复合改良黄土状亚砂土强度特性及微观机制

李 博，石振武，刘俊辰，张洪瑞，2

(1.东北林业大学土木工程学院,哈尔滨 150036；2.黑龙江省交投公路建设投资有限公司，哈尔滨 150069)

0 引 言

绥大高速公路试验段土体属黄土状亚砂土，粒组以粉粒为主，细砂和黏粒含量较高，粒度成分连续性差，孔隙较大[1]。路堑边坡土体含水量较高，为近饱和状态，开挖后会出现滑塌病害，工程性能较差，需要进行改良处理。

部分学者采用石灰、粉煤灰、糯米浆、水泥等进行改良研究[2-4]，强度提升显著[5]，但当土体含水量较高时，改良土凝胶时间长[6]，早期强度低。掺入水玻璃和石灰能提高粉土的早期强度[7]，相关研究阐明了其胶凝材料的固化机理[8-11]。目前钠基、钾基水玻璃已逐渐改进为锂基[12]，其能够生成持续对试样内部孔隙结构进行填充的不溶物质，具有良好的密封固化效果[13]，但在改良土中的应用较少。

部分学者采用纤维加筋提升改良土强度，提出并验证了纤维与土之间界面力的应力-应变关系参数模型[14-15]，分析了干湿循环条件下纤维加筋对裂隙发展的影响[16]，以及石灰掺量与孔隙率对聚丙烯纤维增强土体性能的影响[17]。部分学者[18-20]对纤维加筋的微观机理进行了研究，但多停留在定性分析层面，对于纤维加筋土的定量分析较少。

可以看出，改良土的研究偏重于寻找新型改性材料的最优掺量，分析微观机制以及揭示强度增长机理。因此，本研究通过引入新型改性材料硅酸锂，进行无侧限抗压强度试验确定复合改良土的最佳配合比，并通过冻融循环试验、X射线衍射(XRD)和扫描电子显微镜(SEM)等测试手段对比研究石灰改良土及复合改良土的强度变化、微观机制及孔隙结构，定量分析改良土的微观固化机理，为实际工程应用提供参考。

1 实 验

1.1 试验材料

选取绥大高速公路(K26+840-K27+400)的边坡土进行试验研究，土样的基本物理指标如表1所示。硅酸锂溶液产自河北省石家庄市，基本指标如表2所示。石灰产自江西省宜春市，白色粉末状，粒度(200目(74 μm)通过率)为95.36%，CaO含量为88.36%(质量分数)。聚丙烯纤维平均直径为0.33 mm，平均抗拉强度为368 MPa，平均拉伸模量为3 500 MPa，平均断裂伸长率为15%。

表1 土样的基本物理指标Table 1 Basic physical indexes of soil samples

表2 硅酸锂溶液基本指标Table 2 Basic indexes of lithium silicate solution

1.2 试样制备

设置原状土作对照组，判别掺加各类物质后的性能提升状况。由于原状土含水率大，无侧限抗压强度小，单掺聚丙烯纤维试件的强度提升不稳定，特掺4%(质量分数)石灰进行纤维改良土强度测定，确定聚丙烯纤维的最佳掺量；在最佳聚丙烯纤维掺量的基础上进行石灰改良土的制备，确定石灰的最佳掺量；在最佳石灰掺量的基础上进行复合改良土的制备，确定硅酸锂的最佳掺量，最终得到复合改良土的最佳配合比。经前期研究，试验设计配合比如表3所示。试验采用风干碾碎后过2 mm筛的原状土，在65 ℃的条件下进行烘干，晾凉后进行试样制备，各组分材料按顺序及比例充分混合，加自来水后充分拌和并密封24 h，重塑试样采用压实法制备，控制为同一压实度、含水率和干密度。

表3 试样设计配合比Table 3 Specimen design mix ratio

1.3 试验方法

无侧限抗压强度试验选用WDW-100微机控制电子万能试验机，以2 mm/min的加压速率对试件进行加载，试验过程严格按照《公路土工试验规程》(JTG 3430—2020)进行。对表3中4类试样进行无侧限抗压强度试验，试样直径为50 mm，高为50 mm，确定最佳配合比。对最佳配合比的石灰改良土和复合改良土进行冻融循环试验，冻结时恒温箱温度控制在-15 ℃，时长12 h；融化时温度控制在25 ℃，时长12 h，循环60次。设置对照组进行标准养护((20±2) ℃、95%以上湿度)，测得相应无侧限抗压强度。

2 结果与讨论

2.1 复合改良土最优配合比

2.1.1 聚丙烯纤维最佳掺量

当石灰掺量为4%(质量分数，下同)时，不同纤维改良土的无侧限抗压强度变化曲线如图1所示。

图1 不同纤维改良土的无侧限抗压强度随聚丙烯纤维掺量变化曲线Fig.1 Variation curves of unconfined compressive strength of different fiber modified soils with polypropylene fiber dosage

可以看出:当纤维长度一定时，纤维改良土的无侧限抗压强度随着掺量的增加均呈先增大后减少的趋势；当纤维掺量一定时，随着长度的增加，无侧限抗压强度亦呈先增大后减小的变化趋势。当纤维掺量为0.4%(质量分数，下同)、长度为12 mm时，纤维改良土的无侧限抗压强度值达到最大，为466.02 kPa，与原状土强度82.27 kPa相比提高了466.45%。因此，确定聚丙烯纤维的最佳掺量为0.4%，长度为12 mm。

2.1.2 石灰最佳掺量

图2为石灰改良土的无侧限抗压强度变化曲线。可以看出，掺加石灰可有效提高纤维改良土的抗压强度，随着石灰掺量增加，石灰改良土抗压强度呈先增大后缓慢减小的变化趋势。当掺量达到4%时，石灰改良土抗压强度增长缓慢，掺量为6%时，抗压强度达到最大，为489.73 kPa，之后抗压强度下降。这是由于石灰水化反应与土体中氧化物生成凝胶物质，填充颗粒孔隙，形成空间网络结构，提高土体密实度和抗压强度。但由于石灰具有强吸水性，遇水释放热量，当石灰超过最佳掺量后，会使土体内水分大量减少，水化反应延缓，凝胶物质生成量减少，土体抗压强度降低。

图2 石灰改良土的无侧限抗压强度随石灰掺量变化曲线Fig.2 Variation curve of unconfined compressive strength of lime modified soil with lime dosage

2.1.3 硅酸锂最佳掺量

对最佳掺量的石灰改良土增掺不同含量的硅酸锂溶液后进行无侧限抗压强度试验，结果如图3所示。

图3 复合改良土的无侧限抗压强度随硅酸锂掺量变化曲线Fig.3 Variation curve of unconfined compressive strength of composite modified soil with lithium silicate dosage

可以看出，复合改良土的无侧限抗压强度随着硅酸锂掺量的增加呈先增大后减少的趋势。当硅酸锂掺量为3%(质量分数，下同)时，复合改良土的无侧限抗压强度值达到最大，为1 576.41 kPa，与石灰改良土无侧限抗压强度相比提高了221.89%，与原状土的无侧限抗压强度相比提高了1 816.14%。

无侧限抗压强度增加的原因是硅酸锂溶液发生水解，为石灰的水化反应提供碱性环境，土体中氧化物活性被激发，遇水反应后生成水化硅铝酸钙(C-A-S-H)等水化产物。这些水化产物具有凝胶性，能够填充土体孔隙，使颗粒间的胶结力不断增大。但掺入过多的硅酸锂会使土体含水量大幅度降低，不利于水化反应的进行。

经以上分析，确定复合改良土的最佳配合比：硅酸锂掺量3%，石灰掺量6%，聚丙烯纤维掺量0.4%，纤维长度12 mm。

2.1.4 试样变形及破坏特征

图4(a)～(c)分别为最佳掺量下的纤维改良土、石灰改良土和复合改良土试样在进行无侧限抗压强度试验时的破坏形态。可以看出，纤维改良土与石灰改良土的破坏特征相似，均呈“塑性鼓胀型破坏”，试样外表面出现明显的剪切破裂面，裂隙宽大且上下贯通，侧向变形量大，纤维使试样保持“裂而不断”，具有一定的完整性。复合改良土呈“延性破坏”，土样表面出现细短而分散的裂纹，上表层部分碎成小土粒，由于纤维的连接作用，并未脱落。

图4 不同改良土的破坏形态Fig.4 Destruction patterns of different modified soils

2.2 改良土冻融特性

对最佳掺量的石灰改良土、复合改良土进行标准养护及冻融循环试验，绘制的无侧限抗压强度变化曲线如图5所示。从图5可以看出，随着养护龄期的增加，石灰改良土的无侧限抗压强度在第3～14天的增长最快，之后增长缓慢，这是由于前期石灰水化反应量较大，后期水化反应量逐渐减少。标准养护条件下试样的无侧限抗压强度不断增加，在第60天时达到最大，为960.35 kPa；冻融循环条件下试样的无侧限抗压强度较低且增长缓慢，这是由于土中水冻结膨胀，土颗粒重新排列，微裂隙不断增多，水分加快扩散进入土体内部与未完全水化的石灰进一步反应，产生胶凝物质，填充进微裂缝和颗粒孔隙，在一定程度上提升了开裂土体的无侧限抗压强度，但这种填充作用并非一直有效，随着养护龄期的增长，土体原有结构的破坏性凸显，在第60天时，无侧限抗压强度出现下降，由28 d的最大值650.19 kPa下降至612.22 kPa。

图5 不同养护条件下改良土的无侧限抗压强度随养护龄期变化曲线Fig.5 Variation curves of unconfined compressive strength of modified soil with curing age under different curing conditions

复合改良土初期的无侧限抗压强度较高，表现出明显的水硬性能，这是由于土体的含水量大，石灰与土中水分充分接触，硅酸锂不仅作为碱激发剂促进了水化反应，同时还作为强度黏结剂使土体颗粒结构黏固，大幅提高固化土的无侧限抗压强度。随着养护龄期的增加，土体的无侧限抗压强度呈先迅速减小后缓慢增大的趋势，这是由于随着水化反应的进行，土体颗粒的黏固效应出现破坏，取而代之的是水化产物填充进颗粒孔隙，来增强固化土的无侧限抗压强度。在标准养护条件下，试件的无侧限抗压强度在第3天时降至最低，为1 004.84 kPa，之后由于水化产物对强度的提升作用大于黏固破坏的负效应，试件的无侧限抗压强度不断增长，在第60天时达到最大，为1 866.59 kPa；冻融循环条件下，试样前期的无侧限抗压强度下降速度较慢，后期增长幅度也较低，在第28天时达到最大，为1 499.57 kPa，与同种养护条件下的石灰改良土最大强度值相比分别提升130.64%(第28天)、94.37%(第60天)。

增掺硅酸锂可以大幅提升石灰改良土的初期无侧限抗压强度，虽然随着养护龄期的增加，会出现短暂的无侧限抗压强度下降，但总体来说，不论标准养护还是冻融循环条件下，掺加硅酸锂都起到了增强剂的作用，提升了石灰改良土的无侧限抗压抗压强度。

2.3 应力-应变关系

图6为第28天时不同养护条件下改良土的应力-应变关系曲线。可以看出，各组改良土应力-应变关系曲线可分为4个阶段：弹性阶段、塑性阶段、强度屈服阶段和应力衰减阶段，均属于“应变软化型破坏”。与标准养护相比，冻融循环条件下土体弹性阶段斜率较小，说明冻融循环会延缓水化反应的进行，弱化水化产物的胶结作用，促进裂缝的发展，降低改良土的弹性模量。在增掺硅酸锂后，改良土被破坏时的应力-应变均增大，这是由于硅酸锂及新产物提升了改良土的稳固性，阻碍了裂隙的发展。同时由于聚丙烯纤维的拉拔作用增强了土体之间的黏结性，当应变增大到一定程度时，聚丙烯纤维起到拉扯效果，使试件在一定的位移段内承受了较大试验力，避免了试件破坏后出现应力骤降的现象，其中石灰改良土尤其显著。

3 微观机制

为探究石灰改良土、复合改良土在标准养护及冻融循环条件下的强度发展机理，对标准养护及冻融循环7 d的石灰改良土、复合改良土与原状土进行XRD分析和SEM分析。

3.1 XRD分析

通过进行X射线衍射试验，得到XRD谱，采用MDI Jade 6软件分析试样物相的峰,结果如图7所示。采用Quantitative Analysis模块得到各试样物相成分的质量分数，如表4所示。

表4 原状土和不同养护条件下改良土的主要化学组成Table 4 Main chemical composition of natural soil and modified soil under different curing conditions

图7 不同养护条件下7 d试样的XRD谱Fig.7 XRD patterns of specimens under different curing conditions at 7 d

由图7可知，原状土中的主要物相为风化形成的SiO2，其在酸性或中性环境中遇到胶体状态的Al(OH)3、Fe(OH)3等物质时会互相凝聚生成非晶形矿物，再构成晶形的次生黏土矿物、硅酸盐矿物，最后形成黄土状亚砂土。

石灰改良土中SiO2的衍射峰强度增强，并生成新物质钠长石、钙长石、C-A-S-H凝胶等，矿物成分复杂性增加。部分石灰与土中自由水接触结晶，生成Ca(OH)2结晶网格；少部分石灰在水中电离产生热量，使土体内温度增高，砂化作用加强，内部结构破碎，孔隙数量增多，假黏聚力增大，孔隙中保水能力增强。但在物相成分检索过程中未能发现Ca(OH)2，这是由于Ca(OH)2与土中无定形氧化物反应生成C-A-S-H凝胶，具体反应式如式(1)、式(2)所示。

(1)

(2)

C-A-S-H凝胶具有良好的水稳定性及黏结能力，能够在土颗粒间生成黏性强的膜状结构，填充土粒孔隙，增强土体胶结力，使颗粒形成团聚体。钠长石、钙长石及钾长石构成石灰改良土的骨架结构，使石灰改良土的物理力学性能明显强于原状土。

在复合改良土中，硅酸锂提供碱性环境，使石灰水化反应加剧，反应过程中消耗大量SiO2使其衍射峰强度降低，并生成新物质Li[AlSi4O10](透锂长石)，Na、Al氧化物等，丰富了生成物的物相种类，有效减少了原状土中游离的离子含量，使颗粒间连接更为紧密；凝胶生成量增多，增加了土颗粒之间的黏结性，提升复合改良土的宏观强度。生成的透锂长石能够大大降低土体的热膨胀系数，使其具有良好的高温稳定性能，有效减少了温度过高导致的土体砂化、内部结构破碎现象的出现，减少了孔隙数量，使结构更加致密。

对比标准养护及冻融循环，可以看出在冻融循环作用下，钠长石、C-A-S-H凝胶等物质的衍射峰强度低且质量分数较小，而SiO2的衍射峰强度及质量分数较高。这主要是由于冻融循环会抑制石灰的水化反应，使SiO2的消耗量减少，水化产物的生成量减少，导致冻融土的强度相对较低。

3.2 SEM分析

3.2.1 微观结构

切取10 mm×10 mm×5 mm试样，暴露自然表面，喷金镀膜后采用QUANTA200仪器进行电子显微镜扫描，获得各试样的SEM照片，如图8～图10所示。

图8 原状土SEM照片Fig.8 SEM images of natural soil

图10 不同养护条件下改良土的SEM照片Fig.10 SEM images of modified soil under different curing conditions

从图8可以看出，原状土呈扁平片状、颗粒状、黏聚体，有清晰可见的孔隙结构，孔隙较大且数量较多，分布紊乱，整体性较差，土颗粒间的附存形态以面面接触或边面接触为主，孔隙形态多样，没有定向排列。

从图9可以看出，纤维表面附着的片状黏土矿物，对纤维产生一定的黏结力和摩擦力，使大量随机分布的纤维在土体中形成网状结构，约束土颗粒的位移和变形，承担土体在荷载作用下的部分拉应力。当土体在轴向应力作用下发生破坏，出现明显的剪切错动面和张拉裂隙时，纤维的拉筋作用能够有效阻碍裂隙进一步发展，增强土体的临界断裂韧度，从而呈现出较高的残余强度。

图9 纤维改良土SEM照片Fig.9 SEM images of fiber modified soil

从图10可以看出，掺加石灰后，部分细小颗粒胶结形成团聚体，有效粒径变大，土体的结构性、整体性得到改善，密实度得到提高。冻融循环作用下部分结构发生破坏，有破损土粒出现。钠长石、C-A-S-H凝胶、Li[AlSi4O10]等水化物质填充进土粒孔隙，使土中扁平片状、颗粒状结构物质减少，改良了土体的孔隙结构，使其具有较好的板体性和刚性。这些水化产物可附着在聚丙烯纤维表面，提升纤维与土颗粒间的胶结作用，也可填充进纤维与土体间的孔隙，提升改良土的密实性以及纤维在内部结构中的骨架作用。

3.2.2 孔隙数据

采用Image-Pro Plus 6.0软件对SEM照片进行数字化处理。进行图像采集时，选取亮度和对比度差别不大的区域，采用相同的图像处理和数据提取方法，使人为差异最小。SEM照片处理步骤如下：

(1)将照片转换为标准尺寸；

(2)选用histeq函数实现直方图均衡化来增强图像的亮度对比度；

(3)利用medfilt2函数进行中值滤波，选取3×3卷积模板对图像进行降噪处理；

(4)采用基于极小值标记的分水岭分割算法来进行二值化处理；

(5)获取天然孔隙率下的RGB(R：red,G:green,B:blue)颜色系统参数。

调整RGB颜色系统，使所选框区域中的深色面积占总面积的比值与原状土孔隙率44.39%相一致，得到RGB颜色系统数值R：0～67,G：0～67,B：0～67。

将数值导入改良土的RGB颜色系统中进行图像处理，得到土体孔隙相关参数，如表5所示。

表5 原状土和不同养护条件下改良土的孔隙相关参数Table 5 Porosity related parameters of natural soil and modified soil under different curing conditions

由表5可以看出：在标准养护条件下，增掺石灰及硅酸锂后土体孔隙率大幅度下降，分别由原状土的44.39%下降至24.04%、21.73%，降幅分别为45.84%、51.05%；冻融循环条件下，石灰改良土和复合改良土的孔隙率分别降为41.98%、29.99%，下降幅度较低。孔隙面积均值下降明显，石灰改良土由231.49 μm2降至81 μm2以下，降幅超过65%，在增掺硅酸锂后，又有30%以上的降幅。可见水化产物是土体孔隙率及孔隙面积均值下降的主要原因，冻融循环阻碍了石灰的水化反应，因此降幅较低，标准养护环境以及增掺硅酸锂后提供的碱性环境能够促进水化反应的进行，加大孔隙率的下降幅度。

增掺石灰及硅酸锂使孔隙直径不断减小，分别下降30%、43%以上，这表明水化产物的有效物质填充了土粒孔隙，使大孔隙减少，土体的结构性、整体性得到改善。对于同类土，标准养护条件下的孔隙直径小，但养护环境对于孔隙直径的影响小于增掺硅酸锂的影响。

孔径分形维数存在一定幅度的降低，但变化量较小，说明水化产物的填充改变了土体的孔隙结构，但都是微调整。这表明原状土颗粒间相互交叉，孔隙轮廓线较为复杂，在掺加改良剂后，生成的水化产物填平了孔隙中部分不平整的内壁，孔隙轮廓变得简单，因此孔径分形维数出现一定下降。

4 结 论

(1)设计了试样配比，确定复合改良土的最佳配合比：硅酸锂掺量为3%(质量分数)，石灰掺量为6%(质量分数)，聚丙烯纤维掺量为0.4%(质量分数)，纤维长度为12 mm。

(2)比较了试样的变形破坏特征，纤维改良土与石灰改良土的破坏特征相似，呈“塑性鼓胀型破坏”，出现明显的剪切破裂面，裂隙宽大且上下贯通；复合改良土呈“延性破坏”，试样表面出现细短而分散的裂纹，上表层部分碎成小土粒，由于纤维的连接作用，并未脱落。

(3)进行了冻融循环试验，确定了增掺硅酸锂可以大幅提升石灰改良土的初期抗压强度，虽然随着养护龄期的增加，会出现短暂的强度下降，但总体来说，不论标准养护还是冻融循环环境，硅酸锂都起到了增强剂的作用，与同种养护条件下的石灰改良土最大强度值相比，分别提升了130.64%(冻融循环第28天)、94.37%(标准养护第60天)。聚丙烯纤维能够起到拉扯效果，使试件在一定位移段内承受较大的试验力，呈现较高的残余强度。

(4)硅酸锂碱性环境能使石灰水化反应加剧，生成钠长石、C-A-S-H凝胶、Li[AlSi4O10]等新物质，丰富了生成物的物相种类，提升复合改良土的宏观强度。

(5)增掺石灰及硅酸锂后土体孔隙相关参数下降，在标准养护7 d的条件下，石灰改良土与复合改良土土孔隙率降幅分别为45.84%、51.05%，孔隙面积降幅超过65%。水化产物的生成是土体孔隙相关参数下降的主要原因，良好的养护环境及碱性环境能够促进水化反应的进行，加大孔隙参数下降幅度，有效提升改良土的无侧限抗压强度。