朱 燕， 余湘娟， 高 磊

(1.河海大學(xué) 巖土工程研究所， 江蘇 南京 210098； 2.南通職業(yè)大學(xué) 建筑工程學(xué)院， 江蘇 南通 226007)

1 概述

沿海鹽漬土為細(xì)顆粒的特殊土，易溶鹽含量大于0.3%，其中氯化鈉占絕大部分，具有強(qiáng)烈的鹽脹、溶陷和腐蝕等工程特性。氯鹽易于吸水，致使土體軟化，而沿海地區(qū)的高地下水位和細(xì)顆粒土的強(qiáng)烈毛細(xì)性，容易引起固化鹽漬土的吸水軟化。傳統(tǒng)的鹽漬土固化處理的方法一般以石灰、水泥和二灰等為主[1-3]，施工便利、價(jià)格低廉，適用范圍廣。但這些材料固化的鹽漬土早期強(qiáng)度低、易開(kāi)裂，不能用于高等級(jí)公路的路堤填筑。近些年來(lái)，學(xué)者們對(duì)高分子材料固化鹽漬土進(jìn)行了系統(tǒng)研究[4-6]，但其經(jīng)濟(jì)性和環(huán)保性還有待論證。本文選取天然礦物海泡石纖維作為固化材料，采用室內(nèi)人工配置氯鹽漬土，對(duì)海泡石纖維固化鹽漬土的力學(xué)特性及固化機(jī)理進(jìn)行了試驗(yàn)研究及初步探討。

2 試驗(yàn)概況

2.1 試驗(yàn)用土

試驗(yàn)用土取自南通地區(qū)用土，取土深度為地下2 m，該土層的物理指標(biāo)如下：土樣編號(hào)為1，比重2.63，液限22.3%，塑限10.4%,塑性指數(shù)11.9，最大干密度1.57g/cm3,最佳含水率18.2%,2～0.075 mm顆粒3.56%,0.075～0.005 mm顆粒73.71%,<0.005 mm顆粒22.73%，屬于非鹽漬土。

2.2 固化材料及固化方案

本次試驗(yàn)選用海泡石纖維固化鹽漬土，海泡石纖維是市售(河北泓耀礦產(chǎn)品加工有限公司)的普通海泡石，化學(xué)式為 Mg8Si12O30(OH)4(OH2)4·8H2O，是一種層鏈狀的硅酸鹽礦物，外觀為灰白色絮狀物，比重2～2.3，容重1.2～1.5 t /m3，硬度2～2.5，熔點(diǎn)1650℃，粘度30～40s。具有較好的抗鹽性、吸附性、流變性、離子交換性和催化特性等。海泡石纖維的主要化學(xué)成分如下：64.12%SiO2,18.29%MgO,1.02%CaO,1.98%Al2O3，3.26%Fe2O3。固化方案見(jiàn)表1。

2.3 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)主要采用人工配制氯鹽漬土。依據(jù)表1中最優(yōu)含水率和最大干密度，首先將海泡石纖維按照上述摻量加入人工配置的鹽漬土中，再稱取適量水加入鹽漬土中攪拌均勻。采用靜壓法制備試樣，試樣制備方法按《土工試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T 50123-1999)進(jìn)行，成型尺寸為直徑39.1mm，高度80mm，每組3個(gè)平行試樣。將制備好的試樣放入標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)箱(溫度25℃，濕度95%)中養(yǎng)護(hù)到規(guī)定齡期。本次試驗(yàn)選用無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度作為評(píng)價(jià)指標(biāo)，試驗(yàn)儀器是南京寧曦土壤儀器有限公司生產(chǎn)的YYW-2型應(yīng)變控制式無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度儀，抗壓強(qiáng)度儀升降板的速率為2.4mm/min。

表1 鹽漬土固化方案Table 1 Solidified scheme of saline soil試樣編號(hào)海泡石纖維摻量/%最大干密度/(g·cm-3)最佳含水率/%無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度/MPa0 d7 d14 d21 d28 dO0.01.6521.40.400.700.720.830.94B10.21.7318.30.410.770.851.061.08B20.41.7418.40.500.911.101.191.29B30.61.7318.40.510.971.271.301.43B40.81.7418.50.491.071.311.411.57B51.01.7518.60.501.141.361.511.64B61.21.8618.10.511.531.591.751.92 注: 固化材料摻量=固化材料質(zhì)量/干土質(zhì)量。

3 試驗(yàn)結(jié)果及分析

3.1 固化材料摻量對(duì)強(qiáng)度的影響

按照表1中鹽漬土的固化方案，制備含鹽量為3%的中鹽漬土，分別標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)0、7、14、21和28 d，測(cè)試不同固化鹽漬土樣的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度，試驗(yàn)結(jié)果如表1和圖1所示。

圖1 固化材料摻量對(duì)強(qiáng)度的影響

從圖1可以看出，固化鹽漬土的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度隨著海泡石纖維摻量的增加而顯著增加。當(dāng)海泡石纖維摻量在1.0%以內(nèi)時(shí)，固化鹽漬土的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度增長(zhǎng)速度較為平穩(wěn)，齡期為7、14、21和28 d的平均增幅為10.22%、13.80%、12.90%和11.76%；而當(dāng)海泡石纖維摻量為1.2%時(shí)，增長(zhǎng)的速度突增，7 d增幅達(dá)到了200%；齡期為7、14、21和28 d時(shí)，1.2%海泡石纖維固化鹽漬土的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度分別達(dá)到了1.53、1.59、1.75和1.92 MPa，比素鹽漬土的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度分別增加了118%、121%、111%和104%。這說(shuō)明海泡石纖維的加入可有效提高鹽漬土的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度，且摻量為1.2%海泡石纖維固化鹽漬土效果明顯。

選取具有代表性的養(yǎng)護(hù)齡期7 d、含鹽量為3%的海泡石纖維固化鹽漬土試樣的應(yīng)力應(yīng)變曲線，如圖2所示。從曲線中可以看出，海泡石纖維的摻入可顯著提高鹽漬土的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度，且海泡石纖維摻量為1.2%時(shí)獲得最大軸向應(yīng)力1530kPa。海泡石纖維摻量為0.2%～1.2%的最大軸向應(yīng)力比素鹽漬土分別增加了70、210、270、370、440和830kPa。根據(jù)ASTM d4609-08標(biāo)準(zhǔn)[7]，有效固化穩(wěn)定的標(biāo)準(zhǔn)是軸向應(yīng)力增量最低為345kPa，故海泡石纖維摻量為0.8%～1.2%的固化方案均符合這一標(biāo)準(zhǔn)，可作為有效固化方案。

圖2 不同試樣的應(yīng)力 — 應(yīng)變曲線

3.2 養(yǎng)護(hù)齡期對(duì)強(qiáng)度的影響

按照表1中鹽漬土的固化方案，制備含鹽量為3%的中鹽漬土，標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)0、7、14、21和28 d，測(cè)試不同齡期不同土樣的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度，試驗(yàn)結(jié)果如表1和圖3所示。

圖3 養(yǎng)護(hù)齡期對(duì)強(qiáng)度的影響

從圖3可以看出，海泡石纖維固化鹽漬土的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度隨著養(yǎng)護(hù)齡期的增長(zhǎng)而增大，素鹽漬土的強(qiáng)度變化也有類似的規(guī)律，且沒(méi)有經(jīng)過(guò)養(yǎng)護(hù)的固化鹽漬土樣與素鹽漬土樣在強(qiáng)度上幾乎相等。6種固化鹽漬土樣在0～28 d內(nèi)強(qiáng)度分別增加了163.41%、158.00%、180.39%、220.41%、228.00%和276.47%，分別達(dá)到了1.08、1.29、1.43、1.57、1.64和1.92 MPa，這說(shuō)明所有固化鹽漬土樣的強(qiáng)度經(jīng)過(guò)養(yǎng)護(hù)后都顯著提高，且提高的幅度隨著海泡石纖維摻量的增加而增大。

3.3 含鹽量變化對(duì)強(qiáng)度的影響

根據(jù)鹽漬土按含鹽量的分類，配置含鹽量為0%的非鹽漬土、0.4%的弱鹽漬土、3%的中鹽漬土、6%的強(qiáng)鹽漬土和9%的超鹽漬土，并按照表1中的固化方案分別制備不同含鹽量的固化鹽漬土樣，標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)7 d，測(cè)試不同含鹽量固化鹽漬土的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度，試驗(yàn)結(jié)果如圖4所示。

圖4 含鹽量變化對(duì)強(qiáng)度的影響

從圖4中可以看出，海泡石纖維固化鹽漬土的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度隨著含鹽量的增加而減小。當(dāng)土中含鹽量在0.4%以內(nèi)時(shí)，鹽份對(duì)固化土的強(qiáng)度影響較小，6種固化鹽漬土的強(qiáng)度分別只降低了9.94%、6.15%、7.96%、11.57%、10.13%和4.07%。而當(dāng)土中含鹽量超過(guò)0.4%時(shí)，固化鹽漬土的強(qiáng)度隨土中含鹽量的增加而迅速降低，達(dá)到3%以后，強(qiáng)度降幅變緩。其中，當(dāng)土中含鹽量從0.4%到3%之間，6種固化鹽漬土的強(qiáng)度降幅最為明顯，分別達(dá)到了52.76%、50.27%、47.58%、43.98%、46.48%和45.94%，強(qiáng)度幾乎降低了一半，而且素鹽漬土的強(qiáng)度降幅也達(dá)到了38.05%。這說(shuō)明土中鹽份含量對(duì)固化鹽漬土強(qiáng)度的影響較大，雖海泡石纖維具有抗鹽性，能夠抵抗鹽類腐蝕，但當(dāng)土體中含鹽量過(guò)大時(shí)，亦會(huì)降低固化土體的強(qiáng)度，故道路基層施工時(shí)應(yīng)隨時(shí)抽檢土中含鹽量，確保施工質(zhì)量。

3.4 含水率變化對(duì)強(qiáng)度的影響

按照表1中的固化方案，分別制備含水率為15.6%、16.9%、18.2%、19.5%、20.8%和22.1%、含鹽量為3%的中鹽漬土的土樣，標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)7 d，測(cè)試不同含水率固化鹽漬土的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度，試驗(yàn)結(jié)果如圖5所示。

圖5 含水率變化對(duì)強(qiáng)度的影響

從圖5中可以看出，海泡石纖維固化鹽漬土的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度隨著含水率的增大先增加后減少。當(dāng)含水率由15.6%逐漸增大后，固化鹽漬土的強(qiáng)度也隨之提高，當(dāng)含水率達(dá)到18.2%～19.5%時(shí)，固化鹽漬土的強(qiáng)度達(dá)到最大值。當(dāng)含水率超過(guò)19.5%以后，固化鹽漬土的強(qiáng)度隨著含水率的增加而呈現(xiàn)下降的趨勢(shì)。在最佳含水率18.2%處，6種固化鹽漬土的抗壓強(qiáng)度分別為0.77、0.91、0.97、1.07、1.34和1.53 MPa，是最大值的98.59%、83.70%、80.53%、80.17%、96.40%和98.04%，這說(shuō)明海泡石纖維固化鹽漬土在最佳含水率時(shí)，其無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度不一定是最大，對(duì)于海泡石纖維固化鹽漬土而言，其含水率在最佳含水率的0%～5%范圍內(nèi)時(shí)，強(qiáng)度達(dá)到最大值。由此可知，道路基層施工時(shí)，海泡石纖維固化鹽漬土的含水率應(yīng)控制在略高于最佳含水率5%范圍內(nèi)，可獲得較高的強(qiáng)度。

4 固化機(jī)理試驗(yàn)研究

根據(jù)表1中O和B6固化方案，制備含鹽量為3%的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度圓柱試件，標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)7 d。對(duì)未改良的鹽漬土及海泡石纖維固化后的鹽漬土進(jìn)行微觀電鏡掃描，獲得SEM照片，放大倍數(shù)為×3000。試驗(yàn)結(jié)果如圖6所示。

圖6 掃描電鏡圖

對(duì)比觀察圖6中(a)和(b)可知，未經(jīng)改良的鹽漬土呈現(xiàn)分散的、不連續(xù)的孔隙結(jié)構(gòu)，孔洞數(shù)量多、體積大。而經(jīng)海泡石纖維改良后的鹽漬土，孔隙中充填細(xì)小纖維物質(zhì)，使得土體中主要礦物成分平均晶粒尺寸均有不同程度的減小，降低了土體的孔隙率，孔隙結(jié)構(gòu)更為密實(shí)，且海泡石纖維纏繞、包裹土體顆粒，起到增強(qiáng)加筋的作用，提高土樣的強(qiáng)度。

海泡石纖維具有微孔結(jié)構(gòu)，吸水性較強(qiáng)，通過(guò)水解反應(yīng)、質(zhì)子化反應(yīng)和靜電引力作用，使土體吸附層減薄，致使鹽漬土顆粒發(fā)生聚結(jié)。微小的海泡石纖維分支較多，纖維相互纏繞，且表面粗糙不平，粗細(xì)不均，纖維端部有明顯的突起，似“觸角”狀，有利于相互搭接，在土體當(dāng)中以三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)均勻分布，包裹、連接顆粒，有效地填充土體中的微小孔隙，使土體結(jié)構(gòu)變得致密，從而促使土體干密度增大，同樣可以提高土體強(qiáng)度[8]。當(dāng)土體受到外部荷載作用發(fā)生變形時(shí)，彎曲纏繞在土顆粒間的海泡石纖維也發(fā)生拉伸變形，同時(shí)提供拉力。由海泡石纖維提供的拉力可以部分抵消外荷載，起到“加筋”的作用，從而提高土體強(qiáng)度。

5 結(jié)論

a.本文選取天然礦物海泡石纖維作為固化材料對(duì)鹽漬土進(jìn)行加固改良，通過(guò)多種固化方案的試驗(yàn)研究，使其能夠滿足公路工程的建設(shè)需要。在保證工程質(zhì)量的前提下，將鹽漬土資源化，充分利用海泡石纖維固化改良的鹽漬土作為路基填料，從而減少傳統(tǒng)路基填料中砂石的用量，將大幅度降低沿海公路的建設(shè)成本。

b. 海泡石纖維可以在較大程度上提高鹽漬土的強(qiáng)度，固化后的鹽漬土強(qiáng)度符合規(guī)范要求。建議對(duì)含鹽量為3%的鹽漬土中摻入海泡石纖維摻量1.2%，可達(dá)到最佳固化效果。從工程應(yīng)用角度出發(fā)，盡量采用含鹽量較低的鹽漬土(含鹽量低于1%)，施工含水率應(yīng)控制在略高于最佳含水率5%范圍內(nèi)。

c.根據(jù)掃描電鏡結(jié)果顯示，海泡石纖維通過(guò)吸附、“觸角”和“加筋”作用，纏繞填充在土體孔隙中，吸收土中水分，使鹽漬土顆粒結(jié)合形成穩(wěn)定整體，從而提高鹽漬土的抗壓強(qiáng)度及耐久性。