黏性土和纤维对风积沙改性土热膨胀特性的影响

2020-02-25周富彪苏占东田梦楠孙进忠

硅酸盐通报 2020年1期

周富彪，苏占东，田梦楠，李高，陈祥，孙进忠,

(1.防灾科技学院岩土工程研究中心，廊坊 065201；2.中国地质科学院岩溶地质研究所，桂林 541004； 3.中国地质大学(北京)工程技术学院，北京 100083；4.有色金属矿产地质调查中心，北京 100012； 5.北京交通大学土木建筑工程学院，北京 100044)

0 引言

风积沙是被风吹搬运和积淀的砂石颗粒(砂层)，广泛分布在我国的西北干旱区、青藏高原区、东部季风区三大自然地理区[1-3]。沙漠天然风积沙结构松散、无粘聚强度、稳定性差、承载力低[4-7]，对天然风积沙添加水泥进行加固改良可形成强度足够的风积沙改性土[8-11]，可用作路基等线性工程的主要填筑材料[12-13]，克服沙漠地区缺乏砂砾、碎石等筑路材料的局限，能够达到工程造价经济、施工快捷的目的[14]。然而，高温差沙漠区实际工程应用中，利用风积沙掺加水泥形成风积沙改性土进行高铁路堤填筑，在昼夜及季节性温差作用下路面出现垂直于路堤走向的温度裂缝，对高铁路堤的长期稳定性构成威胁。大型风积沙改性土路堤试验段变形监测研究表明，改性土具有热胀冷缩特性，路堤裂缝成因为路堤材料冻缩开裂，在改性土中添加黏性土可有效改善路堤的冻缩开裂病害[15]。基于弯拉强度、弯拉模量、最大失水量、温差和最大干缩、温缩应变的研究表明，加入聚丙烯纤维可明显减小二灰(石灰、粉煤灰)稳定风积沙的干缩裂缝[16]。单丝纤维具有强度高、耐腐蚀的特点，纤维掺入属于物理改性，可有效提高软粘土的压缩强度、抗剪强度、抗拉能力和承载力，使试样呈现较高的韧性[17-21]。

但在水泥固化风积沙的基础上继续掺加黏性土或聚丙烯纤维材料，并分析掺量对风积沙改性土的热膨胀特性的影响方面的研究鲜有报道。因此，本文以改性土中水泥和风积沙为基础，继续调整水泥掺量并掺加不同质量黏性土和不同质量聚丙烯纤维，对比分析水泥、黏性土和聚丙烯纤维不同配比下各外加剂掺量的改变对风积沙改性土热膨胀系数的影响，为高温差沙漠地区优化改性土在热胀冷缩下的温度稳定性提供试验依据。

1 实验

1.1 材料及配比

试验依托内蒙古科尔沁沙漠地区某工程路堤项目，考虑工程使用风积沙掺5%质量比的水泥固化改性后脆性路堤出现热胀冷缩温度裂缝，试验设计在此基础上分别添加延性较好的黏性土以及起到物理加筋锚固作用的聚丙烯纤维，风积沙、水泥、黏性土和聚丙烯纤维按质量掺比进行风积沙改性土配制，分别测试不同配比风积沙改性土的热膨胀系数，探索提高风积沙改性土温度稳定性的改性方法。

试验所用风积沙改性土材料如图1所示。风积沙取自依托项目料源地，除去杂质烘干后测得风积沙主要成分为石英，含有一定量的斜长石、钾长石和少量的伊利石、蒙脱石，风积沙的最大干密度为1.863 g/cm3，土粒比重2.685，不均匀系数Cu=2.1<5，曲率系数Cc=0.92<1，说明颗粒较均匀，属不良级配[22]。

图1 风积沙改性土材料
Fig.1 Materials of aeolian sand modified soil

黏性土取自依托项目段搅拌厂附近的黏性土砖场黏性土料源地，黏性土平均含水率为8.8%，塑性指数为10.19，液性指数为-0.59。试验所用的水泥型号为普通硅酸盐水泥，旋窑熟料，比表面积348 m2/kg，强度等级为42.5，初凝时间177 min，终凝时间209 min，标准稠度25.4%。所用的聚丙烯纤维物理力学参数如表1所示。

表1 聚丙烯纤维物理力学参数Table 1 Physical and mechanical parameters of polypropylene fiber

根据试验目的，研究黏性土和聚丙烯纤维不同掺入量对风积沙改性土膨胀系数的影响，分别设计了两组改性方案。方案一：风积沙+水泥+黏性土。研究水泥和黏性土的不同掺比对改性土热膨胀系数的影响。风积沙、水泥和黏性土不同改性配比组合，在水泥掺量为5%的情况下分别设计黏性土掺量为0%、5%、10%，在黏性土掺量为10%的情况下分别设计水泥掺量为3%、5%、6%、8%，如表2所示。

表2 方案一风积沙、水泥和黏性土不同改性配比组合Table 2 Different modification ratios of aeolian sand, cement and clayey soil in scheme No.1

方案二：风积沙+水泥+聚丙烯纤维。研究水泥和聚丙烯纤维的不同掺比对改性土热膨胀系数的影响。风积沙、水泥和聚丙烯纤维的配比组合，设计了4×4的交叉试验，水泥的含量分别为3%、5%、7%、9%，纤维的含量分别为0%、0.1%、0.2%、0.4%，如表3所示。最终选取测试样品数均为1个。

表3 方案二风积沙、水泥和聚丙烯纤维不同改性配比组合Table 3 Different modification ratios of aeolian sand, cement and polypropylene fiber in scheme No.2

试验样品根据试验仪器要求，所有配比的改性土均制作成尺寸为 10 mm×10 mm×50 mm的试样，试样均在含水率为10%的条件下配制，通过应力控制压实法控制含黏性土试样的压实度为90%，含聚丙烯纤维试样的压实度75%，并在养护箱中养护7 d，养护条件为温度(20±2) ℃，相对湿度90%，养护完成后开展改性土试件的热膨胀系数试验，改性土试样如图2所示。

图2 风积沙改性土试验试样
Fig.2 Test samples of aeolian sand modified soil

1.2 试验设备及原理

热膨胀系数是衡量物体温度变形性能的参数，其物理意义为等压条件下单位温度变化所导致的长度量值的变化。热膨胀系数有线膨胀系数、面膨胀系数和体膨胀系数之分[23]。对于可看做一维物体的各向均匀的风积沙改性土线性路堤，裂缝产生方向垂直于路堤方向表明路堤主要产生长度方向的伸缩变化，这时改性土试样的热膨胀系数可简化定义为：单位温度改变下长度的增加量与的原长度的比值，即线膨胀系数。线膨胀系数分为某一温度点的线膨胀系数和某一温度区间的线膨胀系数，后者称为平均线膨胀系数，是指单位长度的材料在某一温度区间，每升高一度温度的平均伸长量[24]。平均线膨胀系数用符号α表示，计算公式如式(1)所示。

(1)

式中，L2和L1分别为温度为t2和t1时对应的试样长度，L0为试样的原始长度，长度单位均为μm，α单位为10-6/℃。

热膨胀系数测试采用的是湘潭市仪器仪表有限公司制造的ZRPY-1000，该仪器适用于测定在高温状态金属、陶瓷、玻璃、耐火材料及其他非金属材料在受热过程中的膨胀和收缩性能。ZRPY-1000热膨胀系数测定仪由传感器装置、电阻炉、小车、基座电器控制柜组成，其测量方法属于顶杆式间接法，原理是电炉升温后，炉膛内的试样发生膨胀，顶在试样端部的测试杆产生与之等量的位移量，并被电感位移计精确地量测，并由此转化为线膨胀系数。电阻炉由微电脑控温，控温精度可达到±0.1 ℃，位移传感器测量精度0.5 μm。测试过程如图3所示。

图3 风积沙改性土试样膨胀系数测试
Fig.3 Test of thermal expansion coefficient of aeolian sand modified soil

2 结果与讨论

改性土热膨胀系数室内测试的温度范围分别为，方案一风积沙、水泥和黏性土不同配比改性土试样在室温至60 ℃情况下的平均线膨胀系数测试，方案二风积沙、水泥和聚丙烯纤维不同配比改性土试样在室温至80 ℃情况下的平均线膨胀系数测试。温度上下限的取值主要考虑满足两个原则：一是试验设备仪器支持开展相应温度范围的测试，二是室内测试温度上限须比研究区工程现场风积沙改性土承受的实际最高温度略高且范围合理。本次测试使用的热膨胀系数测试仪器主要功能为相关材料的正温热膨胀测试，其测试最低温度为室温。其次，内蒙古科尔沁研究区的历年极端最高气温为38.2 ℃，测试温度上限取值为60 ℃或80 ℃均已高出研究区历年极端最高气温38.2 ℃，温度上限取值满足研究区实际温度上限的研究需求。以下对比分析所选取的数据来自相同温度段(室温至60 ℃)下的测试结果。

2.1 水泥、黏性土掺量变化对风积沙改性土试样的线膨胀系数的影响

试验仪器测试风积沙、水泥和黏性土不同配比改性土试样在室温至60 ℃情况下的平均线膨胀系数，软件记录了样品条在测试温度范围内某温度的变形量并根据初始长度计算出样品的线膨胀系数。如表4所示为风积沙改性土编号F2的其中一个样品F2-1的线膨胀系数测试过程记录表。

取样品在不同温度时对应的线膨胀系数之和的平均作为衡量不同配比样品的平均线膨胀系数，如为多个测试样品则再求多个样品的平均值。方案一风积沙、水泥和黏性土不同配比改性土的平均线膨胀系数测试结果汇总如表5所示。

表4 风积沙改性土编号F2-1热膨胀系数测试数据表Table 4 Thermal expansion test result of aeolian sand modified soil No.F2-1

表5 方案一改性土的平均线膨胀系数试验结果Table 5 Average coefficient of linear expansion of modified soil of scheme No.1

根据风积沙、水泥和黏性土不同配比改性土的平均线膨胀系数试验结果绘制改性土线膨胀系数随水泥掺量、黏性土掺量改变的变化曲线如图4和图5所示。

图4 水泥掺量改变对改性土线膨胀系数的影响
Fig.4 Effect of cement content on the coefficient of linear expansion of modified soil

图5 黏性土掺量改变对改性土线膨胀系数的影响
Fig.5 Effect of clayey soil content on the coefficient of linear expansion of modified soil

线膨胀系数表征材料的尺寸热稳定性，数值越小，材料的尺寸热稳定性越高。由图4可知，当黏性土掺量为10%时，随着水泥掺量的增加，风积沙改性土的平均线膨胀系数总体呈现增大趋势，因为单一材料纯石英砂的热膨胀系数极低，仅为5.5×10-7/℃[25]，而单一材料水泥石热膨胀系数是(12～20)×10-6/℃[26]，约为风积沙的30倍，水泥掺入量的增大对改性土的热膨胀系数影响显著。水泥的掺入，有助于固化和改性天然松散的风积沙，使得风积沙改性土强度可满足工程需求，但同时也导致了改性土的热膨胀系数相比天然风积沙显著增大，改性土材料尺寸的热稳定性有所降低。我们注意到，当风积沙改性土中水泥的掺量为6%时，改性土的平均线膨胀系数有所降低，这可能是随着水泥颗粒添加至6%时，水化反应形成聚合体的过程中会造成颗粒的重新分布，使试样的内部产生微空隙，颗粒受热膨胀产生的应力不能及时传递扩散，使热膨胀系数减小；而当水泥含量达到一定程度时(超过6%)，这种反应会使结构更加密实，热膨胀系数显著增大[27]。因此，现行的风积沙掺水泥进行固化改性其水泥掺量为5%，在此基础上将水泥掺量提高至6%可相对改善改性土的热稳定性。

由图5可知，当水泥掺量为5%时，随着黏性土掺量的增加，风积沙改性土的平均线膨胀系数呈现增大趋势，因为单一材料黏性土的热膨胀系数是(3～12)×10-6/℃[28]，约为风积沙的10倍。水泥固化风积沙形成改性土表现出较大的脆性特性，而黏性土是一种延性较好的材料，若改性土中继续掺入延性较好的黏性土可在一定程度上降低改性土的脆性，也即添加黏性土的改性土在发生破坏前可以产生较大的变形。但随着黏性土掺入量的不断增加，风积沙改性土的尺寸热敏感性随之增大，在温度升高或降低过程中更容易出现体积的增大或缩小。

2.2 水泥、聚丙烯纤维掺量变化对风积沙改性土试样的线膨胀系数的影响

选取方案二风积沙、水泥和聚丙烯纤维不同配比改性土在室温至60 ℃情况下的平均线膨胀系数测试结果汇总如表6所示。

表6 方案二改性土的平均线膨胀系数试验结果Table 6 Average coefficient of linear expansion of modified soil of scheme No.2

根据风积沙、水泥和聚丙烯纤维不同配比改性土的平均线膨胀系数试验结果绘制改性土线膨胀系数随水泥掺量、聚丙烯纤维掺量改变的变化曲线如图6和图7所示。

图6 水泥掺量改变对改性土线膨胀系数的影响
Fig.6 Effect of cement content on the coefficient of linear expansion of modified soil

图7 聚丙烯纤维掺量改变对改性土线膨胀系数的影响
Fig.7 Effect of polypropylene fiber content on the coefficient of linear expansion of modified soil

由图6可知，当聚丙烯纤维掺量固定时，随着水泥掺量的增加，风积沙改性土的平均线膨胀系数呈现增大趋势，方案二(风积沙+水泥+聚丙烯纤维)中水泥对改性土热膨胀系数的影响与方案一(风积沙+水泥+黏性土)类似，整体上水泥掺量的增加都会导致改性土的热膨胀系数增大。但对比纤维掺入量为0.1%、0.2%和0.4%的改性土线膨胀系数增长拟合线可知，随着聚丙烯纤维掺入量的提高，改性土的线膨胀系数增速放缓，是因为聚丙烯纤维发挥了加筋约束作用。

由图7可知，当水泥掺量固定时，随着聚丙烯纤维掺量的增加，风积沙改性土的平均线膨胀系数呈现明显的减小趋势。在改性土中添加聚丙烯纤维，属于物理改性，高强度的纤维在改性土中起到了加筋的作用，当纤维上有水泥胶结形成时，纤维与水泥胶结体在改性土中发挥了类似带肋钢筋的锚固作用，即使改性土有发生较大的膨胀趋势，也难以克服纤维的加筋和锚固力，因此聚丙烯纤维的掺入很显著地阻碍了风积沙改性土的受热膨胀，使得改性土的平均线膨胀系数明显减小。