聚合物水泥加固紅層泥巖性能研究

錢普舟， 曹青霞， 魏定邦， 王海林， 李 慶

(1.甘肅省交通規(guī)劃勘察設(shè)計院有限責(zé)任公司， 甘肅 蘭州 730030； 2.甘肅暢隴公路養(yǎng)護(hù)技術(shù)研究院有限公司， 甘肅 蘭州 730030； 3.中鐵二十局集團(tuán) 第六工程有限公司， 陜西 西安 710016)

聚合物水泥加固紅層泥巖性能研究

錢普舟1，2， 曹青霞1，2， 魏定邦1，2， 王海林1，2， 李 慶3

(1.甘肅省交通規(guī)劃勘察設(shè)計院有限責(zé)任公司， 甘肅 蘭州 730030； 2.甘肅暢隴公路養(yǎng)護(hù)技術(shù)研究院有限公司， 甘肅 蘭州 730030； 3.中鐵二十局集團(tuán) 第六工程有限公司， 陜西 西安 710016)

紅層泥巖具有遇水體積膨脹，失水崩解的工程特性，這給紅層泥巖路段路基的穩(wěn)定性造成很大的影響。論文研發(fā)了一種抗水性聚合物水泥基土壤加固劑，主要由膠乳及堿激發(fā)劑組成。經(jīng)加固紅層泥巖的7 d無側(cè)限抗壓強(qiáng)度可達(dá)到2.0 MPa，吸水率降低到0.5%以下，且加固土的抗水性和耐疲勞性能均高于傳統(tǒng)的水泥加固土。同時，論文借助X射線掃描儀(XRD)及電子掃描電鏡(SEM)，從微觀角度對紅層泥巖加固機(jī)理進(jìn)行了研究。

紅層泥巖； 土壤加固劑； 聚合物水泥； X射線掃描儀

0 前言

紅層中的泥巖具有透水性弱、親水性強(qiáng)，遇水易軟化、塑變、抗風(fēng)化能力弱、易崩解等特性。特別是遇水后巖體及結(jié)構(gòu)面抗剪強(qiáng)度大幅度降低，且具有遇水膨脹、失水崩解的工程特性，工程中常用加固方法解決工程泥巖遇水崩解給路基帶來的危害[6]。最早人們認(rèn)識到植物纖維和姜石可改善土壤的工程特性，后來隨著建筑業(yè)的發(fā)展，石灰、水泥被證明對土壤具有很好的加固效果。但在工程實(shí)踐中證明，石灰土、水泥土的早期強(qiáng)度低、干縮大、易開裂、耐水性差，并且其性能受土質(zhì)的影響大[7]。因此，本文在進(jìn)行大量室內(nèi)試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，研發(fā)了一種聚合物水泥基土壤加固劑[8]，改善了單純水泥加固土的缺點(diǎn)，使加固土試件吸水率降低到0.5%以下，7 d無側(cè)限抗壓強(qiáng)度達(dá)到2.5 MPa，28 d無側(cè)限抗壓強(qiáng)度達(dá)到7.2 MPa，具有優(yōu)異的抗水性和耐疲勞性能。

1 試驗(yàn)材料及方案

1.1 試驗(yàn)材料

水泥：甘肅京蘭水泥有限公司生產(chǎn)，P.O42.5。

聚合物水泥基土壤固化劑：自主研發(fā)。

紅層泥巖：蘭海高速(甘肅蘭州—青海海石灣)沉降地段鉆心取樣得到。

1.2 試驗(yàn)儀器

掃描電子顯微鏡(SEM)：型號SU3500，日立高新公司生產(chǎn)，分辨率7～800 000倍，二次電子圖象分辨率3.0 nm/30 kV；7.0 nm/3 kV，如圖1(a)所示。

X射線衍射儀(XRD)：型號Dmax2200PC，日本理學(xué)公司生產(chǎn)，Cu靶，Kαl，射線管功率2.0 kW，掃描范圍：3～146°，分析軟件：Jade6.5，如圖1(b)所示。

(a) 掃描電子顯微鏡

(b) X射線衍射儀

1.3 試驗(yàn)方案

1.3.1 成型方式

① 將聚合物水泥土壤加固劑按比例稱好后，在水泥凈漿攪拌機(jī)上攪拌成漿體，按試驗(yàn)要求比例稱好備用； ②將提前按最佳含水率燜好的原樣土稱好備用； ③將土壤加固劑漿體倒入備好的原樣土中，手拌均勻； ④按試驗(yàn)要求壓實(shí)度計算好土樣質(zhì)量，分三層裝于Φ50 mm×50 mm的磨具中； ⑤將裝好土樣的模具置于萬能試驗(yàn)機(jī)上，采用無機(jī)結(jié)合料成型方式靜壓成型； ⑥待試樣壓好2 h后，在脫模機(jī)上脫模，得到試驗(yàn)試樣如圖2所示。

圖2 靜壓成型50 mm×Φ50 mm試樣Figure 2 Pressing 50 mm×50 mm diameter specimen

1.3.2 無側(cè)限抗壓強(qiáng)度

按《公路工程無機(jī)結(jié)合料穩(wěn)定材料試驗(yàn)規(guī)程》JTJ 057(T0805)進(jìn)行。

1.3.3 耐水性

將成型試件置于濕度90%，溫度20±2 ℃標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)箱養(yǎng)護(hù)6 d后，置于20±2 ℃的水中養(yǎng)護(hù)至規(guī)定的齡期，進(jìn)行力學(xué)性能測試。

1.3.4 耐疲勞性能

在規(guī)定應(yīng)力作用下，重復(fù)加載1萬次后試件的累計變形及試件破壞無側(cè)限抗壓強(qiáng)度。

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 加固土無側(cè)限抗壓強(qiáng)度及吸水率

加固土作為道路路基材料，主要承受來自路面和路基傳遞下來的荷載，其力學(xué)性能是評價路基穩(wěn)定性的關(guān)鍵因素之一。同時，紅層泥巖路基很容易受到水的侵入后出現(xiàn)崩解、失去強(qiáng)度的現(xiàn)象。因此，加固土的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度和耐水性，是加固土需要研究的重要因素。本文研究了不同膠乳摻量、不同堿激發(fā)劑摻量對加固土試件7 d無側(cè)限抗壓強(qiáng)度和吸水率的影響，試驗(yàn)結(jié)果見圖3，圖4所示。

由圖3，圖4可見：

① 隨膠乳摻量的增大，加固土的7 d無側(cè)限抗壓強(qiáng)度呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢，試件的吸水率呈現(xiàn)先降低后增加的趨勢。當(dāng)膠乳摻量為水泥摻量的4.5%時，試件7 d無側(cè)限抗壓強(qiáng)度達(dá)到2.54 MPa，吸水率降低到0.46%。

② 隨堿激發(fā)劑摻量的增加，試件7 d無側(cè)限抗壓強(qiáng)度呈現(xiàn)先增大后趨于穩(wěn)定，吸水率表現(xiàn)為先降低后增大，當(dāng)堿激發(fā)劑摻量為土的0.015%時，無側(cè)限抗壓強(qiáng)度達(dá)到2.65 MPa，吸水率降到最低。

圖3 膠乳摻量對強(qiáng)度及吸水率的影響Figure 3 The influence of latex content

圖4 堿激發(fā)劑摻量對強(qiáng)度及吸水率的影響Figure 4 Effect of alkali activator dosage

③ 試件的抗壓強(qiáng)度與吸水率具有很好的相關(guān)性，試件吸水率越小，抗壓強(qiáng)度越高。

加固土的強(qiáng)度與試件壓實(shí)度及土壤固化劑摻量具有密切的關(guān)系，本文對不同壓實(shí)度(85%、90%、95%)及不同土壤固化劑摻量(8%、10%)下加固土的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度及吸水率進(jìn)行了研究，試驗(yàn)結(jié)果見圖5，圖6所示。

圖5 壓實(shí)度對抗壓強(qiáng)度及吸水率的影響Figure 5 Effect of degree of compaction

圖6 固化劑摻量對抗壓強(qiáng)度及吸水率的影響Figure 6 The effect of the amount of the curing agent

由圖5，圖6可見：

① 隨著試件壓實(shí)度的增大，試件的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度呈上升趨勢，試件吸水率顯著下降，當(dāng)試件壓實(shí)度為95%時，試件的壓實(shí)度為2.25 MPa，試件吸水率為2.7%，相比85%的壓實(shí)度，強(qiáng)度增長了1.25 MPa，試件吸水率降低6.13%。因此，加固土的壓實(shí)度對強(qiáng)度具有顯著的影響。

② 隨著土壤固化劑摻量的增加，試件7 d的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度從8%摻量的1.6 MPa增加到10%摻量時的2.6 MPa，吸水率從4.39%下降到0.46%。

為了研究加固土的耐水性能，本文將不同固化劑摻量下加固土試件標(biāo)養(yǎng)28 d的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度和浸水28 d的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度進(jìn)行了對比，試驗(yàn)結(jié)果見圖7所示。

圖7 不同固化劑摻量加固土在浸水前后強(qiáng)度變化Figure 7 The change of the strength of soil in different curing agent in the soil before and after soaking

由圖8可見：隨著土壤固化劑摻量的增加，加固土試件7 d和28 d的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度均增加，當(dāng)摻量達(dá)到10%時，固化土標(biāo)養(yǎng)28 d強(qiáng)度由8%時的5.0 MPa增加到7.2 MPa，浸水28 d的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度由8%時的3.8 MPa增加到5.5 MPa。當(dāng)固化劑摻量為8%和10%時，加固土浸水后28 d后的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度均比標(biāo)養(yǎng)28 d的強(qiáng)度降低了24%。

2.2 加固土耐疲勞性

蘭海高速原路面為瀝青混凝土路面，上面層為4 cm中粒式瀝青混凝土，中面層5 cm為中粒式瀝青混凝，下面層為6 cm粗粒式瀝青混凝土，基層為30 cm為水泥穩(wěn)定碎石，底基層為20 cm水泥石灰穩(wěn)定土(見圖8)。

圖8 蘭海高速原路面結(jié)構(gòu)示意圖Figure 8 Schematic diagram of the high-speed original pavement structure of lanhai

為了研究加固土的耐疲勞性，本文在蘭海高速原路面結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，通過Bisar3.0計算不同軸載作用對加固土基的疲勞應(yīng)力。在3標(biāo)準(zhǔn)軸載、4倍標(biāo)準(zhǔn)軸載、5倍標(biāo)準(zhǔn)軸載、6倍標(biāo)準(zhǔn)軸載作用下產(chǎn)生的疲勞應(yīng)力分別為30、40、50、60 kPa，面層、基層及底基層對土基產(chǎn)生的靜載為16 kPa。因此，本文選擇的加載應(yīng)力為動載與靜載之和，分別為50、60、70、 80 kPa。不同加載應(yīng)力下抗水性聚合物水泥土壤固化劑加固土累計加載1萬次的微應(yīng)變變化過程曲線分別如圖9、圖10所示。圖11為不同加載應(yīng)力重復(fù)加載1萬次后試件的28 d無側(cè)限抗壓強(qiáng)度對比。

由圖9～圖11可見：

① 抗水性聚合物水泥加固土在50、60、 70 kPa下均表現(xiàn)出明顯的彈性恢復(fù)過程，當(dāng)加載應(yīng)力為80 kPa時，應(yīng)力-應(yīng)變曲線變化無規(guī)律性。經(jīng)測定不同應(yīng)力(分別為50、60、70、 80 kPa)加載1萬次后四組試件的28 d無側(cè)限抗壓強(qiáng)度，發(fā)現(xiàn)50～70 kPa加載應(yīng)力下，試件強(qiáng)度呈增長趨勢；但是在70～80 kPa下，試件強(qiáng)度呈下降趨勢。說明試件在50～70 kPa的加載應(yīng)力狀態(tài)下，處于孔隙進(jìn)一步壓密，致使試件強(qiáng)度增大；但是，當(dāng)超過70 kPa后，試件在重復(fù)加載作用下發(fā)生疲勞破壞，導(dǎo)致試件強(qiáng)度降低。

圖9 不同加載應(yīng)力下聚合物水泥加固土的重復(fù)加載試驗(yàn)結(jié)果Figure 9 The result of the repeated loading test under stress

圖10 50 kPa下純水泥加固土的重復(fù)加載試驗(yàn)結(jié)果Figure 10 The results of the repeated loading test under 50 kPa

圖11 重復(fù)加載1萬次后試件的28 d無側(cè)限抗壓強(qiáng)度Figure 11 The unconfined compressive strength of the 28 d

② 對比50 kPa下聚合物水泥加固土和純水泥加固土的應(yīng)力-應(yīng)變曲線，發(fā)現(xiàn)聚合物水泥表現(xiàn)出明顯的彈性恢復(fù)過程，但是純水泥加固土的恢復(fù)過程表現(xiàn)并不明顯。且在同一加載應(yīng)力下，純水泥加固土產(chǎn)生的微應(yīng)變相比聚合物水泥加固土增加3倍，聚合物水泥表現(xiàn)出更好的抗疲勞性能。

2.3 加固土微觀性能評價

2.3.1 X射線掃描儀(XRD)

當(dāng)加固土試樣達(dá)到28 d齡期時，將進(jìn)行抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)后的加固土樣品研磨通過0.075 mm方孔篩，稱取5 g加固土粉末，將其填裝在有開槽的平整玻璃板上，施加一定壓力使樣品黏牢。采用Dmax2200PC衍射分析儀進(jìn)行加固土的物相分析，測試采用連續(xù)掃描測量法，掃描的起始角為0°，終止角為70°，掃描速度為0.020/s。XRD物相采用JADE5.0 軟件進(jìn)行分析，根據(jù)衍射峰的高度估計出各衍射線的相對強(qiáng)度，用嘗試法和初步估計的方法找到可能的物相，同時根據(jù)水泥土試樣的實(shí)際成份進(jìn)行推斷。圖12為紅層泥巖原狀土的XRD圖譜，圖13為原土、水泥加固土及8%聚合物水泥加固土的XRD圖譜對比，圖15為不同聚合物水泥固化劑摻量(8%、10%、12%)下加固土的XRD圖譜。

圖12 紅層泥巖原狀土XRD圖譜Figure 12 XRD map of the undisturbed soil of red mudstone

圖13 原土、水泥加固土及聚合物水泥加固土的XRD圖譜Figure 13 XRD map of the original soil and stabilized soil

圖14 不同聚合物水泥固化劑加固土的XRD圖譜Figure 14 XRD map of the polymer cement stabilized soil

由圖12可見：紅層泥巖的主要礦物組分為57%的石英和19%的CaCO3，及少量的塊磷鋁礦、伊利石和蒙脫石組成。紅層泥巖分別經(jīng)過純水泥和聚合物水泥加固加固處理后，產(chǎn)生不同的礦物成分。

如圖13所示：水泥加固土的主要成分為74%的塊磷鋁礦，并含有一定量的長石、斜塊灰石、云母和水合石英；聚合物水泥加固土的主要成分為61%石英和23%CaCO3，及少量的云母和蛇紋石?？梢?，水泥加固土和聚合物水泥加固土生成的不同的礦物組分，表現(xiàn)出不同力學(xué)性能。

如圖14可見：不同聚合物水泥土壤固化劑的XRD圖譜一致，只是峰的強(qiáng)度有所不同，說明僅改變土壤固化劑的摻量，不會影響加固土的礦物組成，僅改變了礦物組分之間的比例大小。

2.3.2 掃描電子顯微鏡(SEM，見圖15，圖16)

圖15為原樣土、純水泥加固土、不同摻量聚合物水泥加固土在500倍數(shù)下的SEM圖像。相比原樣土，純水泥加固土及聚合物加固土的空隙率減少，結(jié)構(gòu)致密。相比純水泥加固土，聚合物水泥加固土表現(xiàn)為結(jié)構(gòu)更加致密，土顆粒之間相互膠結(jié)，尤其是當(dāng)摻量增大到10%時，結(jié)構(gòu)非常致密，在500倍數(shù)下看不到空隙。該現(xiàn)象解釋了聚合物水泥加固土具有優(yōu)異耐水性的原因。

(a) 原樣土

(b) 10%純水泥加固土

(c) 8%聚合物水泥加固土

(d) 10%聚合物水泥加固土

Figure 15 Different reinforcement soil and the original soil microstructure image(×500)

圖16為原樣土、純水泥加固土和聚合物水泥加固土在5 000倍數(shù)下的SEM圖譜?？梢姡瓨油劣善瑺罱Y(jié)構(gòu)組成，結(jié)構(gòu)之間松散；純水泥加固土生成針狀結(jié)晶體；聚合物水泥加固土則生成“片狀-鑲嵌-膠結(jié)”結(jié)構(gòu)，空隙較小。該圖像解釋了聚合物水泥在應(yīng)力重復(fù)加載作用下表現(xiàn)為彈性恢復(fù)，而純水泥加固土確表現(xiàn)為相對剛性變形的原因。

(a) 原樣土

(b) 純水泥加固土(c) 聚合物水泥加固土

Figure 16 Different reinforcement soil and the original soil microstructure image(×5000)

3 結(jié)語

論文對聚合物水泥基土壤固化劑加固紅層泥巖的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度、耐水性及耐疲勞性進(jìn)行了研究，并借助X射線掃描儀(XRD)和掃描電子顯微鏡(SEM)對加固土的微觀性能進(jìn)行了分析，取得如下研究成果：

① 加固土的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度與吸水率呈相反變化關(guān)系。當(dāng)膠乳摻量為水泥摻量的4.5%，堿激發(fā)劑摻量為土的0.015%時，試件7 d無側(cè)限抗壓強(qiáng)度達(dá)到2.54 MPa，吸水率降低到0.46%。

② 壓實(shí)度及土壤固化劑摻量對加固土的強(qiáng)度及吸水率有直接的影響。加固土的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度隨壓實(shí)度及土壤固化劑摻量的增加而增加，吸水率則相反。當(dāng)土壤加固劑的摻量達(dá)到10%時，固化土標(biāo)養(yǎng)28 d強(qiáng)度為7.2 MPa，浸水28 d的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度降低至5.5 MPa，降低了24%。

③ 加固土的耐疲勞性與加載應(yīng)力具有直接關(guān)系。聚合物水泥表現(xiàn)出明顯的彈性恢復(fù)過程，但是純水泥加固土的恢復(fù)過程表現(xiàn)并不明顯。聚合物水泥加固土產(chǎn)生的微應(yīng)變相比純水泥加固土增加3倍，表現(xiàn)出優(yōu)異的抗疲勞性能。

④ 土樣的XRD圖譜顯示，紅層泥巖的主要礦物組分為57%的石英和19%的CaCO3，及少量的塊磷鋁礦、伊利石和蒙脫石組成。水泥加固土的主要成分為74%的塊磷鋁礦，并含有一定量的長石、斜塊灰石、云母和水合石英；聚合物水泥加固土的主要成分為61%石英和23%CaCO3，及少量的云母和蛇紋石。水泥加固土和聚合物水泥加固土生成的不同的礦物組分，表現(xiàn)出不同力學(xué)性能。

⑤ SEM圖顯示，相比原樣土，純水泥加固土及聚合物加固土的空隙率減少，結(jié)構(gòu)致密。相比純水泥加固土，聚合物水泥加固土表現(xiàn)為結(jié)構(gòu)更加致密。

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Based on the Spectrum Analysis of the SBS Modified Asphalt Regeneration Mechanism Research

QIAN Puzhou1，2， CAO Qingxia1，2， WEI Dingbang1，2， WANG Hailin1，2， LI Qing3

(1.Gansu Provincial Communications Planning Survey and Design Institute， Lanzhou， Gansu 730030， China； 2.Gansu Chang long Highway Maintenance Technology Institute Co.， Ltd， Lanzhou， Gansu 730030， China； 3.The 6thEngineering Co.Ltd.， China Railway 20thBureau Group， Xi’an， Shanxi 710016， China)

The red mudstone has water volume expansion，engineering disintegration characteristics，have great influence on the stability of red mudstone subgrade.The paper developed a water resistance polymer cement soil reinforcement agent，by strengthening the red mudstone of the 7 d unconfined compressive strength to reach 2.0 MPa，water absorption rate is reduced to less than 0.5%，and the reinforced soil water resistance and fatigue resistance were higher than that of traditional cement and lime stabilized soil.At the same time，with the aid of X ray scanner(XRD)and scanning electron microscopy(SEM)，were studied on red mudstone reinforcement mechanism from microcosmic angle.

rad mudstone; soil reinforcement; polymer cement; X ray scanner

2015 — 08 — 24

甘肅省交通運(yùn)輸廳科研項(xiàng)目重大專項(xiàng)(1302GKDA009)

錢普舟(1973 — )，男，甘肅慶陽人，高級工程師，從事公路設(shè)計與研究工作。

U 416.26

A

1674 — 0610(2016)06 — 0194 — 05