海泡石纤维固化盐渍土的强度试验研究

2021-04-12余湘娟

公路工程 2021年1期

朱燕，余湘娟，高磊

(1.河海大学岩土工程研究所，江苏南京 210098； 2.南通职业大学建筑工程学院，江苏南通 226007)

1 概述

沿海盐渍土为细颗粒的特殊土，易溶盐含量大于0.3%，其中氯化钠占绝大部分，具有强烈的盐胀、溶陷和腐蚀等工程特性。氯盐易于吸水，致使土体软化，而沿海地区的高地下水位和细颗粒土的强烈毛细性，容易引起固化盐渍土的吸水软化。传统的盐渍土固化处理的方法一般以石灰、水泥和二灰等为主[1-3]，施工便利、价格低廉，适用范围广。但这些材料固化的盐渍土早期强度低、易开裂，不能用于高等级公路的路堤填筑。近些年来，学者们对高分子材料固化盐渍土进行了系统研究[4-6]，但其经济性和环保性还有待论证。本文选取天然矿物海泡石纤维作为固化材料，采用室内人工配置氯盐渍土，对海泡石纤维固化盐渍土的力学特性及固化机理进行了试验研究及初步探讨。

2 试验概况

2.1 试验用土

试验用土取自南通地区用土，取土深度为地下2 m，该土层的物理指标如下：土样编号为1，比重2.63，液限22.3%，塑限10.4%,塑性指数11.9，最大干密度1.57g/cm3,最佳含水率18.2%,2～0.075 mm颗粒3.56%,0.075～0.005 mm颗粒73.71%,<0.005 mm颗粒22.73%，属于非盐渍土。

2.2 固化材料及固化方案

本次试验选用海泡石纤维固化盐渍土，海泡石纤维是市售(河北泓耀矿产品加工有限公司)的普通海泡石，化学式为 Mg8Si12O30(OH)4(OH2)4·8H2O，是一种层链状的硅酸盐矿物，外观为灰白色絮状物，比重2～2.3，容重1.2～1.5 t /m3，硬度2～2.5，熔点1650℃，粘度30～40s。具有较好的抗盐性、吸附性、流变性、离子交换性和催化特性等。海泡石纤维的主要化学成分如下：64.12%SiO2,18.29%MgO,1.02%CaO,1.98%Al2O3，3.26%Fe2O3。固化方案见表1。

2.3 试验方法

试验主要采用人工配制氯盐渍土。依据表1中最优含水率和最大干密度，首先将海泡石纤维按照上述掺量加入人工配置的盐渍土中，再称取适量水加入盐渍土中搅拌均匀。采用静压法制备试样，试样制备方法按《土工试验方法标准》(GB/T 50123-1999)进行，成型尺寸为直径39.1mm，高度80mm，每组3个平行试样。将制备好的试样放入标准养护箱(温度25℃，湿度95%)中养护到规定龄期。本次试验选用无侧限抗压强度作为评价指标，试验仪器是南京宁曦土壤仪器有限公司生产的YYW-2型应变控制式无侧限抗压强度仪，抗压强度仪升降板的速率为2.4mm/min。

表1 盐渍土固化方案Table 1 Solidified scheme of saline soil试样编号海泡石纤维掺量/%最大干密度/(g·cm-3)最佳含水率/%无侧限抗压强度/MPa0 d7 d14 d21 d28 dO0.01.6521.40.400.700.720.830.94B10.21.7318.30.410.770.851.061.08B20.41.7418.40.500.911.101.191.29B30.61.7318.40.510.971.271.301.43B40.81.7418.50.491.071.311.411.57B51.01.7518.60.501.141.361.511.64B61.21.8618.10.511.531.591.751.92 注: 固化材料掺量=固化材料质量/干土质量。

3 试验结果及分析

3.1 固化材料掺量对强度的影响

按照表1中盐渍土的固化方案，制备含盐量为3%的中盐渍土，分别标准养护0、7、14、21和28 d，测试不同固化盐渍土样的无侧限抗压强度，试验结果如表1和图1所示。

图1 固化材料掺量对强度的影响

从图1可以看出，固化盐渍土的无侧限抗压强度随着海泡石纤维掺量的增加而显著增加。当海泡石纤维掺量在1.0%以内时，固化盐渍土的无侧限抗压强度增长速度较为平稳，龄期为7、14、21和28 d的平均增幅为10.22%、13.80%、12.90%和11.76%；而当海泡石纤维掺量为1.2%时，增长的速度突增，7 d增幅达到了200%；龄期为7、14、21和28 d时，1.2%海泡石纤维固化盐渍土的无侧限抗压强度分别达到了1.53、1.59、1.75和1.92 MPa，比素盐渍土的无侧限抗压强度分别增加了118%、121%、111%和104%。这说明海泡石纤维的加入可有效提高盐渍土的无侧限抗压强度，且掺量为1.2%海泡石纤维固化盐渍土效果明显。

选取具有代表性的养护龄期7 d、含盐量为3%的海泡石纤维固化盐渍土试样的应力应变曲线，如图2所示。从曲线中可以看出，海泡石纤维的掺入可显著提高盐渍土的无侧限抗压强度，且海泡石纤维掺量为1.2%时获得最大轴向应力1530kPa。海泡石纤维掺量为0.2%～1.2%的最大轴向应力比素盐渍土分别增加了70、210、270、370、440和830kPa。根据ASTM d4609-08标准[7]，有效固化稳定的标准是轴向应力增量最低为345kPa，故海泡石纤维掺量为0.8%～1.2%的固化方案均符合这一标准，可作为有效固化方案。

图2 不同试样的应力 — 应变曲线

3.2 养护龄期对强度的影响

按照表1中盐渍土的固化方案，制备含盐量为3%的中盐渍土，标准养护0、7、14、21和28 d，测试不同龄期不同土样的无侧限抗压强度，试验结果如表1和图3所示。

图3 养护龄期对强度的影响

从图3可以看出，海泡石纤维固化盐渍土的无侧限抗压强度随着养护龄期的增长而增大，素盐渍土的强度变化也有类似的规律，且没有经过养护的固化盐渍土样与素盐渍土样在强度上几乎相等。6种固化盐渍土样在0～28 d内强度分别增加了163.41%、158.00%、180.39%、220.41%、228.00%和276.47%，分别达到了1.08、1.29、1.43、1.57、1.64和1.92 MPa，这说明所有固化盐渍土样的强度经过养护后都显著提高，且提高的幅度随着海泡石纤维掺量的增加而增大。

3.3 含盐量变化对强度的影响

根据盐渍土按含盐量的分类，配置含盐量为0%的非盐渍土、0.4%的弱盐渍土、3%的中盐渍土、6%的强盐渍土和9%的超盐渍土，并按照表1中的固化方案分别制备不同含盐量的固化盐渍土样，标准养护7 d，测试不同含盐量固化盐渍土的无侧限抗压强度，试验结果如图4所示。

图4 含盐量变化对强度的影响

从图4中可以看出，海泡石纤维固化盐渍土的无侧限抗压强度随着含盐量的增加而减小。当土中含盐量在0.4%以内时，盐份对固化土的强度影响较小，6种固化盐渍土的强度分别只降低了9.94%、6.15%、7.96%、11.57%、10.13%和4.07%。而当土中含盐量超过0.4%时，固化盐渍土的强度随土中含盐量的增加而迅速降低，达到3%以后，强度降幅变缓。其中，当土中含盐量从0.4%到3%之间，6种固化盐渍土的强度降幅最为明显，分别达到了52.76%、50.27%、47.58%、43.98%、46.48%和45.94%，强度几乎降低了一半，而且素盐渍土的强度降幅也达到了38.05%。这说明土中盐份含量对固化盐渍土强度的影响较大，虽海泡石纤维具有抗盐性，能够抵抗盐类腐蚀，但当土体中含盐量过大时，亦会降低固化土体的强度，故道路基层施工时应随时抽检土中含盐量，确保施工质量。

3.4 含水率变化对强度的影响

按照表1中的固化方案，分别制备含水率为15.6%、16.9%、18.2%、19.5%、20.8%和22.1%、含盐量为3%的中盐渍土的土样，标准养护7 d，测试不同含水率固化盐渍土的无侧限抗压强度，试验结果如图5所示。

图5 含水率变化对强度的影响

从图5中可以看出，海泡石纤维固化盐渍土的无侧限抗压强度随着含水率的增大先增加后减少。当含水率由15.6%逐渐增大后，固化盐渍土的强度也随之提高，当含水率达到18.2%～19.5%时，固化盐渍土的强度达到最大值。当含水率超过19.5%以后，固化盐渍土的强度随着含水率的增加而呈现下降的趋势。在最佳含水率18.2%处，6种固化盐渍土的抗压强度分别为0.77、0.91、0.97、1.07、1.34和1.53 MPa，是最大值的98.59%、83.70%、80.53%、80.17%、96.40%和98.04%，这说明海泡石纤维固化盐渍土在最佳含水率时，其无侧限抗压强度不一定是最大，对于海泡石纤维固化盐渍土而言，其含水率在最佳含水率的0%～5%范围内时，强度达到最大值。由此可知，道路基层施工时，海泡石纤维固化盐渍土的含水率应控制在略高于最佳含水率5%范围内，可获得较高的强度。

4 固化机理试验研究

根据表1中O和B6固化方案，制备含盐量为3%的无侧限抗压强度圆柱试件，标准养护7 d。对未改良的盐渍土及海泡石纤维固化后的盐渍土进行微观电镜扫描，获得SEM照片，放大倍数为×3000。试验结果如图6所示。

图6 扫描电镜图

对比观察图6中(a)和(b)可知，未经改良的盐渍土呈现分散的、不连续的孔隙结构，孔洞数量多、体积大。而经海泡石纤维改良后的盐渍土，孔隙中充填细小纤维物质，使得土体中主要矿物成分平均晶粒尺寸均有不同程度的减小，降低了土体的孔隙率，孔隙结构更为密实，且海泡石纤维缠绕、包裹土体颗粒，起到增强加筋的作用，提高土样的强度。

海泡石纤维具有微孔结构，吸水性较强，通过水解反应、质子化反应和静电引力作用，使土体吸附层减薄，致使盐渍土颗粒发生聚结。微小的海泡石纤维分支较多，纤维相互缠绕，且表面粗糙不平，粗细不均，纤维端部有明显的突起，似“触角”状，有利于相互搭接，在土体当中以三维网络结构均匀分布，包裹、连接颗粒，有效地填充土体中的微小孔隙，使土体结构变得致密，从而促使土体干密度增大，同样可以提高土体强度[8]。当土体受到外部荷载作用发生变形时，弯曲缠绕在土颗粒间的海泡石纤维也发生拉伸变形，同时提供拉力。由海泡石纤维提供的拉力可以部分抵消外荷载，起到“加筋”的作用，从而提高土体强度。