復(fù)合改良黃土狀亞砂土強(qiáng)度特性及微觀機(jī)制

李 博，石振武，劉俊辰，張洪瑞，2

(1.東北林業(yè)大學(xué)土木工程學(xué)院,哈爾濱 150036；2.黑龍江省交投公路建設(shè)投資有限公司，哈爾濱 150069)

0 引 言

綏大高速公路試驗(yàn)段土體屬黃土狀亞砂土，粒組以粉粒為主，細(xì)砂和黏粒含量較高，粒度成分連續(xù)性差，孔隙較大[1]。路塹邊坡土體含水量較高，為近飽和狀態(tài)，開(kāi)挖后會(huì)出現(xiàn)滑塌病害，工程性能較差，需要進(jìn)行改良處理。

部分學(xué)者采用石灰、粉煤灰、糯米漿、水泥等進(jìn)行改良研究[2-4]，強(qiáng)度提升顯著[5]，但當(dāng)土體含水量較高時(shí)，改良土凝膠時(shí)間長(zhǎng)[6]，早期強(qiáng)度低。摻入水玻璃和石灰能提高粉土的早期強(qiáng)度[7]，相關(guān)研究闡明了其膠凝材料的固化機(jī)理[8-11]。目前鈉基、鉀基水玻璃已逐漸改進(jìn)為鋰基[12]，其能夠生成持續(xù)對(duì)試樣內(nèi)部孔隙結(jié)構(gòu)進(jìn)行填充的不溶物質(zhì)，具有良好的密封固化效果[13]，但在改良土中的應(yīng)用較少。

部分學(xué)者采用纖維加筋提升改良土強(qiáng)度，提出并驗(yàn)證了纖維與土之間界面力的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系參數(shù)模型[14-15]，分析了干濕循環(huán)條件下纖維加筋對(duì)裂隙發(fā)展的影響[16]，以及石灰摻量與孔隙率對(duì)聚丙烯纖維增強(qiáng)土體性能的影響[17]。部分學(xué)者[18-20]對(duì)纖維加筋的微觀機(jī)理進(jìn)行了研究，但多停留在定性分析層面，對(duì)于纖維加筋土的定量分析較少。

可以看出，改良土的研究偏重于尋找新型改性材料的最優(yōu)摻量，分析微觀機(jī)制以及揭示強(qiáng)度增長(zhǎng)機(jī)理。因此，本研究通過(guò)引入新型改性材料硅酸鋰，進(jìn)行無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)確定復(fù)合改良土的最佳配合比，并通過(guò)凍融循環(huán)試驗(yàn)、X射線衍射(XRD)和掃描電子顯微鏡(SEM)等測(cè)試手段對(duì)比研究石灰改良土及復(fù)合改良土的強(qiáng)度變化、微觀機(jī)制及孔隙結(jié)構(gòu)，定量分析改良土的微觀固化機(jī)理，為實(shí)際工程應(yīng)用提供參考。

1 實(shí) 驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)材料

選取綏大高速公路(K26+840-K27+400)的邊坡土進(jìn)行試驗(yàn)研究，土樣的基本物理指標(biāo)如表1所示。硅酸鋰溶液產(chǎn)自河北省石家莊市，基本指標(biāo)如表2所示。石灰產(chǎn)自江西省宜春市，白色粉末狀，粒度(200目(74 μm)通過(guò)率)為95.36%，CaO含量為88.36%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))。聚丙烯纖維平均直徑為0.33 mm，平均抗拉強(qiáng)度為368 MPa，平均拉伸模量為3 500 MPa，平均斷裂伸長(zhǎng)率為15%。

表1 土樣的基本物理指標(biāo)Table 1 Basic physical indexes of soil samples

表2 硅酸鋰溶液基本指標(biāo)Table 2 Basic indexes of lithium silicate solution

1.2 試樣制備

設(shè)置原狀土作對(duì)照組，判別摻加各類(lèi)物質(zhì)后的性能提升狀況。由于原狀土含水率大，無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度小，單摻聚丙烯纖維試件的強(qiáng)度提升不穩(wěn)定，特?fù)?%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))石灰進(jìn)行纖維改良土強(qiáng)度測(cè)定，確定聚丙烯纖維的最佳摻量；在最佳聚丙烯纖維摻量的基礎(chǔ)上進(jìn)行石灰改良土的制備，確定石灰的最佳摻量；在最佳石灰摻量的基礎(chǔ)上進(jìn)行復(fù)合改良土的制備，確定硅酸鋰的最佳摻量，最終得到復(fù)合改良土的最佳配合比。經(jīng)前期研究，試驗(yàn)設(shè)計(jì)配合比如表3所示。試驗(yàn)采用風(fēng)干碾碎后過(guò)2 mm篩的原狀土，在65 ℃的條件下進(jìn)行烘干，晾涼后進(jìn)行試樣制備，各組分材料按順序及比例充分混合，加自來(lái)水后充分拌和并密封24 h，重塑試樣采用壓實(shí)法制備，控制為同一壓實(shí)度、含水率和干密度。

表3 試樣設(shè)計(jì)配合比Table 3 Specimen design mix ratio

1.3 試驗(yàn)方法

無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)選用WDW-100微機(jī)控制電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)，以2 mm/min的加壓速率對(duì)試件進(jìn)行加載，試驗(yàn)過(guò)程嚴(yán)格按照《公路土工試驗(yàn)規(guī)程》(JTG 3430—2020)進(jìn)行。對(duì)表3中4類(lèi)試樣進(jìn)行無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)，試樣直徑為50 mm，高為50 mm，確定最佳配合比。對(duì)最佳配合比的石灰改良土和復(fù)合改良土進(jìn)行凍融循環(huán)試驗(yàn)，凍結(jié)時(shí)恒溫箱溫度控制在-15 ℃，時(shí)長(zhǎng)12 h；融化時(shí)溫度控制在25 ℃，時(shí)長(zhǎng)12 h，循環(huán)60次。設(shè)置對(duì)照組進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)((20±2) ℃、95%以上濕度)，測(cè)得相應(yīng)無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度。

2 結(jié)果與討論

2.1 復(fù)合改良土最優(yōu)配合比

2.1.1 聚丙烯纖維最佳摻量

當(dāng)石灰摻量為4%(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，下同)時(shí)，不同纖維改良土的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度變化曲線如圖1所示。

圖1 不同纖維改良土的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度隨聚丙烯纖維摻量變化曲線Fig.1 Variation curves of unconfined compressive strength of different fiber modified soils with polypropylene fiber dosage

可以看出:當(dāng)纖維長(zhǎng)度一定時(shí)，纖維改良土的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度隨著摻量的增加均呈先增大后減少的趨勢(shì)；當(dāng)纖維摻量一定時(shí)，隨著長(zhǎng)度的增加，無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度亦呈先增大后減小的變化趨勢(shì)。當(dāng)纖維摻量為0.4%(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，下同)、長(zhǎng)度為12 mm時(shí)，纖維改良土的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度值達(dá)到最大，為466.02 kPa，與原狀土強(qiáng)度82.27 kPa相比提高了466.45%。因此，確定聚丙烯纖維的最佳摻量為0.4%，長(zhǎng)度為12 mm。

2.1.2 石灰最佳摻量

圖2為石灰改良土的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度變化曲線?？梢钥闯?，摻加石灰可有效提高纖維改良土的抗壓強(qiáng)度，隨著石灰摻量增加，石灰改良土抗壓強(qiáng)度呈先增大后緩慢減小的變化趨勢(shì)。當(dāng)摻量達(dá)到4%時(shí)，石灰改良土抗壓強(qiáng)度增長(zhǎng)緩慢，摻量為6%時(shí)，抗壓強(qiáng)度達(dá)到最大，為489.73 kPa，之后抗壓強(qiáng)度下降。這是由于石灰水化反應(yīng)與土體中氧化物生成凝膠物質(zhì)，填充顆粒孔隙，形成空間網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，提高土體密實(shí)度和抗壓強(qiáng)度。但由于石灰具有強(qiáng)吸水性，遇水釋放熱量，當(dāng)石灰超過(guò)最佳摻量后，會(huì)使土體內(nèi)水分大量減少，水化反應(yīng)延緩，凝膠物質(zhì)生成量減少，土體抗壓強(qiáng)度降低。

圖2 石灰改良土的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度隨石灰摻量變化曲線Fig.2 Variation curve of unconfined compressive strength of lime modified soil with lime dosage

2.1.3 硅酸鋰最佳摻量

對(duì)最佳摻量的石灰改良土增摻不同含量的硅酸鋰溶液后進(jìn)行無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)，結(jié)果如圖3所示。

圖3 復(fù)合改良土的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度隨硅酸鋰摻量變化曲線Fig.3 Variation curve of unconfined compressive strength of composite modified soil with lithium silicate dosage

可以看出，復(fù)合改良土的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度隨著硅酸鋰摻量的增加呈先增大后減少的趨勢(shì)。當(dāng)硅酸鋰摻量為3%(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，下同)時(shí)，復(fù)合改良土的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度值達(dá)到最大，為1 576.41 kPa，與石灰改良土無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度相比提高了221.89%，與原狀土的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度相比提高了1 816.14%。

無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度增加的原因是硅酸鋰溶液發(fā)生水解，為石灰的水化反應(yīng)提供堿性環(huán)境，土體中氧化物活性被激發(fā)，遇水反應(yīng)后生成水化硅鋁酸鈣(C-A-S-H)等水化產(chǎn)物。這些水化產(chǎn)物具有凝膠性，能夠填充土體孔隙，使顆粒間的膠結(jié)力不斷增大。但摻入過(guò)多的硅酸鋰會(huì)使土體含水量大幅度降低，不利于水化反應(yīng)的進(jìn)行。

經(jīng)以上分析，確定復(fù)合改良土的最佳配合比：硅酸鋰摻量3%，石灰摻量6%，聚丙烯纖維摻量0.4%，纖維長(zhǎng)度12 mm。

2.1.4 試樣變形及破壞特征

圖4(a)～(c)分別為最佳摻量下的纖維改良土、石灰改良土和復(fù)合改良土試樣在進(jìn)行無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)時(shí)的破壞形態(tài)?？梢钥闯?，纖維改良土與石灰改良土的破壞特征相似，均呈“塑性鼓脹型破壞”，試樣外表面出現(xiàn)明顯的剪切破裂面，裂隙寬大且上下貫通，側(cè)向變形量大，纖維使試樣保持“裂而不斷”，具有一定的完整性。復(fù)合改良土呈“延性破壞”，土樣表面出現(xiàn)細(xì)短而分散的裂紋，上表層部分碎成小土粒，由于纖維的連接作用，并未脫落。

圖4 不同改良土的破壞形態(tài)Fig.4 Destruction patterns of different modified soils

2.2 改良土凍融特性

對(duì)最佳摻量的石灰改良土、復(fù)合改良土進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)及凍融循環(huán)試驗(yàn)，繪制的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度變化曲線如圖5所示。從圖5可以看出，隨著養(yǎng)護(hù)齡期的增加，石灰改良土的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度在第3～14天的增長(zhǎng)最快，之后增長(zhǎng)緩慢，這是由于前期石灰水化反應(yīng)量較大，后期水化反應(yīng)量逐漸減少。標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)條件下試樣的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度不斷增加，在第60天時(shí)達(dá)到最大，為960.35 kPa；凍融循環(huán)條件下試樣的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度較低且增長(zhǎng)緩慢，這是由于土中水凍結(jié)膨脹，土顆粒重新排列，微裂隙不斷增多，水分加快擴(kuò)散進(jìn)入土體內(nèi)部與未完全水化的石灰進(jìn)一步反應(yīng)，產(chǎn)生膠凝物質(zhì)，填充進(jìn)微裂縫和顆?？紫?，在一定程度上提升了開(kāi)裂土體的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度，但這種填充作用并非一直有效，隨著養(yǎng)護(hù)齡期的增長(zhǎng)，土體原有結(jié)構(gòu)的破壞性凸顯，在第60天時(shí)，無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度出現(xiàn)下降，由28 d的最大值650.19 kPa下降至612.22 kPa。

圖5 不同養(yǎng)護(hù)條件下改良土的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度隨養(yǎng)護(hù)齡期變化曲線Fig.5 Variation curves of unconfined compressive strength of modified soil with curing age under different curing conditions

復(fù)合改良土初期的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度較高，表現(xiàn)出明顯的水硬性能，這是由于土體的含水量大，石灰與土中水分充分接觸，硅酸鋰不僅作為堿激發(fā)劑促進(jìn)了水化反應(yīng)，同時(shí)還作為強(qiáng)度黏結(jié)劑使土體顆粒結(jié)構(gòu)黏固，大幅提高固化土的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度。隨著養(yǎng)護(hù)齡期的增加，土體的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度呈先迅速減小后緩慢增大的趨勢(shì)，這是由于隨著水化反應(yīng)的進(jìn)行，土體顆粒的黏固效應(yīng)出現(xiàn)破壞，取而代之的是水化產(chǎn)物填充進(jìn)顆?？紫叮瑏?lái)增強(qiáng)固化土的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度。在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)條件下，試件的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度在第3天時(shí)降至最低，為1 004.84 kPa，之后由于水化產(chǎn)物對(duì)強(qiáng)度的提升作用大于黏固破壞的負(fù)效應(yīng)，試件的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度不斷增長(zhǎng)，在第60天時(shí)達(dá)到最大，為1 866.59 kPa；凍融循環(huán)條件下，試樣前期的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度下降速度較慢，后期增長(zhǎng)幅度也較低，在第28天時(shí)達(dá)到最大，為1 499.57 kPa，與同種養(yǎng)護(hù)條件下的石灰改良土最大強(qiáng)度值相比分別提升130.64%(第28天)、94.37%(第60天)。

增摻硅酸鋰可以大幅提升石灰改良土的初期無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度，雖然隨著養(yǎng)護(hù)齡期的增加，會(huì)出現(xiàn)短暫的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度下降，但總體來(lái)說(shuō)，不論標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)還是凍融循環(huán)條件下，摻加硅酸鋰都起到了增強(qiáng)劑的作用，提升了石灰改良土的無(wú)側(cè)限抗壓抗壓強(qiáng)度。

2.3 應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系

圖6為第28天時(shí)不同養(yǎng)護(hù)條件下改良土的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線?？梢钥闯觯鹘M改良土應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線可分為4個(gè)階段：彈性階段、塑性階段、強(qiáng)度屈服階段和應(yīng)力衰減階段，均屬于“應(yīng)變軟化型破壞”。與標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)相比，凍融循環(huán)條件下土體彈性階段斜率較小，說(shuō)明凍融循環(huán)會(huì)延緩水化反應(yīng)的進(jìn)行，弱化水化產(chǎn)物的膠結(jié)作用，促進(jìn)裂縫的發(fā)展，降低改良土的彈性模量。在增摻硅酸鋰后，改良土被破壞時(shí)的應(yīng)力-應(yīng)變均增大，這是由于硅酸鋰及新產(chǎn)物提升了改良土的穩(wěn)固性，阻礙了裂隙的發(fā)展。同時(shí)由于聚丙烯纖維的拉拔作用增強(qiáng)了土體之間的黏結(jié)性，當(dāng)應(yīng)變?cè)龃蟮揭欢ǔ潭葧r(shí)，聚丙烯纖維起到拉扯效果，使試件在一定的位移段內(nèi)承受了較大試驗(yàn)力，避免了試件破壞后出現(xiàn)應(yīng)力驟降的現(xiàn)象，其中石灰改良土尤其顯著。

3 微觀機(jī)制

為探究石灰改良土、復(fù)合改良土在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)及凍融循環(huán)條件下的強(qiáng)度發(fā)展機(jī)理，對(duì)標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)及凍融循環(huán)7 d的石灰改良土、復(fù)合改良土與原狀土進(jìn)行XRD分析和SEM分析。

3.1 XRD分析

通過(guò)進(jìn)行X射線衍射試驗(yàn)，得到XRD譜，采用MDI Jade 6軟件分析試樣物相的峰,結(jié)果如圖7所示。采用Quantitative Analysis模塊得到各試樣物相成分的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，如表4所示。

表4 原狀土和不同養(yǎng)護(hù)條件下改良土的主要化學(xué)組成Table 4 Main chemical composition of natural soil and modified soil under different curing conditions

圖7 不同養(yǎng)護(hù)條件下7 d試樣的XRD譜Fig.7 XRD patterns of specimens under different curing conditions at 7 d

由圖7可知，原狀土中的主要物相為風(fēng)化形成的SiO2，其在酸性或中性環(huán)境中遇到膠體狀態(tài)的Al(OH)3、Fe(OH)3等物質(zhì)時(shí)會(huì)互相凝聚生成非晶形礦物，再構(gòu)成晶形的次生黏土礦物、硅酸鹽礦物，最后形成黃土狀亞砂土。

石灰改良土中SiO2的衍射峰強(qiáng)度增強(qiáng)，并生成新物質(zhì)鈉長(zhǎng)石、鈣長(zhǎng)石、C-A-S-H凝膠等，礦物成分復(fù)雜性增加。部分石灰與土中自由水接觸結(jié)晶，生成Ca(OH)2結(jié)晶網(wǎng)格；少部分石灰在水中電離產(chǎn)生熱量，使土體內(nèi)溫度增高，砂化作用加強(qiáng)，內(nèi)部結(jié)構(gòu)破碎，孔隙數(shù)量增多，假黏聚力增大，孔隙中保水能力增強(qiáng)。但在物相成分檢索過(guò)程中未能發(fā)現(xiàn)Ca(OH)2，這是由于Ca(OH)2與土中無(wú)定形氧化物反應(yīng)生成C-A-S-H凝膠，具體反應(yīng)式如式(1)、式(2)所示。

(1)

(2)

C-A-S-H凝膠具有良好的水穩(wěn)定性及黏結(jié)能力，能夠在土顆粒間生成黏性強(qiáng)的膜狀結(jié)構(gòu)，填充土?？紫?，增強(qiáng)土體膠結(jié)力，使顆粒形成團(tuán)聚體。鈉長(zhǎng)石、鈣長(zhǎng)石及鉀長(zhǎng)石構(gòu)成石灰改良土的骨架結(jié)構(gòu)，使石灰改良土的物理力學(xué)性能明顯強(qiáng)于原狀土。

在復(fù)合改良土中，硅酸鋰提供堿性環(huán)境，使石灰水化反應(yīng)加劇，反應(yīng)過(guò)程中消耗大量SiO2使其衍射峰強(qiáng)度降低，并生成新物質(zhì)Li[AlSi4O10](透鋰長(zhǎng)石)，Na、Al氧化物等，豐富了生成物的物相種類(lèi)，有效減少了原狀土中游離的離子含量，使顆粒間連接更為緊密；凝膠生成量增多，增加了土顆粒之間的黏結(jié)性，提升復(fù)合改良土的宏觀強(qiáng)度。生成的透鋰長(zhǎng)石能夠大大降低土體的熱膨脹系數(shù)，使其具有良好的高溫穩(wěn)定性能，有效減少了溫度過(guò)高導(dǎo)致的土體砂化、內(nèi)部結(jié)構(gòu)破碎現(xiàn)象的出現(xiàn)，減少了孔隙數(shù)量，使結(jié)構(gòu)更加致密。

對(duì)比標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)及凍融循環(huán)，可以看出在凍融循環(huán)作用下，鈉長(zhǎng)石、C-A-S-H凝膠等物質(zhì)的衍射峰強(qiáng)度低且質(zhì)量分?jǐn)?shù)較小，而SiO2的衍射峰強(qiáng)度及質(zhì)量分?jǐn)?shù)較高。這主要是由于凍融循環(huán)會(huì)抑制石灰的水化反應(yīng)，使SiO2的消耗量減少，水化產(chǎn)物的生成量減少，導(dǎo)致凍融土的強(qiáng)度相對(duì)較低。

3.2 SEM分析

3.2.1 微觀結(jié)構(gòu)

切取10 mm×10 mm×5 mm試樣，暴露自然表面，噴金鍍膜后采用QUANTA200儀器進(jìn)行電子顯微鏡掃描，獲得各試樣的SEM照片，如圖8～圖10所示。

圖8 原狀土SEM照片F(xiàn)ig.8 SEM images of natural soil

圖10 不同養(yǎng)護(hù)條件下改良土的SEM照片F(xiàn)ig.10 SEM images of modified soil under different curing conditions

從圖8可以看出，原狀土呈扁平片狀、顆粒狀、黏聚體，有清晰可見(jiàn)的孔隙結(jié)構(gòu)，孔隙較大且數(shù)量較多，分布紊亂，整體性較差，土顆粒間的附存形態(tài)以面面接觸或邊面接觸為主，孔隙形態(tài)多樣，沒(méi)有定向排列。

從圖9可以看出，纖維表面附著的片狀黏土礦物，對(duì)纖維產(chǎn)生一定的黏結(jié)力和摩擦力，使大量隨機(jī)分布的纖維在土體中形成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，約束土顆粒的位移和變形，承擔(dān)土體在荷載作用下的部分拉應(yīng)力。當(dāng)土體在軸向應(yīng)力作用下發(fā)生破壞，出現(xiàn)明顯的剪切錯(cuò)動(dòng)面和張拉裂隙時(shí)，纖維的拉筋作用能夠有效阻礙裂隙進(jìn)一步發(fā)展，增強(qiáng)土體的臨界斷裂韌度，從而呈現(xiàn)出較高的殘余強(qiáng)度。

圖9 纖維改良土SEM照片F(xiàn)ig.9 SEM images of fiber modified soil

從圖10可以看出，摻加石灰后，部分細(xì)小顆粒膠結(jié)形成團(tuán)聚體，有效粒徑變大，土體的結(jié)構(gòu)性、整體性得到改善，密實(shí)度得到提高。凍融循環(huán)作用下部分結(jié)構(gòu)發(fā)生破壞，有破損土粒出現(xiàn)。鈉長(zhǎng)石、C-A-S-H凝膠、Li[AlSi4O10]等水化物質(zhì)填充進(jìn)土?？紫叮雇林斜馄狡瑺?、顆粒狀結(jié)構(gòu)物質(zhì)減少，改良了土體的孔隙結(jié)構(gòu)，使其具有較好的板體性和剛性。這些水化產(chǎn)物可附著在聚丙烯纖維表面，提升纖維與土顆粒間的膠結(jié)作用，也可填充進(jìn)纖維與土體間的孔隙，提升改良土的密實(shí)性以及纖維在內(nèi)部結(jié)構(gòu)中的骨架作用。

3.2.2 孔隙數(shù)據(jù)

采用Image-Pro Plus 6.0軟件對(duì)SEM照片進(jìn)行數(shù)字化處理。進(jìn)行圖像采集時(shí)，選取亮度和對(duì)比度差別不大的區(qū)域，采用相同的圖像處理和數(shù)據(jù)提取方法，使人為差異最小。SEM照片處理步驟如下：

(1)將照片轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)尺寸；

(2)選用histeq函數(shù)實(shí)現(xiàn)直方圖均衡化來(lái)增強(qiáng)圖像的亮度對(duì)比度；

(3)利用medfilt2函數(shù)進(jìn)行中值濾波，選取3×3卷積模板對(duì)圖像進(jìn)行降噪處理；

(4)采用基于極小值標(biāo)記的分水嶺分割算法來(lái)進(jìn)行二值化處理；

(5)獲取天然孔隙率下的RGB(R：red,G:green,B:blue)顏色系統(tǒng)參數(shù)。

調(diào)整RGB顏色系統(tǒng)，使所選框區(qū)域中的深色面積占總面積的比值與原狀土孔隙率44.39%相一致，得到RGB顏色系統(tǒng)數(shù)值R：0～67,G：0～67,B：0～67。

將數(shù)值導(dǎo)入改良土的RGB顏色系統(tǒng)中進(jìn)行圖像處理，得到土體孔隙相關(guān)參數(shù)，如表5所示。

表5 原狀土和不同養(yǎng)護(hù)條件下改良土的孔隙相關(guān)參數(shù)Table 5 Porosity related parameters of natural soil and modified soil under different curing conditions

由表5可以看出：在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)條件下，增摻石灰及硅酸鋰后土體孔隙率大幅度下降，分別由原狀土的44.39%下降至24.04%、21.73%，降幅分別為45.84%、51.05%；凍融循環(huán)條件下，石灰改良土和復(fù)合改良土的孔隙率分別降為41.98%、29.99%，下降幅度較低。孔隙面積均值下降明顯，石灰改良土由231.49 μm2降至81 μm2以下，降幅超過(guò)65%，在增摻硅酸鋰后，又有30%以上的降幅。可見(jiàn)水化產(chǎn)物是土體孔隙率及孔隙面積均值下降的主要原因，凍融循環(huán)阻礙了石灰的水化反應(yīng)，因此降幅較低，標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)環(huán)境以及增摻硅酸鋰后提供的堿性環(huán)境能夠促進(jìn)水化反應(yīng)的進(jìn)行，加大孔隙率的下降幅度。

增摻石灰及硅酸鋰使孔隙直徑不斷減小，分別下降30%、43%以上，這表明水化產(chǎn)物的有效物質(zhì)填充了土?？紫?，使大孔隙減少，土體的結(jié)構(gòu)性、整體性得到改善。對(duì)于同類(lèi)土，標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)條件下的孔隙直徑小，但養(yǎng)護(hù)環(huán)境對(duì)于孔隙直徑的影響小于增摻硅酸鋰的影響。

孔徑分形維數(shù)存在一定幅度的降低，但變化量較小，說(shuō)明水化產(chǎn)物的填充改變了土體的孔隙結(jié)構(gòu)，但都是微調(diào)整。這表明原狀土顆粒間相互交叉，孔隙輪廓線較為復(fù)雜，在摻加改良劑后，生成的水化產(chǎn)物填平了孔隙中部分不平整的內(nèi)壁，孔隙輪廓變得簡(jiǎn)單，因此孔徑分形維數(shù)出現(xiàn)一定下降。

4 結(jié) 論

(1)設(shè)計(jì)了試樣配比，確定復(fù)合改良土的最佳配合比：硅酸鋰摻量為3%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))，石灰摻量為6%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))，聚丙烯纖維摻量為0.4%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))，纖維長(zhǎng)度為12 mm。

(2)比較了試樣的變形破壞特征，纖維改良土與石灰改良土的破壞特征相似，呈“塑性鼓脹型破壞”，出現(xiàn)明顯的剪切破裂面，裂隙寬大且上下貫通；復(fù)合改良土呈“延性破壞”，試樣表面出現(xiàn)細(xì)短而分散的裂紋，上表層部分碎成小土粒，由于纖維的連接作用，并未脫落。

(3)進(jìn)行了凍融循環(huán)試驗(yàn)，確定了增摻硅酸鋰可以大幅提升石灰改良土的初期抗壓強(qiáng)度，雖然隨著養(yǎng)護(hù)齡期的增加，會(huì)出現(xiàn)短暫的強(qiáng)度下降，但總體來(lái)說(shuō)，不論標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)還是凍融循環(huán)環(huán)境，硅酸鋰都起到了增強(qiáng)劑的作用，與同種養(yǎng)護(hù)條件下的石灰改良土最大強(qiáng)度值相比，分別提升了130.64%(凍融循環(huán)第28天)、94.37%(標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)第60天)。聚丙烯纖維能夠起到拉扯效果，使試件在一定位移段內(nèi)承受較大的試驗(yàn)力，呈現(xiàn)較高的殘余強(qiáng)度。

(4)硅酸鋰堿性環(huán)境能使石灰水化反應(yīng)加劇，生成鈉長(zhǎng)石、C-A-S-H凝膠、Li[AlSi4O10]等新物質(zhì)，豐富了生成物的物相種類(lèi)，提升復(fù)合改良土的宏觀強(qiáng)度。

(5)增摻石灰及硅酸鋰后土體孔隙相關(guān)參數(shù)下降，在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)7 d的條件下，石灰改良土與復(fù)合改良土土孔隙率降幅分別為45.84%、51.05%，孔隙面積降幅超過(guò)65%。水化產(chǎn)物的生成是土體孔隙相關(guān)參數(shù)下降的主要原因，良好的養(yǎng)護(hù)環(huán)境及堿性環(huán)境能夠促進(jìn)水化反應(yīng)的進(jìn)行，加大孔隙參數(shù)下降幅度，有效提升改良土的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度。