机制砂和水玻璃改良弱膨胀土抗压和抗剪强度试验研究

付相深　王齐　杨振北　李贤　汪时机

摘 要：广西地区膨胀土分布广泛，在工程中危害较大，常常需要对其进行改良处治。选用机制砂和水玻璃为改良剂，在两者单独掺入和复合掺入的情况下对广西南宁地区膨胀土进行改良，并通过无侧限抗压试验和直剪试验对该膨胀土强度及刚度进行测定，结果表明：机制砂和水玻璃均能提高该膨胀土的强度和刚度，且强度及刚度均随着掺量的增加而先增大后减小，复合掺入的情况下机制砂会降低水玻璃的改良效果。水玻璃最佳掺量为1%，机制砂最佳掺量为10%。进一步用不同粒径的机制砂对膨胀土进行改良发现，为提高该膨胀土的强度，掺入机制砂的粒径不宜大于0.5 mm。研究结果验证了利用水玻璃改良膨胀土和机制砂代替天然风化砂改良膨胀土的有效性。

关键词：膨胀土;机制砂;水玻璃;抗压强度;抗剪强度

中图分类号：TU443;U416.1 文献标志码：A 文章编号：2096-6717（2022）04-0060-08

Experimental analysis of effect of manufactured sand and water glass on unconfined compressive strength and shear strength of weak expansive soil

FU Xiangshen， WANG Qi， YANG Zhenbei， LI Xian， WANG Shiji

（College of Engineering and Technology， Southwest University， Chongqing 400715， P. R. China）

Abstract： In Guangxi province， the expansive soil is widely distributed， and the damage to the project is relatively great. It is essential to improve it. Using manufactured sand and water glass as modifiers， in this study， the expansive soil in Nanning， Guangxi was improved under the condition of mixing them separately or in combination. The strength and stiffness of the expansive soil were measured by unconfined compression test and direct shear test. It was found that both manufactured sand and water glass can improve the strength and rigidity of the expansive soil， and both the strength and rigidity first increase and then decrease with increments of the manufactured sand and water glass amount. The manufactured sand will reduce the improvement effect of water glass in the case of compound mixing. The optimum addition amount of water glass is 1%， the optimum addition amount of manufactured sand is 10%. The expansive soil was further improved with manufactured sand of different particle sizes， and it was found that in order to improve the strength of the expansive soil， the particle size of the manufactured sand should not be greater than 0.5 mm. This study verifies the effectiveness of water glass modified expansive soil and manufactured sand instead of natural weathered sand to improve expansive soil， which can provide a reference for future improvement of expansive soil.

Keywords：expansive soil; manufactured sand; water glass; compressive strength; shear strength

膨脹土是一种遇水膨胀、失水收缩的高液限黏土，在中国乃至全世界的分布均十分广泛。因其兼具多裂缝性和超固结性，对环境的湿热变化敏感，裂缝宽度随季节变化，工程性质极不稳定[1]，对路基、坝基和边坡等建设工程的危害较大[2-3]，中国每年因此产生的工程危害经济损失高达百亿美元以上[4-5]。近年来，相关学者就膨胀土的改良方法开展了大量试验和研究工作，包括应用物理、化学方法[6]、生物技术和固体废弃物等[7-8]进行改良处治，如沈泰宇等[9]、Ali等[10]通过室内土工试验研究了纤维类材料改良膨胀土的可行性和效果;Sami等[11]、Mujtaba等[12]利用硅粉、石灰、高炉矿渣改善膨胀土的工程特性。杨俊等[13]、庄心善等[14]通过试验研究了掺入风化砂后膨胀土的一系列工程特性参数的变化;曾娟娟等[15]、陈永青等[16]通过一系列一维固结试验及三轴剪切试验研究发现，生物酶能有效地改善膨胀土的压缩性，提高改良膨胀土的力学性能;He等[17]研制了一种液体离子土壤稳定剂，用于控制膨胀土的膨胀和收缩行为，能够有效抑制膨胀土胀缩变形并提高其强度。虽然目前膨胀土改良的技术已得以发展，但经济、高效且便捷的改良技术和方案仍有待进一步深入和探究。

水玻璃（硅酸钠的水溶液）具有黏结力强、价格低廉、胶凝时间短等特点，对黏土矿物具有改性作用[18-19]，水玻璃对膨胀土的改性作用有一定的研究价值。基于在膨胀土中拌入风化砂可以改善土体颗粒级配、增大孔隙率及土颗粒之间摩擦力的物理原理，“掺砂法”能够起到降低膨胀率并提高抗剪强度的作用[13]，但露天开采风化砂往往伴随着生态环境问题[20]，部分地区对露天矿的采动还具有灾害风险[21]。另外，由于过度开采，天然砂日益匮乏，为节约成本，缩短工期，工程建设中机制砂正在逐步替代天然砂。对此，用机制砂替代天然风化砂对膨胀土进行改良就具有一定的研究价值。在路基、基坑等工程中，无侧限抗压强度是一个关键技术指标，能准确地反映土的强度特性。笔者以无侧限抗压强度为主要试验指标，探究机制砂和水玻璃在单独作用和复合作用下膨胀土的无侧限抗压强度的变化，并通过试验研究了掺砂粒径对改良土的无侧限抗压强度的影响规律。

1 试验材料

1.1 膨胀土

试验用膨胀土取自广西南宁市邕武路某路段，该路段处于坡度平缓的丘陵地带，取土深度为地表以下2～3 m。土样呈黄褐色，由泥灰岩的风化残积物形成，黏土矿物成分主要为伊利石，含量超过70%。测试得到试验用土的相关物理性质：天然重度19.6 kN/m3，天然含水率15.34%，孔隙比0.88，塑限27.85%，液限52.45%，塑性指数25，自由膨胀率42%。根据《膨胀土地区建筑技术规范》（GB 50112—2013）[22]，该膨胀土成因类型为A类，综合判定为弱～中等膨胀土。

1.2 机制砂

试验用砂是由SiO2>96%的天然石英质海砂经过加工得到的，湿含量小于0.2%，烧失量小于0.4%。其相关物理性质见表1。

1.3 水玻璃

为便于控制，试验中试样的含水率一致，试验采用山东优索化工科技有限公司生产的零水硅酸钠（Na2SiO3），模数为1.4，规格为分析纯，白色粉状固体，常温下易溶于水。试验中将其溶于水而得到的溶液即为水玻璃。

2 无侧限抗压强度试验

2.1 机制砂和水玻璃对无侧限抗压强度的影响

取膨胀土样风干碾碎后过2 mm的标准筛，再放入110 ℃烘箱烘干至恒温后取出，用于制样。为探究机制砂和水玻璃在单一作用和复合作用下对试样无侧限抗压强度的影响，分别取硅酸钠掺量为0.0%、0.5%、1.0%、1.5%、2.5%，砂的掺量为0.0%、5.0%、10.0%、15.0%、20.0%（掺量为机制砂或硅酸钠的质量占试样干重的比例）进行交叉试验。为最大程度接近现场实际情况，试验制备的试样含水率均取为15%（接近试验用土的天然含水率），干密度取天然干密度1.65 g/cm3，便于制样和观察比较。试样为直径38.1 mm，高80 mm的圆柱体试样，试验按照《土工试验方法标准》（GB/T 50123—1999）[23]进行，采用YSH-2型应变控制式无侧限抗压强度仪，轴向速率为1 mm/min，每种掺量下的改良土做3组平行试样，取平均值为最终试验结果。试验结果见表2。

以硅酸钠掺量为横坐标，试样无侧限抗压强度为纵坐标，得到的交叉试验结果如图1所示。由试验结果可见，分别单独掺入机制砂和水玻璃时，强度均随着掺量的增加而先增大后减小。机制砂掺量为10%时，试样强度最高，与杨俊等[13]利用风化砂改良膨胀土的研究结果相同，水玻璃（硅酸钠）掺量为1.0%时，试样强度最高。复合掺入时，机制砂降低了水玻璃的改良效果。

图2（a）、（b）分别是通过上述无侧限抗压强度试验得出的在单独掺入机制砂和水玻璃时试样破坏的应力应变曲线，由图2可以看出，分别掺入机制砂和水玻璃时，试样刚度较素土均有所提高（刚度可用应力应变曲线上升段斜率定性表征），且提高幅度均随掺量的增加而先增大后减小，后者提高效果明显优于前者。掺砂量为10%时，试样刚度最大，但掺砂量达到20%时，刚度低于素土。掺入水玻璃时，刚度均高于素土，掺量为1.0%时，试样刚度最大。

2.2 掺砂粒径范围对无侧限抗压强度的影响

为探究掺入砂的粒径范围对试样的无侧限抗压强度的影响规律，将试验用的机制砂依次过2、1、0.5 mm的标准筛，得到粒径分别为≤0.5 mm、0.5～1.0 mm、1.0～2.0 mm的砂。由表2可得，单独掺入机制砂时，当掺量为10%时，无侧限抗压强度最大，因此，在控制掺砂量为10%的情况下，改变掺入砂的粒径大小，观测试样的无侧限抗压强度的变化规律。试样含水率及干密度同上一试验，制样方法及试验标准也同上一试验。得到的试验结果如图3所示。

3 直剪试验

为进一步探究两种方法在有侧限压力情况下对土样抗剪强度指标的影响，对掺砂10%、掺水玻璃1.0%以及两者复合作用下的膨胀土开展直剪试验，含水率和干密度与前述试验保持一致，得到不同垂直压力σ下的抗剪强度τf，拟合出的τf-σ关系曲线和公式如图4所示，得到的莫尔库伦抗剪强度指标见表3。

由图4和表3可以得到，掺入机制砂（10%）后土样黏聚力减少了8.7%，但内摩擦角增大了5.4°，掺入水玻璃（1.0%）后，黏聚力增大了41%，内摩擦角增大了2.9°，两者复合作用下，土样黏聚力增大了10.4%，内摩擦角增大了3.0°。机制砂主要通过改变土体的内摩擦角而影响抗剪强度，水玻璃主要通过改变土体的黏聚力而影响抗剪强度。相比机制砂单独作用及两者复合作用，水玻璃单独作用对抗剪强度的提高作用更明显。

4 自由膨胀率试验

为进一步验证两种方法对该膨胀土膨胀特性的影响，分别用掺量为10%的机制砂（粒径≤0.5 mm）和掺量为1%的硅酸钠（水玻璃）对该膨胀土进行改良，观测改良前后的自由膨胀率。试样制备方法为：选取具有代表性的风干膨胀土样过0.5 mm标准筛，在110 ℃电热鼓风干燥箱（精度0.1 ℃）内烘干。取3份烘干土样，每份100 g，调整含水率至15%（接近天然含水率），一份为素土试样，其余两份分别掺入10%的机制砂（粒径≤0.5 mm）和1%的硅酸钠搅拌均匀，将试样用密封袋密封，放入保湿缸中静置24 h后取出，观测自由膨胀率δef，试验按照《土工试验方法标准》[23]进行，每组土样进行 3次平行试验，3次结果相对誤差控制在1%以内。试验结果见表4。

结果显示，两种改良方法均能降低膨胀土自由膨胀率，改良后的土样膨胀性体现为非膨胀土（δef<40%）。

5 结果分析

1）单独掺入机制砂时，由表2和图3可得，试样无侧限抗压强度和刚度随着掺量的增加先增大后减小，当掺量为10%时，无侧限抗压强度最大，掺量超过10%时开始降低，当掺量为15%时，低于素土试样的无侧限抗压强度。结合庄心善等[24]对风化砂改良膨胀土强度特性的研究进行分析，当掺量较小时，机制砂的掺入改变了试样的颗粒级配，密实度提高，增加了试样中粗颗粒的含量和硬度，同时，还增加了试样中颗粒与颗粒间的摩擦力以及砂粒与土之间的胶结咬合，强度和刚度增加，但随着掺量的增加，试样中膨胀土的含量减少，孔隙率增加，密实度降低，试样的黏聚力不断减小，强度和刚度逐渐降低，当掺砂量达到15%时，强度和刚度均低于素土试样。

2）控制掺砂量为最佳掺量10%，改变砂的粒径范围，图3所示结果表明，掺砂粒径小于0.5 mm时，相比表2（未控制掺砂粒径），无侧限抗压强度大幅度提高，由图4和表3可得，此改性作用下土样的内摩擦角显著提高，抗剪强度也相应提高。掺砂粒径大于0.5 mm时，试样的无侧限抗压强度小于素土试样。将图3中不同掺砂粒径下的试样分别编号为1#、2#、3#、4#，1#～4#试样破坏后的裂隙截面见图5。如前面所分析，掺砂可以提高颗粒间的胶结力和摩擦力，所以，2#比1#（素土）更密实，裂隙截面更粗糙，强度也更高。而随着掺砂粒径的增加，与2#试样相比，3#、4#试样孔隙增多，密实度降低，4#试样比1#试样更松散。由此可见，随着掺砂粒径变大，颗粒之间的骨架间隙增大，导致黏聚力的减小超过颗粒间摩擦力的增加，试样的强度降低，且低于掺砂前的强度。

3）由图1和图2可得，单独掺入水玻璃时，试样的无侧限抗压强度和刚度随着硅酸钠掺量的增加先增大后减小，且强度提高的效果明显比掺砂改良要好，当掺量为1%时，试样的无侧限抗压强度达到最大值。将不同水玻璃掺量下的改良试样（单独掺入）分别编号为5#、6#、7#、8#，5#～8#试样破坏后的裂隙截面见图6，定性观察图6中5#～8#试样的裂隙截面，密实度6#>5#，6#>7#>8#，且相比图5中1#试样（素土）， 5#～8#试样密实度均有所提高，相应地，强度和刚度也有相同规律。从微观机理方面，水玻璃液体中存在硅酸盐分子、离子化合物以及二硅酸盐离子等，如Si（OH）4、SiO2-3、HSiO3-、HSi2O-5、 Si2O2-5和 Na+，同时，也存在带负电荷的硅酸胶体粒子，水玻璃中的阴离子如SiO2-3等易与膨胀土矿物中水化Ca2+发生静电吸附，形成水合硅酸钙凝胶，硅酸胶体和水合硅酸钙凝胶吸附在颗粒表面，形成团粒，提高了试样密实度，同时也增强了土体颗粒之间的胶结。另一方面，王生新等[25]采用扫描电镜（SEM）、X线衍射（XRD）和 X线光电子能谱（XPS）对常温下不同密度水玻璃固化的黏土矿物进行测试与分析，研究结果表明，硅酸盐离子和硅酸胶粒在黏土矿物表面（如伊利石、蒙脱石）的晶层平面与端面存在复杂的吸附作用，形成了团粒，具有很大表面能的团粒进一步失水缩聚，形成非晶质硅酸盐凝胶和晶质黏土矿物共存的网状结构产物，限制了黏土矿物的活性，固化了黏土矿物。而本试验所用广西膨胀土黏土矿物成分主要为伊利石，含量超过70%，因此，水玻璃能够对该膨胀土中的黏土矿物进行一定程度的固化，从而提高膨胀土的强度和刚度。

随着掺量的增加，试样的无侧限抗压强度开始逐渐减小。一方面，由于水玻璃中硅酸钠水解生成硅酸凝胶为水解反应（可逆反应），当水解达到一定程度，随着硅酸钠的加入，不再生成硅酸凝胶。另一方面，已有研究发现，当土体中孔隙溶液的浓度增大时，土颗粒之间的排列及结构会发生改变[26-27]，而土体的结构对强度具有重要影响，随着硅酸钠掺量的增加，盐溶液的浓度增加，改变了膨胀土的结构，使其从集聚状变成絮凝状，使得土体结构变得疏松，降低了颗粒之间的作用[28-29]，所以，试样的密实度呈6#>7#>8#的规律，试样的强度和刚度也逐渐降低。

4）当水玻璃和机制砂复合改良时，保持水玻璃掺量一定，表2所示的试验结果表明，随着机制砂的掺入，试样的无侧限抗压强度逐渐降低，改良效果不如水玻璃单独改良时的效果，当砂的掺量达到15%时，试样的无侧限抗压强度低于素土试样。这是由于，虽然单独加入一定量的机制砂可以提高试样的强度，但由表1可知，试验所用的机制砂粗粒含量较多（粒径大于0.5 mm的颗粒占比超过70%），当复合改良时，相对于试样中原来的土颗粒，粗砂颗粒比表面积降低，不仅降低了凝胶在土颗粒之间的黏结作用，还降低了试样的密实性，从而导致机制砂的加入降低了水玻璃的改良效果。从图4及表3可见，相比水玻璃单独作用时，两者复合作用下土样黏聚力的提高幅度有所降低，也进一步说明机制砂的加入会降低凝胶在土颗粒之间的黏结作用。

5）由自由膨胀率试验结果可得，掺机制砂和掺水玻璃均能使该膨胀土的自由膨胀率降低，按照规范，改良后的土已不属于膨胀土，进一步验证了两種膨胀土改良方法的可行性。两种方法相比，水玻璃降低自由膨胀率的效果稍好，但具体的降低机理还有待进一步的试验探究。

6 结论

1）机制砂替代天然风化砂改良该弱膨胀土具有一定可行性，掺砂量为10%、掺砂粒径小于0.5 mm的情况下，改良效果最好，无侧限抗压强度可提高15.7%，刚度达到最大，内摩擦角增大，抗剪强度提高。试验结果表明，若掺砂粒径大于0.5 mm，会降低该膨胀土的无侧限抗压强度。与风化砂改良相比，机制砂材料供应更方便，成本更低，可以为通过掺砂方法改良膨胀土的实际工程提供参考。在路基工程中，可按“素土摊平、含水率调整、路拌机拌合、碾压整平、检测验收”的原则设计施工工艺。

2）水玻璃（硅酸钠溶液）掺入该弱膨胀土后，土体的刚度和无侧限抗压强度均呈先增大后减小的趋势。当硅酸钠的掺量为1%时，无侧限抗压强度达到最大，提高了52.4%，刚度达到最大，黏聚力提高了41%，抗剪强度较素土显著提高，自由膨胀率由改良前的42%降低到20%，对该膨胀土的改良效果较好。与目前已有的其他复合改良方法相比，水玻璃改良配制简单、施工便捷，更加经济，实际应用中可采用现场土壤分层喷洒的方法，针对不同地区的膨胀土改良，此方法的有效性还需进一步的现场试验验证。

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（编辑 王秀玲）

收稿日期：2020-08-04

基金项目：国家自然科学基金（11972311）;中央高校基本业务费（XDJK2018AB003）;西南大学大学生创新创业训练计划（X201910635059）

作者简介：付相深（1998- ），男，主要从事特殊土处治研究，E-mail：1827846348@qq.com。

汪时机（通信作者），男，教授，博士生导师，E-mail：shjwang@swu.edu.cn。

Received：2020-08-04

Foundation items：National Natural Science Foundation of China （No. 11972311）; Special Funds for Basic Business Expenses of Central Universities （No. XDJK2018AB003）; Southwest University College Student Innovation and Entrepreneurship Training Program Project （No. X201910635059）.

Author brief：FU Xiangshen （1998- ）， main research interest： special soil treatment， E-mail： 1827846348@qq.com.

WANG Shiji （corresponding author）， professor， doctorial supervisor， E-mail： shjwang@swu.edu.cn.