新方法改良黃土的固結試驗及微觀試驗研究

方 晟，黃雪峰，張彭成，周俊鵬，郭 楠

(1.后勤工程學院 a.軍事土木工程系； b.巖土力學與地質環(huán)境保護重慶市重點實驗室； c.化學與材料工程系， 重慶 401311； 2.蘭州理工大學 土木工程學院， 蘭州 730050)

【基礎理論與應用研究】

新方法改良黃土的固結試驗及微觀試驗研究

方 晟1a,1b，黃雪峰1a,1b，張彭成1c，周俊鵬1a,1b，郭 楠2

(1.后勤工程學院 a.軍事土木工程系； b.巖土力學與地質環(huán)境保護重慶市重點實驗室； c.化學與材料工程系， 重慶 401311； 2.蘭州理工大學 土木工程學院， 蘭州 730050)

針對水玻璃與黃土反應不完全，強度較低，固結效果較差等問題，提出了電場改性水玻璃固化黃土的新方法。試驗通過制備不同壓實度和不同養(yǎng)護齡期下的黃土試樣，利用高壓固結儀進行固結試驗和濕陷性試驗，并通過XRD和SEM對黃土試樣進行物相分析和微觀分析。試驗結果表明：相同養(yǎng)護齡期下，孔隙比隨著垂直壓力的增大逐漸減小，壓實度越大，減小的速度越慢；當垂直壓力大于600 kPa時，e-p和e-lgp曲線斜率均變緩，壓縮變形變??；相同壓實度下，養(yǎng)護齡期越長，孔隙比越小，整體變化不大；改良后固結效果良好，有效降低了改良黃土濕陷系數(shù)，均低于0.015，為非濕陷性土；X射線衍射強度降低，出現(xiàn)新的非晶質低矮群峰，衍射譜圖發(fā)生改變；SEM圖像顯示隨著電壓的不斷增大，硅酸凝膠和碳酸凝膠大量產生，充填了土顆粒之間孔隙，包覆了土顆粒表面，將土骨架聯(lián)結成網(wǎng)狀結構，增強了土體強度。

黃土；電場；固結；X射線衍射；掃描電子顯微鏡

硅化法最早是英國人Hosagood在印度建橋時發(fā)明使用，前蘇聯(lián)后來大量研究使用[1]。我國硅化法是在借鑒前蘇聯(lián)的技術基礎上改進創(chuàng)新的。硅化法存在離子反應不完全，強度較低等問題，國內外專家學者針對這些問題對水玻璃進行改性研究。呂擎峰等[2,3]對溫度改性水玻璃固化黃土進行研究；王繼娜等[4]對微波、超細粉末材料和復合材料等改性水玻璃砂進行了試驗研究；肖尊群[5]、譚國湖[6]等進行了酸性水玻璃-碳酸鈣漿材配比強度測試試驗研究；王小龍等[7]對水泥-水玻璃雙液注漿力學特性進行了試驗研究；張高展等[8]對水玻璃-工業(yè)廢渣注漿進行研究?？傮w來說，改性水玻璃取得了較好的效果，但大體是在添加其他化合物的基礎上對硅化法進行改進處理，直接采用水玻璃改良黃土的極少。電化學是研究電荷化學反應相互關系的科學，采用電滲法對地基進行處理已大量應用到工程中，效果顯著。Burnotte等[9]對軟土進行電滲加固；王寧偉等[10]對淤泥質粉質黏土進行電化學改性加固；李一雯等[11]研究了電極布置對電滲效果的影響；殷鶴等[12]提出了電場改性石灰，硫酸鈉固化黃土的新方法。上述方法加固土體效果好，強度提升高，然而采用電場對硅化法的研究極少，因此本研究將通過室內固結試驗、濕陷性試驗及其礦物分析、微觀結構分析對電場改性水玻璃固化黃土進行研究。

1 試驗材料和試驗過程

1.1 試驗材料

試驗用土取自延安新區(qū)，取土深度為5～6 m，土質勻稱，黃色，粉土，基本物理指標見表1。水玻璃采用市售水玻璃。水玻璃中Na2O含量為8.66%，SiO2含量為28.58%，經(jīng)過計算，水玻璃原液模數(shù)為3.4。

表1 土樣的基本物理指標

1.2 試驗過程

1) 首先使用標準墊塊進行高壓固結試驗，得到不同壓力下的儀器變形，消除試驗儀器本身存在的誤差；

2) 制取含水率為15.6%，壓實度為75%、80%、85%、90%，養(yǎng)護齡期為7 d、14 d、21 d、28 d共16組重塑黃土試樣，每組試樣有4個平行試樣，進行高壓固結試驗。固結儀荷載加載順序為(25、50、100、200、300、400、600、800、1 200、1 600、2 000(kPa))，試驗穩(wěn)定標準為試樣每小時的壓縮變形量<0.01 mm，采用雙線法進行濕陷試驗，測定改良土樣濕陷系數(shù)；

3) 選取試樣進行XRD和SEM試驗。

2 固結試驗及濕陷試驗分析

2.1 固結試驗

根據(jù)高壓固結試驗可得各級壓力下的壓縮量，進而求出各級壓力下的固結穩(wěn)定孔隙比。因為受壓前后體積不變，橫截面積不變，根據(jù)壓縮量可求得相應壓力下的孔隙比

式中：e為孔隙比；ds為土粒相對密度；pw為4 ℃時純水密度；p為土顆粒密度。

式中：Si為土樣變形量；Ho為土樣原始高度。繪制e-p曲線如圖1與圖2。將橫坐標按P的常用對數(shù)取值，即可繪制出e-lgp曲線如圖3。

圖1 不同壓實度下e-p曲線

圖2 不同時間下e-p曲線

圖3 不同壓實度下e-lgp曲線

由圖1可得：相同養(yǎng)護齡期下，孔隙比隨著垂直壓力的增大不斷減小。壓實度越大，孔隙比越小；當垂直壓力增大至約600 kPa時，不同壓實度的e-p曲線斜率變緩。壓實度越高，曲線越平緩，壓縮變形越穩(wěn)定。由圖2可得:壓實度為85%時，初始孔隙比相同，養(yǎng)護齡期越短，孔隙比減小的越多；當垂直壓力大于600 kPa時，曲線斜率變緩，養(yǎng)護齡期為14 d和21 d時的孔隙比值接近?？傮w而言，孔隙比隨養(yǎng)護齡期的變化不大。

由圖3可得：壓實度為75%的e-lgp曲線為前緩后陡，存在較為明顯的拐點，達到結構屈服強度；其余壓實度條件下的e-lgp曲線約在lgp=2.5左右時曲線變陡，但沒有明顯拐點，說明改良黃土的強度大幅度提升，在2 000 kPa下，最大壓力也未能達到結構屈服壓力。

2.2 濕陷試驗

為了研究電場改性水玻璃加固黃土的濕陷性，采用雙線法對改良黃土進行了濕陷性試驗，養(yǎng)護28d后的濕陷性試驗結果如圖4所示。

由圖4可得，改良黃土的濕陷系數(shù)整體較低，濕陷效果不明顯；濕陷性系數(shù)隨著壓實度的變化而變化，整體呈下降趨勢。最大濕陷系數(shù)為0.78，根據(jù)《濕陷性黃土地區(qū)建筑規(guī)范》(GB60025 2004)及工程界一致觀點：δ=0.015時對應的垂直壓力為濕陷起始壓應力，各壓實度下的濕陷性系數(shù)均小于0.015。因此電場改性水玻璃加固黃土的效果良好，能有效減小黃土濕陷性，降低地基沉降量。

圖4 改良黃土的δ-p關系曲線

3 XRD衍射分析

X射線衍射法(X-Raydiffraction,簡稱為XRD)是測定晶體結構的重要手段。XRD可以檢測試樣晶體中各原子相干散射波疊加的結果。為了查明改良黃土礦物成分和形態(tài)，研究電場改性固化機理，利用日產島津XRD-6100型X射線衍射儀對天然黃土和改良黃土樣品進行試驗。衍射儀掃描范圍為10～90°，掃描速度4 °/min,步長0.02 °/s。改良黃土樣品控制壓實度為85%，養(yǎng)護齡期為28d。試驗前將黃土試樣碾碎，過200目篩子，將篩后黃土倒入XRD試樣皿中，使用磨砂玻璃對試樣表面處理，保正試樣填滿且試樣表面光滑。

圖5為天然黃土衍射圖，圖6為改良黃土衍射圖。對比圖5與圖6可得，電場改性水玻璃固化黃土譜圖與天然黃土譜圖基本吻合，但固化后的衍射曲線出現(xiàn)密集低矮的新峰，衍射強度降低。說明在通電條件下，水玻璃與黃土發(fā)生反應生成了新的硅酸凝膠和碳酸凝膠化合物，生成了新的非晶質晶體，這也會進一步提高土顆粒之間聯(lián)結強度，宏觀反映則是改良黃土的強度提高。

圖5 天然黃土X射線衍射譜圖

4 微觀試驗結果分析

黃土的顆粒形狀、孔隙特征和膠結程度最能反映黃土微觀結構特征[13]。掃描電子顯微鏡(scanning electron microscope， SEM)是目前微觀研究中常用手段，是利用電子的二次反射獲得微觀結構圖像，具有放大倍率高，分辨率高等特點，能反映出土體在微結構平面上的特征。在天然黃土的微觀分析中，已經(jīng)大量運用SEM手段進行觀察，擁有不少成果[14-17]。

圖6 養(yǎng)護齡期28 d時黃土X射線衍射譜圖

試驗采用日立高新掃描電子顯微鏡S-3700，放大倍率為x5～x300，在高真空模式下可達到3.0 nm(30 kV)，加速電壓為0.3～30 000 V，低真空范圍在6～270 Pa，圖像電位移±50 μm，最大可測試樣直徑300 mm。因為試樣的導電性差，需要在SEM試樣表明噴鍍一層金膜，用來增強其導電性，避免因導電性能不強出現(xiàn)電荷積累，導致圖像品質不佳。

對天然黃土和改良黃土進行顯微觀察。由圖7可知，天然黃土試樣的骨架顆粒以單粒為主，顆粒較大。顆粒形狀主要是棱角狀和次棱角狀；點接觸較多，面接觸較少；土顆粒邊緣清晰，呈現(xiàn)方形、長方形和少部分橢圓形；土的孔隙主要是架空孔隙，孔隙間距大，且孔隙形狀不規(guī)則；顆粒表面及孔隙之間分布著黏土礦物和碳酸鈣，聯(lián)接土骨架。

圖7 未改良黃土

水玻璃與黃土攪拌后會發(fā)生化學反應及水解作用。在電場作用下，化學反應加劇，黃土之間的孔隙逐漸被化學反應所產生的硅酸凝膠和碳酸凝膠充填。圖8～圖11為水玻璃模數(shù)3.4、水玻璃Na2O含量0.2%、通電時間30 s、養(yǎng)護齡期28 d、含水率為15.6%、下通電電壓為30 V、50 V、70 V、90 V的改良黃土SEM圖像。對比未經(jīng)處理的天然黃土，改良后的黃土具有以下特點：黃土顆粒相互交錯聚集，土顆粒之間聯(lián)結更為緊密，不再以單粒為主；顆粒由點接觸逐漸變?yōu)槊娼佑|，顆粒的接觸面積增大；顆粒形狀由棱角狀等突兀形狀變?yōu)榇螆A形，顆粒棱角模糊；顆粒表面有不少凝膠薄膜包覆在顆粒表面，土顆粒附著物增多，土顆粒被包覆；架空孔隙逐漸減小，孔隙中的硅酸凝膠和碳酸凝膠逐漸增多，充填了孔隙，最終使得黃土各顆粒成為整體，使得整個骨架顆粒粘結成為一個空間網(wǎng)狀結構。這加強了改良黃土顆粒的聯(lián)結力和膠結能力，增強了土體強度。

圖8 通電電壓為30 V

圖9 通電電壓為50 V

圖10 通電電壓為70 V

圖11 通電電壓為90 V

5 結論

1) 相同養(yǎng)護齡期下，壓實度越大，孔隙比減小得越慢。當垂直壓力>600 kPa時，e-lgp斜率變緩，說明壓縮變形小且穩(wěn)定；相同壓實度下，孔隙比隨著養(yǎng)護齡期的增長而減小，但減小幅度不大，即養(yǎng)護齡期對改良黃土影響不大；當壓實度大于75%時，e-lgp曲線不存在明顯拐點，即未達到結構屈服壓力，說明改良黃土強度高。

2) 改良黃土的濕陷系數(shù)均低于0.015,黃土的濕陷性不明顯，說明電場改性水玻璃加固黃土效果好，可有效減小濕陷，降低地基沉降。

3) 改良黃土譜圖與天然黃土譜圖基本吻合，但衍射強度降低，衍射曲線出現(xiàn)密集非晶質低矮新峰。這種非晶質晶體是膠體粒子在電場作用下凝聚而成，能進一步加強礦物膠結作用，改善土體強度。

4) SEM圖像表明，隨著通電電壓的增大，改良后黃土顆粒表面附著物增多，顆粒之間架空孔隙減少，逐漸被水玻璃與黃土化學產生的凝膠化合物填充；土顆粒由點接觸逐漸變?yōu)槊娼佑|，土骨架變?yōu)榭臻g網(wǎng)狀結構，強度不斷提高，這說明水玻璃在通電條件下對黃土的反應效果好，能有效地加強黃土顆粒之間膠結物聯(lián)結力，增強黃土強度；

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(責任編輯楊繼森)

ExperimentalStudyConsolidationTestandMicroscopicTestofImprovedLoessbyNewMethod

FANG Sheng1a,1b， HUANG Xuefeng1a,1b， ZHANG Pengcheng1c, ZHOU JunPeng1a, 1b, GUO Nan2

(1.a.Department of Civil Engineering; b.Chongqing Key Laboratory of Geomechanics & Geoenvironmental Protection; c.Department of Chemistry and Material Engineering，Logistic Engineering University，Chongqing 401311，China； 2.School of Civil Engineering，Lanzhou University of Technology，Lanzhou 730050, China)

For the problems of incomplete reaction of water glass and loess, low strength and poor consolidation effect, a new method is proposed by the electric-modification silicification grouted loess.The test was carried out by preparing loess samples with different compaction degree and different curing ages, using high pressure consolidation apparatus to make the consolidation test and collapsibility test, analyzing the phase and microstructure of loess samples through the XRD and SEM.The results show: under the same curing age, the void ratio decreases with the increase of vertical pressure, the greater the degree of compaction, the slower the decrease; When the vertical pressure is greater than 600 kPa, the slope ofe-pande-lgpcurves are slow and the compression deformation is small; Under the same degree of compaction, the longer the curing age, the smaller the void ratio, but the overall change is not big; The consolidation effect is good, which effectively reduces the collapsible coefficient of improved loess, becoming the non-collapsible soil which the collapsibility coefficient is less than 0.015; The intensity of the X-ray diffraction is decreased, new amorphous phase peak groups are appeared and the X-ray diffraction pattern has changed.The image of SEM shows that with the increase of the voltage, the silicic acid gel and carbonic acid gel are produced in a large amount, filling the pores between the soil particles, covering the surface of the soil particles, and binding the soil skeleton into a net structure, which enhancing the strength of the soil.

loess; electric field; consolidation; X-ray diffraction; scanning electron microscope

2017-04-30；

：2017-05-20

：國家科技支撐計劃項目“黃土丘陵溝壑(延安新區(qū))工程建設關鍵技術研究與示范課題”(2013BAJ06B00)

方晟(1992—)，男，碩士研究生，主要從事非飽和土和特殊土地基處理研究。

黃雪峰，男，后勤工程學院教授，博士生導師，E-mail：hxfen@163.com。

10.11809/scbgxb2017.09.040

format:FANG Sheng，HUANG Xuefeng，ZHANG Pengcheng,et al.Experimental Study Consolidation Test and Microscopic Test of Improved Loess by New Method[J].Journal of Ordnance Equipment Engineering,2017(9):188-192.

TU472.5

：A

2096-2304(2017)09-0188-05

本文引用格式：方晟，黃雪峰，張彭成，等.新方法改良黃土的固結試驗及微觀試驗研究[J].兵器裝備工程學報，2017(9):188-192.