水泥硅微粉改良黄土的抗剪强度试验研究

葛 菲，巨玉文，蒋宗耀，张伟龙

(太原理工大学建筑与土木工程学院，太原 030024)

亚洲板块是世界上黄土分布最广的地区，在中国黄土主要集中分布在黄土高原。改良黄土的强度与黄土地域边坡和公路路堤的安全性和稳定性息息相关。黄土具有湿陷性，故不能直接作为工程土应用，必须对其加以技术处理，以满足不同工程实际要求。

中国在不良土质的改良处理研究方面与日本、欧美等差距较大，自主研发的改良剂种类较少，对土质的改良理论及技术方面还有待创新和加强。近几年，中国在土壤改良方面也先后取得了一系列研究成果，如兰州大学自主研发出的SH新型高分子材料固化剂，武汉水利电力大学研制出的HEC新型土体固化剂等，也吸引了诸多学者对其在改良土方面进行抗压强度、抗剪强度和渗透试验等分析研究[1-8]，而且其中一些产品已经在实际工程建设中得到应用。当前阶段，中国对土壤固化剂的研究大部分集中在无机材料方面，并取得了很大的进展，以水泥熟料、石灰、粉煤灰、硅灰、工业废渣等为主要原料，通过添加其他材料制备土壤固化剂的研究越来越多[9-12]。与硅灰不同，硅微粉是以天然石英或熔融石英为原材料，经过分拣、破碎、研磨、浮选、酸洗净化、高纯水处理等多道工艺制成的二氧化硅粉体材料，一般为白色。

李宏波等[13-14]将硅微粉掺入盐渍土和粉砂土中极大地提高了其抗剪强度；瞿瑜等[15-16]通过三轴试验和无侧限抗压试验研究了水泥、硅微粉固化黄土的强度变化规律，结果表明：硅微粉和水泥双因素作用下对提高黄土的抗剪强度和抗压强度起到了极大的影响。但是在硅微粉和水泥对黄土强度的影响方面报道较少。在实际工程中，直剪试验的操作相对简便且耗时较少所以应用较多。故现将水泥和硅微粉掺入黄土并进行直剪试验，分析试验结果并得出其最优掺入比和不同因素对改良黄土强度的作用，为黄土改良在工程中的应用提供更多参考。

1 试验部分

1.1 试验材料

硅微粉产自河北京航矿产品有限公司，其成分见表1；水泥选用太原生产的强度等级为42.5的普通硅酸盐水泥；试验用黄土为山西太原地区黄土，其主要物理力学参数见表2。

表1 硅微粉化学成分Table 1 Chemical constituents of silicon powder

表2 黄土的主要物理力学参数Table 2 Main physical and mechanical parameters of loess

1.2 试验方案

试验前先将黄土在烘箱中烘至恒量，并过孔径2 mm的筛，过筛后将其密封储存在塑料箱中备用。选择水泥和硅微粉固化黄土，开展不同掺量条件下的抗剪强度试验：水泥掺入比分别控制在3%、5%、7%，硅微粉掺入比取5%、10%、15%。标号中的前项代表水泥掺入比，后项代表硅微粉掺入比，例如“3-5”代表水泥和硅微粉的掺入比分别为3%、5%。材料配比见表3。

1.3 试件制备与试验

黄土过筛后，根据材料配比方案，将计算和称量好的改良剂加入并搅拌均匀，然后将水倒入混合材料中，加水后搅拌的时间不超过20 min。根据试验规程采用静压法，制作直径为6.18 cm、高为2.0 cm的圆柱体直剪试样，压实度控制在95%。经过24 h后，将试件脱模后标号并用保鲜膜或保鲜袋密封，然后将试件放入标准养护箱中养护。达到规定养护期后，采用快剪的方式分别对直剪盒内的土样施加100、200、300、400 kPa的垂直压力进行剪切，并记录量力环的读数。试验仪器为南京生产的EDJ-1型电动等应变直剪仪。1～4组只制作龄期为7 d的试件，5～16组制作龄期为7 d和28 d的两种试件，共28组，每组需12个试件。

表3 试验配比方案Table 3 Test proportion scheme

2 试验结果与分析

2.1 试验结果

水泥、硅微粉改良土两种龄期的试件由直剪试验测得的数据见表4。其中一些试件(如7-5)的强度值太高，由于仪器量程的限制导致无法测得结果，造成了数据的缺失。

表4 改良土抗剪强度指标Table 4 Shear strength index of improved soil

注：c为黏聚力，φ为内摩擦角。

2.2 单因素作用对抗剪强度的影响

由表4可以看出：

(1)单掺硅微粉时，硅微粉掺入比越高，改良土的黏聚力和内摩擦角越大，但增长率较低。针对其分析认为，硅微粉的化学性质稳定，较难和其他材料产生胶凝反应，分散度也较高，故仅掺硅微粉无法使黄土抗剪强度明显增强。

(2)单掺水泥时，水泥掺入比越高，改良土的黏聚力增长越快。其中5%水泥掺量的改良黄土黏聚力值达到了素黄土的11.5倍，表明水泥对提高黄土抗剪强度有良好的成效。原因在于水泥和土体中的CaO发生水化作用，生成的胶凝物质填充在土体结构的孔隙中，使土体内部的联结逐步加强。

2.3 双因素作用对抗剪强度的影响

通过表4可知：

(1)水泥掺入比和养护龄期不变时，在水泥黄土中掺入硅微粉可以大幅度地提高固化黄土的黏聚力，比仅掺加水泥时的效果显著，而相应的内摩擦角随着其掺入比的提高则先上升后下降。随着硅微粉掺入比的提高，其中的CaO可以与水泥不断水化，水泥固化土的黏聚力随之呈现上升趋势。一方面是因为硅微粉的火山灰反应逐渐强化，生成的水化硅酸钙胶凝产物不断增加；另一方面促进了水泥水化进程，同时提高了水泥石的强度。

(2)龄期为7 d、水泥掺入比为3%时，当硅微粉掺量从0%提高到15%时，固化黄土的黏聚力值增加了712.38 kPa，增长了11.58倍；当硅微粉掺量从0提高到5%时，内摩擦角增加了8.76%；当硅微粉掺量从5%提高到15%时，内摩擦角降低了45.27%。水泥掺入比为5%不变时，当硅微粉掺量从0提高到15%时，固化黄土的黏聚力增加了1 432.92 kPa，增长了6.75倍；当硅微粉掺量从0提高到5%时，内摩擦角增加了5.14%，当硅微粉掺量从5%提高到15%时，内摩擦角降低了46.20%。

(3)龄期为28 d，水泥掺入比为3%不变时，当硅微粉掺量从0%提高到15%时，固化黄土的黏聚力从276.75 kPa增加到974.78 kPa，增加了698.03 kPa，增长了2.52倍；当硅微粉掺量从0提高到5%时，内摩擦角增加了10.35%，当硅微粉掺量从5%提高到15%时，内摩擦角降低了39.20%。说明硅微粉极大地提升了黄土的黏聚力，且前期增长较快，后期增长幅度有所减缓。

观察图1可发现：

图1 不同垂直应力下改良土7 d 0-0和7 d 3-xx的应力-位移曲线Fig.1 Stress-displacement curves of 7 d 0-0 and 7 d 3-xx improved soils under different vertical stresses

(1)水泥掺入比为3%，垂直应力在100 kPa下，在硅微粉掺量分别为5%、10%、15%时，试件的极限应力相对素土分别提高了1.41倍、6.45倍、7.27倍。表明黄土的极限应力随着硅微粉掺入比的提高有较大的上升。

(2)在400 kPa的垂直应力作用下，水泥掺入比相同的试件3-10和3-15的剪应力与剪切位移曲线极为相似，而且在其他应力作用下也存在相同的情况。因此不难发现，硅微粉掺入比达到10%后，其掺入比对抗剪强度影响削弱，抗剪强度随着其掺入比的提高增长幅度减缓。原因在于过量的硅微粉无法参与反应，硅微粉本身表面的填充系统性能较低且表面积较小，这些颗粒充斥在孔隙中，不利于水泥改良土的抗剪强度的提高，导致硅微粉水泥土强度的增长不明显。

综上所述，硅微粉和水泥双掺对改善黄土抗剪强度效果显著。

2.4 养护龄期对抗剪强度的影响

由图2可见：养护时间从7 d增加到28 d的过程中，改良土的黏聚力急速提升。水泥掺入比为3%时，在硅微粉掺入比分别为5%、10%、15%的条件下，硅微粉水泥土的黏聚力值分别增加了7.97、0.35、0.26倍。其中，硅微粉掺入比为5%时黏聚力增长尤为明显，超过5%时，增长幅度减缓。虽然改良土的内摩擦角随着龄期的增加略有减小，但总体上随着龄期的增加，改良土的抗剪强度有较大增长。

图2 3%水泥掺量下不同龄期时黏聚力与内摩擦角随硅微粉掺量变化的关系Fig.2 Relationship between cohesion and internal friction angle with the variation of silicon micropowder at different ages under 3% cement content

2.5 变形分析

7 d 0-0、7 d 3-10和28 d 3-10固化土在不同垂直应力状态下的应力-位移曲线见图3。从图3(a)中可以看出，素黄土的剪应力-位移关系曲线没有明显的峰值点出现，呈现出应变硬化型且强度较低；在图3(b)与图3(c)中，试件在其变形较小时就出现了明显的破坏点，呈现出了应变软化型且强度很高。由试件7 d 3-10和28 d 3-10的试验数据对照可以发现，两幅图中曲线的基本形态大致相似，且养护时间越长，改良土的抗剪强度提高越多。7d 3-10的试件在不同法向应力条件下，在剪切位移较小(<2.75 mm)时，其应力-位移曲线的关系近似呈线性，为弹性变形阶段。28 d 3-10的试件剪切位移约在2.5 mm之前呈现为弹性变形，相较7 d 3-10略有减小，表明改良土的变形能力与龄期的长度成反比。

图3 7 d 0-0，7 d 3-10和28 d 3-10改良土应力-位移曲线Fig.3 7 d 0-0,7 d 3-10 and 28 d 3-10 improved soil stress-displacement curves

3 结论

(1)在黄土中只掺入硅微粉进行改良对其强度的增强效果不明显。

(2)在水泥改良黄土中掺入硅微粉可大幅度提升其黏聚力，改良土的内摩擦角随着硅微粉掺入比的提高则表现出先升后降的趋势。

(3)硅微粉在水泥改良黄土中的掺入比在10%附近效果最好。

(4)养护龄期越长，改良黄土的抗剪强度越高，故在条件允许的情况下，应尽量延长改良土的养护时间。

(5)素土的变形呈应变硬化型，具有塑性特征；改良黄土的变形能力较差，呈应变软化型。