稻壳灰纤维水泥改性盐渍土的力学性能研究与机理分析

戴文亭，刘德浩，司泽华，安 胤，郝如意

(吉林大学，吉林 长春 130022)

0 引言

吉林省西部盐渍土分布广泛，盐渍土中盐类的相态和含量会受到温度和湿度的影响，使盐渍土路基具有不稳定的工程特性[1-2]。针对盐渍土不稳定的工程特性，使用固化剂对盐渍土进行加固提高土体强度，目前利用水泥增强盐渍土路基强度的做法较为普遍[3-5]。但水泥的水化物与土中氯盐反应生成Friedel盐，其强度极低且会抑制作为水泥骨架的水化硅酸钙和水化铝酸钙形成，进而影响水泥固化盐渍土强度，同时土中硫酸盐和碳酸盐与水泥水化物反应所生成的钙矾石(AFT)在吸水膨胀和晶体发育后使水泥加固盐渍土体积发生膨胀，进而降低了水泥土力学性能;另外,水泥水化产生的碳酸钙虽然可以胶结土体并达到较高的强度水平，但是在其破坏时为脆性破坏具有一定安全隐患[6]。因此对水泥加固盐渍土进行改良具有重要意义。

MUSA[13]等提出，稻壳灰作为一种掺入路基土填料可以有效增加路基土强度。MUHAMMAD[14]等研究表明，掺入稻壳灰可以在对黏土进行加固的同时提高其承载能力。李丽华[15]等研究了不同比例稻壳灰混合黏土应力应变和强度特性，结果表明稻壳灰掺量对稻壳灰纤维加固黏土有影响，掺量在10%～15%时的初始切线模量和最大应力值最高。GANESAN[16]等研究了稻壳灰作为水泥掺合组分的最佳替代水平。结果表明，在不影响混凝土强度和渗透性能的情况下，30%的稻壳灰可与水泥有利地混合对其进行加固。

本文使用稻壳灰、聚丙烯纤维对水泥加固盐渍土改良，尝试利用稻壳灰和纤维对水泥加固盐渍土进行化学物理学双项加固，通过进行CBR试验与无侧限抗压强度、劈裂抗拉强度等力学试验探究稻壳灰、聚丙烯纤维对水泥加固盐渍土力学性能的改良效果，并基于XRD和化学式分析对稻壳灰对水泥加固盐渍土改良效果和作用机理进行探讨。

1 试验

1.1 试验材料

采用土样取自吉林省通榆县。本次取土深度为40 cm，最大干密度为1.885 g /cm3，最佳含水率为12.8%。所取原状土液限为33.1%，塑限为12.3%，塑性指数为20.8，属于低液限黏土，易溶盐总量为0.421%，定性为弱盐渍土。土样易溶盐质量分数如表1所示。

表1 土样易溶盐质量分数Table 1 Mass fraction of soluble salt in soil sample土样深度/cm质量分数/%易溶盐分量质量分数/%K++Na+Ca2+Mg2+SO42-CO2-3HCO-3Cl-400.4210.0520.0690.0040.0070.0610.1540.021

选取吉林市某生物质能发电厂在600 ℃～800℃内焚烧的稻壳灰， SiO2的含量为75.65%，其中晶态SiO2和非晶状态SiO2的比例分别为23.15%和52.5%。稻壳灰的化学组成(质量分数)如下:SiO2为75.65%，A2O3为0.66%，K2O为1.52%，CaCO3为11.48%，CaO为2.41%，MgO为1.46%，Fe2O3为2.31%，P2O5为3.56%，SO3为0.86%。

采用P.O42.5水泥，纤维密度为0.91 g /cm3，直径取0.018～0.048 mm。

1.2 配合比

根据工程经验并通过对不同的水泥、稻壳灰和纤维掺量进行三轴试验，以抗剪强度为指标确定最佳配合比为10%水泥+20%稻壳灰+0.3%聚丙烯纤维。

2 改良水泥加固盐渍土力学性能试验结果

采用稻壳灰辅以聚丙烯纤维进行水泥加固盐渍土的改良，配制不同种类水泥加固盐渍土(CS)、水泥纤维加固盐渍土(CFS)、稻壳灰水泥纤维加固盐渍土(RCFS)试件。

2.1 无侧限抗压强度试验

根据《公路工程无机结合料稳定材料试验规程》(JTG E51-2009)制备试件并标准养生至规定时间，测定不同龄期试件无侧限抗压强度，结果如表2所示。

表2 不同龄期试件的无侧限抗压强度Table 2 Unlimited compressive strength of different age specimensMPa加筋土类型28 d无侧限抗压强度60 d无侧限抗压强度CS2.5392.849CFS3.0453.427RCFS3.4213.758

由表2可知，CFS的28 d无侧限抗压强度为3.045 MPa，相较于只掺入水泥的加固土CS的抗压强度高出19.9%；RCFS的抗压强度为3.421 MPa，比CS抗压强度高出34.7%，比CFS高出12.3%。RCFS的60 d无侧限抗压强度3.758 MPa，相较于只掺入水泥的水泥固化土CS的抗压强度高出31.9%；比CFS高出9.7%。可以看出稻壳灰提高了水泥固化盐渍土强度，可能是由于稻壳灰在盐渍土中与水泥水化产物发生反应，提高水泥加固系统在盐渍土中的作用，加固土体提高强度。

2.2 劈裂抗拉强度试验

根据《公路工程无机结合料稳定材料试验规程》制备试件并养生至规定时间后进行劈裂抗拉强度试验。结果如表3所示。

表3 不同龄期试件的无侧限抗压强度Table 3 Unlimited compressive strength of different age specimensMPa加筋土类型28 d劈裂抗拉强度60 d劈裂抗拉强度CS0.1810.214CFS0.2240.260RCFS0.2710.319

由表3可知，CFS的 28 d劈裂抗拉强度为0.224 MPa，相较于只掺入水泥的水泥固化土CS劈裂强度高出23.8%；RCFS的劈裂强度为0.271 MPa，比CS劈裂强度高出49.7%，比CFS高出21.0%。RCFS的60 d劈裂抗拉强度为0.319 MPa，相较于CS的劈裂强度高出49.1%，比CFS的劈裂强度高出22.7%。掺入纤维提高了水泥固化盐渍土劈裂抗拉强度，是由于纤维在土体中起到了“加筋”作用，在土体中形成纤维网固定住土体，从而提高抗拉强度，而掺入稻壳灰后的纤维加固水泥盐渍土劈裂抗拉强度进一步得到提高，可能是由于掺入的稻壳灰与水泥水化产物反应的生成物对纤维进行有效包裹，提高强度的同时在纤维上形成强有力的“包裹筒”，加强纤维在受拉时的抵抗拔出的能力，进而提高土体的劈裂抗拉强度。

2.3 改性盐渍土的CBR试验

CBR(California Bearing Ratio)试验可以反映土体在部分无侧限条件下所具有的抵抗局部剪切的能力。根据重型击实试验进行CFS和RCFS试件制备并养生至规定时间后进行试验，结果如表4所示。

表4 不同加固土试件CBR值Table 4 Unlimited compressive strength of different age specimens 加筋土类型CBR值/%CS74.12CFS84.40RCFS90.64

由表4可知，CFS的CBR值为84.40，相较于只掺入水泥的水泥加固土CS高出10.28；RCFS的CBR值为90.64，比CS高出16.52，比CFS高出6.24。可以看出掺入稻壳灰和纤维对水泥加固盐渍土的CBR值均得到提高，可能是由于纤维加强了与土体间的摩擦，增大了水泥加固盐渍土的黏聚力，从而提高了CBR值。而掺入的稻壳灰可能与与水泥水化产物反应形成结晶网格，加强土体含水硅酸钙和铝酸钙胶凝物强度，从而起到固结土体的作用，进而使CBR值得到显著提高。

3 机理分析

3.1 XRD

XRD(X射线衍射)是通过对材料发射一定波长的X射线，根据材料中不同晶体的衍射规律，得到材料的成分与其内部结构状态等信息的一种技术。利用Jade对所制备的CFS和RCFS试件土样衍射图谱进行处理，不同龄期CFS、RCFS土样的XRD衍射图谱如图1～图4所示。

图1 28 d的CFS土样XRD衍射图谱

图2 28 d的RCFS土样XRD衍射图谱

图3 60 d的CFS土样XRD衍射图谱

图4 60 d的RCFS土样XRD衍射图谱

根据XRD图谱分析加固土反应过程中的水化产物可以明显看出，CFS和RCFS在28 d的水化产物大致相同，其主要产物为水化硫铝酸钙(钙矾石)AFT、水化硅酸钙 CSH2、水化铝酸钙 C4AH13、铝硅酸钾KAlSi3O8和钙硅石CaSiO3，其中钙矾石和钙硅石的生成会使土体发生膨胀，造成土颗粒间无法紧密接触使空隙增大从而影响土体强度。从60 d的XRD图谱中可以看出，CFS和RCFS中化合物均明显减少，可能是因为经过60 d后的改性盐渍土中水泥和稻壳灰的发生反应已经结束，其内部的化学物已经趋于稳定。从CFS在60 d的XRD图谱中可以看出最后产物中有钙矾石和钙硅石存在，二者会使土体膨胀从而影响结构稳定。而从掺入稻壳灰的RCFS 60 d的XRD图谱中可以看出最后产物中没有钙矾石和钙硅石的存在，可能是因为稻壳灰中的SiO2与水化产物Ca(OH)2发生反应，抑制并消耗了会使土体产生膨胀的钙矾石和钙硅石的生成，这对稻壳灰在盐渍土中后期的力学性能的提升做出了解释。

3.2 稻壳灰在水泥加固盐渍土中改良作用的化学机理

改性盐渍土试件中含有一定量的氯盐和硫酸盐，其中水泥水化产物C3A与盐渍土中的氯盐反应生成Friedel盐(C3A·CaCl2·10H2O)，化学方程式如下：

Ca(OH)2+2NaCl=CaCl2+2Na++2OH-

C3A+CaCl2+10H2O=C3A·CaCl2·10H2O

(1)

Friedel盐黏附在土颗粒周围对形成骨架的水化铝酸钙(C-A-H)和水化硅酸钙(C-S-H)的生成产生抑制作用，降低土体强度。

水泥水化产物Ca(OH)2与盐渍土中硫酸盐反应生成钙矾石(3CaO·Al2O3·3CaSO4·32H2O)和钙硅石(CaSiO3)，钙矾石和钙硅石具有膨胀性：

C3A+3CaSO4·6H2O+2Ca(OH)2+24H2O=

3CaO·Al2O3·3CaSO4·32H2O

CaCO3+Ca(OH)2+SiO2+CaSO4·2H2O+

12H2O=CaSiO3·CaCO3·CaSO4·15H2O

(2)

具有膨胀性的钙矾石和钙硅石在与结晶水结合之后膨胀，阻碍土颗粒接触从而使土颗粒无法充分发生接触反应，这使得土体固结程度发生变化最终影响水泥加固盐渍土强度。稻壳灰中的大量的活性SiO2对生成Friedel盐的稀释C3A具有稀释作用，同时与水泥水化生成物Ca(OH)2会发生化学反应并降低pH，从而使Friedel盐无法达到适宜pH，最终起到抑制Friedel盐生成的作用。SiO2与Ca(OH)2在溶液中反应方程式如下：

SiO2+Ca(OH)2+H2O=CSH

(3)

水化硅酸钙(CSH)填充在土颗粒之间起到胶凝作用，提高了其间的相互作用与黏聚力，是土体水泥骨架的重要组成，且由于水化硅酸钙(CSH)浓度提高而Ca(OH)2浓度减少，有利于其形成单晶从而促进晶体形成，进而使水化产物更加均匀散布于溶胶之中，最终提高了土体强度。

4 结论

本文在水泥加固盐渍土中加入稻壳灰与聚丙烯纤维进行改良，对改良后的水泥加固盐渍土进行力学试验，探讨稻壳灰和聚丙烯纤维对水泥加固盐渍土力学性能的改良效果。并在XRD试验的基础上分析了稻壳灰在水泥加固盐渍土中反应机理，探讨了稻壳灰在水泥水化过程中参与有利于水泥加固盐渍土的加固的反应式。主要得出以下结论:

a.相比于水泥加固盐渍土，掺入稻壳灰和聚丙烯纤维改良后的水泥加固盐渍土的力学性能得到提升，其无侧限抗压强度、劈裂强度和CBR值都有较大幅度的提高，稻壳灰和纤维改良后的无侧限抗压强度要比改良前提高了1.3倍以上，改良后加固土的劈裂强度相较于改良前高出近0.5倍，RCFS的 CBR值比只用水泥加固盐渍土增加了16.5。

b.从XRD试验结果最后土中的化合物可以看出，稻壳灰掺入到水泥改性盐渍土中具有良好的改良效果，稻壳灰在水泥土中一定程度阻止生成并消耗了钙矾石AFT和钙硅石CaSiO3，防止AFT和CaSiO3在土体中结合晶体水膨胀，提升土颗粒之间的黏聚力，保护土颗粒间能够充分进行接触反应，提升了水泥土的加固效果。

c.在稻壳灰水泥纤维土中，稻壳灰富含的大量活性SiO2抑制了水泥水化物与盐渍土内的氯离子和硫酸根离子的化学反应，同时对水泥水化产物Ca(OH)2进行消耗，降低了溶液pH，减少了低强度的Friedel盐和不溶盐钙矾石(3CaO·Al2O3·3CaSO4·32H2O)和钙硅石Ca(OH)2的产生，抑制了水泥土的盐胀。同时由于稻壳灰掺入生成的CSH沉淀物填充在土颗粒间，增强了土颗粒间黏聚力，形成结晶使水化产物更加均匀散布于溶胶之中，最终提高土体强度。