水泥、粉煤灰改良细砂土的工程特性与改良机理

张桂荣，罗紫婧，邵 勇，占鑫杰，王 芳

(1.水文水资源与水利工程科学国家重点实验室 南京水利科学研究院， 江苏 南京 210024； 2.江苏省水利工程建设管理局， 江苏 南京 210029)

细砂土具有级配不良、黏聚力小、渗透系数大等特点，用作堤防填筑材料时存在一些问题，如滑弧稳定、渗流稳定、抗冲刷稳定问题等。实际上，由于一些堤段筑堤缺乏黏土料，经常需要就地利用粉土、砂土来筑堤。就近取土用以修筑堤防，尽量避免占用耕地资源，减少对自然环境的破坏，符合环境友好型社会建设理念。因此，探索一种合理可行的改良细砂土筑堤技术一直是国内外学者关注的热点[1]。

细砂改良的思路主要是提高细砂的黏聚力，弥补细砂料中粉粒组(0.075 mm～0.005 mm)和黏粒组(<0.005 mm)含量不足，有效提高其压实度与抗冲刷能力、降低其渗透系数等。目前，对细砂土的改良主要有物理与化学两种方法。其中，水泥和粉煤灰是常用的化学改良剂[2]。雷杰等[3]对水泥改良粉细砂在干湿环境下的力学性能进行了试验研究，了解了改良粉细砂在不同环境下的工程特性。武庆祥等[4]使用石灰、水泥改良粉土，实验表明这两种改良剂对粉土均有较好的改良效果，且水泥对改良土的强度提高效果要优于石灰。董城等[5]利用动三轴试验，研究了水泥改良高液限黏土动态回弹模量的影响因素及其变化规律。张笑峰等[6]采用正交试验设计分析了不同粉煤灰、石灰掺量，纤维掺量与纤维长度对改良土的抗剪强度与压缩性等工程特性的影响。Pathan等[7]使用来自不同电厂的5种粉煤灰作为改良剂改良砂土，发现粉煤灰具有有效提高砂土持水能力和土壤导水率的作用。Gangloff等[8]通过研究发现，使用粉煤灰作为改良剂施加在砂土表层可大幅度降低入渗率和提高土壤含水率。Yunusa等[9]通过实验研究，结果表明粉煤灰作为改良剂，可以降低砂土的水力传导度，同时提高土壤中的含水率。

上述研究表明添加水泥确实可以在一定程度上提高细砂土的强度，且水泥稳定土的强度一般与养护时间成正相关，但其增加速率则不确定。粉煤灰作为改良剂改良砂土可以有效降低水力传导度和入渗率，增加土壤含水率。采用水泥和粉煤灰的混合体对细砂土进行改良，将进一步有效地提高其工程性能。为了研究其效果，本试验采用单独添加水泥、单独添加粉煤灰、同时添加水泥和粉煤灰对砂土进行改良。根据水泥、粉煤灰的掺入比、养护时间等分析改良土的物理力学性质，得出了最佳的改良方案，同时还深入分析了水泥、粉煤灰改良砂土的改良机理。研究成果为水泥和粉煤灰改良砂土的进一步研究和应用提供了一定的参考依据。

1 细砂土改良试验方案

1.1 试验材料

试验土样取自实际工程(某堤防除险加固工程) 中需改良的细砂土，天然干密度在1.46 g/cm3～1.53 g/cm3之间，平均值为1.50 g/cm3，细砂的粒径累计曲线见图1。

图1细砂粒径累计曲线

研究区域土样颗粒粒径在0.075 mm～0.250 mm范围内的占91.6%，根据《公路土工试验规程》[10](JTG E40—2007)可知，属细砂；不均匀系数Cu=1.6<5，表明研究区域细砂颗粒均匀，级配不良。

根据轻型击实试验，得到研究区域细砂的最佳含水率约为20.0%，最大干密度为1.56 g/cm3。通过直接剪切试验得到研究区域细砂的黏聚力c=7 kPa，内摩擦角φ=31.1°。

1.2 试验过程

针对人工制备样单独添加水泥方案(掺入量2%、4%)，单独添加粉煤灰方案(掺入量6%、8%)，同时添加水泥和粉煤灰方案(水泥掺入量2%、4%，粉煤灰掺入量6%、8%)，开展改良初步试验(击实、渗透、无侧限抗压强度、直剪快剪)，根据试验结果，优化改良方案，进行改良砂土不同龄期(7 d、14 d、28 d)的比对试验(渗透、无侧限抗压强度)，分析并揭示水泥、粉煤灰不同掺量及其组合掺量下改良砂土的渗透系数与强度变化规律。

1.2.1 改良土的击实试验

改良土的击实试验根据《土工试验规程》[11](SL 237—1999)进行，首先将烘干纯砂与粉煤灰或水泥充分搅拌，然后添加规定数量的水，再充分拌合。试料需闷料3 h后，再进行击实；改良剂为粉煤灰和水泥时，则在粉煤灰土拌合闷料3 h后再加入水泥，并在1 h内击实成型；改良剂为水泥时，直接将水泥与纯砂拌合均匀后，加入所需的水，进行击实。

试验采用轻型击实法，单位体积击实功能为592.2 kJ/m3。击实后，齐筒顶削平试样，称量，再用推土器推出筒内试样，从试样中心取样测其含水率，计算绘图。

1.2.2 渗透试验

渗透试验根据《土工试验规程》[11](SL 237—1999)进行。将待用料配制成一定含水率的试料，按最大干密度的94%用击样法直接制备在渗透环刀内，养护至规定龄期，采用真空抽气法饱和。

1.2.3 无侧限抗压强度试验

无侧限抗压强度试验根据《土工试验规程》[11](SL 237—1999)进行。本次试验中采用烘干试料，通过击实试验求得试料的最优含水率后，再按此最优含水率备样，静压法制备4个试样，试样尺寸为Ф39.1 mm×80 mm。最后将制备好的试样进行养护至规定龄期后进行试验，剪切速率为1.2 mm/min。

1.2.4 直剪试验

直剪试验根据《土工试验规程》[11](SL 237—1999)规定的方法，利用四联直剪仪进行试验。试样为人工制备，控制干密度为最大干密度的94%。直剪试样尺寸为Ф61.8 mm×20 mm，采用真空抽气法饱和。剪切速率为0.8 mm/min。

2 试验结果及分析

2.1 改良土的击实试验

依照试验方案进行不同配比改良土击实试验，8组不同添加材料不同配比的细砂改良土击实试验曲线见图2。利用图2得到了改良砂土的最大干密度和最佳含水率。图2表明随着含水率增加，改良砂土的干密度先增加后减小。在2种添加料和8种配比中，添加6%水泥+8%粉煤灰时，得到的最大干密度最大，为1.62 g/cm3，对应的最佳含水率约为17.8%。仅添加2%的水泥或仅添加6%的粉煤灰对提高其压实特性的效果并不明显，其最大干密度仅为1.57 g/cm3，略大于纯砂土的最大干密度1.56 g/cm3。

另外，在试验中发现：如果与改良剂拌合后的砂土没有在规定的时间里压实，改良剂发生化学反应所生成的胶结颗粒就会变成砂粒状，这个时候就算补充击实，也无法达到想要的压实效果。改良砂土的干密度与其拌合和击实试验之间的间隔时间呈正相关，间隔时间过长对压实土强度的稳定有不利影响。当改良剂为粉煤灰时，这一现象更加明显。因此，应在改良砂土的含水率比最优含水率稍微高一些时就及时进行压实，以使改良砂土达到最大干密度。

图2细砂改良土干密度和含水率击实试验曲线

2.2 渗透试验和力学强度试验

2.2.1 初始细砂改良方案

试验结果见表1。

表1 改良土渗透系数与强度试验成果(3d龄期)

由表1可以得出：就渗透系数而言，3 d龄期时掺粉煤灰的改良效果比单独掺水泥的效果好，粉煤灰掺量引起的差异不大；从力学强度角度分析，掺水泥的改良效果好于掺粉煤灰的效果，且水泥掺量越大，无侧限抗压强度和黏聚力提高越明显，但对土体内摩擦角的影响非常小。

2.2.2 优化细砂改良方案

根据初始改良方案的试验结果，优选细砂改良方案，选择4%的水泥掺量，2%水泥+6%粉煤灰，4%水泥+6%粉煤灰这3种组合的改良剂进行不同龄期(7 d、14 d、28 d)的比对试验(渗透、无侧限抗压强度)。在恒定压实度(94%)下对改良土养护7 d、14 d、28 d，再分别进行渗透试验和无侧限抗压强度试验，试验结果见表2和图3。

表2 改良土物理力学特性随龄期变化的土工试验成果

从图3可以看出：随着龄期增加，细砂改良土的无侧限抗压强度明显增加，渗透系数在养护早期降低较快，随后降幅趋于平缓。

图3 改良土渗透系数和无侧限抗压强度随龄期的变化规律

由图3(a)可以看出：对改良土而言，在水泥掺量一定(4%)的情况下，掺入粉煤灰可以大幅度降低渗透系数，28 d龄期的改良土渗透系数降低幅度为130%；而在粉煤灰掺量一定(6%)的情况下，28 d龄期时不同水泥掺量的改良土渗透系数基本一致。

由图3(b)可以看出：在水泥掺量一定(4%)的情况下，掺入粉煤灰，28 d龄期改良土的无侧限抗压强度增幅约为118%；而保持粉煤灰掺量不变(6%)，增加水泥的掺量，28 d龄期的改良土无侧限抗压强度提高更加明显，增幅约为235%。

结合图3(a)和图3(b)可以得出：水泥作为改良剂改良土体以提高其力学性能为主，而粉煤灰作为改良剂以改善土体的渗透性能为主。两者相结合，可以同时实现提高土体的力学性能和降低土体的渗透系数。

3 细砂土改良机理分析

从颗粒级配、力学强度与渗透特性三个方面分析水泥、粉煤灰对细砂土的改良机理。

3.1 颗粒级配改良机理

研究区细砂颗粒均匀，主要为细砂颗粒(0.075 mm～0.250 mm)，缺少粉粒组(0.075 mm～0.005 mm)和黏粒组(<0.005 mm)，通过添加水泥和粉煤灰改良其颗粒级配，从而提高砂土的物理力学特性。

水泥颗粒粒径在0.075 mm～0.005 mm之间和<0.005 mm的含量各50%；粉煤灰颗粒粒径>0.075 mm的占6.0%，在0.075 mm～0.050 mm之间的占8.5%，在0.050 mm～0.005 mm之间的占73.7%，粒径<0.005 mm的占11.8%。分别添加4%的水泥、2%水泥+6%粉煤灰、4%水泥+6%粉煤灰时，改良土粒径小于0.075 mm的颗粒含量由4.6%分别提升至8.3%、11.3%和12.9%，弥补细砂中粉粒组(0.075 mm～0.005 mm)和黏粒组(<0.005 mm)含量的不足，有效提高了改良土的压实度与力学性能。

3.2 力学强度增长机理

水泥作为改良剂改良砂土以提高其力学性能为主。改良砂土中水泥主要发生离子交换和凝结硬化反应，能将土颗粒迅速凝聚，改善土质，形成改良土的初期强度[12-13]。同时，水泥颗粒充填砂土内部的孔隙形成团粒骨架结构，这种结构的单粒微团粒和团聚体相互接触形成骨架状，微团粒多位于或充填于团聚体之间，颗粒间的孔隙被填充，提高了改良砂土的整体强度。另外改良砂土中通过水泥水化反应生成具有强吸附性的Ca(OH)2，Ca(OH)2又能不断地与CO2反应生成CaCO3，使得土颗粒胶结形成粗粒化作用。这些新生成的化合物在水和空气中逐渐硬化，增大了改良砂土的强度[14]。

粉煤灰中含有的活性SiO2和活性Al2O3能与Ca(OH)2在常温下发生化学反应，生成的胶结物包含晶体氢氧化钙和含水硅铝酸钙等物质，这些物质逐渐由胶凝状态转化为晶体化状态，有效提高了改良土的刚度、强度和水稳定性。

作为一种高活性土体改良剂，粉煤灰的颗粒粒径小、结构性差、性质不稳定，所以通常需要和石灰或者水泥一起使用，以激发其活性。故在本工程细砂土改良中，推荐方案为水泥和粉煤灰组合改良方案。

3.3 渗透特性改良机理

细砂土的颗粒粒径较大，形成的土体孔隙结构以大通气孔隙为主，且结构松散，又多为直孔，水在其中流动较为容易，水分传导性高。粉煤灰和水泥的颗粒较砂土颗粒细，充填到其中能有效地降低通气孔隙的比例，增加砂土的混合性，降低渗透率，并改善保水性。

粉煤灰是燃煤电厂排出的主要固体废弃物，在高温状态下产生的熔融体中存在Al2O3-SiO2等二元体系，随温度降低，形成结晶质的石英、莫来石，其它不稳定的则形成非晶态的玻璃体[15]。这些细小的玻璃质颗粒表面积大，呈多孔型蜂窝状，表面吸附能力较强，可以吸附土体中的水分，阻碍水分运动，从而降低了改良砂土的渗透能力。

4 结 论

本文以某堤防除险加固工程研究项目为工程实例，利用大量室内试验研究了水泥、粉煤灰改良细砂土的物理力学特性，取得的主要研究成果如下：

(1) 水泥和粉煤灰有效弥补了细砂中粉粒组和粘粒组含量的不足。分别添加4%的水泥、2%水泥+6%粉煤灰、4%水泥+6%粉煤灰时，改良土粒径小于0.075 mm的颗粒含量由4.6%分别提升至8.3%、11.3%和12.9%，有效改良了改良土的级配，提高了改良砂土的压实度与力学性能。

(2) 改良细砂土的干密度随着含水率的增加先增加后减小。添加6%水泥+8%粉煤灰时，得到的最大干密度最大，为1.62 g/cm3，对应的最佳含水率约为17.8%。仅添加2%的水泥或仅添加6%的粉煤灰对提高其压实特性效果并不明显。

(3) 在水泥掺量一定(4%)的情况下，提高粉煤灰的掺量可以大幅降低改良土的渗透系数和提高无侧限抗压强度，改良土(28 d)渗透系数降幅为130%，无侧限抗压强度增幅约为118%；保持粉煤灰掺量不变(6%)，增加水泥的掺量，改良土(28 d)无侧限抗压强度增幅约为235%，渗透系数降低约6.9%。这一结果表明水泥作为改良剂改良土体以提高其力学性能为主，而粉煤灰作为改良剂以改善土体的渗透性能为主。