矿粉土壤固化剂改良高原红粘土试验研究

王奕博， 唐正光， 杨玉龙

(昆明理工大学 建筑工程学院， 云南 昆明 650500)

0 引 言

天然土体成分与结构复杂多变， 为了满足生产生活的需求， 人们从很早开始就借助外掺植物纤维、 姜石、 石灰等来改善土体的性能， 获得较好的强度和稳定性[1]. 随着生产生活需求不断扩大， 水泥被发明并作为固化剂来加固土壤， 取得很好的效果. 但是现有研究表明[2-5]， 部分石灰、 水泥等传统固化剂对土壤加固存在无效果、 开裂、 收缩、 污染等情况， 专家学者着手于新型土壤固化剂的研究以更好地提升土体性能.

土壤固化剂(ISS)是指， 加入土壤中， 通过与无机结合料、 土壤和水的物理和(或)化学反应， 改善土壤工程性能的试剂[6]. 目前， 土壤固化剂研究多使用工业废渣为主要原料， 如废石膏、 矿粉、 钢渣、 粉煤灰等以达到节能减排和降低造价的目的， 也有部分使用新型化学原料来获得更优的固化效果[6-11]. 近年来国家投资基础设施建设， 建设规模扩大， 资源短缺、 筑路材料匮乏且价格上涨的问题已经越来越明显， 部分地区严重缺乏水泥、 碎石等筑路材料， 需从外地购入[12]. 土壤固化剂固化土体， 可改良原来工程性质不好的土体， 减少不良地基的换填， 固化土有良好的强度、 耐久性、 抗渗性， 同时因其充分利用废渣和废土， 因此具有较好的工程经济性和良好的发展前景[13-15].

不同地区的土体性质不完全相同， 随着土质的变化， 土体固化的效果会产生明显的差异[16]. 本文研究的土壤固化剂以矿粉为主原料， 辅以水泥、 石膏和碱性化学激发剂， 考虑废物利用并用于公路工程， 对较差性质的红粘土进行强度和渗透改良， 或者改善红粘土软土路基， 提高红粘土的工程适用性. 红粘土具有高液限、 高塑性指数、 保水性好、 裂隙发育等特性， 连续降雨易成软土而易被冲蚀， 从而易发生滑坡塌陷等地质灾害[17]. 本文研究通过室内试验对不同含水率的云南典型高原红粘土掺入不同量固化剂， 探究固化剂对红粘土抗压强度的影响. 进行渗透试验和流变试验， 探究固化剂对红粘土渗透和流变的改善效果， 研究此类固化剂加固红粘土的土工性能， 为进一步的工程应用研究提供参考.

1 试 验

1.1 原材料

1) 固化剂

固化剂为矿粉、 石膏、 水泥、 碱性化学激发剂混合而成的粉末状固体， 制配质量比， 矿粉： 石膏： 水泥： 激发剂=6∶2∶1.5∶0.5. 矿粉： 白色粉末状， 主要化学成分为SiO2、 Al2O3、 CaO、 MgO等； 石膏： 白色粉末， 主要成分为CaSO4； 普通硅酸盐水泥P.O 42.5： 深灰色粉末， 主要化学成分为硅酸三钙、 硅酸二钙、 铝酸三钙、 铁铝酸四钙； 化学激发剂由NaOH、 NaSO4、 Na2SiO3等3种固体试剂按1∶1∶1混合而成， 以保证固化土处在适于水化物生成的碱性环境[18].

2) 红粘土

红粘土取自昆明某公路边坡滑塌的土体， 配合此次试验使用原土过2 mm筛， 把掺入0%(素土)， 10%， 20%固化剂的土样分别命名为土样1， 2， 3， 进行颗粒筛分、 粒度仪分析及基本物理参数测定， 结果见表 1， 图 1 和表 2.

图 1 75 μm以下土的粒径分布Fig.1 Particle size distribution of soils below 75 μm

表 1 土样粒径分布

表 2 土样的物理性质

1.2 工况与试验方法

1) 工况确定

将不同含水率的红粘土制成土样1， 2， 3， 试验测定无侧限抗压强度. 选择土的含水率40%时制渗透试样， 根据液性指数可得出此时土样处于可塑状态， 渗透样成型效果好. 对无侧限抗压强度破坏的试件进行流变分析.

2) 土的物理性质参数确定

采用液塑限联合测定仪测定1， 2， 3三种土样的液塑限. 通过击实试验测定最大干密度与最优含水率[19].

3) 制样

取土制备试件前测得风干含水率为ω0. 把固化剂看做是不含水的干粒料， 固化剂掺量按照干土质量比， 即掺a%的固化剂， 固化剂质量： 土粒质量=a%， 风干土制样加固化剂量按式(1)确定， 制样加水量按式(2)确定. 制样时保证土样含水率均匀.

(1)

mw=[(1+0.01×a]×0.01×ω-0.01×

(2)

式中：ma为固化剂掺量， g；m0为风干土质量， g；ω0为风干土含水率， %；mw为水的掺量， g；ω为制件含水率， %；a为制样时所需固化剂掺量， %.

无侧限抗压强度试验制样， 参考相关规范[20]， 采用静力压实， 制成直径*高=50 mm*50 mm的标准圆柱形试件， 每个工况试件为6个. 根据最大干密度曲线， 估算该含水率下能达到的最大干密度， 根据式(3)计算质量， 试件制成后天然状态静置养护14 d， 进行抗压试验.

渗透试验制样， 参考相关规范[19]， 制成直径61.8 mm， 高40 mm的环刀形试件， 选择含水率为40%， 采用手动加锤击分三层压实， 控制压实度与无侧限抗压强度时相同， 按式(3)确定每个样的质量， 成型后天然静置14 d， 进行变水头渗透试验.

m1=ρd×(1+0.01ω)×V,

(3)

式中：m1为试件的质量， g；ρd为预估该含水率下能达到的最大干密度， g/cm3；ω为试件的含水率， %；V为体积， cm3.

4) 强度、 渗透、 流变试验

使用DDL10万能试验机， 控制加载速率为 1 mm/min， 对圆柱体试件进行无侧限抗压强度试验， 得到试件破坏时的纵向压力F和轴向位移S， 通过式(4)～式(6)计算得到试件的抗压强度.

(4)

(5)

(6)

式中：ε1为轴向应变；h0为试件高度， mm;s为轴向位移， mm;Aa为试件的校正面积， mm2;A0为试件制样时的面积， mm2;σ为轴向应力， MPa;F为轴向受力， N.

对土样在20 ℃进行变水头渗透试验， 使用式(7) 计算渗透系数， 每个工况重复试验5～6次取渗透系数平均值， 以消除误差.

(7)

式中：kT为水温为T℃温度下试样的渗透系数；a为变水头断面积， cm2；A为试样的断面积， cm2； 2.3为ln和log的变换因数；L为渗径， 即试样高度， cm；t1,t2分别为测读水头的起始和终止时间， s;H1,H2为起始和终止水头.

使用Anton paar TEKM 90/CF流变仪对做过无侧限抗压强度破坏的试件进行流变分析. 先把破坏试件按照土样1、 土样2、 土样3调成流动状态， 控制三种流体密度相同， 放入流变仪， 通过剪切速率的增大， 使流变仪搅拌桨叶所受力矩增大， 根据流体抵抗外力的能力， 得出剪切速率和剪切应力关系的数据. 使用origin软件， 对数据进行Bingham模型公式拟合， 得出试件的屈服应力和粘滞系数.

2 试验结果及分析

2.1 固化剂对土样物理性质的影响

表 1 显示， 土样1， 2， 3黏粒(粒径≤0.002 mm)含量逐渐增多， 粉粒(粒径0.075～0.002 mm范围)含量大幅递增. 使用LS13320粒度仪分析， 结果如图 1 所示， 在掺入固化剂后， 75 μm下各个粒径土样的成分含量均有增加. 小于75 μm土透水性很小， 湿时有黏性、 可塑性， 遇水膨胀， 干时收缩显著[21-22]. 因为固化剂中颗粒粒径小， 在加入固化剂后， 黏粒填补了大粒径土粒的孔隙， 填补以后再发生反应生成水化胶凝物质， 很好地加大了土的强度和不透水性.

土样1， 2， 3液塑限递减， 塑性指数递减. 红粘土液限高， 属高液限土， 作为路基填料时， 收缩开裂比较严重， 而经过固化剂改良降低了其液塑限， 也就能很好地改善其作为路基填料时的收缩开裂. 参考规范[21]， 在特殊土塑性图中， 土样1， 2的IP<0.73(ωL-20)在A线以下， 均表现为红粘土， 但靠近A线接近于CHE区， 这两种土样表现出一定的膨胀性. 土样3远离CHE区， 表现出较弱的膨胀性， 该理论分析结果也与实际试验表现出的情况相吻合， 说明加入此类固化剂能有效改善土的膨胀性.

土样1， 2， 3， 最大干密度递增， 最优含水率递减. 土样土的干密度越大， 土壤越密实， 结果表明， 添加固化剂后同等施工情况下， 土体可以获得更好的密实度， 可以增加稳定性和承载力.

图 2 特殊土塑性图Fig.2 Plasticity chart of special soil

2.2 固化剂对不同含水率红粘土抗压强度的影响

通过表 3 和图 3 可知：

1) 试验抗压强度最大值为土样2在最优含水率下的6.52 MPa， 此含水率下， 土样1和土样3的强度也达到了最大值3.25 MPa和6.14 MPa， 固化剂达到了最优的固化效果， 强度增大为素土强度的两倍. 最小值为土样1在含水率40%下的0.94 MPa， 土样2在含水率50%下仅达到0.62 MPa， 土样3在含水率70%下为0.72 MPa， 掺入固化剂反而使得红粘土抗压强度变小.

2) 总体趋势， 土的抗压强度随含水率的增大而下降， 含水率30%以上土的强度快速降低， 在含水率40%及以上强度达到较低值且各试样强度差距不大. 固化剂不一定能对土的抗压强度有增大作用， 含水率小于等于40%， 掺入固化剂对红粘土的抗压强度均有增强， 含水率大于40%， 加入固化剂后土的强度要比素土小， 固化剂减弱了土的抗压强度.

表 3 无侧限抗压强度实测数据

图 3 土样无侧限抗压强度与含水率关系曲线Fig.3 Relationship between unconfined compressive strength and moisture content of soil samples

3) 土样1， 2， 3在含水率10%制件时， 因为土样水分不够， 固化剂与红粘土的水化反应少量发生或未发生， 有无固化剂在此时对红粘土强度影响不大. 含水率40%以上， 红粘土强度大幅度降低， 因高含水率土呈流塑状态， 成型过程失水产生严重收缩且制件时压实度不够. 含水率40%以上， 固化剂对红粘土的加固效果不明显， 甚至降低了红粘土的强度. 这是因为高含水率粘性土天然状态会失水固结， 超孔隙水压力消散， 土中有效应力增大， 土体强度增大， 固结后会导致土体结构和性质都发生改变[23-24]， 但是在加了固化剂后， 固化剂反应生成的水化胶凝物质没有和土形成良好的结构， 或是固化剂没发生反应留在土体内部， 阻碍了黏土的固结， 破坏其黏土固结能形成的良好结构， 因而强度降低.

2.3 固化剂对红粘土抗渗的影响

土样1， 2， 3的渗透系数分别为1.08×10-5， 1.26×10-6， 5.30×10-7， 掺入的固化剂对红粘土的抗渗性起了充分的作用， 土样1， 2， 3分别相差一个数量级.

试验结果表明： 掺入固化剂对红粘土的强度和抗渗性质都有一定的改良， 且随固化剂的增多效果变好， 固化剂粒度很小， 在物理层次上填补了土体单元的孔隙， 再经过压实， 形成致密的结构体， 密实性也增大. 化学层次， 固化剂在一定时间后发生水化反应， 产生水化胶凝物质， 离子间反应产生新键， 使得土体变得憎水. 在加入固化剂后， 物理化学反应均使得土体结构发生了改变， 从而固化土强度和抗渗都发生了明显的增强.

表 4 实测平均渗透系数表

2.4 固化剂对土样流变性能的影响

为研究红粘土的流变性能受固化剂的影响规律， 使用Anton paar TEKM 90/CF流变仪对每个土样在相同密度下进行2次分析， 将其值做线性拟合， 结果见图 4 和表 5.

图 4 流变分析Fig.4 Rheological analysis

表 5 流变拟合数据

拟合后其屈服应力和黏度如表 5 所示， 相比较素土， 加固化剂后红粘土的流变特性明显改善. 表现为素土时屈服应力为7.446 Pa和12.041 Pa， 黏度为299.84 mPa·s和164.63 mPa·s， 在掺入10%固化剂时土的屈服应力为13.810 Pa和17.842 Pa， 黏度为 279.91 mPa·s 和161.68 mPa·s， 掺入20%固化剂时土的屈服应力为 20.488Pa 和 22.310 Pa， 黏度为360.06 mPa·s 和325.76 mPa·s. 土样屈服应力和黏度有明显改善， 表明流体发生流动和变形的临界值都有明显提高.

通过流变分析数据可以看出： 1) 随着剪切速率的增大， 土样1剪切应力逐渐变小， 散点呈下降趋势， 出现剪切变稀现象， 在速率达到25 s-1时， 因表层土颗粒的沉降对剪切的阻力变大， 呈缓慢上升趋势. 增加固化剂后土样2和土样3随着剪切速率的增大， 剪切应力逐渐变大， 散点呈上升趋势. 剪切速率增大剪切应力不增大， 表示抵抗破坏特性对外力的变化敏感度低， 加入固化剂对承受外力的能力有增大作用. 2) 在同等剪切速率下， 加固化剂的土样比素土样的剪切应力大， 表示其在流体下， 达到同等的流动速度， 需要更大的应力推动， 即需要更多的能量才能使流体发生滑移变形. 加入固化剂后对红粘土的稳定性有明显的改善作用.

矿粉土壤固化剂应用于红粘土的公路工程中， 在强降雨使红粘土呈流动状态的情况下， 能提高红粘土抵抗流变的效果， 可以有效抵抗滑坡和泥石流的发生.

3 结 论

1) 固化土比素红粘土有更优的工程特性， 在最优含水率下红粘土可以达到最大抗压强度 3.25 MPa， 掺入10%固化剂能达到6.52 MPa的抗压强度峰值， 强度增大一倍； 素红粘土的渗透系数为1.08×10-5， 掺入20%固化剂后达到5.30×10-7， 提升了两个量级； 素红粘土的流变屈服应力仅为7.446 Pa， 而掺入20%固化剂后能达到22.310 Pa， 增加两倍， 矿粉固化剂能对红粘土的强度、 抗渗和流变有一定的改善.

2) 掺入矿粉固化剂后能在红粘土内部发生一系列反应， 增加红粘土的密实度， 改善其膨胀、 高液限开裂的不利性质.

3) 作为工业废料的矿粉可作为绿色环保固化剂与红粘土一起使用， 利于环境保护和降低成本， 对红粘土性质有一定的改良， 推荐采用10%掺量， 不同工程和养护条件中可根据试验确定不同掺量， 可以为进一步的软土工程和公路路基工程研究提供参考.