纳米硅溶胶加固粉质砂土的性能研究

摘要

粉质砂土具有富含微细孔隙的特点，导致对其进行注浆加固较为困难。在传统注浆加固材料的基础上，引入纳米硅溶胶，研究纳米硅溶胶对粉质砂土加固的影响。以纳米硅溶胶加固粉质砂土为研究对象，通过注浆效果对比试验、无侧限抗压强度实验、渗透实验、SEM扫描电镜分析等试验方法，比较不同养护环境及龄期加固土力学性能。结果表明：纳米硅溶胶注浆性能相对与传统注浆材料能快速有效地渗入土体对土粒进行胶结，对孔隙进行封堵。通过设置干燥空气和水两种养护环境养护后进行相应力学试验及抗渗冲刷试验，结果发现：当填充率为25%时，纳米硅溶胶加固土强度最大可提高至280—290 kPa，连续水流冲刷下抗渗时间扩展至340 h。此外，比较不同养护环境及龄期的加固土组成成分及结构特征发现，水养护下加固土结构更为完整，孔隙更少。因此，纳米硅溶胶在富水地区对加固粉质砂土具有更大的优势。

关键词

富水粉砂层; 物理力学性质; 注浆加固; 纳米硅溶胶

珠三角地区地质主要以淤泥土、粉质砂土等软弱土质为主^［1］，这些土质受地下水影响使砂层结构愈加松散、胶结能力下降和强度削弱、自稳能力差。在渗流作用的影响下饱和砂层还具有强流动性，在隧道开挖扰动下产生的破坏具有突然性、破坏强、影响范围大等特点^［2］。因此，隧道施工常会发生开挖面失稳问题。为了解决开挖面失稳问题，一般采取降低地下水位和注浆加固封堵等手段进行处理。珠三角地区地下水含量充沛，降低地下水位的方法并不太实际。然而，注浆法不仅可以从根本上改善土体物理性质，而且还可以在内部形成增强体而阻塞渗流网络通道，从而提高隧道开挖面的稳定性。目前，被广泛使用的注浆材料有水泥浆、水玻璃类无机化学浆材、有机高分子化学浆材。由于粉质砂土的特殊性，其孔径主要集中在微米、纳米级，水泥浆难以实现对微孔隙的封闭固结；而水玻璃类无机化学浆材初始粘度低可渗入微小孔隙中，但其后期体积收缩严重、耐久性较差；有机高分子化学浆材对环境存在毒性的影响，因而限制了其使用范围；纳米硅溶胶主要成分为二氧化硅，其对环境无污染，PH值约7—8之间，相对于水泥等偏碱性材料对环境更为绿色友好，且在国外已经被广泛用于水利工程、地下结构、垃圾填埋场的阻水工作中^［3-8］。

本文以佛山轨道二号线周边地区工地的粉质砂土为研究对象，引入新型注浆材料纳米硅溶胶，展开室内注浆加固实验，研究纳米硅溶胶应用在粉质砂土的可行性。

1 试验材料

1.1 粉质砂土

1.1.1 基本物理性质

目前，大部分地区的天然粉质砂土都存在级配不良或级配空白的情况，并且具有粉粒含量差异大、内摩擦角大、内聚力低及毛细孔隙发达和渗透系数高等特点，故在粉质砂土层进行隧道工程施工时易造成开挖面失稳的情况。粉质砂土具有毫米、微米、纳米等多尺度微细孔隙的特征，所以传统的固化材料难以发挥有效作用，经常会出现固化效果不理想的情况。选取佛山轨道二号线周边地区工地的粉质砂土进行分析，粉质砂基本物理性质列于表1。

表1  粉质砂土基本物理性质

Table 1  Basic physical properties of the silty sand used in this study

参数	数值
天然密度ρ/（g∙cm-3）	1.85
天然含水率w0/%	22.1
孔隙比e	0.630
粘聚力C/kPa	7.00
内摩擦角φ/（o）	15.00
压缩系数/MPa-1	0.24
固结系数/（cm∙s-2）	2.71×10-3
渗透系数/（m∙d-1）	0.01—0.1
承载力特征值/kPa	90

1.1.2 粉质砂土孔径分布

孔径测量，采用砂性漏斗法对粉质砂土样进行土-水特征曲线的绘制^［9-10］，以推算土样主要孔径的大小。首先适当降低漏斗左侧玻璃管中水的高度，使砂芯底部产生负压，此时粉质砂土样开始排水，静置一段时间后，待玻璃测定管水位不再变化时视为已经达到平衡，记录此时玻璃测度管中液体增加的体积，重复此过程直至漏斗内水位低于试样，视为脱湿过程完成。试验过程中记录每次的饱和度和土壤水吸力，得出土壤水吸力与饱和度的对应关系，并绘制出水-土特征曲线（见图1）。

图1  土-水特征曲线

Figure 1  Soil-water characteristic curve

假设孔隙是圆柱形，由Young-Laplace方程可以换算出主要的分布孔径大小。孔径计算按下列公式计算。

$$S=\frac{\mathrm{4}\sigma \mathrm{c}\mathrm{o}\mathrm{s}{\theta }_{\mathrm{W}}}{d}$$

（1）

$$d=\frac{\mathrm{4}\sigma \mathrm{c}\mathrm{o}\mathrm{s}{\theta }_{\mathrm{W}}}{S}$$

（2）

式（1）—（2）中：S为基质吸力，Pa；d为孔隙的直径，m；σ为水的表面张力（25 ℃时σ=0.072），N∙m^-1；θ_w为水与土表面接触角，取θ_w=0 ^o。土-水特征曲线斜率发生明显变化处即为土样孔径集中分布处，选用的粉质砂土样的孔径主要集中在89.05 μm处。

1.2 纳米硅溶胶

近年来，以纳米硅溶胶为代表的纳米级改良材料在土木工程领域中受到广泛的重视和研究^［11-14］，但对于水泥、水玻璃等传统注浆材料的研究使用仍然较少^［15-17］。纳米硅溶胶是一种单组分的纳米级材料，其通过将SiO₂分散而制成胶体，具有化学性质稳定、粒度分布均匀、无臭、无毒、对环境绿色友好等特点。其中，最为重要的是纳米硅溶胶材料为纳米级，并且其黏度低近似水，使其在粉质砂土这种孔径微小的土质中渗透更加容易，加固区域效果也更为均匀，对周边土体、环境扰动小，所以纳米硅溶胶可作为一种新型的注浆材料。

凝结时间在实际施工中是必须考虑的因素，为满足多变复杂的施工条件，注浆材料的凝结时间需可控，这样注浆材料才能得到广泛地运用。为探究硅溶胶与催化剂不同配比下粘度随时间的变化曲线，可使用NDJ-5S旋转粘度计进行测试，并验证改性纳米硅溶胶的流动性及凝结时间的可控性。试验选用氯化钠盐水作为催化剂（氯化钠含量为80 g∙L^-1），其与纳米硅溶胶溶液的体积比分别设计为1∶4、1∶6、1∶8和1∶9，采用NDSJ-5S旋转粘度计测试，测试结果如图2所示。

图2  改性纳米硅溶胶粘度随时间变化曲线

Figure 2  The viscosity vs time curve of the modified nano-silica sol

从图2可以看出：硅溶胶在添加氯化钠催化剂后，溶胶胶粒不断生长，故粘度也随时间的延长而增大；另外，随着催化剂含量占比增加，溶胶胶粒成长也更为迅速，故粘度急剧增加。表明，纳米硅溶胶作为注浆材料可以通过催化剂含量来控制流动性和凝结时间，且调控范围大、易于操作，可以满足不同的施工的实际需求。

2 试验方法

判断纳米硅溶胶作为加固剂改善粉质砂土性质的可行性，分别从纳米硅溶胶注浆效果、加固土强度、抗渗性及内部组成成分和结构特征等角度进行验证。根据这些角度，进行了不同注浆材料注浆试验、无侧限抗压强度试验、抗渗性能试验和扫描电镜试验。

2.1 不同材料注浆试验

针对粉质砂土孔径的特点，选取了3种注浆材料进行室内注浆实验。他们分别是表面积为800 m²∙kg^-1和平均粒径为5 μm以下的超细水泥，天津市大茂化学剂厂生产的水玻璃-铝酸钠浆液，巴斯夫浩珂矿业有限公司产的粒径为5、14和34 nm的纳米硅溶胶。首先在粉质砂土试样中注入约1.5倍孔隙率的浆液，注浆流速控制在4 mL∙min^-1，在3种材料注浆完成后分别养护24 h，然后脱模观察，通过观察3种材料注浆均匀性和注浆距离来评价效果的优劣。

2.2 无侧限抗压强度试验

试样设计为高度10 cm、直径5 cm的圆柱体，纳米硅的填充率为试样孔隙率（n=0.44）的25%，在纳米硅溶胶中分别掺入55、75和95 g∙L^-1的催化剂，凝结时间分别对应3、1和0.5 h以满足施工过程中不同的注浆的需求。将土样与纳米硅溶胶搅拌均匀后分4次分层均匀压实，最后的试样孔隙率控制在0.33。考虑实际施工可能面临的环境，将试样保养24 h后脱模，并且在空气和水中分别养护1、3、7、15、30、90和180天后进行无侧限抗压强度实验，试样共3组21个试样。

在CSS-WAW300型电液伺服万能试验机上进行无侧限抗压强度实验。通过在水和干燥空气养护下，对加固试样在不同时间节点进行无侧限抗压强度测定，以评价不同环境条件下纳米硅溶胶加固试样的加固效果及强度随时间变化的规律。试样的抗压强度p=F/S，其中F为试验过程中记录的最大力、S为试验前测量直径计算的试件面积。

2.3 抗渗性能试验

抗渗性能是从固化粉质砂土的孔隙率和渗透性方面进行研究的，因为孔隙率是评价孔隙充填效果的重要指标，而渗透性是液体在材料中流动便利性的度量，这两个因素对于评价土壤加固的有效性和抗渗作用都非常重要。试验将分析固化土在不同养护环境、养护时间、催化剂含量对孔隙充填的影响，并观察在不同保存环境中试样在常水头冲刷时的渗透率变化情况。

2.3.1 孔隙率

试样的制备与无侧限抗压强度试验的类似，分别在水和干燥空气养护条件下设计3组不同催化剂含量（55、75和95 g∙L^-1）的试样，共计42个试样。孔隙的体积采用纯水饱和法进行测量。首先测量试样在饱和状态的质量，然后取出样本放入烘干箱中进行干燥并称量，得到的质量差则为试样孔隙水质量，经过换算即可得出孔隙体积V_p，而孔隙率n=V_p/V_t，其中V_p为试样孔隙体积、V_t为试样体积。

2.3.2 渗透率

图3为试样渗透率k的测量装置。该装置允许同时研究多个样品，试验水头设置为15 kPa的恒定压力，容器被用来收集和输送废水到实验室的排水系统中，并通过定期记录试样装置侧方两个玻璃测读管不同时段的水头差值，从而推算出渗透率k。由于土壤样品的水流为层流，在监测其渗透性时应满足水流速度与水力梯度成正比、达西定律适用的条件。渗透率$k=(Q·L·\rho ·g)/(A·t·h·\mu )$，其中Q为渗水量、L为试样高度、μ为水的动力粘滞系数（${\mu }_{\mathrm{e}\mathrm{a}\mathrm{u}}=\mathrm{1}\times {\mathrm{10}}^{-\mathrm{3}}\mathrm{P}\mathrm{a}\cdot \mathrm{S})$、A为试样底面积、t为时间、h为水体差、$\rho$为流体密度、g为重力加速度。

图3  渗透系数测定装置

Figure 3  Schematic diagram of the measuring device for permeability coefficient

2.4 扫描电镜试验

扫描电镜实验可以将土体加固前后微细单元体的外观特征、空间分布状况及颗粒间接触关系的特征变化直观的呈现在人们眼前^［18-22］。试验选用了不同养护条件及不同养护时间下的土体样品进行24 h烘干处理，得到了干燥完整并保持原状结构的试品（样品采用直径2—3 mm的块粒）。

3 结果与讨论

3.1 不同材料注浆效果分析

图4为不同材料的注浆效果对比图，3个土样分别为超细水泥、水玻璃、纳米硅溶加固粉质砂土，注浆效果对比结果列于表2。

图4  不同注浆材料效果对比图

Figure 4  Comparisons of the qualities of different grouting materials

表2  不同注浆材料脱模后效果对比

Table 2  Comparisons of the qualities of different grouting materials after demoulding

材料	不同注浆材料脱模后效果对比
	渗透大小	固化深度	试样外观	试样强度
超细水泥	渗透进入砂体约1—2 cm，试样底部无浆液滴出，渗透不均匀	1—2 cm	底部凹坑明显，中心土体脱落严重，水泥颗粒几乎全部堆积在试样表面	脱模试样松散，中下部砂体大量脱落，无强度
水玻璃	渗透进入砂体约3/5，试样底部无浆液滴出，渗透不均匀	试样3/5	底部凹凸不均明显，高差约1—2 cm	脱模强度不大，表面偏软，形状保持良好
纳米硅溶胶	全部渗透进入砂体	全部固化10 cm	底部中心略有脱落1—2 mm凹坑	脱模强度较大，表面坚硬，形状保持良好

通过比较不同材料注浆效果发现，超细水泥、水玻璃的可注性和稳定性比纳米硅溶胶差，因此超细水泥和水玻璃并不能满足注浆加固粉质砂土的实际工程需求，而新型注浆材料纳米硅溶胶则具有较大的实际工程运用潜力。

3.2 无侧限抗压强度分析

图5为3种纳米硅溶胶固化试样抗压强度比较结果。从图5可以看出，在水和干燥空气中分别养护7和15 d后，试样强度均呈线性增长。在水养护条件下，3种不同催化剂掺量试样的强度变化规律相似，均在7 d后强度增长速度率明显下降，当催化剂掺量为75和55 g∙L^-1时，试样强度缓慢增长至90 d左右达到最大值，之后强度分别下降至223.5和204.6 kPa，而掺量为95 g∙L^-1的试样强度缓慢增长至90 d后相对稳定保持在280—290 kPa。在空气养护条件下3种催化剂掺量早期增长迅速，掺量为95 g∙L^-1试样强度在15 d时是75和55 g∙L^-1的1.5倍，在15—40 d时其强度变化相对稳定，随后强度大幅下降，而75和55 g∙L^-1试样强度持续增长，但随后强度均呈现下降趋势，90 d后不再降低。这是由于在水中养护时，在粘结团聚作用下试样强度持续缓慢增长至90 d左右，而在干燥空气中养护下试样快速增长时间持续至30 d左右，在缺乏水分下试样性质开始迅速劣化，土体内部干缩、孔隙率增大及粘结性降低导致强度大幅度下降后相对保持稳定。

图5  不同养护条件下加固土抗压强度

Figure 5  Compressive strengths of the reinforced soil under different curing conditions

图6为不同纳米硅填充率下加固土抗压强度变化趋势。从图6可以看出，试样抗压强度随纳米硅溶胶含量增大而增加。这是由于内部颗粒粘结团聚更为充分均匀，从而使试样表面越发光滑，填充作用也更为明显。

图6  不同纳米硅填充率下加固土抗压强度

Figure 6  Compressive strengths of the reinforced soil with different nano-silicon filling rates

3.3 抗渗性能分析

3.3.1 孔隙率

图7为不同养护条件下加固土孔隙率的变化。从图7可以看出，在水中和干燥空气中养护条件下，试样孔隙率变化规律相似，均先增大后保持相对稳定。空养护7 d后，样品的孔隙度比水养的略高；在7—15 d空养和水养的条件下，试样孔隙度均增加，表明凝胶的去除或部分失效；15 d后在空气养护下的试样孔隙度持续缓慢增加并保持增长趋势，但在水养护环境中砂浆的孔隙度却略有下降，约在90 d后孔隙率变化相对保持稳定。

图7  不同养护条件下加固土孔隙率变化

Figure 7  Variations of the porosity levels of the reinforced soil under different curing conditions

3.3.2 渗透系数

图8为不同养护条件下加固土渗透系数变化曲线。从图8可以看出：在空、水养护环境下，试样耐冲刷性变化规律总体呈现为随养护时间延长试样破坏时间点也随之推迟，表明试样内部颗粒间粘结程度高，抗冲刷能力强；不同养护时间下，试样的渗透系数变化均存在下降期、平缓期和上升期；随保存时间延长，在干燥空气中养护试件由于土体干缩使孔隙率下降，而水养护试件由于凝胶的去除也使孔隙率下降，表现在渗透系数时为逐渐上升，空养试样的渗透系数明显大于水养试样，表明水养试样的强度更好、抵抗渗流的能力也更强。

图8  不同养护条件下加固土渗透系数变化曲线

Figure 8  Permeability coefficient curves of the reinforced soil under different curing conditions

3.4 扫描电镜实验分析

图9为空气养护下不同时间点加固土微观形貌。从图9可以看出，掺入纳米硅后加固土颗粒表面逐渐被硅溶胶吸附材料包裹，颗粒边界模糊，加固土颗粒间呈现出较为明显的团聚胶结现象。由于纳米硅对颗粒的包裹黏结、颗粒间团聚胶结和粒间架桥连接等一系列作用，使内摩擦角、粘聚力等参数提高，从而有效地提升了强度值。但随加固土样在空气中暴露时间的延长，水分的缺失使硅溶胶开始干裂，团聚体裂隙逐渐增加，胶结作用削弱，此时加固土样的强度和抗侵蚀能力都受到一定的影响。

图9  空气养护下不同时间点加固土微观形貌

Figure 9  Microstructures of the soil reinforced at different time points under air curing

图10为纯水养护下不同时间点加固土微观形貌。从图10可以看出，水养护条件下加固土微观形貌的规律与干燥空气中养护时大致一样，但在水养护下试样由于得到充足养护，硅溶胶皲裂时间点滞后，团聚体破裂的试样相比于在干燥空气中养护时明显短，此时加固土的强度、抗侵蚀能力仍维持在较高水平。

图10  纯水养护下不同时间点加固土微观形貌

Figure 10  Microstructures of soil reinforced at different time points under water curing

4 结论

利用粉质砂土基本物理性质和砂性漏斗法确定粉质砂土孔径，表明纳米硅溶胶的直径比粉质砂土小，这样纳米硅溶胶在粉质砂土这种孔径微小的土质中渗透会更加容易，加固区域效果也更为均匀，对周边土体、环境扰动小，所以纳米硅溶胶作为一种新型的注浆材料来抑制粉质砂土的内部侵蚀及代替传统化学浆液的设想在理论上是成立的。结果表明：纳米硅溶胶注浆性能比传统注浆材料更快速有效地渗透进土体并对土粒进行胶结及对孔隙进行封堵；经干燥空气和水2种养护环境养护后发现，不同养护环境及龄期的加固土组成成分及结构特征不同，水养护下加固土的结构更为完整、孔隙更少，纳米硅溶胶在富水地区具有较大的优势。