固化沙漠风积砂土强度特性分析

刘俊芳，苏跃宏

(内蒙古工业大学大学　土木学院，内蒙古　呼和浩特　010051)



固化沙漠风积砂土强度特性分析

刘俊芳，苏跃宏

(内蒙古工业大学大学土木学院，内蒙古呼和浩特010051)

摘要：为研究固化沙漠风积砂土的强度特性，扩大其在道路工程中的应用范围，从强度角度分析其作为路面结构底基层的适用性。采用路面材料强度仪测定了不同固化剂含量的固化沙漠风积砂土的无侧限抗压强度值，利用电镜扫描(SEM)技术对风积砂土以及添加了PX固化剂的固化风积砂土的微观结构进行分析，结合二者揭示固化沙漠风积砂土的强度特性及强度形成机理。研究结果表明：(1)掺量为10%的PX固化剂固化风积砂土，其7 d无侧限抗压强度达到路面结构底基层的强度要求；(2)固化土强度与固化剂掺量有关，10%为最佳掺量；(3)SEM图像显示风积砂土加入固化剂后，形成一部分由凝胶体和团粒组成的粒间填充物，使土体间的黏结强度发生变化，这是其强度增长的主要原因。

关键词：道路工程；风积砂土；扫描电镜(SEM)；微观结构；PX固化剂

0引言

我国的沙漠比较多，沙漠总面积约为130×104km2，约占全国土地面积的13%左右。沙漠风积砂土是天然的建筑材料库，合理利用沙漠风积砂土，将会带来可观的经济效益。近年来很多学者致力于沙漠风积砂土的工程应用研究[1-4]，采用固化剂对沙漠风积砂土进行改良后应用也有报道[5-7]。鉴于土性的时空变异性，本文以库布其沙漠风积砂土为研究对象，首先采用土壤固化剂固化库布其沙漠风积砂土，然后在实验室测定其无侧限抗压强度，同时利用扫描电镜技术(SEM)对其强度增长机理进行分析，从而探讨其强度方面应用于路面结构底基层的可行性，以及强度的发展机理，为固化风积砂土应用与路面结构底基层做理论上的指导。

1库布其沙漠风积砂土特性

试样土样取自伊克昭盟达拉特旗境内的库布其沙漠边缘。土样的级配情况与物理指标见表1、表2。从表中可看出，风积砂土粒径单一，大多集中在0.25～0.1 mm，微小的黏粒较少；天然含水率小，孔隙比较大。土样呈黄白色，松散状态，经野外观察和室内试验，定名为细砂；击实试验结果显示见图1，其最佳含水率7.66%，最大干密度1.735 g/cm3。

表1　沙漠风积砂土颗粒组成

表2　沙漠风积砂土的物理指标

图1　沙漠风积砂土击实曲线Fig.1　Compaction curve of desert aeolian sandy soil

2PX固化剂

PX土壤固化剂属于多种表面活性剂复配产品，采用电离子原理减薄土壤颗粒外吸附的水膜厚度，经外力压实，使土壤颗粒固结产生永久性疏水的板体结构。这种结构会使水的二次进入困难，致使土壤稳定，不再出现湿陷和冻裂，见图2。

图2　PX固化剂[8] Fig.2　PX stabilizer

3无侧限抗压强度试验

将沙漠风积砂土掺一定量的PX固化剂，按照《公路工程无机结合料稳定材料试验规程》(JTG E51—2009)的相关规定进行制样，试样在最佳含水量和最大干密度条件下成型。将固化剂掺量为4%，6%，8%，10%和12%的试件，养护龄期分别为7，14，21 d和28 d后，在路面材料强度仪上进行无侧限抗压强度试验。为使试件的形变逐渐增加，试验过程中，保持速率约为1 mm/min。记录应变ε和最大破坏压力P。试件无侧限抗压强度按下式计算：

Rc=P/A,

A=0.25πD2。

式中，Rc为固化土试件无侧限抗压强度；A为试件的截面积；D为试件的直径；P为试件破坏时的最大压力，试验结果如图3所示。

图3　固化风砂土试件的抗压强度 Fig.3　Compressive strengths of solidified aeolian sandy soil

从图中可以看出，随着龄期增加，固化沙漠风积砂土强度增长。7 d强度随着固化剂掺量的增加而增加，21，28 d强度值固化剂掺量小于10%时，随着固化剂掺量的增加强度值增加，之后随着掺量的增加强度相反在降低，最佳掺量为10%。在固化掺量为10%时，7 d的无侧限抗压强度值已达到0.662 MPa，能够满足底基层对无机结合料稳定细粒土的强度要求[8]；从28 d试验结果可以看出，固化剂掺量为10%时，强度达到最大值1.996 MPa，放大100倍的SEM图像,固化效果最佳。

4扫描电镜(SEM)试验

4.1试样制备

为了充分了解添加固化剂后风积砂土的细观结构变化，本文对添加了固化剂的试样和未添加固化剂的试样进行了扫描电镜试验。

电镜扫描技术，Scanning Electron Microscope , 简称SEM 测试技术，其可以通过光学系统获得扫描电子束，使样品产生各种物理信号，收集各种信号并显示成图像，可以显示三维图像。目前在土的微观结构研究中应用较普遍[9-14]。

结合无侧限抗压强度试验结果，固化剂掺量10%为最佳含量，固化后无侧限抗压强度值达到最大，所以SEM试验时，固化剂掺量为10% 。另外为了分析固化土的微观结构特性，了解其固化后与原素土的微观结构的不同，SEM试验试件分为两种:一种为掺入PX固化剂试件，一种为不掺入固化剂的素土试件。试件的成件方法与无侧限抗压强度试验时试件的成件方法相同。装入模具成型、静压、脱模，在养护箱中养护28 d，取出直接烘干，用小锯条将试件切割成边长为1 cm左右的小正方体，为了避免有小的土颗粒掉到工作台上，损坏探头，外部用锡纸包裹，顶部留一小口，方便观察。由于试件为土样的散粒，直接看不太清晰，同时顶部开的孔隙较小，为了便于观察，对放到底座上的试样进行了在真空条件下的镀金操作。试样如图4所示。

图4　SEM试验试样Fig.4　Test samples displayed by SEM

4.2试验结果

试验过程中，将试样分别放大100，500，1 000，2 000，5 000倍进行观察。为了描述风积砂土固化前后微观结构的区别，将从整体结构组成、基本单元的形态特征两个方面来进行分析。

(1)整体结构及组成特征

图5、图6分别是素土和固化沙漠风积砂土的SEM微观图像。从图5中可以明显看出，素土颗粒较均匀，有少量黏粒填充在孔隙中，但黏粒数量较少，所以孔隙比较大，整体呈单粒结构。图6(a)是填加固化剂后放大100倍的SEM图像，孔隙被形成物所填充，孔隙明显减小，整体结构组成变为单粒+粒间填充物。因此固化沙漠风积砂土强度增大应缘于粒间填充物的黏结作用。

图5　风积砂土SEM图像(放大100倍)Fig.5　SEM image of aeolian sandy soil (magnification=100)

图6　固化沙漠风积砂土SEM图像Fig.6　SEM image of solidified aeolian sandy soil

(2)粒间填充物基本单元及形态特征

为了进一步探讨固化沙漠风积砂土的强度增长机理，将图6(a)中局部区域放大倍数来显示粒间填充物的结构形态。图6(b)为放大500倍的固化沙漠风积砂土SEM图像，可以看出粒间填充物呈细小的胶凝状颗粒，黏结在单个土粒的表面。放大1 000 倍后，见图6(c)，胶凝状更加明显，但单元性质不均匀，形状、大小各异，部分物质凝结在一起，内部有孔隙，也存在单个离散的团粒，即粒间填充物由两种基本单元组成，凝胶体和离散团粒。凝胶体结构见图6(d)和图6(e)分别为放大2 000 倍后不同部位SEM图像。凝胶体基本上呈片状结构，面面接触，而团粒单元则是絮凝状结构，见图6(f)，有的包裹着小土粒，有的未包裹土粒。

5结论

结合无侧限抗压强度与扫描电镜试验，就固化沙漠风积砂土的强度，可以得到以下结论：

(1)固化剂掺量超过10%时，7 d的固化沙漠风积砂土的强度就能够达到高等级公路底基层的强度要求；且固化土强度与固化剂掺量有关，28 d的强度在掺量较小时随着掺量的增加强度增加，掺量超过10%后，强度反而有所降低。

(2)固化沙漠风积砂土的强度高于素土，主要源于加入固化剂后形成了粒间填充物，减小了孔隙比，并将颗粒与颗粒黏结在一起，增加了强度。

(3)粒间填充物有两种基本单元，即凝胶体与团粒，凝胶体是面面接触的片状结构，团粒为絮状结构，有的团粒包裹着细小的土粒，有的未包裹。

(4)从无侧限抗压强度试验结果可以看出，固化后土体强度的增加与固化剂掺量有关，结合SEM微观试验结果，可以分析得出：固化剂掺量影响其强度的主要原因在于，不同固化剂掺量会影响粒间填充物的形成多少，即凝胶体与团粒的数量取决于固化剂掺量的多少。在掺量较小时，随着掺量的增加，凝胶体与团粒的数量都在增加，土粒间黏结强度增加，所以总体强度会增加；当掺量过大时，形成了较多的粒间填充物，但由于素土中的小颗粒较少，形成包裹土粒的团粒也较小，粒间黏结强度虽然增大，但粒间摩擦强度降低，总体强度反而会降低。

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收稿日期：2015-04-20

作者简介：刘俊芳(1975-)，女，内蒙古呼和浩特人，硕士.(18647964316@163.com)

doi:10.3969/j.issn.1002-0268.2016.07.009

中图分类号：TD853.34

文献标识码：A

文章编号：1002-0268(2016)07-0053-05

Analysis on Intensity Characteristics of Stabilized Desert Aeolian Sandy Soil

LIU Jun-fang, SU Yue-hong

(College of Civil Engineering，Inner Mongolia University of Technology，Huhhot Inner Mongolia 010051, China)

Abstract：In order to research the strength characteristics of stabilized desert aeolian sandy soil and expand its application scope in road engineering，its suitability for pavement subbase is analysed in the light of strength. The unconfined compressive strengths of the curing desert aeolian sandy soil with different contents of curing agent are measured using the pavement material strength meter. The microstructures of aeolian sandy soil and the solidified aeolian sandy soil which added curing agent are analysed using scanning electron microscope (SEM). The strength characteristics and the strength mechanism of the solidified aeolian sandy soil are revealed based on these analyses. The result shows that (1) for solidified aeolian sandy soil with the dosage of 10% PX, the 7 d unconfined compressive strength can achieve the requirements of strength of the pavement subbase; (2) the strength of solidified soil is associated with curing agent dosage, and the dosage of 10% is the best; (3) the SEM image shows that after adding curing agent, a sect1 of aeolian sandy soil formed gel and aggregate intergranular filler, which changed the adhesive strength between the soil sect1icles, this is the chief reason for the increase in the strength.

Key words：road engineering；aeolian sandy soil; SEM; microstructure; PX curing agent