張新新，董玉萍

（西安翻譯學(xué)院，西安 710105）

隨著國(guó)家經(jīng)濟(jì)建設(shè)的發(fā)展，水泥土在實(shí)際工程當(dāng)中應(yīng)用逐漸增多，但是水泥土摻量較低時(shí)對(duì)地基、路基等工程強(qiáng)度的影響不大，而水泥在生產(chǎn)過(guò)程中浪費(fèi)資源和能源，破壞生態(tài)環(huán)境，水泥摻量較高時(shí)造價(jià)較高。微硅粉是工業(yè)電爐高溫熔煉工業(yè)硅及硅鐵的過(guò)程中，隨廢棄逸出的煙塵經(jīng)特殊的捕集裝置收集處理而成；硅灰中的活性物質(zhì)二氧化硅與水泥水化析出Ca（OH）2發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，生成水化水化CSH凝膠體后堵塞毛孔，增強(qiáng)密實(shí)性。通過(guò)很多學(xué)者的研究表明硅粉能有效提高混凝土、水泥土的性能。如禹貴香[1]進(jìn)行了水泥硅粉復(fù)合劑提升公路路基與底基層力學(xué)性能研究，研究表明，硅粉是一種良好的添加材料，可以提高路基和底基層的水分不敏感性，有利于現(xiàn)場(chǎng)碾壓施工；王文軍等[2]分析了納米硅粉改性水泥土工程形狀的機(jī)理；閆仙麗等[3]采用正交試驗(yàn)的方法研究水膠比、粉煤灰摻量、礦粉摻量、硅灰摻量4個(gè)因素對(duì)高性能混凝土的影響，研究表明硅灰摻量的影響因此僅次于水膠比；王德輝等[4]采取正交試驗(yàn)研究了水泥-硅灰-礦粉-粉煤灰膠凝體系下超高強(qiáng)混凝土的硬化過(guò)程，分析了其對(duì)UHSC 水化、微觀結(jié)構(gòu)和強(qiáng)度的影響；李茂英等[5]對(duì)納米硅粉改善水泥土抗腐蝕性能機(jī)理進(jìn)行了研究。

通過(guò)大量研究表明，微硅粉已經(jīng)廣泛應(yīng)用在在水泥土及高強(qiáng)混凝土中；目前，學(xué)者對(duì)于硅粉在工程中的研究主要集中在水泥土和混凝土中，以及對(duì)于水泥土抗腐蝕性能的影響，對(duì)于硅粉水泥土在凍融循環(huán)條件下強(qiáng)度的影響研究還是比較少的。本文主要將硅粉摻入到水泥土中，著重分析凍融循環(huán)作用下其強(qiáng)度變化規(guī)律及其作用機(jī)理，為微硅粉水泥土在季節(jié)性凍土地區(qū)的應(yīng)用提供一定技術(shù)支持。

1 試驗(yàn)

1.1 原材料

本試驗(yàn)用土取自西安市長(zhǎng)安區(qū)某地下管廊工程中的黃土，土的物理力學(xué)指標(biāo)如表1所示，試驗(yàn)水泥采用西安瑞泰復(fù)合材料有限公司生產(chǎn)的普通硅酸鹽水泥，等級(jí)為32.5R；試驗(yàn)所用微硅粉為四川郎天資源綜合利用有限責(zé)任公司生產(chǎn)，其主要性質(zhì)指標(biāo)如表2所示。

表1 土的物理性質(zhì)Tab.1 Physical properties of soil

表2 微硅粉的主要性質(zhì)指標(biāo)Tab.2 Main properties of micro silicon powder

1.2 試驗(yàn)方案

本試驗(yàn)按照土工試驗(yàn)規(guī)定的方法，將土烘干、碾壓后過(guò)篩，土、水泥和微硅粉按照比例制備土樣；土樣分三層放入直徑為39.1mm，高度為80mm的擊實(shí)儀中；按試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)分層擊實(shí)，相同比例做三個(gè)平行試樣，根據(jù)文獻(xiàn)[2]，摻加納米硅粉的水泥土養(yǎng)護(hù)7d 后早期強(qiáng)度較大[2]，為了減少工期，本試驗(yàn)中土樣放入標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)箱均養(yǎng)護(hù)7d；一次凍融循環(huán)共24h，凍結(jié)12h，融化12h，經(jīng)養(yǎng)護(hù)及凍融循環(huán)后采用萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)測(cè)定土樣的無(wú)側(cè)限壓縮強(qiáng)度。

為研究水泥、微硅粉以及凍融循環(huán)次數(shù)對(duì)水泥土壓縮強(qiáng)度的影響，文獻(xiàn)[6]中提出，納米硅粉水泥土和普通水泥土相同強(qiáng)度相比，納米硅粉水泥土的成本仍然較高，本文從經(jīng)濟(jì)的角度采用下述指標(biāo)安排本次試驗(yàn)，試驗(yàn)中考慮的三因素（水泥A、微硅粉B、凍融循環(huán)次數(shù)C），三因素指標(biāo)A1=5%，A2=10%，A3=15%，B1=2%，B2=4%；B3=6%，B4=8%，B5=10%；C1=0d，C2=2d，C3=4d，C4=6d，C5=8d，共計(jì)15 組分別進(jìn)行壓縮強(qiáng)度試驗(yàn)，對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。

2 試驗(yàn)結(jié)果及其分析

2.1 凍融循環(huán)作用下微硅粉水泥土強(qiáng)度分析

圖1 水泥摻量5%時(shí)凍融次數(shù)與與強(qiáng)度的關(guān)系Fig.1 Relation between freeze-thaw frequency and strengthwhen cement content is 5%

圖2 水泥摻量10%時(shí)凍融次數(shù)與與強(qiáng)度的關(guān)系Fig.2 Relation between freeze-thaw frequency and strength when cement content is 10%

圖3 水泥摻量15%時(shí)凍融次數(shù)與與強(qiáng)度的關(guān)系Fig.3 Relation between freezing-thawing times and strength when cement content is 15%

從圖1、2、3可以看出，微硅粉水泥土的壓縮強(qiáng)度隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加有明顯的下降趨勢(shì)，其中普通水泥土的壓縮強(qiáng)度呈現(xiàn)明顯線性下降的趨勢(shì)，而水泥摻量較少時(shí)其變化趨勢(shì)與普通水泥土變化比較相似；隨水泥摻量的增加，逐漸由線性轉(zhuǎn)變?yōu)榍€變化趨勢(shì)。水泥摻量為15%，8 次凍融循環(huán)微硅粉摻量為10%的壓縮強(qiáng)度是普通水泥土的6.2 倍；微硅粉摻加對(duì)提高水泥土凍融循環(huán)后強(qiáng)度增強(qiáng)效果是非常明顯的。微硅粉水泥土的抗凍性能遠(yuǎn)優(yōu)于普通水泥土，尤其是在多次凍融循環(huán)后，普通水泥土的強(qiáng)度下降非常明顯，而微硅粉水泥土的凍融循環(huán)凍融循環(huán)次數(shù)的增多其強(qiáng)度逐漸趨于穩(wěn)定，并遠(yuǎn)高于普通水泥土。

表3 水泥摻量為15%時(shí)的強(qiáng)度損失率（%）Tab.3 Strength loss rate when cement content is 15%（%）

從表3可以看出，普通水泥土在凍融循環(huán)下的強(qiáng)度損失率逐漸增大，8 次凍融循環(huán)達(dá)到了55.9%，強(qiáng)度下降比較明顯；2 次、4 次的強(qiáng)度損失率的增幅最為明顯，6 次、8 次的強(qiáng)度損失率的增幅開始逐漸變緩；隨微硅粉摻加的增多，相同凍融循環(huán)次數(shù)下質(zhì)量損失率出現(xiàn)先減少后增大的變化趨勢(shì)，8次凍融循環(huán)下，微硅粉摻量8%的強(qiáng)度損失率為26.1%，為硅粉摻量10%時(shí)，其損失率降低到29.9%；當(dāng)微硅粉摻量在8%左右時(shí)其強(qiáng)度損失率最低，后開始緩慢增加。

2.2 微硅粉水泥土強(qiáng)度損失及其擬合曲線

圖4 水泥摻量15%不同微硅粉摻量下的強(qiáng)度損失及其擬合曲線Fig.4 Strength loss and fitting curve of 15% cement content and different silica powder content

通過(guò)多項(xiàng)式擬合的方法對(duì)水泥摻量5%，10%和15%，不同微硅粉摻量的8 次凍融循環(huán)下的強(qiáng)度損失曲線進(jìn)行擬合，可以得到微硅粉摻量與微硅粉強(qiáng)度損失率的關(guān)系曲線。式（1）為水泥摻量5%的擬合曲線，式（2）為水泥摻量10%的擬合曲線，式（3）為水泥摻量15%的擬合曲線。

式中，x為微硅粉摻量；y為壓縮強(qiáng)度損失率。

根據(jù)式（1）、式（2）、式（3）可知，試驗(yàn)值與理論值擬合較好，其相關(guān)系數(shù)分別為x2=0.9946，x2=0.9924，x2=0.9854，說(shuō)明凍融循環(huán)后微硅粉水泥土的壓縮強(qiáng)度與微硅粉摻量具有較高的相關(guān)性，得出在凍融循環(huán)次數(shù)相同的情況下微硅粉摻量與水泥土強(qiáng)度損失率之間的關(guān)系為式（4）

式中，a為二次項(xiàng)系數(shù)；b為一次項(xiàng)系數(shù)；c為常數(shù)項(xiàng)。

根據(jù)上述公式可以判斷出微硅粉摻量為8%左右時(shí)，其強(qiáng)度損失率達(dá)到最低，為最優(yōu)摻量。

綜上，微硅粉在摻量合適的情況下，能有效提高其壓縮強(qiáng)度；以水泥摻量15%為例，非凍融循環(huán)下微硅粉摻量8%的壓縮強(qiáng)度是普通水泥土的3.17 倍，而經(jīng)8次凍融循環(huán)后，其強(qiáng)度達(dá)到了普通水泥土的5.17倍，說(shuō)明微硅粉水泥土的壓縮強(qiáng)度要遠(yuǎn)優(yōu)于普通水泥土，尤其在凍融循環(huán)作用下其強(qiáng)度增強(qiáng)效果更加顯著。

3 微硅粉水泥土凍融循環(huán)作用機(jī)理

凍融條件下，土體中的水變成固態(tài)的冰，體積膨脹率約為9%，體積膨脹產(chǎn)生的膨脹力超過(guò)土體本身的強(qiáng)度，土體就會(huì)產(chǎn)生微裂縫，致使壓縮強(qiáng)度減?。贿@是水泥土在季節(jié)性凍土地區(qū)破壞的主要原因［6］；當(dāng)摻量水泥及為硅粉摻量較小時(shí)，土體中的孔隙較多，殘留部分未完全水化的水泥，土體的膨脹力遠(yuǎn)大于土體本身的強(qiáng)度，使土體出現(xiàn)微小的不可逆的裂縫，其壓縮強(qiáng)度下降幅度較大。隨微硅粉摻量的逐漸增加，微硅粉不僅能發(fā)生火山灰消耗水泥水化產(chǎn)生的Ca （OH）2，生成更多的水化凝膠體；微硅粉與土體表面所帶電荷發(fā)生離子交換作用，改善土體的膠結(jié)狀態(tài)，促進(jìn)未完全水化水泥的進(jìn)一步水化，土體中的大孔隙變小，變成了細(xì)小的孔隙，水泥土更加密實(shí)。

總的來(lái)說(shuō)，在凍融循環(huán)作用下，土體的膨脹力不變，而土體本身的強(qiáng)度呈逐漸增長(zhǎng)的趨勢(shì)，土體中不可逆的裂縫呈現(xiàn)逐漸減小的趨勢(shì)，所以隨水泥及微硅粉摻量的增加，微硅粉水泥土的強(qiáng)度呈現(xiàn)逐漸上升的趨勢(shì)。當(dāng)微硅粉和水泥摻量較高時(shí)，水泥水化作用以及微硅粉火山灰作用、膠結(jié)作用增強(qiáng)，土體越更加密實(shí)，空隙減少，土體經(jīng)凍融循環(huán)作用后土體體積膨脹量增大，土體所受的應(yīng)力逐漸增大，這是微硅粉摻量10%的水泥土壓縮強(qiáng)度損失率比摻量8%的水泥土高的原因；從試驗(yàn)結(jié)果看，微硅粉摻量達(dá)到8%左右時(shí)，其強(qiáng)度損失率達(dá)到最低；隨著微硅粉摻量的增加，雖然在非凍融循環(huán)狀態(tài)其強(qiáng)度仍然呈現(xiàn)逐漸增長(zhǎng)的趨勢(shì)，但是由于膨脹作用逐漸增強(qiáng)，在凍融循環(huán)作用下的強(qiáng)度會(huì)降低，而且凍融循環(huán)次數(shù)越多，強(qiáng)度損失率增加的越明顯；綜上可以分析出，在季節(jié)性凍土地區(qū)，考慮經(jīng)濟(jì)合理及其強(qiáng)度的變化規(guī)律等因素的影響，微硅粉摻量在8%左右比較經(jīng)濟(jì)合理。

4 結(jié)語(yǔ)

1）微硅粉的適量摻加，有效提高水泥土的強(qiáng)度，微硅粉作為外加劑，起到良好的強(qiáng)度增強(qiáng)效果；微硅粉水泥土的早期強(qiáng)度較普通水泥土有顯著提高，在工程實(shí)際中可充分利用其早期強(qiáng)度，對(duì)減少工期，降低工程造價(jià)有一定的作用。

2）微硅粉在提高水泥土抗凍性能上發(fā)揮了重要作用，水泥摻量15%，微硅粉摻量在8%時(shí)，8 次凍融循環(huán)下能夠提高壓縮強(qiáng)度，其值達(dá)到非凍融循環(huán)下的73%，并逐漸趨于穩(wěn)定，所以，微硅粉摻量在8%左右時(shí)能夠充分發(fā)揮其作用，從多種角度分析在水泥摻量合適的情況下，微硅粉在8%左右為最合適摻量。

3）在凍融循環(huán)作用下，不同水泥摻量及微硅粉摻量下，隨著凍融次數(shù)的增多出現(xiàn)先減小后逐漸穩(wěn)定的趨勢(shì)；得出強(qiáng)度損失率與微硅粉摻量之間的關(guān)系模型y=ax2+bx+c，相對(duì)于普通水泥土，其強(qiáng)度增加比較顯著。

4）微硅粉作為外加劑，能夠在合適摻量下經(jīng)過(guò)凍融循環(huán)作用表現(xiàn)出良好的強(qiáng)度和性能，它的充分利用對(duì)環(huán)境保護(hù)也是非常有益的；特別是在季節(jié)性凍土提高水泥土的抗凍性能具有廣闊的應(yīng)用前景。