0.   引言

粉土路基于中国东南沿海及内陆沿河流域广泛分布。粉土加固技术是当前世界岩土工程界研究的热点、难点之一。当下，粉土的工程性质可以靠水泥、粉煤灰、石灰等无机材料得到显著改善，但其抗裂性能靠加固土并无显著效果，通常表现为脆性破坏，在路面上显现出纵向、横向裂纹的缺点，并且在环境保护方面存在一定的局限性^[1]。因此，在国家“十四五”规划坚持绿色发展、可持续发展要求下，积极研发高效、环境友好的粉土加固材料显得尤为重要与迫切。

纤维加筋能有效提高土体承载力及韧性，削弱裂隙发育程度及胀缩性。再生聚酯纤维主要来源于废旧聚酯瓶，具有韧度强、抗老化、成本低等良好性能^[2-3]。将再生聚酯纤维应用于土体改良领域符合国家可持续发展与绿色发展战略大计。不少学者对纤维改良土体特性也进行了一定的研究。王德银等^[4]指出，纤维加筋土的黏聚力随纤维含量及干密度的增加成正相关增大趋势，但含水率因素会导致其负相关发展。Akbulut等^[5]和唐朝生等^[6]开展了短纤维加筋软黏土试验，加筋土强度最高提升达到115%。Miller等^[7]在黏土压实衬垫试验中得到最佳聚丙烯纤维掺量为0.4%~0.5%，可有效控制黏土垫层裂隙率，并提高其强度。Kumar等^[8]指出，相比于平直形纤维加筋土，波浪形纤维加筋土劈裂抗拉能力具有明显优势。Shao等^[9]和唐朝生等^[10]对纤维加筋土进行龟裂试验和干燥试验，指出纤维能有效解决张拉裂缝产生与发展。Changizi等^[11]以聚乙烯瓶(PET)为原料，采用纳米SiO2为稳定剂，指出掺入再生聚酯纤维和纳米二氧化硅可以提高低液限黏性土样的强度，此外，Foad通过提高再生聚酯纤维和纳米SiO2在土体中的含量，提高了土体的抗剪强度和抗压强度。

热导率作为岩土温度场分析和热力学计算的重要参数之一。不少研究也发现，土体中加入石灰、粉煤灰等改良剂之后，土体的力学性能得到提升，同时土体中产生新的化学成分，在土体力学性能改变的过程中，土体的热传导特性也随之发生变化。岩土材料的热特性广泛应用于岩土工程领域，如石油和天然气管道、地下电缆、地下热交换器系统等。并且，随着地下能源结构以及路面融雪/冰系统的广泛应用与推广，与地下能源结构相关的基础设施会贯穿改良土体或者靠近改良土体，因此，长期的反复热作用会改变地下能源结构岩土体渗透与力学特性，导致孔隙水压力与有效应力变化，进一步影响岩土体变形与沉降。因此，土体热学与力学的相关性研究在岩土工程中具有工程应用价值^[12]。

本文采用再生聚酯纤维与无机固化剂改良路基粉土，对不同掺量和养护龄期的改良粉土进行了微宏观测试与热导率测试，分析改良粉土孔隙分布与微观结构的演化规律，定性/定量评价热导率与重度、无侧限抗压强度和回弹模量的联系，进而明确再生聚酯纤维与无机固化剂改良粉土热学与力学性能的相关性。

1.   试验材料及方法

1.1   试验材料

(1) 粉土

试验用土取自江苏省盐城市东台市某公路施工现场，其颗粒分布曲线如图 1所示。其中土体黏粒(d < 5 μm)、粉粒(5 μm < d < 75 μm)和砂粒(75 μm < d < 200 μm)在图中的含量分别为11.3%，79.8%，8.9%。粉土基本物理化学性质：天然含水率=25.4%，液限=31.6%，塑限=22.8%，塑性指数=8.8，最大干密度=1.81 g/cm³，最优含水率=16.45%，相对质量密度=2.71，pH值=8.21。土样液限含水率w_L < 50%，塑性指数I_P < 10，属于低液限粉土(土工试验规程(SL 237—1999))^[13]。粉土的化学成分及含量，主要成分为SiO2(61.32%)，Al2O3(13.24%)，CaO(6.68%)，Fe2O3(3.41%)，K2O (2.61%)，MgO(2.47%)，Na2O(2.17%)，SO3(0.23%)，P2O5 (0.18%)，其他(2.01%)。烧失量为5.68%。

图  1  粉土颗分曲线

Figure  1.  Grain-size distribution curve of silt

下载: 全尺寸图片 幻灯片

(2) 再生聚酯纤维

再生聚酯纤维(Renewable Polyester Fiber)，简称RP纤维，来自于泰安某纺织厂，密度为1.31~1.37 g/cm³，抗拉强度(束状单丝)为200~400 MPa，断裂伸长率为140.6%~154.7%，熔点 > 265℃，燃点 > 590℃，热传导性为0.015~0.025，抗酸碱性强，弹性模量 > 9.0×10³ MPa，热膨胀系数为5~6×10^-5/℃)^-1。

(3) 无机固化剂

本文无机固化剂选用粉煤灰、生石灰与再生建筑石膏。生石灰相对质量密度为3.31，pH为12.4，黏粒、粉粒与砂粒含量分别为5.4%，42.7%，51.9%。主要化学成分：CaO为65.23%，SiO2为2.62%，Al2O3为1.16%，Fe2O3为0.74%，MgO为0.46%，SO3为0.13%，Na2O为0.20%，K2O为0.18%，TiO2为0.053%，SrO为0.029%，MnO为0.028%，烧失量为24.36%。生石灰属于钙质III级生石灰，石灰作为碱性激发剂，可提供碱性环境。

作为废物再利用材料，相比水泥，粉煤灰价格便宜，并且粉煤灰加固土的冻融循环能力要强于水泥^[14-15]。粉煤灰主要化学成分：CaO为2.8%，Fe2O3为7.9%，Al2O3为28.4%，SiO2为46.2%。粉煤灰主要性能指标：相对密度为2.15，最佳含水率为23.2%，最大干密度为1.34 g/cm³。

再生建筑石膏来源于废弃石膏再加工^[16]。废弃石膏相较于原生石膏，其力学性能与后者相平甚至更优，这不仅能减少原材料成本、节约土地以及保护环境等，还能节约天然石膏的矿产资源，因而，有助于石膏行业持续、绿色、健康的发展^[16]。本文石膏采用再生建筑石粉，主要成分为半水硫酸钙(CaSO4·1/2H2O)。

1.2   试验方法

林彤等^[17]指出生石灰与粉煤灰比例为1︰2时，粉煤灰加固软土效果最好。因此，本文生石灰与粉煤灰的质量比(质量比=外加剂质量/试样总质量)分别为4%，8%。参考刘祖德的软土加固方案^[17]，掺入3%建筑石膏粉(CaSO4·1/2H2O)作为外掺剂，提高土样的早期强度。参考Chaduvula ^[18]与唐朝生等^[19]的研究成果，选用纤维掺量(质量比=纤维质量/试样总质量)为0，0.1%，0.2%，0.3%，0.5%，0.7%，纤维长度为6，9，12，15，17 mm。试样含水率为最佳含水率，力学试验均参照《公路土工试验规程》^[20]进行。本文素改良粉土为未掺入纤维的改良粉土。

采用荷兰代尔夫特公司生产的MTN01装置测试土体热导率。热探头直径3.5 mm，长度120 mm。设备包括Hukseflux热传感器，不锈钢管和铜管的热电偶^[21]。图 2为测试装置和热探头结构，测试时间为5~6 mim。首先将不同含水率土体制成不同干密度试样，采用静压制样(直径5 cm、高度15 cm)。测试开始前，将热探针缓慢、垂直插入试样中心^[21]。然后对热探针进行热平衡处理(室内温度最好维持在20℃，相对湿度为95%，静止24 h)，热平衡时间为60 s。下一步开始土体热导率测试，整个热导率测试流程由设备自动完成，持续时间为300 s。

图  2  土体热导设备与结构示意图

Figure  2.  Schematic diagram of soil thermal conductivity equipment and structure

下载: 全尺寸图片 幻灯片

本文对7，28 d养护龄期改良粉土进行压汞试验(MIP)与电镜扫描试验(SEM)，进而评价改良粉土的微观结构特性。采用静压法制样，试样直径为50 mm，高度为100 mm，密封后置于标准养护室，从中取出新鲜的断面，分别进行MIP试验与SEM试验。

2.   试验结果与分析

2.1   热导率

图 3为不同纤维掺量下养护龄期对改良粉土热导率的影响，初始含水率取为14.5%。可以看出：改良粉土热导率随养护龄期增加呈指数型函数减小，30 d养护后，改良粉土热导率趋于稳定。当纤维掺量为0，土体初始热导率变化较为明显，1 d养护龄期下，0%，1%，2%，3%，5%纤维掺量改良粉土的热导率分别为1.3，1.25，1.2，1.1，1.0 W/m·K。在养护初期，土体组成特性是影响不同纤维含量改良土体热导率的主要因素。再生聚酯纤维的热导率远低于土体颗粒的热导率，导致改良土热导率随着纤维含量增加逐渐降低；此外，养护时间增长，纤维和土体矿物之间相互作用愈加明显，当养护时间为60 d时，纤维增强土体的热导率主要由新形成的土体结构控制。

图  3  不同纤维掺量下龄期对改良粉土热导率的影响

Figure  3.  Influences of curing age on thermal conductivity of improved silt with different fiber contents

下载: 全尺寸图片 幻灯片

图 4为不同含水率下养护龄期对土体热导率的影响，初始含水率取为10.5%，14.5%，19.5%，纤维含量为0.2%。可以看出：同图 3热导率曲线变化类似，不同初始含水率下，随着养护龄期增加，改良粉土热导率也呈指数型函数减小。此外，改良粉土的初始含水率差异会造成其热导率的不同。适当增加养护龄期，则热导率间的差异会逐渐缩小，30 d养护龄期后，改良粉土试样热导率基本稳定发展。Zhang等^[22]指出，土体热导率随着含水率的增加而增加。当含水率处于最优含水率(14.5%)时，改良粉土内部结构处于最密集的状态，颗粒间接触最紧密，最有利于固体颗粒之间传热。水的热导率(0.58 W/m·K)小于土，并且水的热导率远大于空气(0.024~0.031 W/m·K)，因此，19.5%含水率下改良粉土的热导率大于10.5%含水率状态下的热导率。

图  4  不同含水率下龄期对改良粉土热导率的影响

Figure  4.  Effects of curing age on thermal conductivity of improved silt under different moisture contents

下载: 全尺寸图片 幻灯片

2.2   击实特性

土的含水率对土体所能达到的密实度起着至关重要作用，研究其击实特性，确定土体最优含水率OMC与最佳干密度$ {\rho _{{\text{dmax}}}} $对基础施工具有重要意义。图 5为不同纤维掺量下改良粉土击实曲线。可以看出：改良粉土的击实曲线均位于素改良粉土之上。相同击实条件下，随着纤维含增加，改良粉土的最优含水率缓慢增加；相比素改良粉土，纤维含量0.1%的改良粉土最优含水率增加幅度为9.3%。改良粉土最大干密度在纤维含量0.2%时达到最大，为1.82 g/cm³，但各维掺量下改良粉土最大干密度相差不大，最大偏差为1.56%。再生聚酯纤维的掺入使得路基粉土的最大干密度先增加后减小，由此表明土体颗粒间的孔隙随着纤维含量增加先“箍紧”后“松弛”，最佳纤维含量下，纤维与加固土的连接形式类似“哑铃”状，发挥纤维的加筋作用。当纤维含量过高，纤维与纤维之间存在搭接现象，纤维之间无黏聚力且摩擦力微弱，进而造成土样整体压不密实，出现“越击越松”的现象^[23]。此外，生石灰在水化反应过程中需要吸收很多水分，还会产生大量热量，且会消耗孔隙中的水分，从而引起改良粉土最优含水率增加。通过不同材料对粉土改良的击实试验的结果的探究，发现不同材料的改良机理是有差异的。

图  5  改良粉土击实特性

Figure  5.  Compaction characteristics of improved soil

下载: 全尺寸图片 幻灯片

2.3   无侧限抗压强度

图 6为不同压实度(94%，96%，98%)下改良粉土无侧限抗压强度变化。可以看出：改良粉土无侧限抗压强度随纤维掺量增加而增加，0.2%纤维掺量下改良粉土强度最高，当纤维掺量超过0.2%时，改良土强度逐渐降低，并趋于稳定。图 7为改良粉土试样破坏形态。可以看出：随着纤维掺量增加，其破坏形态由“脆性破坏”逐渐向“塑性破坏”发展，且破坏面逐渐上移。1 d养护龄期时，不同纤维掺量改良粉土强度相差不大，且与素改良粉土强度(170 kPa)相当。7 d养护龄期时，0.2%纤维掺量改良粉土强度达到695 kPa(94%压实度)，满足规范^[24]要求；28 d养护龄期下，0.2%纤维掺量改良粉土强度增幅约362%(96%压实度)。此外，随着压实度增加，改良粉土强度差$ \Delta {\text{UC}}{{\text{S}}_{28 - 1}} $与$ \Delta {\text{UC}}{{\text{S}}_{7 - 1}} $逐渐增加，最大差值分别为达到913，661 kPa。Mishra等^[25]、Prabakara等^[26]、Mattone等^[27]采用不同的纤维改良黏土发现，过高的纤维掺量会造成土体无侧限抗压强度降低。对于江苏地区路基粉土，其无侧限抗压强度的最优纤维掺量约为0.2%。

图  6  不同压实度下改良粉土无侧限抗压强度变化

Figure  6.  Change of unconfined compressive strength of improved soil under different degrees of compaction

下载: 全尺寸图片 幻灯片

图  7  无侧限抗压试验改良粉土试样破坏形态

Figure  7.  Failure modes of improved soil samples in unconfined compression tests

下载: 全尺寸图片 幻灯片

2.4   回弹模量

土体回弹模量是表征路基填料力学特性的重要指标^{[24, 28]}。图 8为不同压实度下改良粉土回弹模量变化。94%，96%压实度下路基粉土的回弹模量均小于20 MPa，不能满足规范要求。在7 d养护龄期时，回弹模量只有在0.2%和0.3%纤维掺量的改良粉土(94%压实度)可以满足交通公路路基填料规定(大于30 MPa)，不过，在28 d养护龄期后，不同纤维掺量改良粉土回弹模量皆符合规范规定。与前述无侧限抗压强度变化趋势类似。然而，0.2%纤维掺量改良粉土的回弹模量高于12%木质素约7.1%~15.3%，进一步说明0.2%纤维掺量对于路基粉土的改良效果更好。

图  8  不同压实度下改良粉土回弹模量变化

Figure  8.  Change of resilience modulus of improved soil under different degrees of compaction

下载: 全尺寸图片 幻灯片

3.   热学与力学性能相关性研究

3.1   孔隙分布

目前，己有不少学者开展了土体微观孔隙的分类标准研究^[29]。图 9为粉土与改良粉土累计孔隙分布与孔隙体积分布曲线。土样的进汞量随养护龄期增加而减小，说明改良粉土内部微观孔隙体积逐渐减小，产生了更为致密的微观孔隙结构。此外，可以看出，粉土的孔径分布呈“双峰”结构形式，与张涛^[21]、蔡光华^[30]的研究结果一致，但是张涛^[21]指出当在木质素的含量超过一定限度，微观结构发生相应的变化，比如当含量超过8%时，孔径分布从“双峰”变为“单峰”。蔡光华^[30]得到碳酸镁土的孔径分布呈现明显的“单峰”结构。丁建文等^[31]指出随着水泥掺入量的增加，水泥土的孔径分布从双峰结构转变为单峰结构。掺入混合料(粉煤灰、石灰、建筑石膏)后，改良粉土孔径由“双峰”结构改为“单峰”。改良粉土的孔分布曲线变化表明改良粉土的孔体积和粒径发生一定的变化。

图  9  粉土与不同养护龄期改良粉土MIP结果

Figure  9.  MIP results of silt and improved soil at different curing ages

下载: 全尺寸图片 幻灯片

Li等^[32]得到，可以利用高斯函数来拟合饱和固结黏土与击实土的内部孔隙体积分布形态。拟合结果可以定量描述团聚体间孔隙体积、团聚体间平均孔隙、团聚体内部孔隙、团聚体内部平均孔隙^[33]，高斯函数方程为

式中，A₁为团聚体内部孔隙体积(mL/g)，$ {\mu _1} $为团聚体内部平均孔径(μm)，A₂为团聚体间孔隙体积(mL/g)，$ {\mu _2} $为团聚体间平均孔径(μm)。

本文基于Origin 9.0软件对不同龄期改良粉土的孔径密度与孔径数据进行高斯拟合，如图 10所示。表 1为粉土与不同龄期改良粉土试样孔隙体积分布曲线的高斯拟合结果。可以看出：粉土团聚体内部平均孔径$ {\mu _1} $=1.078 μm与团聚体间平均孔径$ {\mu _2} $=8.647 μm；7 d龄期改良粉土团聚体内部平均孔径为$ {\mu _1} $=1.012 μm；28 d龄期改良粉土团聚体内部平均孔径为μ1=0.804 μm。28 d龄期养护的改良粉土团聚体内部平均孔径$ {\mu _1} $较粉土减小34.69%，团聚体内部孔隙体积A₁较粉土减少42.85%。MIP试验结果进一步验证了SEM试验观察得到的土体微观结构演化规律，随着养护龄期增加，导致团聚体之间以及团聚体内部孔隙体积减小，孔隙分布形式发生转变。

图  10  粉土与不同龄期改良粉土试样孔隙体积分布曲线的高斯拟合

Figure  10.  Gaussian fitting of pore volume distribution curves of silt and improved soil samples at different curing ages

下载: 全尺寸图片 幻灯片

表  1  粉土与不同龄期改良粉土试样孔隙体积分布曲线的高斯拟合结果

Table  1.  Gaussian fitting results of pore volume distribution curves of silt and improved soil samples at different curing ages

土类型	曲线类型	$ {\mu _1} $	$ {w_1} $	$ {A_1} $	$ {\mu _2} $	$ {w_2} $	$ {A_2} $
粉土	双峰	1.078	0.802	0.357	8.647	3.227	2.241
7 d龄期改良粉土	单峰	1.012	0.561	0.295	—	—	—
28 d龄期改良粉土	单峰	0.804	0.327	0.204	—	—	—

下载: 导出CSV 

| 显示表格

3.2   微观结构

对改良粉土的胶结物增加、孔隙变化以及微观结构改变的定性观察，更有助于理解粉土改良的内在机理。

图 11为粉土与改良粉土的扫描电镜照片。可以看出，盐城粉土颗粒间存在较多大孔隙，颗粒边缘不规则、菱角分明(图 11)。当掺加剂(粉煤灰、石灰与石膏)掺入至粉土中，试样养护龄期达到7 d，改良粉土中仍存在较多的大小孔隙，粉土颗粒表面以及颗粒之间开始出现某种胶状物质，包裹或连接土颗粒(图 12)，纤维与颗粒间接触存在一定的孔隙，不密实。14 d养护龄期改良粉土的微观结构明显比纯粉土密实，纤维与颗粒间接触存在一定的孔隙，大量胶结物质连接粉土颗粒，填充颗粒间孔隙(图 13)。28 d养护龄期改良粉土内部胶结物质的包裹与填充作用更加显著，土颗粒间接触更加紧密，形成更加稳定、致密结构(图 14)。

图  11  粉土试样SEM照片^[20]

Figure  11.  SEM photos of silt samples

下载: 全尺寸图片 幻灯片

图  12  改良粉土试样SEM照片(7 d养护龄期)

Figure  12.  SEM photos of improved soil samples (7 days)

下载: 全尺寸图片 幻灯片

图  13  改良粉土试样SEM照片(14 d养护龄期)

Figure  13.  SEM photos of improved soil samples (14 days)

下载: 全尺寸图片 幻灯片

图  14  改良粉土试样SEM照片(28 d养护龄期)

Figure  14.  SEM photos of improved soil samples (28 days)

下载: 全尺寸图片 幻灯片

由于胶结物质的包裹粉土颗粒及钙矾石连接粉土颗粒作用^[32]，其团聚体数量与颗粒直径明显增加，胶结物质填充颗粒孔隙，提高了其密实度。因此，改良粉土粒径与最大干密度增加，力学与路用性能指标提高。

3.3   相关性研究

图 15为不同土体热导率与重度的关系。可以看出：与其他土体类似，改良粉土热导率与重度呈现出线性相关的关系，当前者增加的时候，后者也会相应的跟着增加，切相关系数较高，R₂=0.956，其表达式为

图  15  热导率与重度关系

Figure  15.  Relationship between thermal conductivity and gravity

下载: 全尺寸图片 幻灯片

式中，$ {T_{\text{C}}} $为改良粉土热导率(W/m·K)。

Lee等^[34]表示，粉煤灰改良尾矿的热导率与体重度存在良好的线性关系。Roshankhah等^[35]发现伊利诺伊州粉土热导率与重度之间存在线性增加关系。土体中掺入的颗粒数量越多，土体中间接接触的颗粒就会更接近，因此土体导热性越好，从而热导率越小。

图 16中为改良粉土热导率与力学指标关系。可以看出：随着龄期增加，热导率随无侧限抗压强度的增加而减小，且图 16(b)展现的回填模量变化趋势与图 16(a)无侧限抗压强度相似。28 d龄期后，改良土的无侧限抗压强度和弹性模量稍高，此外，粉煤灰、石灰、石膏与粉土矿物，这几种物质的相互作用基本完成。改良粉土强度和回弹模量的提高与土体含水率、矿物组成等内部因素有关，与养护条件等外部因素也密切相关^[22]。

图  16  改良粉土热导率与力学指标相关关系

Figure  16.  Correlation between thermal conductivity and mechanical indexes of improved soil

下载: 全尺寸图片 幻灯片

通过一系列物理化学措施，改良剂和土形成了具有较高黏聚力和强度的胶结物质，填充孔隙，连接各土颗粒，形成新的土体结构。土体热导率的影响因素与力学特性的影响因素类似，此外，包括改良剂本身对土体的热导率有重要影响。固化剂与土体矿物通过一系列的物理化学作用，产生胶结物质、连接土颗粒和填充孔隙，最终形成新的土体结构，宏观上改良土干密度、强度与回弹模量等物理力学性能得到改善，但是水化反应和火山灰反应产生的胶结物质对土体内部传热有存在一定的抑制作用，因而逐渐降低了改良粉土热导率，所以从整体上来看，改良粉土的热特性与力学性能参数表现为负相关关系。但是，随着养护龄期增加，观察发现改良土的热学性质和力学性质呈现出不同的发展规律。

4.   结论

(1) 路基粉土的路用性能可由再生聚酯纤维有效提高，在经过28 d的养护后，其CBR值以及回弹模量皆能符合公路路基设计的规定。

(2) 改良土的热导率随掺量与龄期的增加而减小，改良土在最佳含水率下的热导率最大，28 d养护龄期后，含水率变化对土体热导率的影响微弱。

(3) 改良土微观结构的变化使得其力学性能得到改善，但产生的胶结物质降低了土体的热传导性能，改良土热导率随抗压强度、回弹模量的增加而减小，一定养护龄期后，土体热导率与力学指标间的相关关系趋于平缓。

本文研究成果对后期改良土热力学理论研究与数值研究的参数选取、结果验证，数据演化预测具有重要参考价值。此外，地下能源结构温度变化对改良土力学特性的影响程度表征及改良土热导率对地下能源结构发散传热的量化影响研究有待于更进一步的研究与应用。