水泥粉煤灰改良盐渍土最优配比研究

訾亚丹 崔宏环

摘 要：【目的】在傳统水泥改良土的基础上加入粉煤灰复合改良盐渍土，粉煤灰固化盐渍土与“双碳”目标契合，具有积极的意义。【方法】设计三因素四水平正交试验分析改良剂掺量、养护条件、含水率对试样抗压强度及弹性模量的影响。控制水泥粉煤灰固定比例为1∶2，掺量及含水率水平为12%、14%、16%、18%，养护方式分别为清水、盐水、高温养护及标准养护。【结果】通过击实试验可得试验范围内水泥粉煤灰掺量对最大干密度的影响不大，最大干密度约为1.8 g/cm3，最优含水率介于14%～16%之间。改良土呈应变软化型，7 d及14 d龄期不同组别抗压强度最高为1.69 MPa、1.99 MPa，最小为0.34 MPa、0.55 MPa。【结论】试样随着掺量增大及火山灰反应、水化程度的加深应变软化特征明显；改良剂掺量为18%、含水率为16%、养护方式为高温养护时强度最大，三个因素对盐渍土强度的影响排序依次为养护条件>改良剂掺量>含水率，因素影响权重分别为养护条件57%、改良剂掺量24%、含水率19%；将抗压强度与回弹模量进行拟合，发现二者具有良好的线性关系。

关键词：盐渍土；水泥粉煤灰改良；正交试验；无侧限抗压强度

中图分类号：TU448     文献标志码：A     文章编号：1003-5168（2024）07-0052-06

DOI：10.19968/j.cnki.hnkj.1003-5168.2024.07.011

Study on the Optimal Ratio of Cement Coal Fly Ash Improved Saline Soil

ZI Yadan 1   CUI Honghuan 1，2

（1.Hebei University of Architecture，Zhangjiakou 075000，China;

2.Civil Engineering Diagnosis of Hebei Province，Key Laboratory for Reconstruction and Disaster Resistance，Zhangjiakou 075000，China）

Abstract： [Purposes] On the basis of traditional cement improved soil， fly ash is added to improve saline soil. Fly ash solidified saline soil is in line with the goal of “double carbon” goal， which has positive significance.[Methods] A three-factor and four-level orthogonal test was designed to analyze the effects of cement fly-ash content， curing conditions and water content on the compressive strength and elastic modulus of the sample. The fixed proportion of cement fly ash is controlled to be 1∶2， the content t levels are 12%， 14%， 16%， 18%， and the curing methods are clean water， salt water， high temperature curing and standard curing.[Findings] The compaction test showed that the content of cement fly-ash had little effect on the maximum dry density within the test range， the maximum dry density was about 1.8 g/cm3， and the optimal water content was between 14% and 16%. The improved soil shows strain softening type. The highest compressive strength is 1.69 MPa and 1.99 MPa， and the smallest compressive strength is 0.34 MPa and 0.55 MPa at 7 d and 14 d ages. [Conclusions] The strain softening characteristics are obvious with the increase of dosage and the deepening of reaction and hydration degree of volcanic ash. The amendment content is 18%， the moisture content is 16%， and the strength is the highest when the curing method is high temperature curing. The strength of saline soil is the largest when the dosage of modifier is 18 %， the moisture content is 16 %， and the curing method is high temperature curing. The order of the influence of the three factors on the strength of saline soil is curing condition > modifier dosage > moisture content. The weight of the factors is 57 % of curing condition， 24 % of modifier dosage and 19 % of moisture content. The compressive strength and resilient modulus are fitted， and it is found that there is a good linear relationship between them.

Keywords： saline soil; cement coal fly ash improvement; orthogonal test; unconfined compressive strength

0 引言

张家口地处河北西北部，全年干旱少雨，地表蒸发严重，因此张家口地区分布有大量盐渍粉质黏土。盐渍土直接用于路基时危害较大，因盐分溶解与结晶、水盐迁移等均会带来盐胀、冻胀、翻浆等问题，造成路基不稳定进而危害交通安全。

随科学技术与绿色建筑的发展，许多新型改良材料不断涌现，例如在盐渍土中掺入新型工业固体废物离子固化剂、植物纤维等。周纯秀等［1］用石灰、石灰+粉煤灰对碳酸盐渍土进行改良，结果表明，可以有效改善固化土的塑性和击实特性，抗剪强度方面也得到有效提升。赵海艳等［2］利用石灰粉煤灰改良滨海地区盐渍土，试验表明固化土无侧限抗压强度随粉煤灰掺量增大而增大。游庆龙等［3］采用液态离子型固化剂与水泥石灰联合对红黏土进行加固，结果表明离子型固化剂可以降低塑性指数。陈康亮等［4］设计正交试验，对生石灰和粉煤灰改良硫酸盐渍土进行研究，得出生石灰和粉煤灰掺入量为6%、18%时对含盐量2%的盐渍土改良效果最佳，生石灰与粉煤灰按1∶3掺入时效果最好，含盐量增大时可根据此比例增大总掺量。由于水泥、粉煤灰等材料成本低且易得，因而在特殊土改良工程中得到廣泛应用，目前对盐渍土的改良研究仍多以传统无机固化剂为主。

本研究根据张家口地区的气候特点及工程条件，若仅用水泥固化土易产生干缩裂缝，而选用粉煤灰与水泥共同加固，则可使固化土和易性好、干缩性小、抗拉强度高、抗裂性好。研究成果可为张家口盐渍土公路路基填料设计与施工提供参考。

1 材料与方法

1.1 试验材料

试验所用粉质黏土取自张家口市河北建筑工程学院操场，通过试验测得物理性质参数及含盐量，结果如下：试验用土易溶盐总量为0.1%，液限31%，塑限17.6%，最优含水率为15%，最大干密度为1.92 g/cm3。为研究盐渍粉质黏土的强度特性，依据马小雨［5］对张家口易溶盐含量的检测结果在室内人工配制盐渍土。水泥为金隅牌P.O 42.5硅酸盐水泥，粉煤灰为巩义铂润耐火材料有限公司生产的一级粉煤灰，具体参数见表1。

1.2 试验方案

根据《公路路面基层施工技术细则》（JTG/T F20—2015），水泥、粉煤灰改良公路底基层推荐比例为1∶3～1∶5，水泥粉煤灰与被稳定材料推荐比例为3∶7～1∶9。徐江萍［6］、张嘎吱等［7］研究水泥粉煤灰稳定性后得出，水泥粉煤灰为1∶2时水泥水化反应与粉煤灰火山灰反应均能充分进行。因此，需要在前人基础上对冀北地区盐渍粉质黏土选用水泥∶粉煤灰=1∶2进行改良，其中总掺量为12%、14%、16%、18%，对应水泥掺量为4%、4.7%、5.3%、6%。

对改良盐渍土进行击实试验，得出击实曲线如图1所示。由图1可知，改良剂最小掺量12%至最大掺量18%之间的最大干密度变化不大，因此制件统一选用的最大干密度为1.8 g/cm3。为获得改良盐渍土的最优配比，考虑改良剂掺量、含水率、养护条件等因素的影响，设计正交试验具体见表2。

注：高温养护为制件完成后放入60 ℃的高温养护箱养护至指定龄期前一天，取出浸水一天；标准养护为试件完成后置于标准养护箱内养护至指定龄期前一天，取出浸水一天；盐水养护为配制复合盐溶液（2%NaCl、0.03%Na2SO4、0.06%NaHCO3）将试件置于其中，养护至指定龄期；清水养护为试件完成后置于清水中养护至指定龄期。

1.3 试样制备及试验流程

本次试验严格依据《公路土工试验规程》（JTG 3430—2020）重塑土样的制备方法，制备无侧限抗压强度试样时，将所用土料放入烘箱内烘干24 h，取出自然冷却，碾碎后过2 mm筛。按试验计算配合比将材料搅拌均匀，装入保鲜袋闷料12 h，制成100 mm×100 mm圆柱试样。试样完成后在不同养护条件下养护，达到指定龄期后进行无侧限抗压强度试验。试验采用微机控制电子万能试验机，剪切速度为1 mm/min。

2 试验结果及分析

2.1 正交试验结果

对所有组别试样进行单轴抗压试验，所得试验结果见表3，抗压强度即试验所得，弹性模量计算方法为应力应变曲线50%峰值点及其对应应变的比值。由于掺量与含水率单位相同，为区别二者，掺量用水泥占比表示。以C4b12为例，C代表水泥，C4即表示水泥掺量为4%（C4.7代表水泥掺量4.7%，粉煤灰掺量9.3%，总掺量14%，以此类推），相应粉煤灰掺量即为8%，b表示标准养护，12即含水率为12%。b、g、q、y分别表示标准养护、高温养护、清水养护、盐水养护。

本研究将养护龄期为14 d的试样弹性模量与抗压强度绘制在同一坐标系下，如图2所示。由图2可知，弹性模量与抗压强度之间存在良好的线性关系。

2.2 SPSS正交分析

利用SPSS软件对试样7 d及14 d抗压强度及弹性模量进行极差分析，得出三因素对抗压强度及弹性模量的影响顺序均为RB>RA>RC，分析对比各因素水平均值，可得最优组合为A4B2C4，即最优组合为改良剂掺量为18%、养护条件为高温养护、含水率为16%。

对试样抗压强度及弹性模量进行方差分析，因7 d与14 d抗压强度及弹性模量规律变化一致，仅存在数据差别，因此选取14 d抗压强度及弹性模量为代表，通过SPSS对试验结果进行三因素方差分析。结果表明养护条件及掺量对抗压强度均具有显著性，含水率对强度没有显著性影响，不存在主效应。

对影响因素进行权重分析，养护条件、掺量、含水率对抗压强度及弹性模量的影响权重分别为56.74%、23.78%、19.47%和56.76%、23.77%、19.47%。结果表明，三因素对抗压强度和弹性模量的影响权重几乎相同，其中养护条件权重占比最大。

2.3 改良盐渍土力学性能的影响

2.3.1 改良盐渍土的破坏形态（以14 d龄期为例）。

以水泥掺入量为4%试样为例，试样破坏形态如图3所示。由图3可知，随着含水率的增加，低含水率试样破坏时四周劈裂松动，裂缝错杂、土块掉落，高含水率试样破坏时裂缝较少且无破碎现象，试样向四周膨胀变形，呈现明显的剪切面，这表明随含水率增长，试样的变形逐渐趋于塑性破坏。

破坏应变小表明改良土的破坏形式偏向于脆性破坏，而破坏应变增大说明改良土破坏出现塑性破坏趋势，进而可以判断改良土的工程性质，不同掺量下应力—应变曲线如图4所示。由图4可知，掺量相同时高温养护条件下峰值应力最大，同时对应峰值应变也最大，其次为清水养护、标准养护、盐水养护。清水养护对应峰值应变影响最小，原因是清水环境下水泥水化较为剧烈，水化反应速度较快，加速水泥的硬凝，试样变得又硬又脆，试样在加载初期应力—应变曲线呈现较为陡峭的状态。

标准养护及盐水养护条件下随掺量增加，破坏应变增大，可以看出标准养护条件下土随掺量增加破坏应变增加最为明显，且16%及18%掺量下破坏应变最大，这说明该掺量下的土具有较好的弹塑性，高温养护及清水养护条件下随掺量增加，破坏应变变化不显著。

陈昌富等［8］研究发现60 ℃高温养护14 d龄期的水泥土抗压强度近似等于标准养护条件下水泥土90 d齡期抗压强度，因此分析时可将高温养护试样等价为90 d龄期标准养护试样。由图4可知，高温养护条件下应力—应变曲线更为陡峭，因为火山灰较水泥水化反应滞后，随龄期增长火山灰反应仍持续进行，产生胶结物质使得土颗粒在离子交换及团粒化作用下形成团体，提高了土体的结构性，产生脆性破坏。因此可以得出，随龄期增长，改良土的破坏形式逐渐趋于脆性破坏。

2.3.2 改良盐渍土的抗压强度。

养护条件、掺量影响抗压强度及弹性模量曲线如图5所示。由图5（a）可以看出高温养护条件下抗压强度最高，因高温养护提升了水泥粉煤灰反应活性，水泥水化生成的氢氧化钙与粉煤灰发生反应，使试样早期强度得到有效提高。由图5（a）可知，除高温养护外，清水养护条件下抗压强度最大；其次为标准养护，以标准养护条件下的抗压强度值为基准；盐水条件下对强度的提升产生不利影响。因清水养护条件下可以为试样中的水泥水化提供充足的水分，且水泥水化生成氢氧化钙，可提供碱性环境以促进粉煤灰火山灰反应，而盐水养护条件下溶液中的氯离子、硫酸根离子均对水泥土强度起负增长作用，其中水泥土前期强度降低主要受氯离子影响，因氯离子消耗水泥水化产物C3A及氢氧化钙，进而生成水化氯铝酸钙，包裹在土颗粒表面阻碍水泥及粉煤灰发生进一步反应，且水化氯铝酸钙强度较低，导致水泥土强度降低。由图5（b）可知，抗压强度在试验范围内随掺量的增大而增大，原因是较多的水泥发生水化反应，同时调动更多粉煤灰发生火山灰反应，生成大量胶结物质，提升了土体强度。

2.3.3 各因素交互作用分析。

交互作用可以理解为，当试验研究中存在两个或两个以上自变量时，其中一个自变量的效果在另一个自变量每一水平上表现不一致的现象。某一因素的真实效应随另一因素的改变而改变。养护条件与掺量、含水率与养护条件、掺量与含水率方差分析的均值对比结果如图6所示，通过比较不同分组变量的均值及交叉情况，即可确定各变量之间是否存在交互作用，并研究其差异关系。

由图6可知，三因素间两两均存在交互作用。由图6（a）可知，随掺量增加不同含水率试样呈现规律的变化，掺量为18%时各含水率试样抗压强度表现良好；由图6（b）可知，随含水率增加不同养护条件试样的强度差逐渐增大；由图6（c）可知，养护方式不同对试样强度影响显著，盐水养护和标准养护条件下掺量小于18%的试样强度变化不大。

除无侧限抗压强度直观分析外，公路路基底基层水泥粉煤灰改良土强度应满足表5的要求。

3 结论

①改良盐渍土的抗压强度与弹性模量受掺量、养护条件、含水率的影响变化规律一致，其中掺量18%、高温养护、含水率为16%时抗压强度达到峰值。

②随掺量增多、龄期增长均会使试样由塑性破坏逐渐趋于脆性破坏，含水率增大可以提升试样塑性变形能力。

③通过对弹性模量与抗压强度进行线性拟合，发现二者拟合度较高，可认为二者存在线性关系，有望通过抗压强度推算弹性模量。

④通过对各个因素数据进行分析，以及考虑实际工程中经济、可行性等因素，选用掺量18%、含水率16%的组合可以满足盐渍土路基底基层的强度要求。

参考文献：

［1］周纯秀，崔洪海，张中丽，等.改良碳酸盐渍土路基填料的力学性质［J］.哈尔滨工业大学学报，2022，54（9）：93-100.

［2］赵海艳，张渊，王月栋.基于响应曲面法优化二灰滨海盐渍土的配合比设计［J］.水利水电技术，2017，48（4）：136-140.

［3］游庆龙，邱欣，杨青，等.离子土壤固化剂固化红黏土强度特性［J］.中国公路学报，2019，32（5）：64-71.

［4］陈康亮，刘长武，杨伟峰，等.基于生石灰和粉煤灰改良硫酸盐渍土的强度特性［J］.科学技术与工程，2020，20（26）：10888-10893.

［5］马小雨.寒冷地区盐碱地环境下掺合料混凝土的研究［D］.张家口：河北建筑工程学院，2019.

［6］徐江萍，申爱琴，张登良.生石灰粉煤灰碎石路用性能的研究［J］.重庆交通学院学报，1999（3）：49-54.

［7］张嘎吱，沙爱民.水泥粉煤灰稳定碎石配合比设计［J］.长安大学学报（自然科学版），2007（5）：16-19，48.

［8］陈昌富，韦思琦，蔡焕.温度变化对水泥土力学性能的影响［J］.铁道科学与工程学报，2023，20（1）：190-199.

收稿日期：2023-07-28

作者简介：訾亚丹（1997—），女，硕士生，研究方向：盐渍土路基改良；崔宏环（1974—），女，博士，教授，研究方向：特殊土地区地基基础病害的研究与防治。