水泥硅灰固化超盐渍土的抗剪强度试验

李宏波，田军仓，陈文兵，吴振华

(宁夏大学a.土木与水利工程学院;b.宁夏节水灌溉与水资源调控工程技术研究中心;c.旱区现代农业水资源高效利用教育部工程研究中心，银川750021)

0 引言

宁夏各类盐渍土土地3 850 km2，占宁夏土地总面积的7.4%，其中80%左右的盐渍土在北部。在铁路、公路和水利工程的建设中，其基础不可避免地填筑在盐渍土之上，或者利用盐渍土作为填料修筑路基，由于盐渍土的盐胀性和溶陷性危及到工程的安全运营，故工程地基填料的选择和对不良填料的改良关系到工程稳定性及运营的安全性[1]。利用物理、化学及物理化学方法改良固化盐渍土，可提高盐渍土的强度和刚度[2－7]。水泥和石灰掺入各种土中，通过化学作用，可以改良土的工程性能和抗盐碱性[8－12]。

文献[13]试验结果表明，普通水泥中掺入硅灰可显著提高抗硫酸盐侵蚀性能，并且在15%掺量范围内，掺量越大，其抗蚀能力越强;文献[14－16]研究结果表明，硅灰可以提高混凝土中固化氯离子的比例，降低混凝土结构中钢筋的锈蚀概率，再生混凝土中加入矿物掺和料，能够有效地提高再生粗骨料混凝土的抗渗性能;文献[17－18]研究结果表明，碱性激发剂对水泥－锰渣胶凝材料活性的激发效果因品种而异;文献[2，6，12]研究结果表明，适量碱激发矿渣类土后其强度会增强。

前人研究成果都是采用硅灰对混凝土性能的改良，未利用硅灰对盐渍土进行改良。本文为分析硅灰替代水泥对固化盐渍土的抗剪强度影响，通过三轴试验测定其抗剪强度指标，分析了水泥、硅灰掺量对固化超盐渍土的抗剪强度的影响。

1 试验部分

1.1 试验材料

水泥(C)采用宁夏赛马实业股份有限公司生产的赛马牌水泥P.O 32.5。硅灰(SF)产于中通伟业工程材料有限公司，化学成分见表1。盐渍土取自宁夏平罗县姚伏镇，土中可溶性盐组分分析结果见表2;其液限为36.54，塑限为22.2;电导率16.4 S/m，全盐20.96%，pH值8.85，属于超盐渍土。

1.2 试验方案

为研究硅灰不同替代水泥掺量对水泥改良固化盐渍土抗剪强度指标的影响规律，水泥土中水泥(C)掺量一般限制在6%以内。已有研究表明，混凝土中硅灰(SF)替代水泥掺量在10%～18%较佳，本试验中硅灰替代水泥掺量分别为10%、20%、30%，水泥掺量分别为2%、4%、6%，以确定宁夏平罗地区改良固化超盐渍土的最优水泥掺量和硅灰替代水泥掺量。试验方案见表3。

超盐渍土作为铁路、公路路基和渠道地基填料，其施工速度较快，土层较厚，故采用不固结不排水试验。最大干密度和最佳含水量见表4，硅灰掺量较少，对水泥盐渍土最大干密度和最佳含水量的影响较少，采用水泥掺量相同的盐渍土的最佳含水量和最大干密度，按96%压实度每组试验制作8个试块，依照三轴试验规程分别测定计算7、28 d龄期的抗剪强度指标。

表1 硅灰化学成分Table 1 Chemical composition of silica fumewB/%

表2 盐渍土中可溶性盐组分分析结果Table 2 Analysis of soluble salts in saline soilmmol/kg

表3 试验方案Table 3 Experiment schemewB/%

表4 水泥盐渍土的最佳含水量与最大干密度Table 4 Correlation of optimum water content with maximum dry density of salinized soil groups

2 试验结果与分析

2.1 抗剪强度分析

2.1.17 d龄期抗剪强度分析7 d龄期试块的三轴试验结果见表5。其中，C6SF30试样在养护3 d后，发生了自然开裂破坏(图1)，其余试样未发生破坏。

图1 试样C6SF30自然开裂破坏形貌Fig.1 Natural crack morphology of C6SF30

由表5可知，7 d龄期固化超盐渍土的摩擦角和粘聚力随着水泥掺量的增加而增加。从图2、图3可以看出:(1)当水泥掺量为2%，硅灰替代量由0增加到30%时，粘聚力呈先增大后减小的趋势，最大增幅为9.2%;摩擦角呈增大趋势，最大增幅为118.9%。(2)当水泥掺量为4%，硅灰替代量由0增加到30%时，粘聚力呈先减小后增大的趋势，最大增幅为19.52%;摩擦角呈减小趋势，最大降幅为13.4%。(3)当水泥掺量为6%，硅灰替代量由0增加到20%时，粘聚力呈增大趋势，最大增幅为32.9%;摩擦角呈减小趋势，最大降幅为23.3%。

根据水泥硅灰固化盐渍土机理分析，土体强度不是颗粒自身的强度，而是颗粒间的相互作用，由颗粒间摩擦力和粘聚力的大小决定。其中，摩擦力分为滑动摩擦和咬合摩擦，滑动摩擦由颗粒之间发生滑动时颗粒的粗糙接触面产生，咬合摩擦为颗粒间对于相对移动的约束作用，由颗粒的形状和大小、矿物成分、级配等因素决定。对于细粒土的粘聚力c取决于土颗粒间的静电力、范德华力、胶结作用力和毛细力等。固化盐渍土的粘聚力和摩擦角主要取决于水泥和硅灰对土体的胶结作用、形成颗粒形状和大小。

表5 7d龄期抗剪强度指标Table 5 Shear strength index test of 7 d

图2 7d龄期硅灰替代水泥掺量与粘聚力增量的关系Fig.2 Correlation between dosage of cement-fly ash and cohesion in increment age 7 d

图3 7d龄期硅灰替代水泥掺量与摩擦角增量的关系Fig.3 Correlation between dosage of cement-fly ash and friction angle in increment age 7 d

水泥对盐渍土的加固机理有四方面:(1)水泥水化作用，通过其自身的水化作用，生成有胶凝结构的产物;(2)水泥的离子交换作用，水泥的钙离子与土中的钠、氢、钾离子产生离子交换作用，原来的钠钾土变成钙土;(3)化学激发作用，在碱性条件下，Ca(OH)2激发了粘土矿物的活性，将粘土颗粒凝结成整体;(4)碳酸化作用，在土中的Ca(OH)2与空气中的CO2作用生成CaCO3。

硅灰、水泥共同固化机理:硅灰中含有较多的SiO2、Al2O3、CaO等物质，在碱性条件下，与水泥中Ca(OH)2发生火山灰反应，生成水化硅钙凝胶(C—S—H)。随着养护龄期的增加，盐渍土形成结晶结构，盐渍土的板体性、强度和稳定性随之增加。

硅灰和水泥对固化盐渍土的不利影响:一是硅灰和水泥在固化的过程易产生收缩，使得土体产生裂缝;二是盐渍土中硫酸盐吸水结晶体积增大产生盐膨胀，可加剧土体的开裂，不同掺量的水泥和硅灰造成的裂缝和土颗粒不同，直接影响着固化土体的粘聚力和摩擦角。随着水泥和硅灰掺量的增加，上述两种不利结果造成了固化盐渍土的严重开裂(图1)。

综上可知，当水泥掺量为2%时，硅灰的替代掺量在20%较佳;当水泥掺量为4%时，硅灰的替代掺量在10%以内较佳;当水泥掺量为6%时，仅参考粘聚力增量，硅灰的替代掺量在20%以内较佳;当硅灰替代为30%时，由于上述两方面产生裂缝的原因，造成了试样的开裂破坏。故当水泥掺量较高时，可以考虑采用较低硅灰替代掺量。

2.1.2 28d龄期抗剪强度分析28 d龄期试块的三轴试验结果见表6。

表6 28d龄期抗剪强度指标Table 6 Shear strength index test of 28 d

28 d龄期固化超盐渍土的摩擦角和粘聚力随着水泥掺量的增加而增加。由表6、图4和图5得出:(1)水泥掺量为2%，硅灰替代量由0增加到30%时，粘聚力呈先增大后减小的趋势，最大增幅为9.5%;摩擦角呈增大趋势，最大增幅为39.7%。(2)水泥掺量为4%、6%时，随硅灰替代量的增加，粘聚力和摩擦角呈减小趋势。

图4 28d龄期硅灰替代水泥掺量与粘聚力增量的关系Fig.4 Correlation between dosage of cement-fly ash and cohesion in increment age 28 d

图5 28d龄期硅灰替代水泥掺量与摩擦角增量的关系Fig.5 Correlation between dosage of cement-fly ash and friction angle in increment age 28 d

随着龄期和水泥、硅灰掺量的增加，一方面，水泥和硅灰在固化盐渍土的过程中，其收缩裂缝破坏作用突显出来，形成的裂缝增多变宽，土颗粒成块变小，造成粘聚力和摩擦角随着水泥硅灰掺量的增加而减小;另一方面，随着龄期的增加，水泥和硅灰对土颗粒固化作用的放缓，而硫酸盐生成量增加，其体积膨胀可增大1.5～3倍，形成较强的膨胀力，造成粘聚力和摩擦角随着水泥硅灰掺量的增加而减小。故在利用硅灰和水泥改善盐渍土时，当水泥掺量在2%时，硅灰掺量采用10%替代量为佳，当水泥掺量增加时，要相应减少硅灰的替代掺量。

2.2 试样盐析出形貌分析

图6为C2SF10试样试验破坏形貌，试样外表有明显灰白色的盐结皮、盐霜等特征;图7为C4SF10试样试验的破坏形貌，试样外表有少量盐结皮和较少的盐霜现象;图8为C6SF10试样试验的破坏形貌，试样外表盐结皮消除，存在少量盐霜现象。可见，水泥和硅灰掺量的增加，可以降低和抑制固化盐渍土中盐分的析出，故能有效地减少盐渍土地基对混凝土基础或者构造物的盐腐蚀病害。在实际工程中改良超盐渍土，可通过提高水泥掺量和采用适当的硅灰替代水泥掺量降低工程盐腐蚀病害。

图6 C2SF10试样试验破坏形貌Fig.6 Damage morphology of C2SF10

图7 C4SF10试样试验破坏形貌Fig.7 Damage morphology of C4SF10

图8 C6SF10试样试验破坏形貌Fig.8 Damage morphology of C6SF10

3 结论

通过试验对7、28 d龄期水泥硅灰固化超盐渍土的抗剪强度分析可以得出以下结论:

(1)7 d龄期固化超盐渍土的摩擦角和粘聚力随着水泥掺量的增加而增加。当水泥掺量为2%时，硅灰的替代掺量在20%较佳;当水泥掺量为4%时，硅灰的替代掺量在10%以内较佳;当水泥掺量为6%时，仅参考粘聚力增量，硅灰的替代掺量在20%以内较佳。

(2)28 d龄期固化超盐渍土，在利用硅灰和水泥改善盐渍土，当水泥掺量在2%时，硅灰掺量采用10%替代量为佳，当水泥掺量增加时，要相应减少硅灰的替代掺量。

(3)水泥和硅灰可以降低和抑制固化盐渍土中盐分的析出，故能有效减少盐渍土地基对混凝土基础或者构造物的盐腐蚀病害。在实际工程中改良超盐渍土，可通过提高水泥掺量和采用适当的硅灰替代水泥掺量降低工程盐腐蚀病害。

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