石英粉对抗疏力固化剂改良黄土力学性能的影响

田 威，张旭东，贾 能，李 腾，许尚杰

(1. 长安大学建筑工程学院，陕西西安 710061； 2. 日喀则市水利局，西藏日喀则 875000)

0 引 言

黄土在中国分布广泛，约占全国土地面积的6.6%。随着西部大开发和一带一路的推进，西北部黄土地区铁路及高速公路的建设发展迅猛，在天然石料缺乏的情况下，黄土常被用作各类路基的填料。由于黄土本身具有大孔隙[1]、粒间结构弱胶结[2]和湿陷性特征[3]，难以满足工程路基的使用要求，一般要经过物理或化学、生物改良后才能使用[4-5]。

黄土物理改良对工程环境影响较大，生物法虽然有其环境友好的优越性，但工程耐久性不足。因此，研究人员把目光多锁定在化学类固化剂对黄土性能改良的相关研究上。现今中国工程中应用较多的化学类固化剂如美国的EN-1有机高分子ISS离子型固化剂[6]、日本的Aught-set高性能固化剂[7]以及中国规范建议的水泥、石灰和粉煤灰无机矿物型固化剂[8]等，对黄土的工程性质都有较好改善作用，但也存在如水稳性较差和环境污染的问题。

鉴于此，具有环境友好型的有机高分子固化材料逐渐被关注，其中抗疏力固化剂由于其工程便捷性、经济性和效果稳定性，已被中国学者引用至软土路基固化的研究中，并初步推广至黄土路基[9-18]。抗疏力固化剂是一种一端带有亲水分子，另一端带有憎水分子的有机高分子材料，包括水剂SOLODRY(SD)和粉剂CONSOLID444(C444)，其主要功能是可以加速土壤的再石化过程，降低工程使用期地表水对软土路基的侵蚀作用，缩短工期。

针对抗疏力固化剂的黄土改良，中国学者对其作用机制开展了相关研究。例如，张虎元等[15]、林澄斌[16]确定了抗疏力固化剂改良兰州黄土的最佳配比为2.5%；指出了改良后黄土的抗压强度增大，并且抗压强度改良效果优于石灰改良后的黄土。尹磊等[17]提出抗疏力固化剂对路基基层材料的力学性能有明显提升效果,具有广泛的工程应用前景。彭宇等[18]进一步确定了抗疏力固化剂不与土体颗粒发生化学反应，主要通过细小颗粒(粒径r≤0.075 mm)的凝聚来改变土体颗粒级配，从而提高结构强度。

针对颗粒级配对土体强度的影响，不同学者[19-25]虽然都指出土体内摩擦角、黏聚力与颗粒级配有很大关系，但结论尚未统一。例如，一些学者[19-21]指出，随着土中粗颗粒粒径(r>5 mm)的增加，土的黏聚力增长，内摩擦角线性增大，土体强度值增高；另一些学者[21-25]指出，可通过添加细颗粒，如掺入2 000目超细微硅粉、纳米二氧化硅、纳米碳酸钙等，使黄土的黏聚力显著增加，内摩擦角缓慢增加，土体强度值增高。

基于此，本文使用与黄土主成分一致的石英粉(造景废砂)为原料，通过单轴抗压的方式研究在抗疏力固化剂改良土中掺入不同细度的石英粉对其改良效果的影响，并确定抗疏力固化剂和石英粉的最佳配比及其复合改良效果，为黄土路基工程的固化提供有指导意义的参数值。

1 试验材料与方法

1.1 试验材料

试验所用土采自西安市高新区某工地基坑，为Q3黄土，原状土呈黄褐色，基本物理性能见表1。

表1 原状黄土的基本物理性能Tab.1 Basic Physical Properties of Undisturbed Loess

所选SD-C444抗疏力固化剂为瑞士Consolid AG公司产品。

1.2 试验方案

本次试验分击实试验、单轴抗压试验和扫描电镜三部分。

(1)分别对每个抗疏力固化剂掺量试样进行击实试验，试验方案见表2。

(2)先通过单掺抗疏力固化剂的单轴抗压试验确定抗疏力固化剂的最佳掺量；再通过不同目数、不同掺量石英粉的单轴抗压试验测定石英粉的最优掺量及最佳目数；最后将3种目数下最佳掺量的石英粉分别与各掺量抗疏力固化剂混掺进行单轴抗压试验。试验方案见表3，4，试验总试样为24组。

表2 击实试验方案Tab.2 Compaction Test Scheme

表3 单掺石英粉改良黄土的单轴抗压强度试验方案Tab.3 Uniaxial Compressive Strength Test Scheme of Modified Loess with Single-doped Quartz Powder

表4 双掺抗疏力固化剂和石英粉改良黄土的单轴抗压强度试验方案Tab.4 Uniaxial Compressive Strength Test Scheme of Modified Loess with Double-doped Consolid System and Quartz Powder

1.3 试验方法及试样制备

1.3.1 击实试验

击实试验按照《土工试验方法标准》(GB/T 50123—2019)进行，击实仪选用手动击实仪。试样配比时SD以干粉的形式掺入土中，C444先与水溶液混合后再按照固定比例与土拌合。定义抗疏力固化剂与混合物干重的比率为掺量(质量分数)Rm，例如，Rm=0.5%为1 kg的土和SD混合物中有5 g的SD，根据现有研究成果和生产厂商的建议，取水剂C444与粉剂SD质量配比为1∶25[15]。本次试验参考前人研究结果，取Rm为0%，0.5%，1%，2%，3%。试样按照标准方法充分搅拌浸润24 h后进行击实试验。

1.3.2 单轴抗压试验

单轴抗压试验按照《土工试验方法标准》(GB/T 50123—2019)进行，压力机为长春科新试验仪器有限公司生产的WDW-30型微控电子万能试验机(图1)，最大试验力为30 kN。

图1 WDW-30型压力机

试样直径和高度均为50 mm，每组制备6个试样。试样制好后立即用塑料袋封装并用湿毛巾覆盖，移送养护室。养护温度为18～22 ℃，相对湿度在95%以上。试样制备过程如图2，3所示。单轴压缩试验时按1 mm·min-1位移控制，取峰值强度作为抗压强度。

图2 焖料过程

图3 单轴压缩土样

2 试验结果及讨论

2.1 抗疏力固化剂改良黄土击实试验

试验得出的西安Q3黄土的最大干密度和最优含水率如图4，5所示。

图4 不同抗疏力固化剂掺量改良黄土的最大干密度

图5 不同抗疏力固化剂掺量改良黄土的最优含水率

由图4，5可知：抗疏力固化剂改良西安Q3黄土的最大干密度随固化剂掺量的增加而减小；最优含水率随固化剂掺量的增加而增大。

最优含水率、最大干密度在0.5%～1%之间变化较大，因此试验在配制固化剂掺量为0.5%～1%之间的试样时，通过控制试样养护前后含水率的误差严格控制了整体单轴抗压试验的误差。为了使掺入石英粉前后的2组试验结果具有可对比性，试验中，联合掺入石英粉试样的最大干密度和最优含水率与单掺抗疏力固化剂的最大干密度和最优含水率取相同值。

2.2 抗疏力固化剂改良黄土单轴抗压强度试验

不同抗疏力固化剂掺量下改良黄土的单轴抗压强度和应力-应变曲线见图6，7。

图6 不同抗疏力固化剂掺量改良黄土的单轴抗压强度

图7 不同抗疏力固化剂掺量改良黄土的应力-应变关系

由图6可知：抗疏力固化剂的掺入可以提高黄土的抗压强度，且随着其掺量的增加，改良黄土的强度逐步提高，但在Rm=1%～3%内强度提高率逐步降低，在Rm=2%～3%内强度提高率降低幅度明显。为了提高抗疏力固化剂的利用率，可取2%为抗疏力固化剂改良黄土的最优掺量。

由图7可知：相对于岩石等脆性破坏[26]，素黄土和改良黄土的应力-应变曲线都呈现出塑性破坏特征。素黄土的应力-应变曲线类似于应变软化型，抗疏力固化黄土的应力-应变关系类似于应变硬化型，可见抗疏力固化剂掺入后黄土的塑性变形逐步减小。

本次试验所得抗疏力固化剂掺量与单轴抗压强度的关系与现有研究结果[16]较为一致，且提高后黄土强度为0.199 MPa，提高幅度为10%，这与尹磊等[17]研究结果处于同一量级。可见使用抗疏力固化剂对黄土工程抗压强度改善作用是普适的(无论黄土类型均可以提高其抗压强度)，但是改良黄土的强度提高幅度还有待提高。

2.3 石英粉改良黄土单轴抗压强度试验

为了验证抗疏力改良黄土中掺入石英粉的改良效果，首先在素黄土中掺入不同掺量、不同目数的石英粉进行第一步改良，探索石英粉对黄土强度的影响，试验结果见图8，9。

图8 单轴抗压强度和石英粉掺量的关系

图9 10%石英粉掺量下改良黄土应力-应变关系

由图8可知：40目和200目石英粉的掺量与黄土抗压强度呈正相关关系，而1 000目石英粉的掺入后抗压强度呈先增大后减小的趋势；200目石英粉的掺入对抗压强度提高幅度最大，40目的石英粉次之，1 000目石英粉的掺入对抗压强度的提高幅度最小，甚至会降低黄土强度。

试验中还发现：当石英粉掺量超过10%后，其对黄土的抗压强度提高率开始降低，改良黄土强度缓慢增长，甚至会出现下降的趋势。为了提高石英粉的改良效率，可以取40目和200目石英粉的最优掺量均为10%；在石英粉最优掺量下，200目石英粉改良黄土的单轴抗压强度提高了8.5%；40目的石英粉改良黄土的抗压强度仅提高4.5%，可见石英粉对黄土强度的提高有限。

2.4 抗疏力固化剂和石英粉对改良黄土弹性模量的影响

取应力-应变曲线的直线段斜率近似为改良黄土的弹性模量。通过对图7中改良黄土弹性模量的计算可知：Rm=2%改良黄土的弹性模量为素黄土弹性模量的1.4倍，Rm=2%联合10%的200目石英粉改良黄土的弹性模量为Rm=2%改良黄土弹性模量94%。由此可见，抗疏力固化剂掺入后可以增大黄土弹性模量，但联合掺入200目石英粉后对改良黄土弹性模量影响较小。此外，抗疏力改良黄土在峰值点后强度明显降低，素黄土随着应变的增长可持续承受破坏荷载，说明抗疏力固化剂掺入后可以改善黄土的强度和刚度，但是使抗疏力改良黄土的塑性变形能力降低，增大了改良黄土的脆性。

从图9可以得到：在石英粉为5%和10%的掺量下，40目石英砂改良黄土的弹性模量较200目石英粉改良黄土的弹性模量分别提高43%和23%，200目石英粉改良黄土弹性模量较1 000目石英粉改良黄土弹性模量分别提高93%和47%。可见在石英粉掺量一定的情况下，改良黄土的弹性模量随着石英粉目数的减小而增大。

进一步研究石英粉掺量对黄土弹性模量的影响可以发现：5%掺量下40目、200目和1 000目石英粉改良黄土的弹性模量较素黄土弹性模量分别提高了323%，195%，53%。10%掺量下40目、200目和1 000目石英粉改良黄土的弹性模量较5%掺量下分别提高了47%，71%，53%。可见改良黄土弹性模量随着石英粉掺量的增加而增加，但增速逐渐变缓。

2.5 抗疏力固化剂联合石英粉改良黄土的单轴抗压强度

针对上述试验结果，进一步在抗疏力固化剂改良黄土中掺入10%的200目石英粉，对其进行单轴抗压强度试验，研究石英粉联合抗疏力固化剂的改良效果，试验结果如图10所示。

图10 掺入10%的200目石英粉抗疏力固化剂改良黄土单轴抗压强度

从试验结果可以看出：

(1)掺入石英粉后可以进一步提高抗疏力固化剂改良黄土的单轴抗压强度，且在Rm≤2%时，单轴抗压强度随抗疏力固化剂掺量增长的速率较高，Rm>2%时，抗压强度随抗疏力固化剂掺量增长的速率较低。这与单掺抗疏力固化剂改良黄土的抗压强度随掺量变化规律相似。

(2)掺入10%的200目石英粉后，Rm=1%时，改良黄土的单轴抗压强度提高了10.7%；Rm=2%时，单轴抗压强度提高了16.2%；Rm=3%时，单轴抗压强度提高了17.1%。由此可见，当固化剂的掺量在2%～3%时，强度提高率并没有进一步增加，即可以认为2%的固化剂掺量同样为联合改良的最优掺量。

(3)单掺10%的200目石英粉改良黄土的单轴抗压强度较素黄土提高8.3%，单掺抗疏力固化剂Rm=2%时的单轴抗压强度较素黄土提高9.4%。Rm=2%的抗疏力固化剂联合10%的200目石英粉改良黄土的单轴抗压强度比单掺抗疏力固化剂改良黄土提高16.2%，且比未改良的素黄土单轴抗压强度提高27%。可见在抗疏力固化剂改良黄土中掺入10%的200目石英粉可显著提高黄土强度。

因此，10%的200目石英粉掺入可以系统性放大各掺量下抗疏力固化剂改良黄土的单轴抗压强度，但并未改变抗疏力固化剂的最优掺比，与单掺抗疏力固化剂时的最优掺量一致，为2%。

2.6 扫描电镜试验

为了研究抗疏力固化剂联合石英粉的改良机理，通过500倍的扫描电镜试验分别分析了素黄土、Rm=2%抗疏力固化剂改良黄土以及Rm=2%联合10%的200目石英粉改良黄土的颗粒排列和胶结状态，3种掺量改良黄土的SEM结果如图11～13所示。

图11 素黄土扫描电镜结果

图12 Rm=2%扫描电镜图

图13 Rm=2%联合10%的200目石英粉扫描电镜图

从图11可以看出，素黄土颗粒之间缺少有效的黏结，土颗粒间距较大，孔隙发达且呈连通状态，图像中未出现细颗粒团聚体，且排列松散，呈现为胶结较弱的松散结构。从图12可以看出，单掺抗疏力固化剂改良黄土的土颗粒排列方式主要为点与点的接触，抗疏力固化剂掺入后土体有明显的胶结物生成，将土颗粒黏结在一起。土骨架中也出现土颗粒团聚体，但是土颗粒之间仍然排列较为松散，还有很多孔隙。可见，抗疏力材料增强了土颗粒之间的黏结力，但并未使土样变得更加密实。从图13可以看出，联合改良黄土中200目石英粉的掺入可以大量填充土壤孔隙，使土体变得更加密实。抗疏力固化剂将大量土颗粒包裹起来，并在土颗粒接触的地方形成胶结体，使改良黄土形成一个整体。从部分未被包裹的土颗粒可以看出，土颗粒排列从原来的点与点接触变为镶嵌式的面与面接触，且出现了明显的层状排列结构，增大了土颗粒之间的机械摩擦力。

由此可见，200目石英粉在抗疏力改良黄土过程中起到了提供胶结原材料的作用，其改良机理见图14。

图14解释了200目石英粉和抗疏力固化剂所起到的作用。根据抗疏力固化剂的原理可知，抗疏力固化剂亲水的一端与土颗粒紧密联结，可以使细小土颗粒发生凝聚，产生团聚体，聚集在黄土骨架的接触点，进一步形成土颗粒之间的胶结体。结合上述扫描电镜试验可以发现，原状松散的素黄土黏粒含量较小，难以对黄土骨架土颗粒造成有效的黏聚作用。抗疏力固化剂的掺入可以使黄土中细小颗粒与抗疏力固化剂一起组成胶结体，增加黄土骨架的胶结力。在抗疏力固化剂改良黄土中掺入200目石英粉可以更好地发挥抗疏力固化剂黏聚细小土颗粒的作用，使胶结体充分包裹土颗粒，填堵毛细空隙，从而大幅提高强度。

2.7 改良黄土对内摩擦角的影响

通过掺入不同细度、不同掺量石英粉和不同掺量抗疏力固化剂改良黄土的单轴抗压试验结果发现，土体破坏形态基本上都呈现1条斜裂缝，如图15所示。

图15 土体压坏后破坏形态

土体破裂面与最大主应力面的夹角为45°+φ/2，根据破坏后土体的破裂角可以分析石英粉对黄土内摩擦角的影响。通过测量得知：素黄土的破裂角为49°；掺入5%的40目石英粉后黄土的破裂角扩大为53°，黄土的破裂角较未掺入石英粉提高8.16%；当掺入10%石英粉后，黄土破裂角扩大为58°，破裂角增加了9.4%；当石英粉掺量为15%时，改良黄土破裂角增加为61°，内摩擦角较未掺入石英粉增加了5.17%。

掺入200目的石英粉后，掺量为5%时破裂角为56°，掺量为10%时破裂角为58°，掺量为15%时破裂角为56°，随200目石英粉掺量的增加黄土破裂角变化率仅为3.6%，并没有很大变化。掺入1 000目的石英粉后，5%，10%，15%掺量下的破裂角分别为50°，48°，47°，内摩擦角有少量递减，变化率为-4%～-2%。

由以上结果可知，掺入40目石英粉后可以显著提高黄土的内摩擦角，提高幅度为62.5%～100%。40目石英粉掺量在10%以内时，内摩擦角变化值较小，掺量为10%～15%时，内摩擦角变化值较大；掺入200目和1 000目的石英粉对黄土的内摩擦角改变不大，总体不超过4%。

分析其原因：当40目石英粉掺量小于10%时，石英粉的掺入逐步替代原有黄土颗粒的骨架，使得石英粉和原有黄土骨架成为新的骨架体系，二者相互咬合，从而增大了土体的内摩擦角。当40目石英砂掺量达到10%～15%时，石英粉取代了黄土原有的骨架体系成为主要的骨架体系，这时黄土内摩擦角较之前增加速率较快，其改良机理如图16所示。

图16 掺入40目石英砂后黄土骨架体系变化过程

综上所述，不同细度的石英粉在联合抗疏力固化剂改良黄土过程中扮演着不同的角色，200目石英粉的掺入可以改善土体的黏聚力，从而改善土体的力学性能。40目石英粉掺入后可以改善土体的颗粒级配，提高黄土的内摩擦角，进而改善土体的力学性能。因此，在抗疏力固化剂改良黄土时掺入一定配比的40目、200目石英粉，可以显著提高改良黄土的抗剪强度。

3 结语

(1)抗疏力固化剂适用于西安地区Q3黄土，改良效果较好，最佳掺量为2%。在抗疏力固化剂改良黄土过程中掺入10%的200目石英粉可以提高颗粒间的黏聚力，改善骨架颗粒间的排列方式，系统性放大改良黄土的强度，且在Rm=2%时抗压强度最大，改良效果最佳。

(2)抗疏力固化剂可以改善黄土的强度和刚度，降低黄土的塑性变形能力，增大黄土的脆性；随着石英粉目数的提高，改良黄土的刚度逐步降低，塑性变形能力逐步增加；随着石英粉掺量增加，土样弹性模量逐步增长，但增长速率逐渐变缓。

(3)40目石英砂掺入黄土中可以显著提高黄土的内摩擦角，其内摩擦角随着石英粉目数增加而增加；200目石英粉对黄土内摩擦角影响较小；1 000目石英粉会缓慢降低黄土内摩擦角。施工过程中可以通过试验寻找40目石英粉在具体工程中的最佳配比，从而提高改良黄土强度。