側限抗壓強度。Changizi et al. (2015)和璩繼立等(2017)研究了納米SiO2和纖維對黏土的改良作用，發現兩者共同作用下可以提高黏土的無側限抗壓強度和抗剪強度。Zomorodian et al. (2017)分別使用納米黏土(蒙脫石)和納米SiO2改良未被煤油污染和被煤油污染的砂質黏土，結果表明兩種改良劑均可以提高砂質黏土的強度，并且未被污染的砂質黏土的改良效果更好。納米SiO2對混凝土、水泥土和黏土等的改良作用已經有了很多研究，但是在粉土改良方面還相對較少。

本文擬在黃泛區粉土中摻加不同摻量的納米SiO2和石灰，通過擊實試驗、無側限抗壓強度試驗、水穩試驗等室內試驗研究納米SiO2和石灰對粉土力學特性的影響，并通過掃描電鏡(SEM)和X射線熒光光譜儀(XRF)分析改良土的微觀結構和固化機理，以期為將來實際工程中粉土路基的改良提供參考。

1 試驗材料與方法

1.1 試驗材料

試驗用土取自東營某施工現場，土的黏粒含量、粉粒含量和砂粒含量分別為6.3%、48.2%和45.2%。土樣的主要物理性質如表 1所示。液限、塑限和塑性指數分別為22.53%、12.87%和9.66。結合顆粒分析試驗和界限含水率試驗的結果，根據《鐵路路基設計規范》(TB 10001-2016)，試驗用土為含砂的低液限粉土(ML)。

表 1 試驗土樣的物理性質指標Table 1 Physical properties of test soil samples

納米SiO2產自山東省壽光市微納化工廠，為親水型納米SiO2，呈白色蓬松粉末狀，平均粒徑為15nm，純度為99.8%，無毒。納米SiO2的規格指標如表 2所示。石灰產自河南萬祥水處理材料有限公司，型號為CL85-QP。

表 2 納米二氧化硅的規格指標Table 2 Specifications of Nano-SiO2

1.2 試驗方法

試驗前將粉土烘干并過2mm篩，根據試驗需要稱取所需的納米SiO2、石灰、干土和水進行充分攪拌(采用JJ-5型水泥膠砂攪拌機進行攪拌)，悶料12h后制樣。改良劑的摻量按改良劑質量與干土質量的比值確定。無側限抗壓強度試驗和直剪試驗的試樣按擊實試驗測得的最大干密度與最優含水率進行制作，壓實度取92%。試樣制作完成后用保鮮膜包裹密封放入混凝土養護箱(YH-60B)并在標準養護條件下(養護箱參數：溫度20±1℃，濕度≥95%)養護至指定天數。

擊實試驗、無側限抗壓強度試驗和直剪試驗的試驗方法按照《鐵路工程土工試驗規程》(TB 10102-2010)中的具體要求進行操作。擊實試驗方法為重型擊實，采用DJ型電動擊實儀； 無側限抗壓強度試驗采用YSH-2型無側限壓力儀； 直剪試驗采用ZJ型應變控制式直剪儀。上述試驗儀器均由南京土壤儀器廠生產。各試驗的具體試驗方案如表 3所示。

表 3 試驗方案Table 3 Test plan

2 試驗結果與分析

2.1 壓實特性

圖1是不同石灰和納米SiO2摻量下改良土的擊實試驗結果。由圖 1可以看出單獨摻加納米SiO2時，改良土的干密度與素土相比有明顯提升，且隨納米SiO2摻量的增加而提高，此時改良土的最優含水率隨納米SiO2摻量的增加也略有增加。在納米SiO2改良土中摻加石灰會明顯降低改良土的最大干密度，但最優含水率會提高; 隨著石灰摻量的增加，這一現象愈發顯著。這是因為單獨摻加納米SiO2時，納米SiO2會填充土體間孔隙，導致改良土的最大干密度有所增大，而納米SiO2為親水型納米SiO2，在發揮改良作用的同時會吸附一部分水，因而最優含水率也會稍有增加。在納米SiO2改良土中摻加石灰后，因為石灰的水化作用會將細顆粒黏結成較大顆粒，增大了土顆粒間的孔隙，導致改良土的最大干密度減小，同時水化作用會消耗水，因而改良土的最優含水率會有明顯增加。

圖 2 摻量和養護齡期對改良粉土強度的影響Fig. 2 Effect of dosage and curing age on the strength of improved silt

2.2 無側限抗壓強度

圖2是不同納米SiO2和石灰摻量下改良土的無側限抗壓強度試驗結果，可以看出， 1d養護齡期時，不同納米SiO2和石灰摻量下改良土的無側限抗壓強度(以下簡稱UCS)較素土有較大提升； 7d養護齡期時，各摻量下改良土的UCS較1d時顯著提高，之后增長緩慢， 28d后逐步趨于穩定。由圖 2還可以看出納米SiO2-石灰改良土的UCS在1d養護齡期時即可形成很高的強度，即納米SiO2與石灰協同作用可以加速土體強度的形成。

圖3是7d齡期下不同納米SiO2和石灰摻量下改良土的無側限抗壓強度結果，可以看出，單獨摻加納米SiO2的改良土的UCS較素土有較大幅度提升，在1%～2%的納米SiO2摻量范圍內，改良土的UCS隨著納米SiO2摻量的增加而提高； 2%納米SiO2改良土(304.37kPa)的UCS較素土(28.17kPa)的增幅約為980%。當采用納米SiO2和石灰聯合改良劑時，改良土的UCS隨納米SiO2摻量的增加先提高后降低； 當摻入配合比為1.5%納米SiO2和2%石灰時，改良土的UCS最大，達到906.14kPa，與素土相比增加約為3120%。

圖 3 7d齡期下不同納米SiO2和 石灰摻量下改良粉土的UCSFig. 3 UCS of improved silt under different nano-SiO2 and lime content after cured by 7 days

圖4是7d齡期改良土的軸向應力-應變關系曲線。從圖中可以看出，在粉土中摻入納米SiO2和石灰后，改良土呈現出脆性破壞特征，即軸向應力達到峰值后急劇降低，并且隨石灰摻量的增加脆性加劇，試驗過程中表現為軸向應力達到峰值后即出現一條主裂縫，然后裂縫迅速擴展并貫穿試樣，強度迅速減小至零。使用納米SiO2和石灰改良粉土可以顯著提高粉土的UCS，但改良后土的脆性也會增加，因此，實際工程中使用石灰和納米SiO2改良粉土時要考慮改良土脆性的影響，注意改善改良土的脆性問題。

圖 4 7d齡期改良粉土的軸向應力-應變關系曲線Fig. 4 Axial stress-strain curve of improved silt after cured by 7 days

圖 5 改良粉土7d齡期飽和強度折減率Fig. 5 Saturation strength reduction rate of improved silt under nano-SiO2 and lime after cured by 7 days

圖 6 水穩性試驗照片Fig. 6 Water stability test photos a. 素土； b.2%納米SiO2改良土； c.1%石灰+1%納米SiO2改良土； d.2%石灰+1.5%納米SiO2改良土

2.3 水穩性

按照《鐵路工程土工試驗規程》(TB 10102-2010)的規定，將養護6d后的試樣置于盛滿水的燒杯中，水沒過試樣，浸泡24h，取出試樣吸去表面余水并稱取試樣的質量，對于不符合規范要求的試樣作廢，對于符合要求的試樣測定其飽和無側限抗壓強度。因為改良土的滲透性很小，試驗時對于符合要求的試樣浸水24h后又采用真空飽和法使其達到飽和。

圖5是不同納米SiO2和石灰摻量下改良土7d齡期飽和強度折減率結果，圖 6是7d齡期下水穩性試驗照片。飽和強度折減率定義為土樣非飽和強度(最優含水率下)和飽和強度的差值與非飽和強度的比值。圖 5中可以看出：素土和單摻納米SiO2時改良土的水穩性較差，飽和強度折減率為100%，試樣在水中浸泡1h后不能保持原有形狀，無法測得強度，試驗后的照片如圖 6a、圖6b所示； 在納米SiO2改良土中分別摻加1%和2%的石灰，土體的水穩性得到明顯改善，飽和強度折減率的范圍分別保持在45%～60%和30%～40%，在0～2%的石灰摻量范圍內，納米SiO2改良土的飽和強度折減率隨著石灰摻量的增加而減少，試樣在水中浸泡24h后無明顯損壞，試驗后的照片如圖 6c、圖6d所示。因為素土以粉粒和砂粒為主，黏粒含量較少，黏結性較弱，所以水穩性較差； 單摻納米SiO2時，納米SiO2主要填充土體內部孔隙，無法提供足夠的黏結作用，所以水穩性也較差； 隨著石灰的摻入，土體內部發生某種反應，生成物可以黏結土顆粒，改善土體的水穩性能。

2.4 抗剪強度

圖7為不同摻量改良土的抗剪強度指標。可以看出， 2%納米SiO2改良土的黏聚力和內摩擦角較素土有所提高。在納米SiO2改良土中摻加2%石灰后，黏聚力和內摩擦角較單摻2%納米SiO2有顯著提高，并且隨納米SiO2摻量的增加先提高后降低。1.5%納米SiO2-2%石灰改良土的黏聚力和內摩擦角最大，黏聚力和內摩擦角較素土分別提高至97.06kPa和41.34°。

圖 7 改良粉土的抗剪強度指標Fig. 7 Shear strength index of improved silt

綜合改良土的抗壓強度、水穩性等試驗結果，并考慮節省石灰和成本，認為改良黃泛區粉土的最佳摻量為2%石灰和1.5%納米SiO2。

2.5 微觀結構及機理分析

圖8是300倍掃描電鏡照片。圖 8a中素土顆粒棱角分明，顆粒間存在較大的孔隙，顆粒與顆粒之間基本沒有連接； 摻加2%納米SiO2后顆粒之間的孔隙被填充，土體的孔隙率明顯減小； 摻加2%石灰與1.5%納米SiO2后可以看到更多的膠結物質把土顆粒黏結起來，顆粒之間孔隙更少。改良土的微觀結構的變化特征表明，單獨把納米SiO2摻加到土體中，納米SiO2主要起到填充土顆粒之間孔隙的作用，由于孔隙被填充使得土體的微觀結構變得密實； 同時摻加石灰與納米SiO2，土顆粒之間的膠結物質更多，孔隙更少，形成更為致密、穩定的土體結構。改良土飽和強度折減率的降低以及黏聚力和內摩擦角的提高也可以側面印證這一分析結果。Bell(1996)和Yong et al. (2007)研究認為納米SiO2在石灰改良土中起到火山灰添加劑的作用，因為其為納米尺度，與普通二氧化硅相比性質較為活潑，可以作為催化劑促使石灰發生反應，進而固化土體。土體中石灰的水化反應生成大量Ca2+和(OH)ˉ，隨著石灰摻量的增加，土體的pH會隨之升高，當pH達到12.4左右時，土壤中溶解的硅酸鹽和硅離子會在納米SiO2作用下與(OH)ˉ反應生成Si(OH)3，Si(OH)3最終會與Ca2+反應生成水化硅酸鈣(C-S-H)，水化硅酸鈣是一種絮凝膠，可以黏結土顆粒，從而提高土體強度。根據上述學者的研究成果，推測納米SiO2-石灰改良土中形成膠結物質為水化硅酸鈣，因而可以大幅度提高土體的強度。

圖8 掃描電鏡照片Fig. 8 Scanning electron micrographs a. 素土； b.2%納米SiO2改良土； c.2%石灰+1.5%納米SiO2改良土

Ca(OH)2→Ca2++2(OH)-

(1)

Ca2++2(OH)-+SiO2→CaO·SiO2+H2O

(2)

通過X射線熒光光譜儀(AXIOS-Petro)測得素土、1.5%納米SiO2改良土和2%石灰加1.5%納米SiO2改良土3類土樣的化學成分，XRF試驗結果見表 4。可以看出，3類土的主要化學成分是SiO2、Al2O3和 CaO； 單獨加入納米SiO2時，CaO的濃度幾乎不變，SiO2的濃度大幅提高，表明此時納米SiO2主要起到填充孔隙的作用； 摻入2%石灰和1.5%納米SiO2后，SiO2的濃度降低，如前所述，其參與反應形成了水化硅酸鈣，使得土體的強度得到較大的提高。

表 4 試樣的化學成分Table 4 Chemical compositions of samples

3 結 論

本文對不同摻量下的納米SiO2-石灰改良土進行了系列室內試驗，研究了兩種改良劑的摻量對黃泛區粉土力學特性的影響，并對特定摻量下的改良土進行了掃描電鏡和XRF試驗，所得結論如下：

(1)納米SiO2改良土的最大干密度和最優含水率隨納米SiO2摻量的增加均呈現出遞增的趨勢，最大干密度的增加較為顯著； 納米SiO2改良土中摻加石灰會顯著增加最優含水率，但會降低最大干密度。

(2)不同摻量的納米SiO2-石灰改良土的UCS較素土有顯著提高，UCS隨養護齡期的增加而增加， 1d至7d養護齡期內提高最為顯著； 2%石灰和1.5%納米SiO2聯合使用時，改良土的UCS較素土增幅約3120%。

(3)素土與納米SiO2改良土的水穩性較差； 納米SiO2改良土摻加石灰會顯著改良土體的水穩性能，并且隨著石灰摻量的增加，改良土的飽和強度折減率隨之降低。

(4)單獨摻入納米SiO2主要起到填充顆粒間孔隙的作用，同時摻加石灰和納米SiO2可以反應生成水化硅酸鈣，進一步發揮黏結與填充作用，使土體強度提高、結構更穩定。