冻融循环下微硅粉对水泥土力学性能影响的试验研究

张新新，董玉萍

（西安翻译学院，西安 710105）

随着国家经济建设的发展，水泥土在实际工程当中应用逐渐增多，但是水泥土掺量较低时对地基、路基等工程强度的影响不大，而水泥在生产过程中浪费资源和能源，破坏生态环境，水泥掺量较高时造价较高。微硅粉是工业电炉高温熔炼工业硅及硅铁的过程中，随废弃逸出的烟尘经特殊的捕集装置收集处理而成；硅灰中的活性物质二氧化硅与水泥水化析出Ca（OH）2发生化学反应，生成水化水化CSH凝胶体后堵塞毛孔，增强密实性。通过很多学者的研究表明硅粉能有效提高混凝土、水泥土的性能。如禹贵香[1]进行了水泥硅粉复合剂提升公路路基与底基层力学性能研究，研究表明，硅粉是一种良好的添加材料，可以提高路基和底基层的水分不敏感性，有利于现场碾压施工；王文军等[2]分析了纳米硅粉改性水泥土工程形状的机理；闫仙丽等[3]采用正交试验的方法研究水胶比、粉煤灰掺量、矿粉掺量、硅灰掺量4个因素对高性能混凝土的影响，研究表明硅灰掺量的影响因此仅次于水胶比；王德辉等[4]采取正交试验研究了水泥-硅灰-矿粉-粉煤灰胶凝体系下超高强混凝土的硬化过程，分析了其对UHSC 水化、微观结构和强度的影响；李茂英等[5]对纳米硅粉改善水泥土抗腐蚀性能机理进行了研究。

通过大量研究表明，微硅粉已经广泛应用在在水泥土及高强混凝土中；目前，学者对于硅粉在工程中的研究主要集中在水泥土和混凝土中，以及对于水泥土抗腐蚀性能的影响，对于硅粉水泥土在冻融循环条件下强度的影响研究还是比较少的。本文主要将硅粉掺入到水泥土中，着重分析冻融循环作用下其强度变化规律及其作用机理，为微硅粉水泥土在季节性冻土地区的应用提供一定技术支持。

1 试验

1.1 原材料

本试验用土取自西安市长安区某地下管廊工程中的黄土，土的物理力学指标如表1所示，试验水泥采用西安瑞泰复合材料有限公司生产的普通硅酸盐水泥，等级为32.5R；试验所用微硅粉为四川郎天资源综合利用有限责任公司生产，其主要性质指标如表2所示。

表1 土的物理性质Tab.1 Physical properties of soil

表2 微硅粉的主要性质指标Tab.2 Main properties of micro silicon powder

1.2 试验方案

本试验按照土工试验规定的方法，将土烘干、碾压后过筛，土、水泥和微硅粉按照比例制备土样；土样分三层放入直径为39.1mm，高度为80mm的击实仪中；按试验标准分层击实，相同比例做三个平行试样，根据文献[2]，掺加纳米硅粉的水泥土养护7d 后早期强度较大[2]，为了减少工期，本试验中土样放入标准养护箱均养护7d；一次冻融循环共24h，冻结12h，融化12h，经养护及冻融循环后采用万能试验机测定土样的无侧限压缩强度。

为研究水泥、微硅粉以及冻融循环次数对水泥土压缩强度的影响，文献[6]中提出，纳米硅粉水泥土和普通水泥土相同强度相比，纳米硅粉水泥土的成本仍然较高，本文从经济的角度采用下述指标安排本次试验，试验中考虑的三因素（水泥A、微硅粉B、冻融循环次数C），三因素指标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，共计15 组分别进行压缩强度试验，对试验数据进行分析。

2 试验结果及其分析

2.1 冻融循环作用下微硅粉水泥土强度分析

图1 水泥掺量5%时冻融次数与与强度的关系Fig.1 Relation between freeze-thaw frequency and strengthwhen cement content is 5%

图2 水泥掺量10%时冻融次数与与强度的关系Fig.2 Relation between freeze-thaw frequency and strength when cement content is 10%

图3 水泥掺量15%时冻融次数与与强度的关系Fig.3 Relation between freezing-thawing times and strength when cement content is 15%

从图1、2、3可以看出，微硅粉水泥土的压缩强度随着冻融循环次数的增加有明显的下降趋势，其中普通水泥土的压缩强度呈现明显线性下降的趋势，而水泥掺量较少时其变化趋势与普通水泥土变化比较相似；随水泥掺量的增加，逐渐由线性转变为曲线变化趋势。水泥掺量为15%，8 次冻融循环微硅粉掺量为10%的压缩强度是普通水泥土的6.2 倍；微硅粉掺加对提高水泥土冻融循环后强度增强效果是非常明显的。微硅粉水泥土的抗冻性能远优于普通水泥土，尤其是在多次冻融循环后，普通水泥土的强度下降非常明显，而微硅粉水泥土的冻融循环冻融循环次数的增多其强度逐渐趋于稳定，并远高于普通水泥土。

表3 水泥掺量为15%时的强度损失率（%）Tab.3 Strength loss rate when cement content is 15%（%）

从表3可以看出，普通水泥土在冻融循环下的强度损失率逐渐增大，8 次冻融循环达到了55.9%，强度下降比较明显；2 次、4 次的强度损失率的增幅最为明显，6 次、8 次的强度损失率的增幅开始逐渐变缓；随微硅粉掺加的增多，相同冻融循环次数下质量损失率出现先减少后增大的变化趋势，8次冻融循环下，微硅粉掺量8%的强度损失率为26.1%，为硅粉掺量10%时，其损失率降低到29.9%；当微硅粉掺量在8%左右时其强度损失率最低，后开始缓慢增加。

2.2 微硅粉水泥土强度损失及其拟合曲线

图4 水泥掺量15%不同微硅粉掺量下的强度损失及其拟合曲线Fig.4 Strength loss and fitting curve of 15% cement content and different silica powder content

通过多项式拟合的方法对水泥掺量5%，10%和15%，不同微硅粉掺量的8 次冻融循环下的强度损失曲线进行拟合，可以得到微硅粉掺量与微硅粉强度损失率的关系曲线。式（1）为水泥掺量5%的拟合曲线，式（2）为水泥掺量10%的拟合曲线，式（3）为水泥掺量15%的拟合曲线。

式中，x为微硅粉掺量；y为压缩强度损失率。

根据式（1）、式（2）、式（3）可知，试验值与理论值拟合较好，其相关系数分别为x2=0.9946，x2=0.9924，x2=0.9854，说明冻融循环后微硅粉水泥土的压缩强度与微硅粉掺量具有较高的相关性，得出在冻融循环次数相同的情况下微硅粉掺量与水泥土强度损失率之间的关系为式（4）

式中，a为二次项系数；b为一次项系数；c为常数项。

根据上述公式可以判断出微硅粉掺量为8%左右时，其强度损失率达到最低，为最优掺量。

综上，微硅粉在掺量合适的情况下，能有效提高其压缩强度；以水泥掺量15%为例，非冻融循环下微硅粉掺量8%的压缩强度是普通水泥土的3.17 倍，而经8次冻融循环后，其强度达到了普通水泥土的5.17倍，说明微硅粉水泥土的压缩强度要远优于普通水泥土，尤其在冻融循环作用下其强度增强效果更加显著。

3 微硅粉水泥土冻融循环作用机理

冻融条件下，土体中的水变成固态的冰，体积膨胀率约为9%，体积膨胀产生的膨胀力超过土体本身的强度，土体就会产生微裂缝，致使压缩强度减小；这是水泥土在季节性冻土地区破坏的主要原因［6］；当掺量水泥及为硅粉掺量较小时，土体中的孔隙较多，残留部分未完全水化的水泥，土体的膨胀力远大于土体本身的强度，使土体出现微小的不可逆的裂缝，其压缩强度下降幅度较大。随微硅粉掺量的逐渐增加，微硅粉不仅能发生火山灰消耗水泥水化产生的Ca （OH）2，生成更多的水化凝胶体；微硅粉与土体表面所带电荷发生离子交换作用，改善土体的胶结状态，促进未完全水化水泥的进一步水化，土体中的大孔隙变小，变成了细小的孔隙，水泥土更加密实。

总的来说，在冻融循环作用下，土体的膨胀力不变，而土体本身的强度呈逐渐增长的趋势，土体中不可逆的裂缝呈现逐渐减小的趋势，所以随水泥及微硅粉掺量的增加，微硅粉水泥土的强度呈现逐渐上升的趋势。当微硅粉和水泥掺量较高时，水泥水化作用以及微硅粉火山灰作用、胶结作用增强，土体越更加密实，空隙减少，土体经冻融循环作用后土体体积膨胀量增大，土体所受的应力逐渐增大，这是微硅粉掺量10%的水泥土压缩强度损失率比掺量8%的水泥土高的原因；从试验结果看，微硅粉掺量达到8%左右时，其强度损失率达到最低；随着微硅粉掺量的增加，虽然在非冻融循环状态其强度仍然呈现逐渐增长的趋势，但是由于膨胀作用逐渐增强，在冻融循环作用下的强度会降低，而且冻融循环次数越多，强度损失率增加的越明显；综上可以分析出，在季节性冻土地区，考虑经济合理及其强度的变化规律等因素的影响，微硅粉掺量在8%左右比较经济合理。

4 结语

1）微硅粉的适量掺加，有效提高水泥土的强度，微硅粉作为外加剂，起到良好的强度增强效果；微硅粉水泥土的早期强度较普通水泥土有显著提高，在工程实际中可充分利用其早期强度，对减少工期，降低工程造价有一定的作用。

2）微硅粉在提高水泥土抗冻性能上发挥了重要作用，水泥掺量15%，微硅粉掺量在8%时，8 次冻融循环下能够提高压缩强度，其值达到非冻融循环下的73%，并逐渐趋于稳定，所以，微硅粉掺量在8%左右时能够充分发挥其作用，从多种角度分析在水泥掺量合适的情况下，微硅粉在8%左右为最合适掺量。

3）在冻融循环作用下，不同水泥掺量及微硅粉掺量下，随着冻融次数的增多出现先减小后逐渐稳定的趋势；得出强度损失率与微硅粉掺量之间的关系模型y=ax2+bx+c，相对于普通水泥土，其强度增加比较显著。

4）微硅粉作为外加剂，能够在合适掺量下经过冻融循环作用表现出良好的强度和性能，它的充分利用对环境保护也是非常有益的；特别是在季节性冻土提高水泥土的抗冻性能具有广阔的应用前景。