水泥高分子改良固化土的室內(nèi)試驗(yàn)研究

仇小東，李 鋒，錢曉彤

(1. 南通市公路事業(yè)發(fā)展中心，南通 226001； 2. 蘇交科集團(tuán)股份有限公司，南京 211112；3. 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)

隨著公路基礎(chǔ)設(shè)施的快速發(fā)展，多年來的開山取石、挖河采砂對生態(tài)環(huán)境造成了嚴(yán)重破壞。礦石資源的緊缺導(dǎo)致砂、石價格有所提高，也增加了公路基礎(chǔ)設(shè)施的建設(shè)成本。各級政府部門高度重視低碳環(huán)保節(jié)能減排工作，明確提出了加快建設(shè)資源節(jié)約型、環(huán)境友好型社會的要求。目前常規(guī)做法是采用石灰、水泥或石灰粉煤灰等無機(jī)結(jié)合料對土壤進(jìn)行加固處理，以代替石材用于公路建設(shè)中的道路路基或底基層材料。Kamon[1]使用生石灰與污泥混合后產(chǎn)生的副產(chǎn)品對土壤進(jìn)行固化。結(jié)果表明，固化過程中，土壤顆粒之間產(chǎn)生大量的鈣礬石，這些鈣礬石增強(qiáng)了固化土強(qiáng)度，尤其是高含水率的土樣。李秉宜等[2]采用石灰和水泥改良高液限黏土，試驗(yàn)結(jié)果表明，其水穩(wěn)定性得到顯著提升，較高摻量的石灰和水泥改良高液限黏土在干濕循環(huán)作用下，無側(cè)限抗壓強(qiáng)度幾乎不變或衰減較小，在多次循環(huán)后仍保持較高強(qiáng)度。

許多學(xué)者采用有機(jī)高分子材料對土壤進(jìn)行改良。朱志鐸等[3]采用自主研發(fā)的SEU-2型固化劑穩(wěn)定粉質(zhì)土路基，通過現(xiàn)場和室內(nèi)試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，摻加SEU-2型固化劑可顯著提升粉性土的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度和水穩(wěn)性，減小其收縮變形，摻加4% SEU-2型固化劑能滿足路基的各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)要求，是較為合理的加固粉性土路基的方案?？追避幍萚4]采用一種新型高分子固化劑加固砂土，通過室內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)固結(jié)試驗(yàn)，研究了高分子固化劑濃度和試件干密度對改良砂土壓縮性能和抗?jié)B性能的影響。結(jié)果表明，隨著試件的養(yǎng)護(hù)，高分子固化劑溶液由液態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)楣虘B(tài)，在砂粒之間形成一張“固化網(wǎng)”，將分散砂粒相互連接為整體，充分填充了砂粒之間的孔隙，使得砂粒之間更加緊密，顯著增強(qiáng)了固化土的抗?jié)B性能。劉瑾等[5]利用聚氨酯型固化劑改良表層砂土抗?jié)B透特性，結(jié)果表明，該固化劑可以在很大程度上提高砂土的抗?jié)B透性能。王銀梅等[6]采用新型高分子材料SH固化劑固化黃土，提高其抗沖刷性能，結(jié)果表明改良效果顯著。

目前大部分固化土的研究集中在只利用無機(jī)固化劑或有機(jī)固化劑，將兩種固化劑結(jié)合使用的研究較少，且主要針對改良土的抗?jié)B性和無側(cè)限抗壓強(qiáng)度，對固化土在循環(huán)動荷載作用下的疲勞性能研究較少。因此，本文利用水泥和新型有機(jī)高分子固化劑(LY-1)對黏土進(jìn)行填料化改良，研究改良前后土體的回彈模量、抗?jié)B性和抗疲勞性等參數(shù)變化，以期為指導(dǎo)土體的填料改良提供理論依據(jù)。

1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)所用土取自江蘇省南京市黏土，試驗(yàn)用土理化指標(biāo)如表1所示。

表1 試驗(yàn)用土理化指標(biāo)

所用無機(jī)材料為42.5級硅酸鹽水泥，LY-1型有機(jī)高分子固化劑為黃色透明液體，其以天然植物、礦物提取物為主要原料，以水分散體系形式呈現(xiàn)。LY-1型固化劑組成成分如表2所示。

表2 LY-1型固化劑組成成分

2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

設(shè)置4%水泥+0.3 L/m3LY-1為試驗(yàn)組，另外選取水泥摻量4%、6%和8%為對照組，進(jìn)行對比研究。按照《公路工程無機(jī)結(jié)合料穩(wěn)定材料試驗(yàn)規(guī)程》(JTG E51—2009)[7]要求進(jìn)行回彈模量試驗(yàn)、抗?jié)B試驗(yàn)和疲勞試驗(yàn)。其中疲勞試驗(yàn)僅進(jìn)行4%水泥和4%水泥+0.3 L/m3LY-1型固化劑的對比試驗(yàn)。

回彈模量試驗(yàn)采用杠桿壓力儀法，制備試件和養(yǎng)生，按50 kPa、100 kPa、150 kPa、200 kPa和225 kPa 逐級進(jìn)行加載和卸載，并記錄千分表讀數(shù)，直至最后一級荷載，共進(jìn)行3次平行試驗(yàn)，每次試驗(yàn)結(jié)果與回彈模量均值之差應(yīng)不超過5%。最后按公式計(jì)算回彈模量。

抗?jié)B試驗(yàn)試件制作采用靜壓成型法，試件為150 mm(直徑)×150 mm(高度)的圓柱體試件，每組試件的數(shù)量為6個，試件養(yǎng)生溫度(20±2)℃，濕度>95%，標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)生27 d，浸水1 d后進(jìn)行抗?jié)B試驗(yàn)。

疲勞試驗(yàn)試件是尺寸為50 mm×50 mm×200 mm 的小梁試件。養(yǎng)護(hù)90 d后，參考《公路工程無機(jī)結(jié)合料穩(wěn)定材料試驗(yàn)規(guī)程》(JTG E51—2009)[7]中無機(jī)結(jié)合料彎拉強(qiáng)度試驗(yàn)方法采用三分點(diǎn)加載方式測定試件彎拉強(qiáng)度，試驗(yàn)中以控制應(yīng)變方式進(jìn)行加載，加載速率為50 mm/min，直至破壞。

參考《公路工程無機(jī)結(jié)合料穩(wěn)定材料試驗(yàn)規(guī)程》(JTG E51—2009)[7]中無機(jī)結(jié)合料穩(wěn)定材料疲勞試驗(yàn)方法進(jìn)行疲勞測試，采用三分點(diǎn)加載法，施加動態(tài)周期性Havesine波壓應(yīng)力測定試件疲勞性能。

3 試驗(yàn)分析

3.1 回彈模量試驗(yàn)

對兩種試件的5個試驗(yàn)點(diǎn)進(jìn)行線性擬合，回彈變形與單位壓力相關(guān)關(guān)系如圖1所示。通過計(jì)算得到4%水泥試件的回彈模量為177 MPa，4%水泥+0.3 L/m3LY-1型固化劑試件回彈模量為213 MPa，相比4%水泥試件回彈模量增加了20.3%。結(jié)果表明，高分子固化劑增加了土壤顆粒之間的黏結(jié)力，使得改良后的固化土具有較高的回彈模量。

(a) 水泥

3.2 抗?jié)B試驗(yàn)

通過抗?jié)B試驗(yàn)測得兩種固化土試件的滲透系數(shù)，抗?jié)B試驗(yàn)結(jié)果如表3所示。4%水泥試件的滲透系數(shù)為6.51×10-5cm/min，4%水泥+0.3 L/m3LY-1型固化劑試件的滲透系數(shù)為2.28×10-6cm/min，與8%水泥試件的滲透系數(shù)相近。結(jié)果表明高分子固化劑顯著提升了固化土的抗?jié)B性能。

表3 抗?jié)B試驗(yàn)結(jié)果

3.3 疲勞試驗(yàn)

采用三分點(diǎn)加載法測定了兩種固化土的彎拉強(qiáng)度，疲勞試驗(yàn)結(jié)果如表4所示，4%水泥試件的破壞荷載為410 N，彎拉強(qiáng)度為0.55 MPa，而4%水泥+0.3 L/m3LY-1型固化劑試件的破壞荷載為880 N，彎拉強(qiáng)度為1.06 MPa，結(jié)果表明，LY-1型固化劑加入后，較4%水泥試件的破壞荷載和彎拉強(qiáng)度分別提升了114.6%和92.7%。

表4 疲勞試驗(yàn)結(jié)果

三分點(diǎn)疲勞試驗(yàn)加載參數(shù)及試驗(yàn)結(jié)果如表5所示，同等荷載水平下，4%水泥+0.3 L/m3LY-1型固化劑試件的疲勞強(qiáng)度提高，試件未破壞，表面未見明顯損傷，體現(xiàn)其良好的抵抗動態(tài)荷載的能力。

表5 三分點(diǎn)疲勞試驗(yàn)加載參數(shù)及試驗(yàn)結(jié)果

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。本研究對固化后的黏土進(jìn)行電鏡掃描(SEM，scanning electron microscope)試驗(yàn)，可得到土樣的微觀照片，并對其微觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，研究固化土力學(xué)性質(zhì)變化機(jī)理。兩種固化土的掃描電鏡圖如圖2所示，放大倍數(shù)為10 000倍，試件的養(yǎng)護(hù)齡期為7 d。

(a) 4%水泥

由圖2可知，加入LY-1型固化劑后，土壤顆粒之間黏結(jié)更加緊密，膠結(jié)物質(zhì)填充顆粒間孔隙，顯著降低了空隙率。水泥與高分子固化劑在固化土內(nèi)部發(fā)生一系列反應(yīng)，水泥水化反應(yīng)生成了C-S-H膠體，高分子固化劑中的水性聚合物在土壤混合攪拌過程中均勻分散在土壤膠體中，經(jīng)固化形成均勻的分子網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，兩者生成的膠結(jié)物質(zhì)相互搭接，填充孔隙，包裹土壤顆粒，顯著提升固化土的抗?jié)B透能力和抗回彈能力。由高分子固化劑反應(yīng)形成的填充物質(zhì)，其韌性大于水泥的水化產(chǎn)物，因而在固化土受反復(fù)動荷載時，該部分填充物質(zhì)能夠承擔(dān)大部分疲勞荷載，從而提升固化土在動荷載下的強(qiáng)度特性。

5 結(jié)論

本文利用水泥和一種新型有機(jī)高分子材料對黏土進(jìn)行改良，對改良后固化土的回彈特性、抗?jié)B性和抗疲勞性能進(jìn)行了試驗(yàn)研究，對比純水泥固化土和水泥與高分子固化劑聯(lián)合固化土，主要結(jié)論如下：

(1) 外加0.3 L/m3LY-1型固化劑試件回彈模量較單摻4%水泥的固化土增加了20.3%，與6%水泥試件的彈性模量相近。

(2) 高分子固化劑的加入使水泥土滲透系數(shù)顯著提升，摻入4%水泥+0.3 L/m3LY-1型固化劑試件的滲透系數(shù)與8%水泥試件的滲透系數(shù)相近。

(3) 加入高分子固化劑后，4%水泥+0.3 L/m3LY-1型固化劑試件的三分點(diǎn)加載破壞荷載和彎拉強(qiáng)度較4%水泥試件提高了1倍。疲勞試驗(yàn)加載后，前者疲勞強(qiáng)度提高，試件未破壞，表面未見明顯損傷，抗動態(tài)荷載性能良好。

(4) 通過掃描電鏡發(fā)現(xiàn)，4%水泥+0.3 L/m3LY-1型固化劑試件中的水性聚合物經(jīng)固化形成均勻的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，生成的膠結(jié)物質(zhì)填充孔隙，具有更高的密實(shí)度。