纳米SiO2和石灰改良黄泛区粉土的力学特性研究*

张艳美 马 丁② 李国勋 毕舰心

(①中国石油大学储运与建筑工程学院，青岛 266580，中国) (②国网山东省电力公司，滨州 256610，中国)

0 引 言

粉土在我国分布广泛，实际工程中经常会面临将粉土作为路基填料问题，很多情况下若将粉土直接应用于路基，会引发一系列工程问题(Zhu et al.，2008)，因而需要对粉土进行改良，使其满足相应的工况要求才可使用。许多学者已对传统改良剂如水泥、石灰、粉煤灰等改良粉土进行了研究，发现传统改良剂可以与土体发生一系列物理化学作用，生成的胶结物质对土体的强度、刚度、耐久性等有着显著改良作用； 还有研究表明混合掺加传统改良剂(如同时掺加水泥与石灰，或水泥与粉煤灰等)可以进一步提高土体的强度(朱志铎等， 2004； Altun et al.，2009； Lemaire et al.，2013； 张艳军等， 2015； Mehenni et al.，2016； 何中江等， 2018)。但是传统改良剂在改良粉土的同时存在着改变土壤pH值、导致矿物质流失、破坏植被等一系列生态问题，不符合可持续发展的理念(张涛等， 2015； 彭丽云等， 2017)，因此寻求高效、环保、经济的粉土改良剂是十分必要的。

图 1 击实试验结果Fig. 1 Compaction test result

纳米材料的尺寸在1～100nm范围内，因而其在物理、化学性质等方面具有许多异于常规材料的特性，是现如今光电材料、环境和能源、生物医学、航天和航空、军事等领域的研究热点。目前纳米材料在土木工程领域特别是水泥基材料中已有较多应用，但是在岩土工程方面仍相对较少(陈学军等， 2017， 2018; Ghasabkolaei et al.，2017)。纳米材料种类繁多，其中纳米SiO2具有无污染、价格便宜、改良效果好等优点，是一种应用相对广泛的纳米材料，国内外学者也对其进行了许多研究。Li et al. (2015)研究发现纳米SiO2和纳米石灰石可以提高超高性能混凝土的抗弯和抗压强度。Chithra et al. (2016)发现掺加2%的纳米SiO2可以使得以铜渣作为部分细骨料的高性能混凝土取得最大的抗压强度、劈裂抗拉强度和抗弯强度。李阳等(2017)通过试验发现在水泥砂浆中掺加4%(水泥质量百分比)的纳米SiO2可以使混凝土的抗折与抗压强度达到最大值。Gelsefidi et al. (2013)和Pashabavandpouri et al. (2015)利用纳米SiO2和石灰改良黏土，经短期养护后，改良土的抗压强度较素土即有大幅度提高。任晓川(2016)通过试验研究发现添加纳米SiO2能显著提高黏土的液塑限和无侧限抗压强度。Choobbasti et al. (2015)和Ghasabkolaei et al. (2016)采用纳米SiO2改良水泥土，试验结果表明纳米SiO2能够提高水泥土的最大干密度和无侧限抗压强度。Changizi et al. (2015)和璩继立等(2017)研究了纳米SiO2和纤维对黏土的改良作用，发现两者共同作用下可以提高黏土的无侧限抗压强度和抗剪强度。Zomorodian et al. (2017)分别使用纳米黏土(蒙脱石)和纳米SiO2改良未被煤油污染和被煤油污染的砂质黏土，结果表明两种改良剂均可以提高砂质黏土的强度，并且未被污染的砂质黏土的改良效果更好。纳米SiO2对混凝土、水泥土和黏土等的改良作用已经有了很多研究，但是在粉土改良方面还相对较少。

本文拟在黄泛区粉土中掺加不同掺量的纳米SiO2和石灰，通过击实试验、无侧限抗压强度试验、水稳试验等室内试验研究纳米SiO2和石灰对粉土力学特性的影响，并通过扫描电镜(SEM)和X射线荧光光谱仪(XRF)分析改良土的微观结构和固化机理，以期为将来实际工程中粉土路基的改良提供参考。

1 试验材料与方法

1.1 试验材料

试验用土取自东营某施工现场，土的黏粒含量、粉粒含量和砂粒含量分别为6.3%、48.2%和45.2%。土样的主要物理性质如表 1所示。液限、塑限和塑性指数分别为22.53%、12.87%和9.66。结合颗粒分析试验和界限含水率试验的结果，根据《铁路路基设计规范》(TB 10001-2016)，试验用土为含砂的低液限粉土(ML)。

表 1 试验土样的物理性质指标Table 1 Physical properties of test soil samples

纳米SiO2产自山东省寿光市微纳化工厂，为亲水型纳米SiO2，呈白色蓬松粉末状，平均粒径为15nm，纯度为99.8%，无毒。纳米SiO2的规格指标如表 2所示。石灰产自河南万祥水处理材料有限公司，型号为CL85-QP。

表 2 纳米二氧化硅的规格指标Table 2 Specifications of Nano-SiO2

1.2 试验方法

试验前将粉土烘干并过2mm筛，根据试验需要称取所需的纳米SiO2、石灰、干土和水进行充分搅拌(采用JJ-5型水泥胶砂搅拌机进行搅拌)，闷料12h后制样。改良剂的掺量按改良剂质量与干土质量的比值确定。无侧限抗压强度试验和直剪试验的试样按击实试验测得的最大干密度与最优含水率进行制作，压实度取92%。试样制作完成后用保鲜膜包裹密封放入混凝土养护箱(YH-60B)并在标准养护条件下(养护箱参数：温度20±1℃，湿度≥95%)养护至指定天数。

击实试验、无侧限抗压强度试验和直剪试验的试验方法按照《铁路工程土工试验规程》(TB 10102-2010)中的具体要求进行操作。击实试验方法为重型击实，采用DJ型电动击实仪； 无侧限抗压强度试验采用YSH-2型无侧限压力仪； 直剪试验采用ZJ型应变控制式直剪仪。上述试验仪器均由南京土壤仪器厂生产。各试验的具体试验方案如表 3所示。

表 3 试验方案Table 3 Test plan

2 试验结果与分析

2.1 压实特性

图1是不同石灰和纳米SiO2掺量下改良土的击实试验结果。由图 1可以看出单独掺加纳米SiO2时，改良土的干密度与素土相比有明显提升，且随纳米SiO2掺量的增加而提高，此时改良土的最优含水率随纳米SiO2掺量的增加也略有增加。在纳米SiO2改良土中掺加石灰会明显降低改良土的最大干密度，但最优含水率会提高; 随着石灰掺量的增加，这一现象愈发显著。这是因为单独掺加纳米SiO2时，纳米SiO2会填充土体间孔隙，导致改良土的最大干密度有所增大，而纳米SiO2为亲水型纳米SiO2，在发挥改良作用的同时会吸附一部分水，因而最优含水率也会稍有增加。在纳米SiO2改良土中掺加石灰后，因为石灰的水化作用会将细颗粒黏结成较大颗粒，增大了土颗粒间的孔隙，导致改良土的最大干密度减小，同时水化作用会消耗水，因而改良土的最优含水率会有明显增加。

图 2 掺量和养护龄期对改良粉土强度的影响Fig. 2 Effect of dosage and curing age on the strength of improved silt

2.2 无侧限抗压强度

图2是不同纳米SiO2和石灰掺量下改良土的无侧限抗压强度试验结果，可以看出， 1d养护龄期时，不同纳米SiO2和石灰掺量下改良土的无侧限抗压强度(以下简称UCS)较素土有较大提升； 7d养护龄期时，各掺量下改良土的UCS较1d时显著提高，之后增长缓慢， 28d后逐步趋于稳定。由图 2还可以看出纳米SiO2-石灰改良土的UCS在1d养护龄期时即可形成很高的强度，即纳米SiO2与石灰协同作用可以加速土体强度的形成。

图3是7d龄期下不同纳米SiO2和石灰掺量下改良土的无侧限抗压强度结果，可以看出，单独掺加纳米SiO2的改良土的UCS较素土有较大幅度提升，在1%～2%的纳米SiO2掺量范围内，改良土的UCS随着纳米SiO2掺量的增加而提高； 2%纳米SiO2改良土(304.37kPa)的UCS较素土(28.17kPa)的增幅约为980%。当采用纳米SiO2和石灰联合改良剂时，改良土的UCS随纳米SiO2掺量的增加先提高后降低； 当掺入配合比为1.5%纳米SiO2和2%石灰时，改良土的UCS最大，达到906.14kPa，与素土相比增加约为3120%。

图 3 7d龄期下不同纳米SiO2和 石灰掺量下改良粉土的UCSFig. 3 UCS of improved silt under different nano-SiO2 and lime content after cured by 7 days

图4是7d龄期改良土的轴向应力-应变关系曲线。从图中可以看出，在粉土中掺入纳米SiO2和石灰后，改良土呈现出脆性破坏特征，即轴向应力达到峰值后急剧降低，并且随石灰掺量的增加脆性加剧，试验过程中表现为轴向应力达到峰值后即出现一条主裂缝，然后裂缝迅速扩展并贯穿试样，强度迅速减小至零。使用纳米SiO2和石灰改良粉土可以显著提高粉土的UCS，但改良后土的脆性也会增加，因此，实际工程中使用石灰和纳米SiO2改良粉土时要考虑改良土脆性的影响，注意改善改良土的脆性问题。

图 4 7d龄期改良粉土的轴向应力-应变关系曲线Fig. 4 Axial stress-strain curve of improved silt after cured by 7 days

图 5 改良粉土7d龄期饱和强度折减率Fig. 5 Saturation strength reduction rate of improved silt under nano-SiO2 and lime after cured by 7 days

图 6 水稳性试验照片Fig. 6 Water stability test photos a. 素土； b.2%纳米SiO2改良土； c.1%石灰+1%纳米SiO2改良土； d.2%石灰+1.5%纳米SiO2改良土

2.3 水稳性

按照《铁路工程土工试验规程》(TB 10102-2010)的规定，将养护6d后的试样置于盛满水的烧杯中，水没过试样，浸泡24h，取出试样吸去表面余水并称取试样的质量，对于不符合规范要求的试样作废，对于符合要求的试样测定其饱和无侧限抗压强度。因为改良土的渗透性很小，试验时对于符合要求的试样浸水24h后又采用真空饱和法使其达到饱和。

图5是不同纳米SiO2和石灰掺量下改良土7d龄期饱和强度折减率结果，图 6是7d龄期下水稳性试验照片。饱和强度折减率定义为土样非饱和强度(最优含水率下)和饱和强度的差值与非饱和强度的比值。图 5中可以看出：素土和单掺纳米SiO2时改良土的水稳性较差，饱和强度折减率为100%，试样在水中浸泡1h后不能保持原有形状，无法测得强度，试验后的照片如图 6a、图6b所示； 在纳米SiO2改良土中分别掺加1%和2%的石灰，土体的水稳性得到明显改善，饱和强度折减率的范围分别保持在45%～60%和30%～40%，在0～2%的石灰掺量范围内，纳米SiO2改良土的饱和强度折减率随着石灰掺量的增加而减少，试样在水中浸泡24h后无明显损坏，试验后的照片如图 6c、图6d所示。因为素土以粉粒和砂粒为主，黏粒含量较少，黏结性较弱，所以水稳性较差； 单掺纳米SiO2时，纳米SiO2主要填充土体内部孔隙，无法提供足够的黏结作用，所以水稳性也较差； 随着石灰的掺入，土体内部发生某种反应，生成物可以黏结土颗粒，改善土体的水稳性能。

2.4 抗剪强度

图7为不同掺量改良土的抗剪强度指标。可以看出， 2%纳米SiO2改良土的黏聚力和内摩擦角较素土有所提高。在纳米SiO2改良土中掺加2%石灰后，黏聚力和内摩擦角较单掺2%纳米SiO2有显著提高，并且随纳米SiO2掺量的增加先提高后降低。1.5%纳米SiO2-2%石灰改良土的黏聚力和内摩擦角最大，黏聚力和内摩擦角较素土分别提高至97.06kPa和41.34°。

图 7 改良粉土的抗剪强度指标Fig. 7 Shear strength index of improved silt

综合改良土的抗压强度、水稳性等试验结果，并考虑节省石灰和成本，认为改良黄泛区粉土的最佳掺量为2%石灰和1.5%纳米SiO2。

2.5 微观结构及机理分析

图8是300倍扫描电镜照片。图 8a中素土颗粒棱角分明，颗粒间存在较大的孔隙，颗粒与颗粒之间基本没有连接； 掺加2%纳米SiO2后颗粒之间的孔隙被填充，土体的孔隙率明显减小； 掺加2%石灰与1.5%纳米SiO2后可以看到更多的胶结物质把土颗粒黏结起来，颗粒之间孔隙更少。改良土的微观结构的变化特征表明，单独把纳米SiO2掺加到土体中，纳米SiO2主要起到填充土颗粒之间孔隙的作用，由于孔隙被填充使得土体的微观结构变得密实； 同时掺加石灰与纳米SiO2，土颗粒之间的胶结物质更多，孔隙更少，形成更为致密、稳定的土体结构。改良土饱和强度折减率的降低以及黏聚力和内摩擦角的提高也可以侧面印证这一分析结果。Bell(1996)和Yong et al. (2007)研究认为纳米SiO2在石灰改良土中起到火山灰添加剂的作用，因为其为纳米尺度，与普通二氧化硅相比性质较为活泼，可以作为催化剂促使石灰发生反应，进而固化土体。土体中石灰的水化反应生成大量Ca2+和(OH)ˉ，随着石灰掺量的增加，土体的pH会随之升高，当pH达到12.4左右时，土壤中溶解的硅酸盐和硅离子会在纳米SiO2作用下与(OH)ˉ反应生成Si(OH)3，Si(OH)3最终会与Ca2+反应生成水化硅酸钙(C-S-H)，水化硅酸钙是一种絮凝胶，可以黏结土颗粒，从而提高土体强度。根据上述学者的研究成果，推测纳米SiO2-石灰改良土中形成胶结物质为水化硅酸钙，因而可以大幅度提高土体的强度。

图8 扫描电镜照片Fig. 8 Scanning electron micrographs a. 素土； b.2%纳米SiO2改良土； c.2%石灰+1.5%纳米SiO2改良土

Ca(OH)2→Ca2++2(OH)-

(1)

Ca2++2(OH)-+SiO2→CaO·SiO2+H2O

(2)

通过X射线荧光光谱仪(AXIOS-Petro)测得素土、1.5%纳米SiO2改良土和2%石灰加1.5%纳米SiO2改良土3类土样的化学成分，XRF试验结果见表 4。可以看出，3类土的主要化学成分是SiO2、Al2O3和 CaO； 单独加入纳米SiO2时，CaO的浓度几乎不变，SiO2的浓度大幅提高，表明此时纳米SiO2主要起到填充孔隙的作用； 掺入2%石灰和1.5%纳米SiO2后，SiO2的浓度降低，如前所述，其参与反应形成了水化硅酸钙，使得土体的强度得到较大的提高。

表 4 试样的化学成分Table 4 Chemical compositions of samples

3 结 论

本文对不同掺量下的纳米SiO2-石灰改良土进行了系列室内试验，研究了两种改良剂的掺量对黄泛区粉土力学特性的影响，并对特定掺量下的改良土进行了扫描电镜和XRF试验，所得结论如下：

(1)纳米SiO2改良土的最大干密度和最优含水率随纳米SiO2掺量的增加均呈现出递增的趋势，最大干密度的增加较为显著； 纳米SiO2改良土中掺加石灰会显著增加最优含水率，但会降低最大干密度。

(2)不同掺量的纳米SiO2-石灰改良土的UCS较素土有显著提高，UCS随养护龄期的增加而增加， 1d至7d养护龄期内提高最为显著； 2%石灰和1.5%纳米SiO2联合使用时，改良土的UCS较素土增幅约3120%。

(3)素土与纳米SiO2改良土的水稳性较差； 纳米SiO2改良土掺加石灰会显著改良土体的水稳性能，并且随着石灰掺量的增加，改良土的饱和强度折减率随之降低。

(4)单独掺入纳米SiO2主要起到填充颗粒间孔隙的作用，同时掺加石灰和纳米SiO2可以反应生成水化硅酸钙，进一步发挥黏结与填充作用，使土体强度提高、结构更稳定。