鹽溶液浸泡養(yǎng)護固化土的耐久性分析

任瑞平，劉世皎，樊恒輝，史 祥，賀智強

（1.楊凌職業(yè)技術學院 交通與測繪工程學院，陜西 楊凌712100；2.西北工業(yè)大學，陜西 西安710072；3.西北農林科技大學，陜西 楊凌712100）

土壤固化劑是一種能夠在常溫下加固土體的新型材料，其以節(jié)能環(huán)保、性能優(yōu)異而備受人們的關注，已應用在建筑地基、路基、渠道工程以及水土保持等工程領域中。對土壤固化劑的研究主要集中于固化土的力學性能、變形性能，而在工程實踐中發(fā)現(xiàn)固化土的耐久性是其推廣應用的瓶頸。尤其在寒冷的北方地區(qū)，設計使用年限為20a的固化土工程往往經過5～8a就會破壞。目前，國外研究者［1－6］多是以干濕循環(huán)、凍融循環(huán)后試件抗壓強度的損失、質量的損失、變形量及表面的破壞程度來評估固化土的耐久性，也有研究同時考慮了其它的因素，如疲勞荷載等［7］。

在國內，多數(shù)關于固化土耐久性的研究只是考慮單方面的因素，一些研究只考慮凍融循環(huán)因素［8－10］，一些只考慮干濕循環(huán)因素［11－12］，還有一些只對固化土進行抗?jié)B試驗［13－14］。在提高固化土耐久性方面，國內外均有許多嘗試，如添加纖維［15］、使用不同的壓實方法［16］、增加固化劑摻量或延長養(yǎng)護齡期［17］等。但目前固化土的耐久性問題仍沒有得到很好的解決。固化土形成強度的一系列反應都是在一定的環(huán)境下進行的，故固化土所處的環(huán)境對固化土的強度及耐久性的形成起決定性的作用。本研究基于這一思路提出用鹽溶液養(yǎng)護固化土，通過創(chuàng)造一個不同于傳統(tǒng)方式的養(yǎng)護環(huán)境，以期能夠提高固化土的耐久性，延長使用年限。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

試驗用土為陜西省楊凌示范區(qū)的黃土，取土深度為5～6m，其基本物理性質指標詳見表1。各物理性質均依據(jù)《土工試驗方法標準》［18］測定。試驗前將土料風干、碾散、過5mm篩。

表1 楊凌黃土的物理性質指標

試驗用水泥為冀東水泥股份有限公司生產的普通硅酸鹽水泥（P.O.42.5）。水泥添加量以每千克干土中加入的水泥質量計，試驗中水泥的摻量為0.08 kg／kg。浸泡養(yǎng)護所用鹽溶液有飽和石灰水，硅酸鈉、硫酸鈉和氫氧化鈉的混合溶液（下文稱“混合溶液”），混合溶液中硅酸鈉為0.4mol／L、氫氧化鈉為0.2 mol／L、硫酸鈉為0.04mol／L。

1.2 試驗方案

試驗中所用試塊的制作均為同一標準，均按摻水泥后擊實試驗所得最大干密度制作。將制好的試件分為4組，分別為混合溶液浸泡組、飽和石灰水浸泡組、水浸泡組和標準養(yǎng)護組。其中水浸泡組與標準養(yǎng)護組為對照組。每組進行5項試驗，分別是7和28d齡期無側限抗壓試驗、干濕循環(huán)試驗、凍融循環(huán)試驗及掃描電子顯微鏡（SEM）試驗。每項試驗做6次平行試驗。

1.3 試驗方法

1.3.1 試塊制備及養(yǎng)護 參照《公路工程無機結合料穩(wěn)定材料試驗規(guī)程》［19］制塊。試塊為直徑（50mm）×高（50mm）的圓柱體，用千斤頂靜壓成型。養(yǎng)護分為標準養(yǎng)護與浸泡養(yǎng)護。標準養(yǎng)護是將試件在溫度（20±2）℃，相對濕度大于95%的養(yǎng)護條件下養(yǎng)護。浸泡養(yǎng)護是將試塊標準養(yǎng)護3d，然后浸入配制好的溶液里養(yǎng)護，溫度（20±2）℃。標準養(yǎng)護的試塊在齡期的最后1d將試件浸泡在水中，水面高出試件頂部約2.5cm。浸泡24h后，將試件從水中取出進行試驗，浸泡養(yǎng)護的試塊齡期結束后直接進行試驗。

1.3.2 無側限抗壓試驗 無側限抗壓強度試驗采用河南恒瑞金試驗機有限公司生產的WDW—100微機控制電子萬能試驗機測定。試驗參照《公路工程無機結合料穩(wěn)定材料試驗規(guī)程》。

1.3.3 干濕循環(huán)試驗 將齡期為7d的試件分為兩組，一組繼續(xù)養(yǎng)護至28d；另一組在70℃的烘箱里烘24h，然后在水浴槽中放置24h，溫度設為（22±1）℃。此過程為一個干濕循環(huán)過程，即2d一個干濕循環(huán)。28d時正好10次干濕循環(huán)。對比標準養(yǎng)護和干濕循環(huán)后試件的抗壓強度。根據(jù)強度的變化評估固化土抗干濕循能力。

1.3.4 凍融循環(huán)試驗 將試件養(yǎng)護至28d齡期。然后將試件分為兩組，其中一組為對照組，進行無側限抗壓試驗，另外一組進行凍融循環(huán)試驗。一次凍融循環(huán)包括在－18℃下凍結16h，然后在（20±1）℃的融解水槽中融化8h，保證水面高出試塊2cm。凍融循環(huán)10次后進行無側限抗壓強度試驗。根據(jù)試塊的強度損失評估固化土的抗凍融循環(huán)能力。

1.3.5 微觀結構 采用型號J-5 800掃描電子顯微鏡（scanning electron microscope，SEM），對28d齡期固化土的微觀結構進行觀察。

2 結果分析

2.1 無側限抗壓強度試驗

7d養(yǎng)護齡期與28d養(yǎng)護齡期的無側限抗壓試驗結果詳見表2—3。由表2—3可以看出，兩種鹽溶液浸泡提高了固化土強度，提高最多的是28d齡期下的混合溶液養(yǎng)護，其與標準養(yǎng)護相比提高了70%，與水中養(yǎng)護相比提高了40%。在同一養(yǎng)護齡期下，混合溶液養(yǎng)護對強度的提高效果大于飽和石灰水養(yǎng)護。同一養(yǎng)護方式下，28d齡期強度提高的效果比7 d齡期的更明顯。如混合溶液養(yǎng)護7d后，強度比標準養(yǎng)護提高58%，而養(yǎng)護28d后強度提高70%。鹽溶液養(yǎng)護的強度比水中養(yǎng)護高，證明了鹽溶液中的化學物質對固化土強度的增長貢獻明顯。

表2 養(yǎng)護7d固化土無側限抗壓強度

2.2 干濕循環(huán)試驗

干濕循環(huán)后無側限抗壓強度的變化情況詳見表4。由表4可以看出，各養(yǎng)護方式下固化土試塊的強度經過10次干濕循環(huán)后均增高。干濕循環(huán)后混合溶液與飽和石灰水養(yǎng)護試塊的強度明顯比水中養(yǎng)護和標準養(yǎng)護試塊的強度高，如混合溶液養(yǎng)護試塊比標準養(yǎng)護試塊的強度高出41%。其原因在于混合溶液與飽和石灰水養(yǎng)護的環(huán)境有利于固化土內部生成更多的水化膠結物質。這些膠結物增大了土團粒間的黏聚力，使固化土可以更有效地抵抗干濕循環(huán)產生的內應力。膠結物質同時填充了團粒間的空隙使水分在干濕循環(huán)過程中不易進入固化土內部，從而有效地降低了固化土內部因干濕不均勻產生的內應力。

表3 養(yǎng)護28d固化土無側限抗壓強度

表4 干濕循環(huán)后土體強度變化

2.3 凍融循環(huán)試驗

2.3.1 無側限抗壓強度 經過10次凍融循環(huán)后固化土的抗壓強度變化情況詳見表5。由表5可以看出，凍融循環(huán)后混合溶液養(yǎng)護與飽和石灰水養(yǎng)護試驗土塊的強度損失均小于水中養(yǎng)護與標準養(yǎng)護的試驗土塊。且凍融循環(huán)后混合溶液與飽和石灰水養(yǎng)護試驗土塊的強度顯著大于水中養(yǎng)護與標準養(yǎng)護試驗土塊的強度。

凍融循環(huán)的破壞主要是由于顆粒間水分結冰膨脹而產生的凍脹應力造成的，這種凍脹應力破壞顆粒間的膠結，當膠結力小于凍脹應力固化土便被凍壞。而混合溶液養(yǎng)護與飽和石灰水養(yǎng)護使固化土內部生成更多膠結物質，這些膠結物質增加土團粒間的黏聚力，從而使固化土抵抗凍脹應力的能力增強。膠結物質同時填充了顆粒間空隙，使進入固化土內部的水分減少，產生的凍脹應力也隨之減小。

表5 凍融循環(huán)前后土體抗壓強度變化

2.3.2 凍融循環(huán)后試塊的外觀特征 圖1為各養(yǎng)護方式下的試塊經凍融循環(huán)后的外觀特征。由圖1可以看出，混合溶液與飽和石灰水養(yǎng)護試塊經凍融循環(huán)后表面仍然保存完整，邊角無破損現(xiàn)象。但是水中養(yǎng)護試塊表面凍壞明顯，并產生了較明顯裂縫。標準養(yǎng)護受凍破壞最嚴重。試塊凍融循環(huán)后外觀的情況與上述試塊強度的變化相一致，即強度損失越小試塊表面越完好，而強度損失越大試塊表面凍壞越嚴重。

圖1 凍融循環(huán)后各養(yǎng)護方式下的試塊

2.4 掃描電子顯微鏡（SEM）試驗

各養(yǎng)護方式下試塊的掃描電子顯微鏡圖片如圖2所示。從圖2可以看出，混合溶液養(yǎng)護試塊生成的水化物最多，纖維狀結晶向外延伸，產生分叉，且相互連接形成空間蜂窩狀結構，針狀結晶穿插于蜂窩狀結構中。

土顆粒完全被水化凝膠物質包裹，看不到土顆粒的形狀、輪廓；飽和石灰水中養(yǎng)護的試塊，其水化產物較多，呈團粒狀結構。團粒之間針狀結晶物較多，縱橫交錯，將團粒牢固粘結在一起形成了整體；水中養(yǎng)護的試樣以團粒結構為主，伴有小顆粒，間隙較明顯；標準養(yǎng)護試塊的內部，小顆粒多，大團粒少，間隙大。在顆粒、團粒表面雖有水化物生成，但由于生成的量少，不能有效地將土顆粒連接成整體。分析表明，鹽溶液養(yǎng)護使固化土生成更多更致密的凝膠體，進而降低了固化土的孔隙率，減少了固化土的大孔隙。由于固化土的強度、耐久性隨孔隙率降低、孔徑減小、膠結力增大而提高，因此從微觀結構角度出發(fā)，混合溶液養(yǎng)護與飽和石灰水養(yǎng)護可以提高固化土的強度與耐久性。

圖2 不同養(yǎng)護方式下固化土的SEM圖像

3 結論

（1）混合溶液養(yǎng)護與飽和石灰水養(yǎng)護均可提高固化土的強度、抗干濕循環(huán)以及抗凍融循環(huán)的耐久性。

（2）混合溶液養(yǎng)護對強度和耐久性的提高優(yōu)于飽和石灰水養(yǎng)護。在實際工程中應綜合考慮各方面因素，使養(yǎng)護成本與效果最經濟。

（3）從微觀結構圖中可以看出，混合溶液與飽和石灰水養(yǎng)護使固化土生成了更多更致密的凝膠物質，增加了黏聚力，降低了孔隙率，減少了大孔隙。

（4）混合溶液與飽和石灰水養(yǎng)護對固化土的強度與耐久性的提高切實有效，有必要結合工程實踐做進一步的試驗研究。

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