水泥粉煤灰改良鹽漬土最優(yōu)配比研究

訾亞丹 崔宏環(huán)

摘 要：【目的】在傳統(tǒng)水泥改良土的基礎(chǔ)上加入粉煤灰復(fù)合改良鹽漬土，粉煤灰固化鹽漬土與“雙碳”目標(biāo)契合，具有積極的意義。【方法】設(shè)計(jì)三因素四水平正交試驗(yàn)分析改良劑摻量、養(yǎng)護(hù)條件、含水率對(duì)試樣抗壓強(qiáng)度及彈性模量的影響。控制水泥粉煤灰固定比例為1∶2，摻量及含水率水平為12%、14%、16%、18%，養(yǎng)護(hù)方式分別為清水、鹽水、高溫養(yǎng)護(hù)及標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)。【結(jié)果】通過(guò)擊實(shí)試驗(yàn)可得試驗(yàn)范圍內(nèi)水泥粉煤灰摻量對(duì)最大干密度的影響不大，最大干密度約為1.8 g/cm3，最優(yōu)含水率介于14%～16%之間。改良土呈應(yīng)變軟化型，7 d及14 d齡期不同組別抗壓強(qiáng)度最高為1.69 MPa、1.99 MPa，最小為0.34 MPa、0.55 MPa。【結(jié)論】試樣隨著摻量增大及火山灰反應(yīng)、水化程度的加深應(yīng)變軟化特征明顯；改良劑摻量為18%、含水率為16%、養(yǎng)護(hù)方式為高溫養(yǎng)護(hù)時(shí)強(qiáng)度最大，三個(gè)因素對(duì)鹽漬土強(qiáng)度的影響排序依次為養(yǎng)護(hù)條件>改良劑摻量>含水率，因素影響權(quán)重分別為養(yǎng)護(hù)條件57%、改良劑摻量24%、含水率19%；將抗壓強(qiáng)度與回彈模量進(jìn)行擬合，發(fā)現(xiàn)二者具有良好的線性關(guān)系。

關(guān)鍵詞：鹽漬土；水泥粉煤灰改良；正交試驗(yàn)；無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度

中圖分類號(hào)：TU448? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? ?文章編號(hào)：1003-5168（2024）07-0052-06

DOI：10.19968/j.cnki.hnkj.1003-5168.2024.07.011

Study on the Optimal Ratio of Cement Coal Fly Ash Improved Saline Soil

ZI Yadan 1? ?CUI Honghuan 1，2

（1.Hebei University of Architecture，Zhangjiakou 075000，China;

2.Civil Engineering Diagnosis of Hebei Province，Key Laboratory for Reconstruction and Disaster Resistance，Zhangjiakou 075000，China）

Abstract： [Purposes] On the basis of traditional cement improved soil， fly ash is added to improve saline soil. Fly ash solidified saline soil is in line with the goal of “double carbon” goal， which has positive significance.[Methods] A three-factor and four-level orthogonal test was designed to analyze the effects of cement fly-ash content， curing conditions and water content on the compressive strength and elastic modulus of the sample. The fixed proportion of cement fly ash is controlled to be 1∶2， the content t levels are 12%， 14%， 16%， 18%， and the curing methods are clean water， salt water， high temperature curing and standard curing.[Findings] The compaction test showed that the content of cement fly-ash had little effect on the maximum dry density within the test range， the maximum dry density was about 1.8 g/cm3， and the optimal water content was between 14% and 16%. The improved soil shows strain softening type. The highest compressive strength is 1.69 MPa and 1.99 MPa， and the smallest compressive strength is 0.34 MPa and 0.55 MPa at 7 d and 14 d ages. [Conclusions] The strain softening characteristics are obvious with the increase of dosage and the deepening of reaction and hydration degree of volcanic ash. The amendment content is 18%， the moisture content is 16%， and the strength is the highest when the curing method is high temperature curing. The strength of saline soil is the largest when the dosage of modifier is 18 %， the moisture content is 16 %， and the curing method is high temperature curing. The order of the influence of the three factors on the strength of saline soil is curing condition > modifier dosage > moisture content. The weight of the factors is 57 % of curing condition， 24 % of modifier dosage and 19 % of moisture content. The compressive strength and resilient modulus are fitted， and it is found that there is a good linear relationship between them.

Keywords： saline soil; cement coal fly ash improvement; orthogonal test; unconfined compressive strength

0 引言

張家口地處河北西北部，全年干旱少雨，地表蒸發(fā)嚴(yán)重，因此張家口地區(qū)分布有大量鹽漬粉質(zhì)黏土。鹽漬土直接用于路基時(shí)危害較大，因鹽分溶解與結(jié)晶、水鹽遷移等均會(huì)帶來(lái)鹽脹、凍脹、翻漿等問(wèn)題，造成路基不穩(wěn)定進(jìn)而危害交通安全。

隨科學(xué)技術(shù)與綠色建筑的發(fā)展，許多新型改良材料不斷涌現(xiàn)，例如在鹽漬土中摻入新型工業(yè)固體廢物離子固化劑、植物纖維等。周純秀等［1］用石灰、石灰+粉煤灰對(duì)碳酸鹽漬土進(jìn)行改良，結(jié)果表明，可以有效改善固化土的塑性和擊實(shí)特性，抗剪強(qiáng)度方面也得到有效提升。趙海艷等［2］利用石灰粉煤灰改良濱海地區(qū)鹽漬土，試驗(yàn)表明固化土無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度隨粉煤灰摻量增大而增大。游慶龍等［3］采用液態(tài)離子型固化劑與水泥石灰聯(lián)合對(duì)紅黏土進(jìn)行加固，結(jié)果表明離子型固化劑可以降低塑性指數(shù)。陳康亮等［4］設(shè)計(jì)正交試驗(yàn)，對(duì)生石灰和粉煤灰改良硫酸鹽漬土進(jìn)行研究，得出生石灰和粉煤灰摻入量為6%、18%時(shí)對(duì)含鹽量2%的鹽漬土改良效果最佳，生石灰與粉煤灰按1∶3摻入時(shí)效果最好，含鹽量增大時(shí)可根據(jù)此比例增大總摻量。由于水泥、粉煤灰等材料成本低且易得，因而在特殊土改良工程中得到廣泛應(yīng)用，目前對(duì)鹽漬土的改良研究仍多以傳統(tǒng)無(wú)機(jī)固化劑為主。

本研究根據(jù)張家口地區(qū)的氣候特點(diǎn)及工程條件，若僅用水泥固化土易產(chǎn)生干縮裂縫，而選用粉煤灰與水泥共同加固，則可使固化土和易性好、干縮性小、抗拉強(qiáng)度高、抗裂性好。研究成果可為張家口鹽漬土公路路基填料設(shè)計(jì)與施工提供參考。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)所用粉質(zhì)黏土取自張家口市河北建筑工程學(xué)院操場(chǎng)，通過(guò)試驗(yàn)測(cè)得物理性質(zhì)參數(shù)及含鹽量，結(jié)果如下：試驗(yàn)用土易溶鹽總量為0.1%，液限31%，塑限17.6%，最優(yōu)含水率為15%，最大干密度為1.92 g/cm3。為研究鹽漬粉質(zhì)黏土的強(qiáng)度特性，依據(jù)馬小雨［5］對(duì)張家口易溶鹽含量的檢測(cè)結(jié)果在室內(nèi)人工配制鹽漬土。水泥為金隅牌P.O 42.5硅酸鹽水泥，粉煤灰為鞏義鉑潤(rùn)耐火材料有限公司生產(chǎn)的一級(jí)粉煤灰，具體參數(shù)見(jiàn)表1。

1.2 試驗(yàn)方案

根據(jù)《公路路面基層施工技術(shù)細(xì)則》（JTG/T F20—2015），水泥、粉煤灰改良公路底基層推薦比例為1∶3～1∶5，水泥粉煤灰與被穩(wěn)定材料推薦比例為3∶7～1∶9。徐江萍［6］、張嘎吱等［7］研究水泥粉煤灰穩(wěn)定性后得出，水泥粉煤灰為1∶2時(shí)水泥水化反應(yīng)與粉煤灰火山灰反應(yīng)均能充分進(jìn)行。因此，需要在前人基礎(chǔ)上對(duì)冀北地區(qū)鹽漬粉質(zhì)黏土選用水泥∶粉煤灰=1∶2進(jìn)行改良，其中總摻量為12%、14%、16%、18%，對(duì)應(yīng)水泥摻量為4%、4.7%、5.3%、6%。

對(duì)改良鹽漬土進(jìn)行擊實(shí)試驗(yàn)，得出擊實(shí)曲線如圖1所示。由圖1可知，改良劑最小摻量12%至最大摻量18%之間的最大干密度變化不大，因此制件統(tǒng)一選用的最大干密度為1.8 g/cm3。為獲得改良鹽漬土的最優(yōu)配比，考慮改良劑摻量、含水率、養(yǎng)護(hù)條件等因素的影響，設(shè)計(jì)正交試驗(yàn)具體見(jiàn)表2。

注：高溫養(yǎng)護(hù)為制件完成后放入60 ℃的高溫養(yǎng)護(hù)箱養(yǎng)護(hù)至指定齡期前一天，取出浸水一天；標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)為試件完成后置于標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)箱內(nèi)養(yǎng)護(hù)至指定齡期前一天，取出浸水一天；鹽水養(yǎng)護(hù)為配制復(fù)合鹽溶液（2%NaCl、0.03%Na2SO4、0.06%NaHCO3）將試件置于其中，養(yǎng)護(hù)至指定齡期；清水養(yǎng)護(hù)為試件完成后置于清水中養(yǎng)護(hù)至指定齡期。

1.3 試樣制備及試驗(yàn)流程

本次試驗(yàn)嚴(yán)格依據(jù)《公路土工試驗(yàn)規(guī)程》（JTG 3430—2020）重塑土樣的制備方法，制備無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試樣時(shí)，將所用土料放入烘箱內(nèi)烘干24 h，取出自然冷卻，碾碎后過(guò)2 mm篩。按試驗(yàn)計(jì)算配合比將材料攪拌均勻，裝入保鮮袋悶料12 h，制成100 mm×100 mm圓柱試樣。試樣完成后在不同養(yǎng)護(hù)條件下養(yǎng)護(hù)，達(dá)到指定齡期后進(jìn)行無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)。試驗(yàn)采用微機(jī)控制電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)，剪切速度為1 mm/min。

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 正交試驗(yàn)結(jié)果

對(duì)所有組別試樣進(jìn)行單軸抗壓試驗(yàn)，所得試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表3，抗壓強(qiáng)度即試驗(yàn)所得，彈性模量計(jì)算方法為應(yīng)力應(yīng)變曲線50%峰值點(diǎn)及其對(duì)應(yīng)應(yīng)變的比值。由于摻量與含水率單位相同，為區(qū)別二者，摻量用水泥占比表示。以C4b12為例，C代表水泥，C4即表示水泥摻量為4%（C4.7代表水泥摻量4.7%，粉煤灰摻量9.3%，總摻量14%，以此類推），相應(yīng)粉煤灰摻量即為8%，b表示標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)，12即含水率為12%。b、g、q、y分別表示標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)、高溫養(yǎng)護(hù)、清水養(yǎng)護(hù)、鹽水養(yǎng)護(hù)。

本研究將養(yǎng)護(hù)齡期為14 d的試樣彈性模量與抗壓強(qiáng)度繪制在同一坐標(biāo)系下，如圖2所示。由圖2可知，彈性模量與抗壓強(qiáng)度之間存在良好的線性關(guān)系。

2.2 SPSS正交分析

利用SPSS軟件對(duì)試樣7 d及14 d抗壓強(qiáng)度及彈性模量進(jìn)行極差分析，得出三因素對(duì)抗壓強(qiáng)度及彈性模量的影響順序均為RB>RA>RC，分析對(duì)比各因素水平均值，可得最優(yōu)組合為A4B2C4，即最優(yōu)組合為改良劑摻量為18%、養(yǎng)護(hù)條件為高溫養(yǎng)護(hù)、含水率為16%。

對(duì)試樣抗壓強(qiáng)度及彈性模量進(jìn)行方差分析，因7 d與14 d抗壓強(qiáng)度及彈性模量規(guī)律變化一致，僅存在數(shù)據(jù)差別，因此選取14 d抗壓強(qiáng)度及彈性模量為代表，通過(guò)SPSS對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行三因素方差分析。結(jié)果表明養(yǎng)護(hù)條件及摻量對(duì)抗壓強(qiáng)度均具有顯著性，含水率對(duì)強(qiáng)度沒(méi)有顯著性影響，不存在主效應(yīng)。

對(duì)影響因素進(jìn)行權(quán)重分析，養(yǎng)護(hù)條件、摻量、含水率對(duì)抗壓強(qiáng)度及彈性模量的影響權(quán)重分別為56.74%、23.78%、19.47%和56.76%、23.77%、19.47%。結(jié)果表明，三因素對(duì)抗壓強(qiáng)度和彈性模量的影響權(quán)重幾乎相同，其中養(yǎng)護(hù)條件權(quán)重占比最大。

2.3 改良鹽漬土力學(xué)性能的影響

2.3.1 改良鹽漬土的破壞形態(tài)（以14 d齡期為例）。

以水泥摻入量為4%試樣為例，試樣破壞形態(tài)如圖3所示。由圖3可知，隨著含水率的增加，低含水率試樣破壞時(shí)四周劈裂松動(dòng)，裂縫錯(cuò)雜、土塊掉落，高含水率試樣破壞時(shí)裂縫較少且無(wú)破碎現(xiàn)象，試樣向四周膨脹變形，呈現(xiàn)明顯的剪切面，這表明隨含水率增長(zhǎng)，試樣的變形逐漸趨于塑性破壞。

破壞應(yīng)變小表明改良土的破壞形式偏向于脆性破壞，而破壞應(yīng)變?cè)龃笳f(shuō)明改良土破壞出現(xiàn)塑性破壞趨勢(shì)，進(jìn)而可以判斷改良土的工程性質(zhì)，不同摻量下應(yīng)力—應(yīng)變曲線如圖4所示。由圖4可知，摻量相同時(shí)高溫養(yǎng)護(hù)條件下峰值應(yīng)力最大，同時(shí)對(duì)應(yīng)峰值應(yīng)變也最大，其次為清水養(yǎng)護(hù)、標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)、鹽水養(yǎng)護(hù)。清水養(yǎng)護(hù)對(duì)應(yīng)峰值應(yīng)變影響最小，原因是清水環(huán)境下水泥水化較為劇烈，水化反應(yīng)速度較快，加速水泥的硬凝，試樣變得又硬又脆，試樣在加載初期應(yīng)力—應(yīng)變曲線呈現(xiàn)較為陡峭的狀態(tài)。

標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)及鹽水養(yǎng)護(hù)條件下隨摻量增加，破壞應(yīng)變?cè)龃螅梢钥闯鰳?biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)條件下土隨摻量增加破壞應(yīng)變?cè)黾幼顬槊黠@，且16%及18%摻量下破壞應(yīng)變最大，這說(shuō)明該摻量下的土具有較好的彈塑性，高溫養(yǎng)護(hù)及清水養(yǎng)護(hù)條件下隨摻量增加，破壞應(yīng)變變化不顯著。

陳昌富等［8］研究發(fā)現(xiàn)60 ℃高溫養(yǎng)護(hù)14 d齡期的水泥土抗壓強(qiáng)度近似等于標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)條件下水泥土90 d齡期抗壓強(qiáng)度，因此分析時(shí)可將高溫養(yǎng)護(hù)試樣等價(jià)為90 d齡期標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)試樣。由圖4可知，高溫養(yǎng)護(hù)條件下應(yīng)力—應(yīng)變曲線更為陡峭，因?yàn)榛鹕交逸^水泥水化反應(yīng)滯后，隨齡期增長(zhǎng)火山灰反應(yīng)仍持續(xù)進(jìn)行，產(chǎn)生膠結(jié)物質(zhì)使得土顆粒在離子交換及團(tuán)粒化作用下形成團(tuán)體，提高了土體的結(jié)構(gòu)性，產(chǎn)生脆性破壞。因此可以得出，隨齡期增長(zhǎng)，改良土的破壞形式逐漸趨于脆性破壞。

2.3.2 改良鹽漬土的抗壓強(qiáng)度。

養(yǎng)護(hù)條件、摻量影響抗壓強(qiáng)度及彈性模量曲線如圖5所示。由圖5（a）可以看出高溫養(yǎng)護(hù)條件下抗壓強(qiáng)度最高，因高溫養(yǎng)護(hù)提升了水泥粉煤灰反應(yīng)活性，水泥水化生成的氫氧化鈣與粉煤灰發(fā)生反應(yīng)，使試樣早期強(qiáng)度得到有效提高。由圖5（a）可知，除高溫養(yǎng)護(hù)外，清水養(yǎng)護(hù)條件下抗壓強(qiáng)度最大；其次為標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)，以標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)條件下的抗壓強(qiáng)度值為基準(zhǔn)；鹽水條件下對(duì)強(qiáng)度的提升產(chǎn)生不利影響。因清水養(yǎng)護(hù)條件下可以為試樣中的水泥水化提供充足的水分，且水泥水化生成氫氧化鈣，可提供堿性環(huán)境以促進(jìn)粉煤灰火山灰反應(yīng)，而鹽水養(yǎng)護(hù)條件下溶液中的氯離子、硫酸根離子均對(duì)水泥土強(qiáng)度起負(fù)增長(zhǎng)作用，其中水泥土前期強(qiáng)度降低主要受氯離子影響，因氯離子消耗水泥水化產(chǎn)物C3A及氫氧化鈣，進(jìn)而生成水化氯鋁酸鈣，包裹在土顆粒表面阻礙水泥及粉煤灰發(fā)生進(jìn)一步反應(yīng)，且水化氯鋁酸鈣強(qiáng)度較低，導(dǎo)致水泥土強(qiáng)度降低。由圖5（b）可知，抗壓強(qiáng)度在試驗(yàn)范圍內(nèi)隨摻量的增大而增大，原因是較多的水泥發(fā)生水化反應(yīng)，同時(shí)調(diào)動(dòng)更多粉煤灰發(fā)生火山灰反應(yīng)，生成大量膠結(jié)物質(zhì)，提升了土體強(qiáng)度。

2.3.3 各因素交互作用分析。

交互作用可以理解為，當(dāng)試驗(yàn)研究中存在兩個(gè)或兩個(gè)以上自變量時(shí)，其中一個(gè)自變量的效果在另一個(gè)自變量每一水平上表現(xiàn)不一致的現(xiàn)象。某一因素的真實(shí)效應(yīng)隨另一因素的改變而改變。養(yǎng)護(hù)條件與摻量、含水率與養(yǎng)護(hù)條件、摻量與含水率方差分析的均值對(duì)比結(jié)果如圖6所示，通過(guò)比較不同分組變量的均值及交叉情況，即可確定各變量之間是否存在交互作用，并研究其差異關(guān)系。

由圖6可知，三因素間兩兩均存在交互作用。由圖6（a）可知，隨摻量增加不同含水率試樣呈現(xiàn)規(guī)律的變化，摻量為18%時(shí)各含水率試樣抗壓強(qiáng)度表現(xiàn)良好；由圖6（b）可知，隨含水率增加不同養(yǎng)護(hù)條件試樣的強(qiáng)度差逐漸增大；由圖6（c）可知，養(yǎng)護(hù)方式不同對(duì)試樣強(qiáng)度影響顯著，鹽水養(yǎng)護(hù)和標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)條件下?lián)搅啃∮?8%的試樣強(qiáng)度變化不大。

除無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度直觀分析外，公路路基底基層水泥粉煤灰改良土強(qiáng)度應(yīng)滿足表5的要求。

3 結(jié)論

①改良鹽漬土的抗壓強(qiáng)度與彈性模量受摻量、養(yǎng)護(hù)條件、含水率的影響變化規(guī)律一致，其中摻量18%、高溫養(yǎng)護(hù)、含水率為16%時(shí)抗壓強(qiáng)度達(dá)到峰值。

②隨摻量增多、齡期增長(zhǎng)均會(huì)使試樣由塑性破壞逐漸趨于脆性破壞，含水率增大可以提升試樣塑性變形能力。

③通過(guò)對(duì)彈性模量與抗壓強(qiáng)度進(jìn)行線性擬合，發(fā)現(xiàn)二者擬合度較高，可認(rèn)為二者存在線性關(guān)系，有望通過(guò)抗壓強(qiáng)度推算彈性模量。

④通過(guò)對(duì)各個(gè)因素?cái)?shù)據(jù)進(jìn)行分析，以及考慮實(shí)際工程中經(jīng)濟(jì)、可行性等因素，選用摻量18%、含水率16%的組合可以滿足鹽漬土路基底基層的強(qiáng)度要求。

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收稿日期：2023-07-28

作者簡(jiǎn)介：訾亞丹（1997—），女，碩士生，研究方向：鹽漬土路基改良；崔宏環(huán)（1974—），女，博士，教授，研究方向：特殊土地區(qū)地基基礎(chǔ)病害的研究與防治。