水泥-硅粉改性膨胀土的性能研究

马 露，徐晓阳

(安徽科技学院 建筑学院，安徽 蚌埠 233100)

膨胀土中含有大量亲水性黏土矿物，具有显著的吸水膨胀和失水收缩的工程特性〔1〕。自然条件下的膨胀土强度较高，压缩性较小，但对湿度变化较为敏感，尤其是在干湿循环作用下，变形大且不可逆，极易造成坝体滑坡、公路路面开裂和建筑物不均匀沉降等工程地质灾害，是一种特殊土。目前常用的处理方法有：置换法、夯实法、桩体加固法、土性改良法和保湿法等〔2〕。土性改良法因具有施工简便、对场地适应性强、经济节约等特点，在工程中得到了较为广泛的应用，学者也对其进行了诸多研究〔3-6〕。水泥和石灰是改性膨胀土常用的稳定剂，但在富含硫酸盐的土壤中会表现出体积不安定性，改良效果不佳，一些学者提出用火山灰材料来解决这个问题〔7〕。将这些火山灰材料作为稳定混合料掺入到土壤中，促进了工业废料的回收并减少了对水泥的需求，减少了水泥生产过程中对环境的污染。

由于硅粉中含有大量的二氧化硅，易与水泥水化的碱产物——氢氧化钙发生反应，从而在水化水泥颗粒周围的孔隙中产生大量的硅酸钙水合物。这种额外的硅酸钙水合物提供了一个更密集的基质，并提高了稳定土壤的强度。因此，在膨胀土的稳定处理中，硅粉可部分替代水泥，以提高水泥稳定剂的性能，学者对硅粉的稳定效果进行了一系列研究〔8-10〕。Ekrem Kalkan〔8〕研究了干湿循环对硅粉改性粘土膨胀行为的影响，发现硅粉对膨胀土样的吸水膨胀和失水收缩性质影响显著，并提出采用硅粉稳定膨胀土的建议；随后，Goodarzi等〔9〕对水泥硅粉改良膨胀土的抗压强度进行研究，发现增加10%水泥-硅粉并养护14天后，改性土的抗压强度增大了约3倍，并且显著改善原状土的体积安定性。这些成果为研究水泥-硅粉稳定膨胀土的力学行为奠定了坚实的基础，但水泥-硅粉配比与含量对膨胀土干缩特性的定量影响还需要进一步研究，且膨胀土在干燥过程中表现出特殊的工程力学特性〔12-14〕，为此，本文对原状和改性的膨胀土试样，研究了不同稳定剂含量对膨胀土样干缩特性的影响，根据试验数据提出干缩特性计算模型，进而对数据进一步分析。

1 试验材料及方案

1.1 试验材料

本文采用的试验材料主要为合肥地区采集的膨胀土、复合硅酸盐水泥(P.C. 32.5R)和硅粉。其中膨胀土物理性质指标如下：比重Gs=2.72，液限55.7%，塑限27.6%，塑性指数为28.1%，最大干密度1.62 g/cm3，最优含水率为21%，小于0.075 mm粒径的土重占比为99%，自由膨胀率70.21%。硅粉的物理性质指标如下：白色粉末，SiO2含量93%，PH为7.5，比重2.6，比表面积155 m2/g，热损失率5.5%，小于0.045 mm粒径的土重占比为99.5%。

1.2 试验方案

为研究水泥(C)和硅粉(SF)添加剂对非饱和膨胀土干缩特性的影响，对含有不同添加剂种类和含量的非饱和膨胀土试样开展试验，试验方案如表1所示。添加剂总量用A表示。根据水泥和硅粉的含量不同，试样分为10组，每组进行两次平行试验，共20个试样。

表1 试验方案

2 试验结果

文章首先对原状土、添加8%水泥和添加7.2%水泥+0.8%硅粉的改性土进行含水率和干密度的试验。结果显示，相比于原状土，当改性的膨胀土水泥含量为8%时，最大干密度和最优含水率均有显著增加；用少量硅粉代替部分水泥时，最大干密度和最优含水率均略微降低。分析原因为：(1)水泥的水化作用要消耗大量水分，所以含8%水泥后，最佳含水率升高了；(2)水泥在土颗粒间进行水化反应，消耗大量水并形成高浓度的Ca(OH)2溶液，晶体析出胶结在土颗粒间，土体得到加固且干密度增加；(3)当硅粉取代一部分水泥后，水泥水化耗水量降低，所以最佳含水率降低了，而比重较小的硅粉的增加，降低了干密度值。

2.1 模型提出及验证

试样的干缩特性可以在试样从高含水率状态变为干燥状态的过程中测得，在本试验中，游标卡尺用于测量试样在不同干燥阶段的体积变化。土壤的干缩曲线有不同的表达方式：含水率与土样体积变化的关系和孔隙比与水分比的关系，水分比为含水体积与颗粒体积之比。本文用孔隙比与体积含水率来描述原状土样和改良土的干缩特性。本文根据试验数据提出如下改性膨胀土干缩特性计算模型。

e=er(1+t(1+(w/λ)m)n)

(1)

式中：e为孔隙比；er为干缩后残余孔隙比；ω为体积含水率；t，λ，m，n为拟合参数。

图1 式(1)可行性验证

表2 试样干缩特性拟合参数

Thyagaraj 等〔15〕提出修正的Van Genuchten 公式，用以拟合土壤的干缩曲线，为验证本文拟合公式的合理性，取两组试验数据，分别利用修正Van Genuchten 公式和本文拟合公式进行拟合对比，如图1所示。由图可知，文章所提拟合公式与试验数据匹配程度优于修正Van Genuchten公式，因此文章所提拟合公式是可行的，现对文章试验数据进行拟合，所得拟合参数及相关性见表2所示。

2.2 结果分析

本次试验原状土及改性土的干缩试验数据及利用式(1)拟合曲线如图2所示。由图2可知，改性土与原状土的干缩曲线趋势基本一致，随着土样内含水率的降低，土颗粒之间会形成弯曲的液面，导致毛细水压力的产生，由于毛细水压力和表面张力使颗粒相互靠拢，导致孔隙体积的减小；随着试样的进一步干燥，空气开始大量进入试样内孔隙，含水率与孔隙体积的变化幅度不再一致。由此，干缩曲线的斜率会逐渐降低，在非常低的含水率情况下接近水平线。

(a)

(b)

(c)

为研究水泥含量对改性膨胀土干缩特性的影响，本次试验开展水泥含量分别为2%，4%，8%和12%的改性土干缩试验，如图2(a)所示。由试验数据可知，随着水泥添加剂含量的增加，改性土的总体干缩量显著降低。当水泥含量为12%时，改性土的总体干缩量为10.5%，而显著小于原状土的22.3%。分析原因为：(1)水泥颗粒进入膨胀土内，水化后的产物填充了孔隙，改变了原状土的孔隙尺寸和结构，土体更加密实，黏土矿物颗粒在毛细水压力和表面张力作用下的聚拢效应减弱，土样失水收缩效果受到抑制，导致改性土的干缩量显著降低；(2)水泥在膨胀土中发生水化反应，水化产物对土颗粒起到胶结作用，达到一定龄期后，水化产物与土颗粒形成稳定的、具有较高强度的团粒体，干燥过程中的变形显著减小。

为研究硅粉含量对膨胀土干缩特性的影响，采用水泥和硅粉混合剂作为稳定添加剂，并对改性膨胀土进行干缩试验，结果如图2(b)所示。随着硅粉含量的增加，试样的总干缩量略有降低，总体仍低于不含硅粉改性土的干缩量，当添加剂中含有20%硅粉时，改性效果最佳，试样的干缩量由14.1%降低到13%。试样干燥过程中，对孔隙比和含水率进行监测，试验结果表明基质吸力值和稳定剂含量对土样的干缩特性具有显著影响，分析原因为硅粉加入膨胀土中之后，填充了土颗粒间的孔隙，显著提高了土体的密实度，此外，硅粉与水泥水化后产物的结合，形成强度更高的硅酸钙水合物，降低土体干缩性，因此，随着硅粉含量的增加，土体密实度提高，而此时水泥含量的等质量降低，减小了水泥水化产物的胶结作用，土体的结构整体性降低，在两方面作用下，改性土总干缩量随硅粉含量的增加而逐渐降低，最后趋于稳定。

为研究水泥与硅粉按一定质量比(9∶1)配制的添加剂，对膨胀土的干缩性能影响，开展了两组对比试验，如图2(c)所示。显然，与原状土相比，经添加剂改性的膨胀土干缩性显著降低，但当总添加剂含量由8%增加至12%时，改性土的干缩性显著增强。分析其原因：水泥与硅粉在土颗粒间具有填充孔隙和水化胶结的作用，降低了膨胀土的干缩性，因此，当总添加剂含量进一步增大时，水泥和硅粉的含量等比例增加，对本试验8%总添加剂改性膨胀土而言，改性膨胀土的孔隙结构进一步优化，其干缩性表现出随添加剂含量的增加而增强的现象。

由上分析知随着水泥含量的增加，显著降低膨胀土的干缩性，因此文章给出水泥含量0～12%范围内，水泥含量与总收缩量的拟合曲线，如图3所示，相关系数达到0.9689的拟合公式如下：

y=24.014e-0.066x

(2)

由前文分析可知，硅粉的增加会提高膨胀土内孔隙的填充率，土体密实度得到提高，同时硅粉与水泥水化产物形成高强度的硅酸钙水合物，提高土体结构的整体性及抗收缩性。在总添加剂含量8%不变的情况下，改变硅粉-水泥质量比，发现随着硅粉含量的增加，土体的总收缩量减小，并有趋于稳定的趋势，整理数据如图4所示，给出的拟合函数，相关系数达到0.993 3，公式如下：

图3 水泥含量对总收缩量的影响

y=14.1-2.225x0.495

(3)

3 结论

(1)膨胀土中水泥含量增加，改变了土体中孔隙尺寸及结构，水化产物进一步影响土体结构及强度，对改性土最优含水率和最大干密度有显著影响，用硅粉代替部分水泥时，最大干密度和最优含水率会略微降低。

(2)水泥和硅粉含量的增加可显著影响膨胀土的干缩性，等质量的水泥和硅粉的影响效果不同。随着水泥含量增加，改性土的干缩性显著减小，拟合公式拟合度较高。总添加剂不变时，随着水泥质量减少，硅粉等质量增加后，干缩性略微增强。

(3)水泥与硅粉按9∶1质量比配制添加剂，当添加剂含量增加50%时，改性膨胀土的持水性和干缩性均有改善，从改性效果与经济角度考虑，总添加剂含量不宜超过12%。