杨伟军，何 欣，杨建宇
(长沙理工大学 土木工程学院，湖南 长沙 410114)
我国洪涝灾害频发，洪涝灾害造成的人民生命财产损失和公共设施毁坏，对我国的国民经济具有一定的冲击.堤防工程是应用最广泛的防洪工程，筑堤可以有效地抵御洪水泛滥，保护人民日常生活和工农业生产.
但是大部分堤防工程堤基条件差、堤后坑塘多，同时，河水的冲刷会使河堤土体软化，材料强度降低，导致河堤产生裂缝和沉降，影响其结构稳定性，裂缝随着时间的推移不断变大，最终导致溃堤.人类生产活动对生态产生了破坏[1]，需要减少土壤开采，使用环境友好型材料[2].
针对土堤原料土需求量大、生态破坏等问题，需要对含杂土质黏土进行原位改性处理，目前已经有许多国内外学者采用单一材料进行改良，例如，乔国刚等[3]研究发现使用泡沫对细砂、粗砂土进行改良，可以降低砂土的渗透系数，增强土的压缩性.王建国等[4]研究发现掺入水泥的改性土压实度高、抗渗性能强.最初的固化材料为水泥，后来逐渐把粉煤灰和石灰作为辅助固化材料用来改良黏土.闫敏等[5]研究发现使用水泥、石灰石和粉煤灰对回填土进行改性处理后，其强度得到了增强.张兰芳[6]研究发现锂渣对提高混凝土的强度有明显的作用，采用锂渣或锂渣和其他工业废渣复合配制的混凝土，强度高、流动性大，坍落度损失小.锂渣可以提高混凝土强度，改善混凝土性能，用锂渣和矿渣或粉煤灰可配制高强泵送混凝土，用于高强且需泵送的混凝土工程中.以锂渣或锂渣和其他工业废渣取代部分水泥配制锂渣混凝土，可以在保证混凝土各项性能的前提下，节约水泥，降低工程造价，对废渣的有效利用及环境保护具有重要的意义.然而，很少有研究采用含杂土质黏土作为研究对象，且很少研究使用锂渣改良含杂土质黏土并运用于堤防工程.鉴于此，本文利用正交试验和单因素试验探索了含杂土质黏土的配比，并在此基础上进行了堤防工程所需的基本性能研究.
因此，本文通过试验研究开发了一种改性土，即就近选取堤防工程附近的砂质黏土，添加固化剂、水和活性剂，通过管道自动化泵送填筑.通过改变影响因素掺量，利用正交试验和极差分析获得改性土各影响因素主次大小关系，对改性土容重、抗压强度和吸水率等基本性能进行试验研究，为堤防材料开发及应用提供理论参考和技术支撑.
本研究的试验方案主要为原材料性能及正交试验配比.
1.1 原材料
本着经济适用的原则，本研究采用固化剂为PO42.5级普通硅酸盐水泥，发泡剂选取LG-2258植物源复合发泡剂，原料土采用含杂土质黏土，根据土的物理性质和颗粒级配测定为黏性土，其塑性指数为12.6，黏土的颗粒级配累计曲线如图1所示，基本性质如表1所示.
表1 黏土基本性质
图1 颗粒级配累计曲线图Fig.1 Grain cumulative grading curve
图2 (a)黏土；
(b)泡沫；
(c)发泡机Fig.2 (a)Clay；
(b)Foam；
(c)Foaming machine
1.2 试验配比
通过改变水泥、黏土、泡沫掺量和水灰比，采用正交试验和极差分析获得改性土各影响因素主次大小关系，试验方案为三水平四因素正交试验，正交试验配比如表2所示.
表2 正交试验配比表
为了获得更好的流动性，试验前先将含杂土质黏土烘干并过5 mm筛子，活性剂按1∶60稀释后加入发泡机内，通过发泡机制作密度为30 kg/m3的稳定气泡群.先按配比将称量好的水泥、黏土倒入搅拌机内混合均匀，然后加水搅拌2 min，再将泡沫加入搅拌机中搅拌不超过3 min，最后将水泥浆倒入边长为100 mm的立方体模具中进行养护.
改性土通过管道泵送无须振捣、碾压，可有效解决土堤压实难的技术问题，提高堤防工程效率.改性土流动度、容重、抗压强度测定方法参照《气泡混合轻质土填筑工程技术规程》(CJJ/T 177-2012)，吸水率试验公式参照《泡沫混凝土》(JG/T 266-2011).流动度应控制在160～200 mm，流动度过小，管壁内摩阻力太大，容易产生堵管.流动度过大，拌和物长时间在管道中容易泌水，导致离析、消泡[7].
用高80 mm，直径80 mm的光滑塑料圆筒和一块平板进行试验，将拌和物装入圆筒后并缓慢垂直向上提起，用钢尺测量拌和物摊开的直径并记录，每组试样进行2～3次平行试验，以平均值作为最终的流动值.抗压强度试验采用试件的规格为100 mm×100 mm×100 mm的标准立方体试件，养护至规定龄期后采用微机控制万能试验机WDW-100C连续均匀地对试样进行加荷，直至破坏.试验过程如图3所示.
图3 (a)流动性试验；
(b)抗压强度试验Fig.3 (a) Fluidity test；
(b)Compressive strength test
本研究依据规范《堤防工程设计规范》(GB 50286—2013)黏性土筑堤标准，试验结果采用软件分析.
3.1 改性土基本性能的研究
添加泡沫对粉质黏土进行改性，可以减少对原料土的需求量且实现管道运输，保护生态环境的同时减轻了土堤荷载、提高了施工效率.根据试验结果，得到改性土的湿容重和流动度，如图4所示，符合规范要求.
图4 不同配比的湿容重和流动度Fig..4 Wet capacity and fluidity of different ratios
堤防工程对土堤强度、变形有严格规定的标准，改性土作为堤防材料要满足堤防要求的强度、变形指标.抗压强度是改性土在实际应用中最为重要的参数，反映其力学性能，如图5所示，改性土的抗压强度随时间增加而增强.这是因为水泥在水化过程中，生成水化硅酸钙凝胶 (C-S-H) 和氢氧化钙等产物，逐渐填充孔隙，内部结构越来越密实，强度随之增加[8].根据规范压实度不应小于0.91，其抗压强度不应小于0.12 MPa，组号4、6、7、8、9满足规范要求.
图5 时间对抗压强度的影响Fig.5 Influence of time on compressive strength
图6、图7分别表示时间对改性土的容重和吸水率的影响.由图6可知，改性土的容重随着浸水时间的增加而增大，增长平稳.从图7可得，吸水率随时间的增加而增长，浸水初期增长较快，15 d后增长缓慢.原因在于改性土气泡的体积含有率高达40%～70%，透水系数小于10-5cm/s，透水性较低[9].并且，内部气泡具有独立性，分散非连通，水很难侵入，有少量吸水特性但限于表面，具有一定的防水性能[10].
图6 时间对容重的影响Fig.6 Influence of time on capacity
图7 时间对吸水率的影响Fig.7 Influence of time on water absorption
根据正交试验结果，调整配比，进行单因素试验.通过调整泡沫、含杂土质黏土、水泥掺量、水固比、掺合料，探索各因素对改性土抗压强度的影响规律，配合比设计如表3所示.掺入锂渣进行改良的填筑材料，前期强度较低，后期强度显著增强，抗压强度试验结果如表4所示.
表3 单因素试验配比表
表4 单因素试验立方体抗压强度试验结果
3.2 改性土试验结果分析
各因素极差分析结果如图8所示，其中各个因素对改性土湿容重、干容重影响程度由大到小依次为水泥A、泡沫C、黏土B、水灰比D。对于湿容重，最优组合为水泥270 kg/m3、黏土270 kg/m3、气泡群600 L/m3、水灰比0.7或水泥270 kg/m3、黏土270 kg/m3、气泡群600 L/m3、水灰比0.75；
对于干容重，最优组合为水泥250 kg/m3、黏土270 kg/m3、气泡群550 L/m3、水灰比0.7.各个因素对改性土抗压强度、吸水率影响的顺序由大到小为水泥A、泡沫C、水灰比D、黏土B。对于抗压强度，最优组合为水泥290 kg/m3、黏土320 kg/m3、气泡群550 L/m3、水灰比0.65；
对于吸水率，最优组合为水泥290 kg/m3、黏土320 kg/m3、气泡群550 L/m3、水灰比0.7，容重均满足取值范围.由图8可知，通过减少水泥和黏土用量，增加水灰比和泡沫掺量，可以减小改性土湿容重.
图8 (a)湿容重；
(b)干容重；
(c)抗压强度；
(d)吸水率Fig.8 (a)Wet capacity；
(b)Dry capacity；
(c)Compressive strength；
(d)Water absorption
由极差分析和单因素试验结果可知，在所选因素水平范围内，水泥是影响改性土抗压强度的关键因素，水泥用量的增加使改性土的抗压强度也随之增大.水泥与水之间发生水化反应，使松散的黏土颗粒粘结成一个整体，在改性土中起着固化作用，加强了土体骨架[11].其次是泡沫，当泡沫在拌合物中分布均匀时，气孔形状大小适宜，连通孔较少，强度提高，这是因为泡沫都独立存在且封闭[12].若泡沫过多，则会出现连通孔增多，孔隙率增大，容重降低.当水泥用量较高时，抗压强度随着泡沫掺量的增加而显著降低.水泥、黏土越少，泡沫越多，容重越小.当泡沫过多时，发泡剂中的羟基吸附在水泥粒子表面，水化反应不完全，内部出现连通孔，破坏了结构稳定，胶结作用降低，形成的固化物减少，导致强度降低[13].水灰比也会影响抗压强度，当水泥水化所需的用水量不足时，会吸收泡沫中的水分，使泡沫破裂，孔隙率减少，强度降低[14].黏土则起着支撑作用，可以填充空隙，使改性土容重增加，强度提高.但黏土颗粒会吸收部分水，使水泥水化不充分，影响气泡结构，需要控制在合适的范围内.
对于吸水率来说，容重小的改性土内部连通孔隙和毛细孔较多，浸水吸收的水量大，容重大的连通孔隙少，吸水少[15].改性土内部孔隙密闭，浸水不会渗透进内部[16].但泡沫过多会受到挤压破裂，气孔受力不均匀，形成容易坍塌的大孔隙，吸水率增加.当用水量过多时，会出现分层和泌水现象，气泡破裂形成连通气孔，吸水率增加.
通过扫描电子显微镜(SEM)从微观结构对气泡掺量不同的改性土进行气孔结构分析，研究孔隙率大小和气孔连通性.A1与B1变量为气泡群，控制水泥350 kg/m3、含杂土质黏土350 kg/m3、水固比0.35，A1、B1气泡群分别为210 L/m3、105 L/m3.A1的SEM图如图9所示，B1的SEM图如图10所示.气泡掺量不同，孔隙率、孔隙大小、分布也不同.B1相较于A1气泡掺量较少，对比可以看出，B1气泡分散非连通，气孔表面光滑平整，孔隙壁几乎没有破裂，透水性较低，具有一定的防水性.由于含杂土质黏土起到了填充水泥石孔隙的作用，水化反应充分，微观结构上更加密实.泡沫越少，容重越大，宏观上表现为具有更高的容重和强度.泡沫过多，会使水化反应不完全，出现连通孔，破坏结构稳定性，胶结作用降低，强度下降.泡沫过量，还会使泡沫之间受到挤压破裂，气孔受力不均，坍塌成大孔隙，吸水率增加.
图9 A1的微观结构Fig.9 Microstructure of A1
图10 B1的微观结构Fig..10 Microstructure of B1
A22的SEM图如图11所示，A23的SEM图如图12所示.锂渣的掺入降低了孔隙，可见孔隙直径小，孔隙率低，锂渣起到了填充微小孔隙的作用，结构更加密实，有明显锂渣分布，宏观上表现为更高的密实度和强度，说明锂渣对强度具有一定的改善作用.随着锂渣增多，强度有所提高.A23相对于A22锂渣量不变，水泥量减少.有个别较大孔隙，孔隙圆度较差，出现絮状结晶，水化产物较少，骨架薄弱，早期强度相对较低，但随着时间的推移，后期强度增长速度较快，这表明采用锂渣替代水泥具有可行性.
图11 A22的微观结构Fig.11 Microstructure of A22
图12 A23的微观结构Fig.12 Microstructure of A23
3.3 改性土容重与基本性能之间的关系
通过探索容重与强度、吸水率之间的关系，可以更好地研究改性土容重与其性能之间的规律，相应的公式如式(1)、式(2)、式(3)所示.将试验数据进行分析，使用软件拟合，如图13所示.
图13 (a)湿容重与干容重的关系；
(b)干容重与抗压强度的关系；
(c)抗压强度与吸水率的关系Fig.13 (a)The relationship between wet capacity and dry capacity；
(b)The relationship between dry capacity and compressive strength；
(c)The relationship between compressive strength and water absorption
γd=1.834 3+0.738 5γ
(1)
F=1.699 7-0.512 3γd+0.039 9γd2
(2)
(3)
式中：γ为湿容重；
γd为干容重；
F为抗压强度；
w为吸水率.
相关系数R2分别为0.85、0.85、0.87，拟合效果良好，结果表明湿容重与干容重呈正相关，干容重与抗压强度符合乘幂方程，抗压强度与吸水率符合Logistic方程.改性土便于调节容重的特性可以适应不同工程的要求，通过容重与性能之间的数学关系，可以控制容重得到满足不同需求的产品，进而获得材料理想的抗压强度和吸水率.
1)改性土的抗压强度随时间增加，吸水率随时间的增加而增长，浸水初期增长较快，15 d后增长缓慢.掺入锂渣进行改良的填筑材料，前期强度较低，后期强度显著增强.
2)通过正交试验得出，对于改性土的抗压强度和吸水率，影响因素的顺序为水泥A、泡沫C、水灰比D、黏土B，改性土抗压强度和吸水率在很大程度上取决于水泥用量.
3)通过减少水泥和黏土用量，增加水灰比和泡沫掺量，可以减小改性土湿容重.掺入粉煤灰、锂渣均可提高改性土的抗压强度，锂渣替代水泥具有可行性.
4)改性土的容重与抗压强度、吸水率之间满足特定的函数关系，探索改性土容重与其基本性能之间的规律，为实际工程应用与推广提供理论参考.
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