新方法改良黄土的固结试验及微观试验研究

方 晟，黄雪峰，张彭成，周俊鹏，郭 楠

(1.后勤工程学院 a.军事土木工程系； b.岩土力学与地质环境保护重庆市重点实验室； c.化学与材料工程系， 重庆 401311； 2.兰州理工大学 土木工程学院， 兰州 730050)

【基础理论与应用研究】

新方法改良黄土的固结试验及微观试验研究

方 晟1a,1b，黄雪峰1a,1b，张彭成1c，周俊鹏1a,1b，郭 楠2

(1.后勤工程学院 a.军事土木工程系； b.岩土力学与地质环境保护重庆市重点实验室； c.化学与材料工程系， 重庆 401311； 2.兰州理工大学 土木工程学院， 兰州 730050)

针对水玻璃与黄土反应不完全，强度较低，固结效果较差等问题，提出了电场改性水玻璃固化黄土的新方法。试验通过制备不同压实度和不同养护龄期下的黄土试样，利用高压固结仪进行固结试验和湿陷性试验，并通过XRD和SEM对黄土试样进行物相分析和微观分析。试验结果表明：相同养护龄期下，孔隙比随着垂直压力的增大逐渐减小，压实度越大，减小的速度越慢；当垂直压力大于600 kPa时，e-p和e-lgp曲线斜率均变缓，压缩变形变小；相同压实度下，养护龄期越长，孔隙比越小，整体变化不大；改良后固结效果良好，有效降低了改良黄土湿陷系数，均低于0.015，为非湿陷性土；X射线衍射强度降低，出现新的非晶质低矮群峰，衍射谱图发生改变；SEM图像显示随着电压的不断增大，硅酸凝胶和碳酸凝胶大量产生，充填了土颗粒之间孔隙，包覆了土颗粒表面，将土骨架联结成网状结构，增强了土体强度。

黄土；电场；固结；X射线衍射；扫描电子显微镜

硅化法最早是英国人Hosagood在印度建桥时发明使用，前苏联后来大量研究使用[1]。我国硅化法是在借鉴前苏联的技术基础上改进创新的。硅化法存在离子反应不完全，强度较低等问题，国内外专家学者针对这些问题对水玻璃进行改性研究。吕擎峰等[2,3]对温度改性水玻璃固化黄土进行研究；王继娜等[4]对微波、超细粉末材料和复合材料等改性水玻璃砂进行了试验研究；肖尊群[5]、谭国湖[6]等进行了酸性水玻璃-碳酸钙浆材配比强度测试试验研究；王小龙等[7]对水泥-水玻璃双液注浆力学特性进行了试验研究；张高展等[8]对水玻璃-工业废渣注浆进行研究。总体来说，改性水玻璃取得了较好的效果，但大体是在添加其他化合物的基础上对硅化法进行改进处理，直接采用水玻璃改良黄土的极少。电化学是研究电荷化学反应相互关系的科学，采用电渗法对地基进行处理已大量应用到工程中，效果显著。Burnotte等[9]对软土进行电渗加固；王宁伟等[10]对淤泥质粉质黏土进行电化学改性加固；李一雯等[11]研究了电极布置对电渗效果的影响；殷鹤等[12]提出了电场改性石灰，硫酸钠固化黄土的新方法。上述方法加固土体效果好，强度提升高，然而采用电场对硅化法的研究极少，因此本研究将通过室内固结试验、湿陷性试验及其矿物分析、微观结构分析对电场改性水玻璃固化黄土进行研究。

1 试验材料和试验过程

1.1 试验材料

试验用土取自延安新区，取土深度为5～6 m，土质匀称，黄色，粉土，基本物理指标见表1。水玻璃采用市售水玻璃。水玻璃中Na2O含量为8.66%，SiO2含量为28.58%，经过计算，水玻璃原液模数为3.4。

表1 土样的基本物理指标

1.2 试验过程

1) 首先使用标准垫块进行高压固结试验，得到不同压力下的仪器变形，消除试验仪器本身存在的误差；

2) 制取含水率为15.6%，压实度为75%、80%、85%、90%，养护龄期为7 d、14 d、21 d、28 d共16组重塑黄土试样，每组试样有4个平行试样，进行高压固结试验。固结仪荷载加载顺序为(25、50、100、200、300、400、600、800、1 200、1 600、2 000(kPa))，试验稳定标准为试样每小时的压缩变形量<0.01 mm，采用双线法进行湿陷试验，测定改良土样湿陷系数；

3) 选取试样进行XRD和SEM试验。

2 固结试验及湿陷试验分析

2.1 固结试验

根据高压固结试验可得各级压力下的压缩量，进而求出各级压力下的固结稳定孔隙比。因为受压前后体积不变，横截面积不变，根据压缩量可求得相应压力下的孔隙比

式中：e为孔隙比；ds为土粒相对密度；pw为4 ℃时纯水密度；p为土颗粒密度。

式中：Si为土样变形量；Ho为土样原始高度。绘制e-p曲线如图1与图2。将横坐标按P的常用对数取值，即可绘制出e-lgp曲线如图3。

图1 不同压实度下e-p曲线

图2 不同时间下e-p曲线

图3 不同压实度下e-lgp曲线

由图1可得：相同养护龄期下，孔隙比随着垂直压力的增大不断减小。压实度越大，孔隙比越小；当垂直压力增大至约600 kPa时，不同压实度的e-p曲线斜率变缓。压实度越高，曲线越平缓，压缩变形越稳定。由图2可得:压实度为85%时，初始孔隙比相同，养护龄期越短，孔隙比减小的越多；当垂直压力大于600 kPa时，曲线斜率变缓，养护龄期为14 d和21 d时的孔隙比值接近。总体而言，孔隙比随养护龄期的变化不大。

由图3可得：压实度为75%的e-lgp曲线为前缓后陡，存在较为明显的拐点，达到结构屈服强度；其余压实度条件下的e-lgp曲线约在lgp=2.5左右时曲线变陡，但没有明显拐点，说明改良黄土的强度大幅度提升，在2 000 kPa下，最大压力也未能达到结构屈服压力。

2.2 湿陷试验

为了研究电场改性水玻璃加固黄土的湿陷性，采用双线法对改良黄土进行了湿陷性试验，养护28d后的湿陷性试验结果如图4所示。

由图4可得，改良黄土的湿陷系数整体较低，湿陷效果不明显；湿陷性系数随着压实度的变化而变化，整体呈下降趋势。最大湿陷系数为0.78，根据《湿陷性黄土地区建筑规范》(GB60025 2004)及工程界一致观点：δ=0.015时对应的垂直压力为湿陷起始压应力，各压实度下的湿陷性系数均小于0.015。因此电场改性水玻璃加固黄土的效果良好，能有效减小黄土湿陷性，降低地基沉降量。

图4 改良黄土的δ-p关系曲线

3 XRD衍射分析

X射线衍射法(X-Raydiffraction,简称为XRD)是测定晶体结构的重要手段。XRD可以检测试样晶体中各原子相干散射波叠加的结果。为了查明改良黄土矿物成分和形态，研究电场改性固化机理，利用日产岛津XRD-6100型X射线衍射仪对天然黄土和改良黄土样品进行试验。衍射仪扫描范围为10～90°，扫描速度4 °/min,步长0.02 °/s。改良黄土样品控制压实度为85%，养护龄期为28d。试验前将黄土试样碾碎，过200目筛子，将筛后黄土倒入XRD试样皿中，使用磨砂玻璃对试样表面处理，保正试样填满且试样表面光滑。

图5为天然黄土衍射图，图6为改良黄土衍射图。对比图5与图6可得，电场改性水玻璃固化黄土谱图与天然黄土谱图基本吻合，但固化后的衍射曲线出现密集低矮的新峰，衍射强度降低。说明在通电条件下，水玻璃与黄土发生反应生成了新的硅酸凝胶和碳酸凝胶化合物，生成了新的非晶质晶体，这也会进一步提高土颗粒之间联结强度，宏观反映则是改良黄土的强度提高。

图5 天然黄土X射线衍射谱图

4 微观试验结果分析

黄土的颗粒形状、孔隙特征和胶结程度最能反映黄土微观结构特征[13]。扫描电子显微镜(scanning electron microscope， SEM)是目前微观研究中常用手段，是利用电子的二次反射获得微观结构图像，具有放大倍率高，分辨率高等特点，能反映出土体在微结构平面上的特征。在天然黄土的微观分析中，已经大量运用SEM手段进行观察，拥有不少成果[14-17]。

图6 养护龄期28 d时黄土X射线衍射谱图

试验采用日立高新扫描电子显微镜S-3700，放大倍率为x5～x300，在高真空模式下可达到3.0 nm(30 kV)，加速电压为0.3～30 000 V，低真空范围在6～270 Pa，图像电位移±50 μm，最大可测试样直径300 mm。因为试样的导电性差，需要在SEM试样表明喷镀一层金膜，用来增强其导电性，避免因导电性能不强出现电荷积累，导致图像品质不佳。

对天然黄土和改良黄土进行显微观察。由图7可知，天然黄土试样的骨架颗粒以单粒为主，颗粒较大。颗粒形状主要是棱角状和次棱角状；点接触较多，面接触较少；土颗粒边缘清晰，呈现方形、长方形和少部分椭圆形；土的孔隙主要是架空孔隙，孔隙间距大，且孔隙形状不规则；颗粒表面及孔隙之间分布着黏土矿物和碳酸钙，联接土骨架。

图7 未改良黄土

水玻璃与黄土搅拌后会发生化学反应及水解作用。在电场作用下，化学反应加剧，黄土之间的孔隙逐渐被化学反应所产生的硅酸凝胶和碳酸凝胶充填。图8～图11为水玻璃模数3.4、水玻璃Na2O含量0.2%、通电时间30 s、养护龄期28 d、含水率为15.6%、下通电电压为30 V、50 V、70 V、90 V的改良黄土SEM图像。对比未经处理的天然黄土，改良后的黄土具有以下特点：黄土颗粒相互交错聚集，土颗粒之间联结更为紧密，不再以单粒为主；颗粒由点接触逐渐变为面接触，颗粒的接触面积增大；颗粒形状由棱角状等突兀形状变为次圆形，颗粒棱角模糊；颗粒表面有不少凝胶薄膜包覆在颗粒表面，土颗粒附着物增多，土颗粒被包覆；架空孔隙逐渐减小，孔隙中的硅酸凝胶和碳酸凝胶逐渐增多，充填了孔隙，最终使得黄土各颗粒成为整体，使得整个骨架颗粒粘结成为一个空间网状结构。这加强了改良黄土颗粒的联结力和胶结能力，增强了土体强度。

图8 通电电压为30 V

图9 通电电压为50 V

图10 通电电压为70 V

图11 通电电压为90 V

5 结论

1) 相同养护龄期下，压实度越大，孔隙比减小得越慢。当垂直压力>600 kPa时，e-lgp斜率变缓，说明压缩变形小且稳定；相同压实度下，孔隙比随着养护龄期的增长而减小，但减小幅度不大，即养护龄期对改良黄土影响不大；当压实度大于75%时，e-lgp曲线不存在明显拐点，即未达到结构屈服压力，说明改良黄土强度高。

2) 改良黄土的湿陷系数均低于0.015,黄土的湿陷性不明显，说明电场改性水玻璃加固黄土效果好，可有效减小湿陷，降低地基沉降。

3) 改良黄土谱图与天然黄土谱图基本吻合，但衍射强度降低，衍射曲线出现密集非晶质低矮新峰。这种非晶质晶体是胶体粒子在电场作用下凝聚而成，能进一步加强矿物胶结作用，改善土体强度。

4) SEM图像表明，随着通电电压的增大，改良后黄土颗粒表面附着物增多，颗粒之间架空孔隙减少，逐渐被水玻璃与黄土化学产生的凝胶化合物填充；土颗粒由点接触逐渐变为面接触，土骨架变为空间网状结构，强度不断提高，这说明水玻璃在通电条件下对黄土的反应效果好，能有效地加强黄土颗粒之间胶结物联结力，增强黄土强度；

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(责任编辑杨继森)

ExperimentalStudyConsolidationTestandMicroscopicTestofImprovedLoessbyNewMethod

FANG Sheng1a,1b， HUANG Xuefeng1a,1b， ZHANG Pengcheng1c, ZHOU JunPeng1a, 1b, GUO Nan2

(1.a.Department of Civil Engineering; b.Chongqing Key Laboratory of Geomechanics & Geoenvironmental Protection; c.Department of Chemistry and Material Engineering，Logistic Engineering University，Chongqing 401311，China； 2.School of Civil Engineering，Lanzhou University of Technology，Lanzhou 730050, China)

For the problems of incomplete reaction of water glass and loess, low strength and poor consolidation effect, a new method is proposed by the electric-modification silicification grouted loess.The test was carried out by preparing loess samples with different compaction degree and different curing ages, using high pressure consolidation apparatus to make the consolidation test and collapsibility test, analyzing the phase and microstructure of loess samples through the XRD and SEM.The results show: under the same curing age, the void ratio decreases with the increase of vertical pressure, the greater the degree of compaction, the slower the decrease; When the vertical pressure is greater than 600 kPa, the slope ofe-pande-lgpcurves are slow and the compression deformation is small; Under the same degree of compaction, the longer the curing age, the smaller the void ratio, but the overall change is not big; The consolidation effect is good, which effectively reduces the collapsible coefficient of improved loess, becoming the non-collapsible soil which the collapsibility coefficient is less than 0.015; The intensity of the X-ray diffraction is decreased, new amorphous phase peak groups are appeared and the X-ray diffraction pattern has changed.The image of SEM shows that with the increase of the voltage, the silicic acid gel and carbonic acid gel are produced in a large amount, filling the pores between the soil particles, covering the surface of the soil particles, and binding the soil skeleton into a net structure, which enhancing the strength of the soil.

loess; electric field; consolidation; X-ray diffraction; scanning electron microscope

2017-04-30；

：2017-05-20

：国家科技支撑计划项目“黄土丘陵沟壑(延安新区)工程建设关键技术研究与示范课题”(2013BAJ06B00)

方晟(1992—)，男，硕士研究生，主要从事非饱和土和特殊土地基处理研究。

黄雪峰，男，后勤工程学院教授，博士生导师，E-mail：hxfen@163.com。

10.11809/scbgxb2017.09.040

format:FANG Sheng，HUANG Xuefeng，ZHANG Pengcheng,et al.Experimental Study Consolidation Test and Microscopic Test of Improved Loess by New Method[J].Journal of Ordnance Equipment Engineering,2017(9):188-192.

TU472.5

：A

2096-2304(2017)09-0188-05

本文引用格式：方晟，黄雪峰，张彭成，等.新方法改良黄土的固结试验及微观试验研究[J].兵器装备工程学报，2017(9):188-192.