0 引言

典型黄土地区在中国的覆盖面积约63万km²，这些地区的路基大多采用黄土作为修筑材料。但是，黄土的孔隙结构特征显著、强度较低，特别是遇水后强度迅速下降^[1]，因此，往往对黄土进行固化处理后才能用作路基填筑工程中。

通常采用石灰、水泥、工业废渣等无机胶凝材料固化黄土^[2-3]。黄土中掺入石灰成本较低、所需施工技术简单，是固化黄土最常用的方法之一，但掺入石灰后形成胶结物的速度慢、早期强度较低^[4-6]；水泥固化黄土早期强度高，但由于黄土的塑性指数较高，水泥固化黄土的温缩、干缩大；工业废渣用作土体改良可实现废物的二次利用^[7]。无机胶凝材料的大量使用加剧了环境污染，寻求环境友好的新型材料替代传统无机胶凝材料是今后的发展趋势。纳米材料是20世纪末出现的一种环境友好的新材料，其对土体力学性能的改善效果已被一些研究成果证实^[8]。

土体固化中常用的纳米材料有纳米二氧化硅、纳米氧化镁、纳米三氧化二铝、纳米高岭土等，其中纳米二氧化硅是通过物理法或化学法制备的具有小尺寸效应、表面能效应及火山灰效应的无机絮状硅化物，在土体中掺入微量的纳米二氧化硅能显著提高抗压强度^[9]。Asskar等^[10]用纳米二氧化硅代替部分波特兰水泥，通过强度试验、SEM测试、XRD测试对纳米二氧化硅和水泥稳定砂的力学特性开展了研究，得出纳米二氧化硅代替波特兰水泥的数量为8%时其力学性能最佳。Foad等^[9]发现在软黏土中掺入0.7%的纳米二氧化硅，则土体抗剪强度最大。Selvakumar等^[11]得出纳米二氧化硅掺量增加过程中固化黏土的回弹模量也在增长。Anuj等^[11]对纳米二氧化硅和聚丙烯纤维综合稳定黏土的强度开展了研究，得出稳定黏土中纳米二氧化硅最佳掺量为7%。Foad等^[14]发现软土中掺入纳米二氧化硅和再生聚酯纤维能显著提高软土的力学性能，且添加纳米二氧化硅比添加再生聚酯纤维能更有效的提高软土的刚度。Mahesh等^[15]用粒化高炉矿渣、石灰、纳米二氧化硅综合稳定黑土，得出掺入稳定材料后能改善土体的力学性能。Babu等^[16]发现膨胀土中掺入石灰和纳米二氧化硅能降低土体的膨胀性，提高CBR值，但是单独掺入纳米二氧化硅不能改善土体的膨胀性。Ran等^[17]发现纳米二氧化硅固化黄土的无侧限抗压强度随纳米材料掺量的增加而增长。Jalil等^[18]在黄土中掺入再生聚酯纤维和纳米二氧化硅，通过直接剪切试验得出随聚酯纤维和纳米二氧化硅掺量的增加黄土剪切强度得到了提高。

从上述研究结果可以得出纳米二氧化硅的掺入能改善黏土、膨胀土、黑土及砂土的力学性能。纳米二氧化硅固化黄土的已有研究成果仅仅对固化后黄土的无侧限抗压强度开展了探讨，但对黄土用作路基工程中的CBR值和回弹模量及强度增强机理尚未开展相关研究，基于此，笔者首次对纳米二氧化硅-石灰固化黄土用作路基工程的相关力学性能开展研究。纳米材料的成本相比无机胶凝材料高，笔者在石灰固化黄土中掺入微量的纳米二氧化硅，探讨纳米二氧化硅-石灰综合固化黄土的宏观力学特性和微观机制，并建立了强度预测模型，以期为固化黄土路基提供参考。

1 试验材料及方法 1.1 试验材料

试验用黄土取自兰州市七里河区彭家坪某建筑基坑3 m深度处，试验前将黄土自然风干，碾碎，过0.5 mm的标准筛；测得黄土的液限24.6%，塑限10.2%，相对密度2.67。熟石灰相对密度2.49，具体成分见表 1。纳米二氧化硅为白色纳米级粉末(图 1)，化学成分和物理特性列于表 1。

1.2 试样制备 1 试样的配合比

试验中石灰的质量分数固定为3%，此掺量为固化黄土所需石灰最小掺量，确定方法详见2.1节。纳米二氧化硅的质量掺量分别为0，0.1%，0.2%，0.3%，0.4%，0.6%，纳米二氧化硅-石灰固化黄土的配合比分别为3%石灰+0.1%纳米二氧化硅，3%石灰+0.2%纳米二氧化硅，3%石灰+0.3%纳米二氧化硅，3%石灰+0.4%纳米二氧化硅，3%石灰+0.6%纳米二氧化硅；《黄土地区公路路基设计与施工技术规范》(JTGT D31-05—2017)中建议石灰固化黄土路基石灰掺量取8%，因此，取8%石灰固化黄土作为对照组与纳米二氧化硅-石灰综合固化黄土的力学性能进行对比。通过标准击实试验得出不同配合比固化黄土的最大干密度和最优含水量，具体结果如表 2所示。

2 试样的制备

无侧限抗压强度、SEM试验用试样制作时均采用高125 mm，内径61.8 mm的空心不锈钢制模具。按照拟定配合比计算制备一个试样所需各种材料的质量并称量，首先将黄土和石灰拌和均匀，接着加水继续搅拌均匀为止，将混合物密封闷料24 h；然后加入纳米二氧化硅后搅拌均匀；接着把所制备的混合物分5份，每份混合物依次倒入模具中采用静压法分层压实。根据《公路土工试验规程》(JTG 3430—2020)，回弹模量和CBR试验所需试样按最优含水率通过重型击实标准制作，分3层击实, 每层50击，试样压实度在96%以上。为获得可靠结果，无侧限抗压强度试验制作6个平行试样，回弹模量和CBR试验制作3个平行试样，试样制作完成后放入标准养护箱中养护7，14，28，60，90，180 d。

1.3 试验方法 1 无侧限抗压强度试验

将试样不受侧向约束放置到试验机上，并施加轴向压力直至破坏，破坏时施加轴向力与试样面积的比值为无侧限抗压强度(UCS)，采用3倍均方差法剔除异常值，以95%保证率的强度值作为该配合比固化黄土的UCS值。

2 回弹模量试验

参照《公路土工试验规程》(JTG 3430—2020)，将最大压力(p=400 kPa)分6级在杠杆压力仪上对试样分级施加荷载，记录每级荷载作用下的回弹变形，最后计算每级荷载作用下的回弹模量。

3 CBR试验

参照《公路土工试验规程》(JTG E40—2020)具体规定开展CBR试验。

4 SEM测试

微观分析用扫描电子显微镜型号JSM-5600LV，分辨率3.5 nm，加速电压0.5~30 kV。从达到规定养护龄期的试样中部取小样(约2 g)，在40 ℃下真空干燥，然后在试样表面喷金，最后用扫描电镜拍照。

2 结果与讨论 2.1 石灰的最小掺量

固化黄土中所需石灰的最小掺量与固化黄土混合物的pH值有关^[19]，笔者将不同石灰掺量的灰土与去离子水按质量比1∶3混合，用pH计测试混合物的pH值。得出灰土混合物的pH值随石灰掺量的增加而增大(图 2)，当石灰掺量大于3%后混合物的pH值趋于定值。因此本试验中纳米二氧化硅-石灰固化黄土中石灰的掺量选为定值3%。

2.2 无侧限抗压强度

由无侧限抗压强度试验得到重塑黄土试样的UCS仅为173.36 kPa，掺加3%石灰后养护龄期为7 d的石灰固化黄土无侧限抗压强度提高到306.71 kPa。图 3给出了不同养护龄期固化黄土的无侧限抗压强度，由图 3可知，同一养护龄期的纳米二氧化硅-石灰综合固化黄土，随纳米二氧化硅掺量的增加σ_c迅速增大，可见掺入少量纳米二氧化硅可以显著提高固化黄土的强度；各配合比综合固化黄土的σ_c随养护龄期的增加而增长。

当养护龄期达到180 d，3%石灰+0.2%纳米二氧化硅综合固化黄土的无侧限抗压强度达到1 062.47 kPa，该数值超过了8%石灰固化黄土(对照组)的无侧限抗压强度，说明固化黄土中掺入少量纳米二氧化硅可迅速提高无侧限抗压强度，从而大大降低石灰的掺量，因此，黄土中掺加微量纳米二氧化硅、3%石灰是一种环境友好、成本较低、稳定效果较好的新型固化黄土技术。

2.3 回弹模量

不同养护龄期、不同荷载等级下纳米二氧化硅-石灰固化黄土的回弹模量(E)如图 4所示，参考《公路路基路面现场测试规程》(JTG3450—2019)计算得不同配合比固化黄土试样的回弹模量最终值E₀，如图 5所示。

由图 5可知，各配合比纳米二氧化硅综合固化黄土的E₀随纳米材料掺量、养护龄期的增加而增大，说明纳米二氧化硅的掺入增强了黄土的抗变形能力。养护龄期7 d，3%石灰+0.1%纳米二氧化硅综合固化黄土的回弹模量远大于3%石灰固化黄土的回弹模量值，说明纳米材料的掺入迅速提高了固化黄土的早期刚度，这与刘江^[7]的研究具有类似结果；养护180 d时，3%石灰+0.2%纳米二氧化硅综合固化黄土与8%石灰固化黄土具有相近的回弹模量值，这进一步验证了通过在石灰固化黄土中掺入微量的纳米二氧化硅来提高黄土路基的力学性能是可行的。

2.4 CBR试验

不同养护龄期固化黄土浸水前后的CBR值测试结果如图 6所示。由图 6知固化黄土浸水前和浸水4 d后CBR值均随纳米二氧化硅掺量的增加而增大；养护龄期为180 d，3%石灰固化黄土中掺入0.1%，0.2%，0.3%，0.4%，0.6%的纳米二氧化硅后，综合固化黄土的CBR值在浸水前后下降率分别为5.61%，4.05%，2.51%，1.65%，0.97%；此外，养护龄期为180 d，浸水前后3%石灰+0.2%纳米二氧化硅综合固化黄土与8%石灰固化黄土的CBR值接近，说明3%石灰固化黄土中掺入0.2%的纳米二氧化硅可达到与《黄土地区公路路基设计与施工技术规范》(JTGT D31-05—2017)推荐的8%石灰固化黄土相近的力学性能。

2.5 纳米二氧化硅-石灰固化黄土力学性能的预测

养护28 d是评估无机胶凝材料固化土体力学性能的关键龄期，因此，选用综合固化黄土28 d龄期的力学指标数值为参考值，将每一配合比纳米二氧化硅-石灰固化黄土各龄期力学指标数值除以龄期为28 d时的数值(标准化处理)，得到各力学指标的标准值(记作：σ_{c, t}/σ_{c, 28}，E_{0, t}/E_{0, 28}，CBR_t/CBR₂₈)。标准化处理消除了固化材料掺量及密实度对力学指标的影响，标准化处理后固化黄土力学指标数值大小只与养护龄期t有关。通过上文可以看出，各力学指标随养护龄期的增长趋势符合对数函数(图 7)，通过对试验数据的回归拟合，得到各力学指标标准值与养护时间t之间的关系如式(1)~(3)。

(1)

(2)

(3)

进一步分析图 7和式(1)~(3)，各式可以很好捕捉固化黄土力学指标标准值随龄期的变化趋势，而且各式中相应的参数值非常接近，推测可能存在一个统一公式可以表达这3个力学指标标准值(记作：N_t/N₂₈)与养护龄期之间的关系。因此，把不同养护龄期对应的σ_{c, t}，E_{0, t}，CBR_t标准值点绘到图 8中，通过数据拟合建立了统一的力学指标标准值(记作：N_t/N₂₈)与养护龄期之间的关系如式(4)所示。

(4)

式(4)除了反映出σ_{c, t}，E_{0, t}，CBR_t的标准值随养护龄期的变化规律外，也体现了固化黄土3个力学指标实测值在数值上存在着一定的关系。把σ_c作为横坐标轴，CBR值和E₀作为纵坐标轴，把前述力学性能试验所得数据点绘到图 9中，通过正比例函数拟合得出E₀和σ_c，CBR和σ_c的关系为：E₀=341.94UCS，CBR=134.12UCS。

将E₀=341.94σ_c，CBR=134.12σ_c分别代入式(4)中，各配合比固化黄土E₀和CBR值的变化趋势可用28 d的σ_c和龄期t来表示，如式(5)、(6)所示。

(5)

(6)

基于式(5)，(6)所得E₀, CBR预测值与实测值之间的相关性如图 10所示。路基工程中σ_c的测试比E₀或CBR的测试简单，本研究建立的式(5)，式(6)可为纳米材料-石灰固化黄土路基工程的设计和施工质量检测提供参考，也可为固化黄土路基后期强度评价预测提供借鉴。

2.6 SEM分析

固化材料对土体力学性能的改善与掺入固化材料后土颗粒胶结界面的形貌密切相关^[19]，笔者利用SEM测试手段从微观角度观察纳米二氧化硅、石灰、黄土颗粒胶结界面的形貌。对压实黄土试样进行了SEM拍摄(图 11)。养护龄期为7，28, 90 d的石灰固化黄土和纳米二氧化硅-石灰综合固化黄土放大2 000倍的SEM图像如图 12~14所示。

从图 12可以看出，养护7 d的固化黄土整体结构较为疏松，胶凝材料与黄土颗粒之间胶结程度低，起胶结作用的颗粒状和针棒状物质较少，纳米二氧化硅、石灰与黄土颗粒黏结界面存在间隙，固化黄土整体骨架较为松散。随着养护时间增长(图 13)，试样中小颗粒增多，大颗粒周围裹覆球状小颗粒，小颗粒以团聚方式填塞到大颗粒间的孔隙中。当养护时间达到90 d(图 14)，试样中针棒状单元增多，大颗粒周围裹覆针棒状小颗粒，且针棒状颗粒大量聚集形成大聚粒、堆积在大颗粒表面，大颗粒中间的孔隙大大减少。

比较相同石灰掺量、不同纳米二氧化硅掺量固化黄土(图 12~14中的(a)和(b))的微观结构，发现掺加纳米二氧化硅后固化黄土中出现大量絮状结构物裹覆到大颗粒和小颗粒周围，并在局部出现了小聚粒，这主要是因为纳米二氧化硅比表面积大、活性强，掺入固化黄土后，部分活性颗粒在石灰形成的碱性环境中能够迅速参与火山灰反应，加速了凝胶产物水化硅酸钙的生成，未反应颗粒在固化黄土中填充了颗粒间的孔隙，充分发挥了纳米材料的填充效应，进一步提高了固化黄土的密实度，从而使早期强度显著提高；但掺入的纳米二氧化硅数量较少，只有在养护早期(28 d)快速提高了固化黄土的强度，养护中后期，固化黄土强度的增长主要来源于石灰的碳酸化作用^[14]。

3 结论

通过对固化黄土路基的力学性能和微观结构试验，得出的主要结论有：

(1) 0.2% 纳米二氧化硅+3%石灰综合固化黄土的σ_c，E₀，CBR达到了《黄土地区公路路基设计与施工技术规范》(JTGT D31—05—2017)中推荐的8%石灰固化黄土的σ_c，E₀，CBR，纳米二氧化硅-石灰综合固化黄土技术为黄土地区公路路基处理提供一种环境友好、成本较低的新型固化方法。

(2) 石灰固化黄土中掺入少量纳米二氧化硅能快速提高黄土的σ_c，CBR，在纳米二氧化硅掺量不大于0.6%的前提下，固化黄土的力学性能随纳米二氧化硅掺量和养护龄期的增加而增大。

(3) 通过固化黄土力学指标数据的标准化处理和试验数据回归拟合，建立了σ_c，E₀，CBR之间的关系，所得结果为工程设计和施工质量检测提供参考。

(4) 微观结构试验结果表明纳米二氧化硅的掺入改善了土颗粒的团聚方式，填塞了土颗粒间的孔隙，特别是养护后期固化黄土中的大颗粒周围裹覆絮状结构物和针棒状小颗粒形成了聚集体，黄土中掺加纳米二氧化硅改变了土颗粒的胶结方式。