一種自修復(fù)固化土的抗拉強(qiáng)度試驗(yàn)

錢曉彤， 陳 庚*， 李 鋒

(1.河海大學(xué)巖土力學(xué)與堤壩工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 南京 210098； 2.蘇交科集團(tuán)有限公司， 南京 210098)

軟土固化技術(shù)是目前應(yīng)用廣泛的棄土資源化利用技術(shù)，通過將軟土與一定配比的固化劑混合攪拌，提升軟土的強(qiáng)度和耐久性，用作路基填料等工程用土需求。軟土力學(xué)特性的提升取決于固化劑的種類，水泥是使用最為廣泛的無機(jī)固化劑。很多學(xué)者針對水泥土的力學(xué)特性開展了各項(xiàng)研究。湯怡新等[1]發(fā)現(xiàn)水泥固化土的抗壓強(qiáng)度主要取決于水泥用量, 其次是原料土的含水量；馬卉等[2]發(fā)現(xiàn)水泥的摻入可以有效提高凍土的力學(xué)參數(shù)；Consoli等[3]考慮3種不同孔隙率和7種水泥含量的情況下，進(jìn)行了1%～12%的劈裂拉伸試驗(yàn)和無側(cè)限壓縮試驗(yàn)，證明孔隙率作為控制水泥土抗拉與抗壓強(qiáng)度參數(shù)極為有效；Cai等[4]分析了水泥土的摻比、養(yǎng)護(hù)齡期、含水率、土體等因素對水泥土抗壓強(qiáng)度的影響。

在一定的摻量和養(yǎng)護(hù)齡期下，水泥固化土有較高的抗壓強(qiáng)度，但是其抗拉強(qiáng)度較低，干縮、溫縮條件下易產(chǎn)生裂縫[5-6]。張通等[7]選用MBER土壤固化劑進(jìn)行試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)固化土的劈裂強(qiáng)度總體上高于水泥土；戴文亭等[8]通過在水泥土中添加劍麻纖維來提升固化土的劈裂抗拉強(qiáng)度；Hejazi等[9]總結(jié)分析了聚丙烯纖維可用于提升固化土的抗拉性能。綜上所述，提升水泥土抗拉強(qiáng)度的方法很多，但是裂縫狀態(tài)下實(shí)現(xiàn)抗拉強(qiáng)度的自修復(fù)還少有人研究。強(qiáng)度自修復(fù)技術(shù)目前多運(yùn)用于砂漿和混凝土等領(lǐng)域[10-13]，因此研究水泥固化土在裂縫狀態(tài)下抗拉強(qiáng)度的自修復(fù)具有很大的工程實(shí)踐意義。

現(xiàn)以一種強(qiáng)度自修復(fù)有機(jī)固化劑為主要原料，配合水泥固化土體，用固化土的劈裂強(qiáng)度(間接抗拉強(qiáng)度)來判斷自修復(fù)固化劑對水泥土的加固性能，研究不同浸水時(shí)間、養(yǎng)護(hù)齡期下固化土的強(qiáng)度變化特性；對比水泥固化土和自修復(fù)固化土劈裂破壞后的強(qiáng)度自修復(fù)情況。采用掃描電鏡試驗(yàn)(scanning electron microscope, SEM)對自修復(fù)固化土進(jìn)行微觀試驗(yàn)研究，探討其固化機(jī)理。

1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)用土為低液限黏土，取自江蘇省南京市，基本物理性質(zhì)指標(biāo)如表1所示。選取的自修復(fù)有機(jī)固化劑由江蘇路液新材料有限公司提供，呈深黃色透明液體狀(圖1)，可以與水以任意比例互溶，其具體組成成分如表2所示，各項(xiàng)物理指標(biāo)如表3所示。無機(jī)固化劑選取由諸城市楊春水泥有限公司生產(chǎn)的普通硅酸鹽水泥(圖2)，標(biāo)號42.5。

表1 試驗(yàn)用土的基本物理性質(zhì)指標(biāo)

圖1 自修復(fù)固化劑Fig.1 Road liquid material

表2 自修復(fù)固化劑的組成成分

表3 自修復(fù)固化劑的基本物理性質(zhì)指標(biāo)

圖2 水泥干粉Fig.2 Dry cement powder

2 試驗(yàn)方案及步驟

采用自修復(fù)固化劑-水泥組成的復(fù)合材料聯(lián)合固化黏土，將天然含水率下的黏土在室外風(fēng)干晾曬，直到其含水率降低至最優(yōu)含水率以下。水泥按干土質(zhì)量比摻入，摻量為4%，自修復(fù)固化劑根據(jù)應(yīng)用說明，按體積比摻入，摻量為0.3 L/m3，另做一組4%水泥摻量固化土作為對照組，同時(shí)研究不同養(yǎng)護(hù)齡期、浸水時(shí)間下水泥土與自修復(fù)固化土的強(qiáng)度變化。劈裂試件的制作、養(yǎng)生和測試均按照《公路工程無機(jī)結(jié)合料穩(wěn)定材料試驗(yàn)規(guī)程》(JTJ E51—2009)進(jìn)行。測試過程如圖3所示。劈裂強(qiáng)度試驗(yàn)方案如表4所示。

圖3 劈裂強(qiáng)度測試過程Fig.3 Testing process of splitting strength

表4 劈裂強(qiáng)度試驗(yàn)方案

劈裂強(qiáng)度自修復(fù)測試方法：水泥土的應(yīng)力-應(yīng)變曲線由線性上升段(彈性變形)、非線性上升段(塑性變形)和陡降段(完全破壞)組成，峰值應(yīng)力的30%～40%后即進(jìn)入塑性破壞階段[14]，土體內(nèi)部開始出現(xiàn)微裂縫損傷。為了避免產(chǎn)生貫通的大裂縫，綜合考慮本實(shí)驗(yàn)的固化劑摻量，在試驗(yàn)過程中選擇劈裂強(qiáng)度峰值應(yīng)力的80%進(jìn)行加載，研究自修復(fù)固化土產(chǎn)生微裂縫之后的強(qiáng)度恢復(fù)能力。

采取“養(yǎng)護(hù)—初加載80%—卸載—自修復(fù)養(yǎng)護(hù)—再加載”的方式。自修復(fù)類材料的修復(fù)效果與其摻量和裂縫寬度有關(guān)[15]，因此先測量3個(gè)平行試樣的劈裂強(qiáng)度，以該強(qiáng)度的80%對剩余三個(gè)平行試樣進(jìn)行初加載，隨即卸載。將3個(gè)初加載試樣放入標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)箱進(jìn)行自修復(fù)養(yǎng)護(hù)，待養(yǎng)護(hù)至指定齡期后取出，測量劈裂強(qiáng)度。固化劑選擇4%水泥、4%水泥+0.1 L/m3自修復(fù)固化劑、4%水泥+0.2 L/m3自修復(fù)固化劑、4%水泥+0.3 L/m3自修復(fù)固化劑進(jìn)行對比分析。自修復(fù)劈裂強(qiáng)度試驗(yàn)方案如表5所示。

表5 自修復(fù)劈裂強(qiáng)度試驗(yàn)方案

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 劈裂強(qiáng)度

固化土的劈裂強(qiáng)度一定程度上反映其在豎向荷載下抵抗裂縫的能力。4%水泥、4%水泥+0.3 L/m3自修復(fù)固化劑的兩種固化土在浸水0、24、48 h條件下劈裂強(qiáng)度與養(yǎng)護(hù)齡期的關(guān)系如圖4所示。

圖4 不同養(yǎng)護(hù)齡期下固化土的劈裂強(qiáng)度Fig.4 Splitting strength of solidified soil at different curing ages

由圖4可知，劈裂強(qiáng)度的增長階段主要在3～7 d。浸水24 h情況下，水泥土養(yǎng)護(hù)7 d時(shí)的劈裂強(qiáng)度比3 d時(shí)的劈裂強(qiáng)度高25.9%，繼續(xù)養(yǎng)護(hù)至28 d后的劈裂強(qiáng)度比7 d時(shí)僅提高了1.6%；同浸水條件下自修復(fù)固化土養(yǎng)護(hù)7 d時(shí)的劈裂強(qiáng)度比3 d時(shí)的劈裂強(qiáng)度高8.8%，繼續(xù)養(yǎng)護(hù)至28 d后的劈裂強(qiáng)度比7 d時(shí)僅提高了3.7%。浸水0 h和浸水48 h情況下的水泥土與自修復(fù)固化土的劈裂強(qiáng)度增長趨勢也類似，整體表現(xiàn)為先快后慢，而增長速度的時(shí)間轉(zhuǎn)折點(diǎn)為7 d。由此可看出，7 d之前是水泥土和自修復(fù)固化土劈裂強(qiáng)度發(fā)展的主要時(shí)期，繼續(xù)養(yǎng)護(hù)劈裂強(qiáng)度也有所增長，但增長速度都有不同程度的減緩。

由圖4還可明顯看出，自修復(fù)固化劑的加入大幅度提高了試件的劈裂強(qiáng)度。浸水24 h情況下，養(yǎng)護(hù)齡期3 d時(shí)，加入自修復(fù)固化劑后的劈裂強(qiáng)度較水泥土提高了27.1%，幾乎等于水泥土養(yǎng)護(hù)7 d的強(qiáng)度；養(yǎng)護(hù)齡期7、14、28 d時(shí)，加自修復(fù)固化劑之后的劈裂強(qiáng)度較水泥土都有不同程度的提升，分別提高了9.8%、8.5%、12.1%。自修復(fù)固化劑的加入為固化土額外提供了抵抗拉應(yīng)力的能力，進(jìn)一步加強(qiáng)了土體內(nèi)部的黏結(jié)力，在外力作用下，自修復(fù)固化土的間接抗拉強(qiáng)度較水泥土大幅增強(qiáng)。

不同浸水時(shí)間下固化土的劈裂強(qiáng)度如圖5所示。由圖5可以明顯看出，浸水時(shí)間對水泥土和自修復(fù)固化土的劈裂強(qiáng)度都有一定影響，具體表現(xiàn)為隨著浸水時(shí)間的增長，兩種固化土的劈裂強(qiáng)度呈現(xiàn)出不同程度的下降，這與張俊等[16]的水泥基類固化土的劈裂試驗(yàn)結(jié)論相同。對于水泥土，在養(yǎng)護(hù)3 d時(shí)，0～24 h浸水期間強(qiáng)度下降緩慢(強(qiáng)度下降14.24%)，24～48 h浸水期間強(qiáng)度大幅度下降(強(qiáng)度下降41.31%)，該階段試件內(nèi)部水泥水化反應(yīng)還處于初期階段，水化產(chǎn)物C-S-H生成數(shù)量有限，因而土顆粒之間的膠結(jié)作用很弱，內(nèi)部存在大量孔隙，浸水之后水分進(jìn)入孔隙，土顆粒之間由于水的滲透力大于膠結(jié)力而逐漸瓦解，導(dǎo)致劈裂強(qiáng)度急劇下降。養(yǎng)護(hù)7 d之后，浸水時(shí)間雖然對水泥土的劈裂強(qiáng)度仍有所影響，但強(qiáng)度下降趨勢明顯變緩，原因是水泥水化反應(yīng)已基本完成，土顆粒之間通過水化硅酸鈣(C-S-H)已形成較強(qiáng)的黏結(jié)力，同時(shí)土體內(nèi)部孔隙由于填充了大量的水化產(chǎn)物導(dǎo)致孔隙率大幅度降低，因而降低了浸水對強(qiáng)度的影響程度。

圖5 不同浸水時(shí)間下固化土的劈裂強(qiáng)度Fig.5 Splitting strength of solidified soil under different soaking time

由圖5可看出，自修復(fù)固化劑的加入顯著提升了固化土的水穩(wěn)特性。養(yǎng)護(hù)3 d時(shí)浸水0～24 h，自修復(fù)固化土的劈裂強(qiáng)度僅下降5.50%，浸水24～48 h，自修復(fù)固化土的劈裂強(qiáng)度僅下降4.1%，遠(yuǎn)低于水泥土強(qiáng)度的下降程度(14.24%和41.31%)，充分體現(xiàn)浸水條件下自修復(fù)固化劑對水泥土前期的補(bǔ)強(qiáng)作用。由圖5還可看出，養(yǎng)護(hù)7 d之后，浸水時(shí)間對自修復(fù)固化土的劈裂強(qiáng)度影響較水泥土要小得多，表現(xiàn)為強(qiáng)度變化曲線更為平緩。除此之外，相同浸水時(shí)間下自修復(fù)固化劑的加入也大幅度提升了試件的劈裂強(qiáng)度。養(yǎng)護(hù)14 d時(shí)，浸水0、24、48 h的自修復(fù)固化土的劈裂強(qiáng)度較水泥土分別提升了8.25%、5.84%和9.80%；養(yǎng)護(hù)28 d時(shí)，浸水0、24、48 h的自修復(fù)固化土的劈裂強(qiáng)度較水泥土分別提升了7.89%、10.77%和13.14%。在同一養(yǎng)護(hù)齡期下，隨著浸水時(shí)間的延長，自修復(fù)固化土較水泥土的劈裂強(qiáng)度的提升幅度逐漸變大，體現(xiàn)出自修復(fù)固化土良好的水穩(wěn)特性。

3.2 自修復(fù)劈裂強(qiáng)度

3種自修復(fù)固化土和水泥土在不同養(yǎng)護(hù)時(shí)間下破壞后的劈裂強(qiáng)度自修復(fù)情況如圖6所示。由圖6可看出，3種破壞情況下自修復(fù)固化土的劈裂強(qiáng)度修復(fù)情況均優(yōu)于水泥土，且恢復(fù)效果隨自修復(fù)固化劑摻量的增加而增加。養(yǎng)護(hù)3 d后破壞，0.1、0.2、0.3 L/m3摻量下的固化土自修復(fù)28 d后的劈裂強(qiáng)度比水泥土分別提高了8.24%、18.89%和20.25%；同條件下養(yǎng)護(hù)14 d后破壞，固化土自修復(fù)28 d后的強(qiáng)度比水泥土分別提高了12.65%、24.74%和25.86%。當(dāng)土體內(nèi)部受荷載作用出現(xiàn)了微裂縫和局部損傷時(shí)，水泥土自身具備一定的自修復(fù)功能，即重塑固化土的強(qiáng)度增長[17]。自修復(fù)固化劑可以提供一部分額外的強(qiáng)度補(bǔ)償，加大固化土劈裂強(qiáng)度的恢復(fù)程度。

圖6 不同養(yǎng)護(hù)時(shí)間破壞后的自修復(fù)劈裂強(qiáng)度Fig.6 Self repairing splitting strength after different initial curing time

由3種養(yǎng)護(hù)破壞時(shí)間下的強(qiáng)度恢復(fù)圖像均可看出，固化土的自修復(fù)劈裂強(qiáng)度在初期(破壞后自修復(fù)0～3 d)增長速度較快，中期(破壞后自修復(fù)3～14 d)強(qiáng)度增長速度有所下降，但仍保持一定速率的線性增長，后期(破壞后自修復(fù)14～28 d)強(qiáng)度已無明顯增長。說明破壞后的0～14 d為固化土劈裂強(qiáng)度恢復(fù)的主要時(shí)期，在該期間水泥和自修復(fù)固化劑共同作用，促進(jìn)固化土的強(qiáng)度恢復(fù)。圖7為不同養(yǎng)護(hù)時(shí)間下破壞后的28 d自修復(fù)劈裂強(qiáng)度?？梢钥闯觯?種固化土的最終劈裂強(qiáng)度均隨養(yǎng)護(hù)時(shí)間的延長而減小。養(yǎng)護(hù)3 d后破壞，此時(shí)水化反應(yīng)還處于初期階段[18]，破壞后隨著水化反應(yīng)的繼續(xù)進(jìn)行，大量的膠凝物質(zhì)(C-S-H)生成，配合自修復(fù)固化劑共同作用，填充和黏結(jié)裂縫，從而起到強(qiáng)度提升效果。而在養(yǎng)護(hù)14 d后破壞，水泥的水化反應(yīng)已進(jìn)入遲緩期，在自修復(fù)時(shí)期能提供的膠凝物質(zhì)有限，此時(shí)水泥土的強(qiáng)度主要來源于固化土團(tuán)間的摩擦和咬合作用，而自修復(fù)固化土的強(qiáng)度來源于土顆粒之間的摩擦以及自修復(fù)固化劑的膠結(jié)，在宏觀上則表現(xiàn)為后者在破壞后28 d的自修復(fù)劈裂強(qiáng)度遠(yuǎn)大于前者，體現(xiàn)出即便在較長的養(yǎng)護(hù)時(shí)間下破壞，自修復(fù)固化土仍具備較高的強(qiáng)度恢復(fù)能力。

圖7 不同養(yǎng)護(hù)時(shí)間下破壞后的自修復(fù)劈裂強(qiáng)度(自修復(fù)28 d)Fig.7 Self repairing splitting strength after failure under different curing time (self repairing 28 days)

4 微觀機(jī)理分析

固化土的宏觀力學(xué)特性在很大程度上受到其微觀結(jié)構(gòu)的影響和控制。本研究對固化后的黏土進(jìn)行掃描電子顯微鏡(SEM)試驗(yàn)，得到土樣的微觀照片對其微觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，進(jìn)一步分析固化土物理力學(xué)性質(zhì)變化的機(jī)理。兩種固化土的掃描電鏡圖如圖8所示。圖8(a)為4%水泥固化土的SEM圖，圖8(b)為4%水泥+0.3 L/m3自修復(fù)固化土的SEM圖。從圖8可見，養(yǎng)護(hù)7 d之后兩類固化土SEM圖中均存在大量的纖維狀物質(zhì)聯(lián)結(jié)著土顆粒，在土骨架內(nèi)部形成交叉貫穿的空間網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。從圖8(a)可以看出，僅添加4%水泥時(shí)，養(yǎng)護(hù)7 d后的試樣多為棱狀小顆粒物聚集而成，試樣內(nèi)部已產(chǎn)生部分水化硅酸鈣凝膠黏結(jié)土顆粒，但是顆粒間的孔隙仍清晰可見，顆粒與顆粒之間比較松散。從圖8(b)可以看出，添加自修復(fù)固化劑之后的固化土，多為圓狀大顆粒聚集而成，粒與粒之間孔隙明顯減小，大孔隙被膠結(jié)填充。水泥與自修復(fù)固化劑生成的膠結(jié)物質(zhì)相互搭接，形成了強(qiáng)度更高、孔隙率更小的交互空間結(jié)構(gòu)。

圖8 齡期為7 d的兩種固化土的SEM圖Fig.8 SEM images of two solidified soils aged 7 days

4%水泥+0.3 L/m3自修復(fù)固化土在養(yǎng)護(hù)7 d破壞，自修復(fù)前后的SEM圖像如圖9所示。可以發(fā)現(xiàn)，在固化土自修復(fù)7 d之后，土顆粒較之前結(jié)合地更加緊密，土顆粒之間的孔隙較自修復(fù)前顯著變小，土顆粒由松散狀態(tài)向團(tuán)聚狀結(jié)構(gòu)、網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)發(fā)展，孔隙充填、膠結(jié)的程度增加。分析原因是自修復(fù)固化劑中含有大量富含活性物質(zhì)的微膠囊，當(dāng)硬化后的土體受到應(yīng)力開裂時(shí)，裂紋尖端的微膠囊在集中應(yīng)力的作用下破裂，修復(fù)劑流出，在毛細(xì)作用下滲入土體的裂紋中，滲入裂紋中的修復(fù)劑與分散在土體材料中的固化劑相遇，抑制裂紋繼續(xù)擴(kuò)展，達(dá)到恢復(fù)甚至提高固化土強(qiáng)度的效果。7 d的自修復(fù)時(shí)間提高了土顆粒的膠結(jié)緊密程度，產(chǎn)生更多的膠凝物質(zhì)填充破壞產(chǎn)生的微裂縫，在裂縫之間起橋接作用，繼續(xù)為固化土提供強(qiáng)度。

圖9 4%水泥+0.3 L/m3自修復(fù)固化土修復(fù)前后的SEM圖Fig.9 SEM images of 4% cement+0.3 L/m3 self repairing solidified soil before and after repair

5 結(jié)論

通過劈裂強(qiáng)度試驗(yàn)探討了自修復(fù)固化土的劈裂強(qiáng)度及破壞后的劈裂強(qiáng)度自修復(fù)效果，研究了水泥土與自修復(fù)固化土的水穩(wěn)特性；采取“養(yǎng)護(hù)—加載80%—卸載—自修復(fù)養(yǎng)護(hù)—再加載”的方式，研究了不同自修復(fù)固化劑摻量、養(yǎng)護(hù)時(shí)間和自修復(fù)時(shí)間對固化土自修復(fù)效果的影響，并采用掃描電鏡試驗(yàn)對自修復(fù)固化土進(jìn)行了微觀研究，得到以下結(jié)論。

(1)自修復(fù)固化劑的加入顯著提升了水泥土的劈裂強(qiáng)度，劈裂強(qiáng)度的增長階段主要在3～7 d，之后強(qiáng)度增長緩慢。浸水時(shí)間對自修復(fù)固化土的影響顯著低于水泥土，體現(xiàn)出自修復(fù)固化土良好的水穩(wěn)特性。

(2)養(yǎng)護(hù)時(shí)間越長，劈裂強(qiáng)度自修復(fù)效果越低。養(yǎng)護(hù)3 d和7 d后破壞，水泥土和自修復(fù)固化土均具備一定的劈裂強(qiáng)度自修復(fù)能力，養(yǎng)護(hù)14 d后破壞，自修復(fù)效果大部分來源于自修復(fù)固化劑，且自修復(fù)強(qiáng)度隨自修復(fù)固化劑摻量的增加而增加。

(3)電鏡掃描試驗(yàn)結(jié)果顯示，自修復(fù)固化土多為圓狀大顆粒聚集而成，孔隙較水泥土明顯減小。破壞自修復(fù)7 d之后，由于微膠囊作用，土顆粒由松散狀態(tài)向團(tuán)聚狀、網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)發(fā)展，孔隙充填、膠結(jié)的程度增加，強(qiáng)度得到大幅度提升。