土質(zhì)固化劑對水泥土力學(xué)特性的影響及機理研究

何國平，蔡天德，陳 雙，莫 憂，胡 建

(1.浙江鉅元建設(shè)有限公司，浙江 杭州 311600; 2.四川農(nóng)業(yè)大學(xué)水利水電學(xué)院，四川 成都 611130)

0 引 言

隨著我國高速鐵路、公路的持續(xù)快速建設(shè)，對公路路基填料的要求越來越高[1]。采用傳統(tǒng)的無機結(jié)合料固化土進行路基修筑的缺陷日漸顯現(xiàn)，傳統(tǒng)的固化土內(nèi)部存在高度分散的無機膠體[2]，干燥時容易發(fā)生收縮開裂，對相關(guān)工程的穩(wěn)定性和耐久性十分不利，難以滿足當(dāng)前工程建設(shè)的需要[3]。采用常規(guī)條件下水泥土修筑的地基、路基土或排水基土經(jīng)常會發(fā)生翻漿冒泥、不均勻沉降、邊坡滑塌等工程事故[4-6]。另外，水泥、石灰等材料需進行大量工業(yè)開采與生產(chǎn)，浪費了資源和能源，并對生態(tài)環(huán)境帶來不利影響[7]。因此，大量外加劑被使用到水泥土不利工程性能的改性中，從而達到固化和穩(wěn)定的效果[8]。

采用土質(zhì)固化劑對路基填料進行改性是一種有效的加固手段，固化技術(shù)使得路基填料能夠有效地防止土體結(jié)構(gòu)性破壞，并延長材料的服役年限[8]。例如：楊林等[9]采用TG土質(zhì)固化劑對水泥土進行改良，大幅提高了土體的無側(cè)限抗壓強度和抗凍融性能；劉春龍等[10]利用偏高嶺土對水泥土的力學(xué)性能進行改性試驗研究，有效地提高了水泥土的抗壓強度；Tebaldi等[11]利用固化劑改性了石灰穩(wěn)定土的工程性能，大幅提高了試樣的抗壓強度。當(dāng)前，我國學(xué)者在利用適宜的土質(zhì)固化劑作為路基材料的外加劑從而改善其綜合性能進行了大量嘗試，TG固化劑是我國自主研發(fā)的一種土質(zhì)固化劑，作為一種新型筑路材料的的外加劑已經(jīng)取得了廣泛應(yīng)用[12-14]。然而，當(dāng)前關(guān)于TG固化劑對強度的影響規(guī)律以及改性機理的認知還相對薄弱，值得開展相應(yīng)的研究。

本文首先利用擊實試驗獲得水泥土最優(yōu)水泥摻量，再摻入我國自主研發(fā)的TG型土質(zhì)固化劑，開展單軸壓縮試驗、核磁共振實驗和掃描電鏡試驗研究固化水泥土的強度特性及其機理，為路用固化水泥土材料的改性設(shè)計與施工提供參考。

1 樣品制備與試驗方法

1.1 基本土性

本研究采用固化土基料為粉質(zhì)粘土，土體的外觀呈黃褐色，天然密度為1.72 g/cm3，天然含水率為16.5%，孔隙比0.53，液限28.9%，塑性指數(shù)32.8，自由膨脹率33.5%，滲透系數(shù)4.01×10-6cm/s。經(jīng)過擊實試驗發(fā)現(xiàn)該土的最優(yōu)含水率為15.2%。由X衍射實驗得到了土壤的X射線衍射圖譜，半定量可以對土體的物相組成進行快速、高效的測定，通過XRD衍射譜中各峰的強度值間接計算不同成分的質(zhì)量分數(shù)，發(fā)現(xiàn)該土的礦物成分包括石英(58.2%)、鈉長石 (12.0%)、方解石(9.5%)、伊利石 (6.1%)，蒙脫石(4.1%)、斜長石(3.8%)以及其他礦物6.3%。采用篩分法和密度計法相結(jié)合的方法測定顆粒級配曲線，結(jié)果如圖1所示?？梢钥闯鲈摰貐^(qū)土顆粒主要為粉粒和黏粒，其中粉粒(粒徑處于0.002～0.025 mm)的含量為17.8%，黏粒(粒徑低于0.002 mm)的含量為62.4%。土壤的礦物成分組成如表1所示。

圖1 土的顆粒級配曲線

表1 土壤的礦物成分組成

1.2 樣品制備

采用分層擊實法制備水泥固化土試樣，分三層進行圓柱體土樣的擊實，水泥土樣品的直徑為50 mm，高度為100 mm。采用摻量（質(zhì)量含量）分別為2%、4%、6%、8%和10%的水泥外摻料進行實驗，以素土的實驗結(jié)果作為參照組。在水泥土試樣配置前利用擊實實驗結(jié)果確定不同水泥摻量影響下穩(wěn)定土的最大干密度與最優(yōu)含水率。在確定了最優(yōu)含水率和水泥含量后，再將不同質(zhì)量含量的TG-1型土質(zhì)固化劑摻入到水泥土的拌合料中進行攪拌，同樣采用分三層擊實的方法制備圓柱體樣品。

1.3 試驗方法

采用土工單軸壓縮測試儀對水泥固化土試樣進行強度測試，實驗時的加載速率控制為0.15 kPa/s。從單軸壓縮試驗的應(yīng)力應(yīng)變曲線結(jié)果中獲得了水泥土試樣的無側(cè)限抗壓強度qu，并采用彈性模量E，即應(yīng)力-應(yīng)變曲線直線段斜率作為衡量水泥固化土的強度性能參數(shù)。

采用NMR23-50H型號核磁共振分析儀對不同TG-1型固化劑含量水泥土試樣進行掃描，經(jīng)過48 h的抽氣飽和，由核磁共振實驗得到了弛豫時間和信號強度的關(guān)系曲線（簡稱T2分布曲線）。T2分布曲線能夠反映試樣內(nèi)部孔隙的分布情況。

采用SEM掃描電子顯微鏡對不同固化劑含量下的水泥土試樣開展微觀結(jié)構(gòu)的觀測。試驗中先對水泥土試件的表面進行切樣，得到的樣品高度約為5 mm；再將樣品進行真空冷凍干燥處理，最后將處理后的樣品開展SEM試驗獲取微觀圖像

2 試驗結(jié)果與討論

2.1 擊實試驗結(jié)果

對普通重塑土和不同摻量的水泥土試樣開展擊實試驗，得到的土體干密度與含水率關(guān)系曲線如圖2所示?？梢钥闯鲭S著水泥摻量的增加，試樣最大干密度與最優(yōu)含水率趨于增大，水泥土壓實曲線比天然土的壓實曲線更加平坦。上述實驗現(xiàn)象主要是由于水泥與土顆粒發(fā)生火山灰反應(yīng)，形成硅酸鈣水合物的團聚體，提高了土壤的密實度。水泥顆粒對水分子的吸附能力強于土顆粒，土壤中的一部分游離水在與石灰發(fā)生后轉(zhuǎn)化為結(jié)合水。而為了提高土體壓實性需要更多的自由水進行潤滑，導(dǎo)致其最優(yōu)含水率隨水泥含量的增加而增大。此外，當(dāng)水泥摻量超過8%后，最大干密度基本不變，而最優(yōu)含水率繼續(xù)增大。試驗現(xiàn)象表明在盲目增加水泥摻量反而對固化土強度不利，根據(jù)擊實試驗結(jié)果確定固化土的最優(yōu)水泥摻量為8%，對應(yīng)的擊實土試樣最大干密度為1.51 g/cm3，最優(yōu)含水率為17.9%。

圖2 土樣的擊實試驗結(jié)果

2.2 強度特性分析

對不同固化劑含量的水泥土開展單軸壓縮試驗得到應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線。如圖3(a)和(b)給出了不同養(yǎng)護時間條件下的試樣應(yīng)力-應(yīng)變曲線。按照應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線的變化規(guī)律大致可將試樣的變形過程分為：顆粒壓密、線彈性變形、塑性變形和應(yīng)變軟化階段。另外，對相同固化劑含量的試樣而言，養(yǎng)護時間為28 d的應(yīng)力-應(yīng)變曲線明顯高于養(yǎng)護時間為7 d的結(jié)果，說明隨著養(yǎng)護時間的增加，固化劑對水泥土強度和變形特征的改性效果越好。

圖3 固化水泥土的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線

從不同固化劑含量的水泥土單軸壓縮實驗結(jié)果可以看出：不同固化劑含量的水泥土應(yīng)力-應(yīng)變曲線均存在明顯的應(yīng)力峰值點，該點的縱坐標(biāo)對應(yīng)土體的無側(cè)限抗壓強度qu。計算了水泥土試樣的彈性模量E，不同固化劑含量下的無側(cè)限抗壓強度qu和彈性模量E結(jié)果如圖4所示?？梢钥闯鲭S著TG固化劑含量的增加，水泥土的抗壓強度與彈性模量逐漸增大，且含量在0.01%～0.04%的范圍內(nèi)變化較快。另外，養(yǎng)護時間對改性水泥土的力學(xué)性能指標(biāo)也有重要影響，隨著養(yǎng)護時間從7 d增加至28 d，不同固化劑含量的水泥土抗壓強度平均增長幅度為46.3%，彈性模量的平均增長幅度為49.5%。

圖4 強度指標(biāo)與固化劑含量的關(guān)系

2.3 微觀結(jié)構(gòu)分析

核磁共振實驗（NMR）可以對水泥土內(nèi)部的孔隙分布特征進行探測，核磁信號強度與孔隙水的含量成正比[15]。因此，利用NMR得到的T2分布曲線變化規(guī)律可以反映不同固化劑含量的水泥土內(nèi)部孔隙變化特征。根據(jù)NMR實驗，得到了養(yǎng)護齡期為28 d的固化水泥土T2分布曲線，結(jié)果如圖5所示?？梢钥闯?條曲線均呈雙峰分布，靠橫坐標(biāo)左側(cè)為主峰，表示小孔隙分布；靠橫坐標(biāo)右側(cè)為次峰，表示大孔隙分布。隨著固化劑含量的增加，改性水泥土的T2分布曲線有顯著變化，主峰的幅值逐漸降低，次峰的幅值和分布范圍均逐漸減小。T2分布曲線的變化表明：隨著固化劑含量的提高，改性水泥土中的孔隙數(shù)量逐漸變少，尺寸逐漸減小，即固化劑的改性作用在使得水泥土中的孔隙逐漸閉合。

圖5 固化水泥土的T2分布曲線

對不同固化劑含量的水泥土試樣進行了掃描電子顯微鏡（SEM）實驗，得到了養(yǎng)護齡期為28 d的固化水泥土SEM圖像，結(jié)果如圖6所示。根據(jù)圖6(a)所示的SEM圖觀察到：普通水泥土內(nèi)部結(jié)構(gòu)較為松散，水泥土顆粒呈絮凝狀的團聚體，顆粒間的孔隙和裂隙具有不同的尺寸和形狀，并以點對面方式相互連通；根據(jù)圖6(b)～(d)可以看出隨著固化劑含量由0.01%增加至0.03%的過程中，水泥土團聚體間的裂隙逐漸閉合，裂隙張開度也明顯減??；圖6(e)和(f)顯示，經(jīng)過含量為0.04%和0.05%固化劑改性的水泥土密實度大幅增加，試樣內(nèi)部結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)一種相對均勻的微觀形態(tài)，卷曲片狀和扁平的土體顆粒以邊-面和邊-邊接觸形式存在，土體內(nèi)部的孔隙尺寸尺寸較小。SEM圖像的變化特征表明固化劑使得以硅酸鈣水合物（C-S-H）凝膠物質(zhì)形式存在的水化產(chǎn)物膠結(jié)成整體，有效地縮小了裂隙，增加了土顆粒間的密實程度。此外，NMR結(jié)果與SEM圖像的變化規(guī)律比較吻合，說明核磁共振實驗對水泥土的孔隙特征探測具有較好的適宜性。

圖6 固化水泥土的SEM圖像

當(dāng)水泥摻入粉質(zhì)粘土中并進行擊實成型后，與土體中的水分接觸而發(fā)生水化反應(yīng)，形成可起到硬化骨架作用的膠凝物質(zhì)，對土體穩(wěn)定性具有顯著的提升效果。TG-1型固化劑是一種電離子溶液類的外加劑，具有高電導(dǎo)性，與水泥土的團粒接觸后會與團粒表面吸附的陽離子發(fā)生強烈交換作用，破壞顆粒表面雙電子層結(jié)構(gòu)，使得顆粒表面吸附水的作用力大幅降低，束縛在水泥土團粒內(nèi)部的結(jié)合水轉(zhuǎn)換成自由水而析出。經(jīng)過固化作用的凝膠物顆粒具有較大的表面能和較強的吸附作用，引起水化物中Ca2+離子與土顆粒表面吸附的其他陽離子發(fā)生交換反應(yīng)，絮凝狀水化硅酸鈣C-S-H和針狀鈣礬石Aft數(shù)量增加，最終使得水泥土更容易被壓實，形成致密、穩(wěn)定的整體結(jié)構(gòu)，提升材料密實度和強度。

3 結(jié)束語

1)水泥土的最大干密度與最優(yōu)含水率隨摻量的增加而增大，根據(jù)擊實試驗結(jié)果確定最優(yōu)水泥摻量為8%，對應(yīng)的擊實水泥土試樣最大干密度為1.51 g/cm3，最優(yōu)含水率為17.9%。

2)固化水泥土的應(yīng)力-應(yīng)變曲線為應(yīng)變軟化型，土體的變形過程大致可分為：壓密階段、線彈性變形階段和應(yīng)變軟化階段，抗壓強度和彈性模量隨土質(zhì)固化劑含量增加顯著增大，且變化速率在0.01%～0.04%范圍內(nèi)較快。養(yǎng)護時間越長，固化水泥土強度指標(biāo)的提升幅度越大。

3) 由核磁共振實驗獲得的固化水泥土T2分布曲線呈雙峰分布，隨著土質(zhì)固化劑含量的增加，試樣內(nèi)部的孔隙數(shù)量與尺度逐漸減小。

4) 固化劑的改性作用在使得土體內(nèi)部硅酸鈣水化物含量增加，形成了致密、穩(wěn)定的整體性結(jié)構(gòu)，進而提升固化水泥土的密實度和強度性能。