F1離子固化劑加固黃土強度及微觀結(jié)構(gòu)試驗研究

李建東 王 旭 張延杰 蔣代軍 劉德仁 馬學寧 王景龍

(蘭州交通大學土木工程學院, 蘭州 730070)(蘭州交通大學道橋工程災(zāi)害防治技術(shù)國家地方聯(lián)合工程實驗室, 蘭州 730070)

西北黃土顆粒均勻、壓縮性大、膠結(jié)性弱,孔隙節(jié)理發(fā)育,屬于典型粉土,經(jīng)常表現(xiàn)出承載力小、壓縮性大和水敏性復(fù)雜等眾多工程問題[1],其直接作為工程填料時不能滿足強度和變形要求,使得有關(guān)黃土加固與改良技術(shù)的研究受到科研人員廣泛關(guān)注[2-3].離子固化劑因具有用量少、成本低、應(yīng)用廣、固化效果佳、施工簡便快捷和節(jié)能環(huán)保等眾多優(yōu)點[2,4],被廣泛應(yīng)用于地基處理、路基填筑、粉塵控制、堆場和邊坡穩(wěn)定治理和渠道襯砌防滲等工程領(lǐng)域.

20世紀以來,各國巖土化學專家綜合膠體化學、土壤化學和高分子材料學,從巖土工程化學反應(yīng)機制和加固機理入手,不斷研發(fā)出土建高分子化學材料,并對其固化機理和加固土工程特性進行了大量研究[4-8].Moloisane等[9]對磺化油改良土的固化機理和物理力學特性進行了研究.Zhao等[10]發(fā)現(xiàn)離子固化劑加固前后土顆粒表面的離子濃度發(fā)生了顯著變化.Marto等[11]通過試驗證明高分子土壤固化劑SS299可顯著提高紅土的無側(cè)限抗壓強度和剪切強度.Xiang等[12]發(fā)現(xiàn)離子固化劑可增大膨脹土的剪切強度,減小垂直收縮率和自由膨脹率.王銀梅等[3]發(fā)現(xiàn)高分子SH固化黃土具有造價低、強度高、耐低溫、能抗水等優(yōu)點.仁童等[13]發(fā)現(xiàn)HP-1漿液可顯著提高黃土的抗壓強度和抗?jié)B性.

近些年,我國工程技術(shù)人員引入多種土壤固化劑,對膨脹土、紅土等特殊土的改良與加固進行了大量的研究,但對黃土的固化研究仍處于探索階段.本文采用丙烯酸磺化聚合物F1離子固化劑,針對蘭州黃土進行改性試驗和加固機理探討,以期為離子型土壤固化劑在黃土地區(qū)的應(yīng)用與推廣提供技術(shù)參考.

1 F1加固黃土機理探討

F1固化劑為一種含有多種酸性表面活性劑的液體狀磺化有機化合物,遇水時可快速離解出強陽離子化學物質(zhì),與黏土礦物表面的陰離子和極性水分子發(fā)生一系列物理化學反應(yīng),使固化土顆粒的帶電性質(zhì)和微觀結(jié)構(gòu)發(fā)生變化.

1.1 破壞雙電層結(jié)構(gòu)

黏土礦物表面通常帶負電荷,其在靜電引力驅(qū)使下與周圍環(huán)境中的反號電荷形成雙電層結(jié)構(gòu)[14].F1遇水時迅速離子化,離解出強陽離子化學物質(zhì)H3O+,即

(1)

(2)

H3O+可借助電性引力,與黏土顆粒表面吸附的陽離子和極性水分子發(fā)生交換,并中和空位陰離子,破壞黏粒表面的雙電層結(jié)構(gòu),進而減弱由土壤孔隙吸力、表面張力和毛細管力引起的吸水作用,其作用機理見圖1.

圖1 F1破壞雙電層示意圖

1.2 強離子交換

土顆粒周圍電解質(zhì)溶液中的陽離子價數(shù)和水化度直接影響土壤膠體的ζ電位,高價陽離子可替換低價陽離子,較小水化半徑(或較大非水化半徑)陽離子具有更大的交換勢能,使得土顆粒表面的離子交換反應(yīng)與離子價位和水化半徑息息相關(guān)[15].

土體中常見陽離子水化半徑如表1所示.由表可知,H3O+的水化半徑遠小于其他陽離子,因此其可通過強離子交換作用,與土顆粒表面非水化半徑較大的陽離子和聯(lián)結(jié)較弱的極性水分子發(fā)生離子交換反應(yīng),改變黏土顆粒表面的離子類型和濃度,進而減薄雙電層厚度,降低ζ電勢,增大粒間吸引力,促進土顆粒聚集和凝結(jié)[2],使土體表現(xiàn)出相對惰性和穩(wěn)定性.

表1 土體中常見陽離子水化半徑

1.3 疏水作用

靜電引力作用下,黏土礦物可與極性水分子形成正常溫度和壓力無法消除的化學鍵.F1遇水時離解出滲透壓高、分子小、水化勢強的陽離子電荷分子,使化學鍵重新組合,進而破壞雙電層水膜結(jié)構(gòu),減小土顆粒間距和孔隙,使水分子更難進入土體.此外,F1離解的強陽離子電荷與磺化油鏈上氫鍵組成的“親水頭”,極易吸附于土粒表面,使C—C鍵組成的“疏水尾”向外背離土粒,包裹、連接土顆粒形成疏水油性層,阻隔黏土礦物與水的接觸,降低土體的水敏性[2,16],減小吸附水膜厚度和顆粒間距.

2 F1加固黃土室內(nèi)試驗

2.1 試驗材料

2.1.1 F1固化劑

F1為香港TerraSmart公司生產(chǎn)的一種無色或淡黃色有機聚合物.常溫下F1化學性質(zhì)穩(wěn)定,氣味濃烈,密度為1.35 g/cm3,其稀釋水溶液綠色環(huán)保,本文選用稀釋比為1∶200(體積比).

2.1.2 黃土物理參數(shù)

試驗用土為第四紀蘭州黃土,取土深度50～200 cm,粉粒和黏粒的質(zhì)量分數(shù)分別為75.6%、16.8%,屬粉質(zhì)黏土,基本物性參數(shù)見表2.

表2 土體基本物性參數(shù)

2.1.3 F1對黃土基本物理性質(zhì)的影響

由表2可知,加入F1后,黃土的塑限減小,液限和塑性指數(shù)增大,且最優(yōu)含水率和最大干密度隨F1摻量的增加,分別表現(xiàn)出先減小后增大和先增大后減小的變化規(guī)律,表明F1能使黃土的持水特性和擊實特性發(fā)生顯著變化.以F1摻量0.3 L/m3為例,其塑限和最優(yōu)含水率分別減小了2.65%和7.22%,液限和最大干密度分別增大了7.92%和9.83%.其原因是表征土壤持水能力的塑限、液限參數(shù),主要受土體孔隙率和比表面積等的影響[17].F1通過離子交換、破壞雙電層結(jié)構(gòu)和疏水作用,減小了土顆粒結(jié)合水膜厚度和顆粒間距[18],促進土顆粒絮凝團聚,使得F1固化黃土的孔隙率和比表面積減小,進而使土壤的塑限和最優(yōu)含水率減小,液限和密實度增大.

2.2 CBR試驗

CBR值反應(yīng)土體抗壓載能力,是評定路基填料潛在強度和穩(wěn)定性的主要指標.依據(jù)《公路土工試驗規(guī)程》[19],制備F1摻量分別為0、0.2、0.3、0.5、0.7 L/m3的5組試樣,每組試樣分浸水和未浸水2種條件,每種條件制備3個試樣,共計30個試樣.對不同F(xiàn)1摻量固化黃土的CBR值和水穩(wěn)性展開研究.

2.2.1 浸水條件下F1固化黃土CBR值分析

浸水4 d后,不同摻量F1固化黃土CBR值隨擊實次數(shù)的變化曲線如圖2所示.

圖2 F1固化黃土浸水CBR值隨擊實次數(shù)變化曲線

由圖2可知,在黃土中摻加F1后,其CBR值隨擊實次數(shù)的增加而顯著增大.當F1摻量分別為0.2、0.3、0.5、0.7 L/m3,擊實98次時,與天然黃土相比,其CBR值分別增大了3.03倍、3.97倍、3.49倍和3.37倍.其原因是F1通過離子交換和疏水作用,增強了土顆粒間的聯(lián)結(jié)強度和水穩(wěn)性,使其在壓實作用下形成密實度更大、承載力更強的層狀堆積結(jié)構(gòu),進而使固化土的CBR值大幅增大.

2.2.2 未浸水條件下F1固化黃土CBR值分析

未浸水條件下,不同摻量F1固化黃土的CBR值隨擊實次數(shù)的變化曲線如圖3所示.

圖3 F1固化黃土未浸水CBR值隨擊實次數(shù)變化曲線

由圖3可知,F1和擊實次數(shù)均能顯著增大固化黃土承載強度.擊實98次,F1摻量為0.2、0.3、0.5、0.7 L/m3時,固化黃土的CBR值分別為天然黃土的1.62倍、2.25倍、1.81倍、1.73倍,增強作用明顯.此外,在浸水和未浸水條件下,F1摻量為0.3 L/m3時固化黃土的CBR值最大,其為F1加固黃土的最佳摻量.其原因是F1摻量主要受土體黏粒含量和礦物成分影響,結(jié)合固化黃土最優(yōu)含水率和最大干密度隨F1摻量的變化規(guī)律可知,當F1摻量較小時,其加固作用未能充分發(fā)揮.當F1摻量較大時,F1離解出過多的強陽離子和磺化油,與土顆粒表面陽離子產(chǎn)生電荷斥力,使土顆粒間距增大,即在提高固化土水穩(wěn)性的同時,增大了最優(yōu)含水率,減小了最大干密度和壓實特性,進而使固化土CBR值小幅減小.

2.3 F1加固黃土無側(cè)限抗壓強度試驗

固化土的無側(cè)限抗壓強度與固化劑性質(zhì)密切相關(guān),反映了固化土的力學性能.依據(jù)規(guī)范[19],采用應(yīng)變控制式三軸儀,對天然黃土和4種不同F(xiàn)1摻量的固化黃土試樣開展無側(cè)限抗壓強度試驗.試樣尺寸為Φ39.1 mm×80 mm,采用靜壓法制樣,壓實度和含水率分別控制為95%、14%,試驗結(jié)果見圖4.

圖4 F1摻量與固化黃土無側(cè)限抗壓強度關(guān)系曲線

由圖4可知,天然黃土的無側(cè)限抗壓強度較小,隨著F1摻量的增加,固化黃土的無側(cè)限抗壓強度先快速增大,后緩慢減小.當齡期為14 d,F1摻量為0.2、0.3、0.5、0.7 L/m3時,固化黃土的無側(cè)限抗壓強度分別為天然黃土的1.27倍、1.43倍、1.32倍、1.28倍,可知F1能顯著提高黃土的無側(cè)限抗壓強度.此外計算可知,當F1摻量為0.2、0.3、0.5、0.7 L/m3時,對應(yīng)的1 d無側(cè)限抗壓強度分別為14 d的92.58%、92.09%、93.10%、94.37%,說明在黃土中摻加F1后,其無側(cè)限抗壓強度快速增大,齡期對其影響較小.

2.4 凍融循環(huán)對F1加固黃土抗剪強度的影響

抗凍融性能是評價固化土耐久性的重要指標.依據(jù)規(guī)范[19],設(shè)計凍融循環(huán)次數(shù)分別為0、5、10、15,對F1摻量為0.3 L/m3的固化黃土開展凍融循環(huán)試驗.一次凍融循環(huán)包括2個階段：凍結(jié)12 h和融化12 h.待凍融循環(huán)次數(shù)達到設(shè)計值后立即在應(yīng)變控制式三軸儀上開展三軸不固結(jié)不排水試驗,分析凍融循環(huán)對F1固化黃土力學強度的影響規(guī)律.對試驗得出的黏聚力和內(nèi)摩擦角,按下式分別計算不同凍融循環(huán)次數(shù)下F1固化黃土黏聚力和內(nèi)摩擦角的變化率[20]：

(3)

(4)

圖5 F1加固黃土抗剪強度參數(shù)與凍融循環(huán)次數(shù)的關(guān)系

3 F1加固黃土微觀結(jié)構(gòu)分析

3.1 F1固化黃土微觀結(jié)構(gòu)定性分析

對比固化前后土體的微觀結(jié)構(gòu),可直觀了解F1與黃土作用前后孔隙結(jié)構(gòu)的變化,也從微觀角度反映了固化土的宏觀強度.如圖6所示,利用IPP6.0微孔隙分析軟件,對天然黃土和0.3 L/m3

(a) 天然黃土

摻量的F1固化黃土的電鏡掃描照片進行處理,其中紅色和灰色分別代表孔隙和土骨架結(jié)構(gòu).

由圖6(a)可知,天然黃土中小孔隙發(fā)育,細碎顆粒以粒團堆疊結(jié)構(gòu)隨意排列,顆粒間多以點-面接觸形式擠壓拼接,形成復(fù)雜的架空孔隙結(jié)構(gòu).由圖6(b)可知,加入F1固化劑后,固化黃土單元體結(jié)構(gòu)上的膠結(jié)特征增強,土顆粒由細碎狀絮凝為片聚和團聚狀的大顆粒,結(jié)構(gòu)單元間以面-面接觸形式為主,從微觀結(jié)構(gòu)上反映出F1固化黃土顆粒間形成了排列緊密、絮凝團聚的層狀堆疊結(jié)構(gòu),說明F1通過離子交換作用,改變了土顆粒間的連接方式,增強了粒間連接強度,提高了土體的密實度和承載力.

3.2 F1固化黃土的微觀結(jié)構(gòu)定量分析

核磁共振技術(shù)(NMR)可依據(jù)磁化后1H質(zhì)子能量釋放速度與其數(shù)量成正比的關(guān)系,得到巖土體孔隙流體的弛豫時間T2分布特征,計算出孔隙水的儲存形態(tài)和占比,直觀反映土體中的孔隙尺寸[21-22].本文使用紐邁MacroMR12-150H-I型低場核磁共振儀(見圖7),對天然黃土和0.3 L/m3摻量的F1固化黃土的飽水試樣進行測試,分析F1加固前后黃土微觀孔隙的變化特征.

圖7 低場核磁共振儀

借鑒土顆粒孔隙分類方法[23],將由核磁共振試驗確定的土體微觀孔隙依據(jù)孔徑(d)大小劃分為4類：微孔隙(d<0.01 μm)、小孔隙(0.01 μm4 μm),如圖8所示,繪制土體孔徑分布曲線.

圖8 孔徑分布曲線

由圖8可知,F1加固前后土體的孔隙均以小孔隙和中等孔隙為主,大孔隙和微孔隙較少.摻加F1后,孔隙分布曲線的中間波峰峰值降低且向左移動,左右兩側(cè)的峰值輕微向左移動但高度基本保持不變,說明F1可大幅減少天然黃土中0.05～1.20 μm范圍內(nèi)的孔隙.此外,與天然黃土相比,中等孔隙和小孔隙分別從46.0%和21.5%減少至33.9%和15.8%,分別減少了26.3%和26.5%.其原因是F1固化劑可改變土顆粒間的接觸和排列方式,促進土顆粒團聚,使中等孔隙轉(zhuǎn)化為小孔隙,減小孔隙率,增大結(jié)構(gòu)致密性[21],進而增大土體無側(cè)限抗壓強度和抗剪強度.

3.3 F1固化黃土孔隙分布分維數(shù)分析

分形幾何理論可定量描述不規(guī)則、不均勻巖土顆粒體的孔隙分布規(guī)律.利用IPP6.0微孔隙分析軟件提取天然黃土、0.3 L/m3F1固化黃土的微觀孔隙等效面積和等效周長等參數(shù),依據(jù)下式計算土體孔隙單元體形態(tài)分布分維數(shù)：

(5)

式中,P、A分別為孔隙等效周長、等效面積；D為孔隙形態(tài)分布分形維數(shù)；C為常數(shù).繪制logP～logA雙對數(shù)圖[24],研究F1固化前后土體的微觀孔隙分形特征.

由圖9可知,天然黃土的微觀孔隙分布分維數(shù)為1.244,加入F1后,分維數(shù)減小為1.076.其原因是分維數(shù)的大小表征土體微觀孔隙的復(fù)雜程度,微觀孔隙越不規(guī)則,分維數(shù)越大[24].F1能大幅減小土體孔隙總數(shù)和總面積,形成排列緊密、結(jié)構(gòu)復(fù)雜程度較小的層狀堆疊結(jié)構(gòu),使土體微觀孔隙結(jié)構(gòu)分布分維數(shù)減小.

(a) 天然黃土

3.4 F1固化黃土XRD測試結(jié)果分析

為探究F1處理前后加固黃土中礦物成分的變化情況,將天然黃土、0.3 L/m3摻量的F1固化黃土試樣破碎、風干、研磨,并過0.075 mm篩,在MiniFlex600型X射線衍射儀上進行XRD測試.試驗結(jié)束后以XRD數(shù)據(jù)為基礎(chǔ),使用MDI Jade軟件分析礦物成分和礦物晶面間距[25],試驗結(jié)果如圖10和表3所示.

圖10 天然黃土、0.3 L/m3 F1固化黃土XRD測試圖

表3 土樣的礦物晶面間距

由圖10可知,F1加固前后試樣的主要礦物成分仍是石英、方解石、鈉長石、白云石、斜綠泥石和白云母粉,沒新物質(zhì)生成.提取入射角為20°、40°、60°時不同土體的礦物晶面間距,見表3.可知無論在低角還是高角區(qū)域,入射角相同時,F1固化黃土試樣的晶面間距均小于未加固試樣,從微觀角度說明F1可減小顆粒間距,提高土體密實度.

4 結(jié)論

1) F1固化劑可通過強陽離子交換作用,破壞黏土顆粒表面的雙電層結(jié)構(gòu),減薄結(jié)合水膜厚度,減小顆粒間距,促進土顆粒絮凝團聚.并借助磺化油的疏水性,減小土體塑限,增大液限、塑性指數(shù)和最大干密度,顯著改善土體的水敏性和擊實特性.

2) F1固化劑可顯著增大土體CBR值和無側(cè)限抗壓強度,有效抑制其浸水膨脹變形.試驗證明0.3 L/m3是其加固黃土的最佳摻量.當F1摻量為0.3 L/m3時,與天然黃土相比,浸水和未浸水CBR強度分別增大了3.97倍和2.25倍,無側(cè)限抗壓強度提高了1.43倍,凍融循環(huán)15次時仍可提高黃土的抗剪強度參數(shù).

3) F1減小了礦物晶面間距,改變了粒間接觸方式,將孔隙結(jié)構(gòu)分布分維數(shù)由1.244減小為1.076,大幅減小了土體孔隙總面積和總孔隙數(shù).并將黃土顆粒由細碎狀絮凝為片聚和團聚狀的大顆粒,增強密實度和承載力.F1具有成本低、節(jié)能環(huán)保、施工簡便快捷等傳統(tǒng)固化劑不具備的眾多優(yōu)點,在填土工程中有廣闊的應(yīng)用前景.