丙烯酸酯共聚乳液固化鹽漬土的耐久性試驗(yàn)

朱 燕,余湘娟,陳佳佳

(1.河海大學(xué)巖土工程研究所,南京 210098;2.南通職業(yè)大學(xué)建筑工程學(xué)院,江蘇 南通 226007;3.江蘇南通六建建設(shè)集團(tuán)有限公司,江蘇 南通,226599)

鹽漬土主要包括鹽土、堿土和各種鹽化土、堿化土,具有溶陷、腐蝕、鹽脹等工程特性,廣泛分布于全球各地．近年,學(xué)者們[1-3]利用石灰、水泥、粉煤灰、礦渣等材料對(duì)鹽漬土地基進(jìn)行固化改良,得出了固化鹽漬土的抗壓強(qiáng)度[4]、抗剪強(qiáng)度[5-6]、抗凍性[7-8]等物理力學(xué)性能的變化規(guī)律．如趙慶新等[9]研究發(fā)現(xiàn)水泥-磨細(xì)礦渣復(fù)合固化劑對(duì)鹽漬土的固化效果明顯優(yōu)于單摻水泥或磨細(xì)礦渣;周永祥等[10]利用自主研制的土壤固化劑固化硫酸鹽-氯鹽鹽漬土,發(fā)現(xiàn)不同凍融條件下試件的破壞模式不同,固化劑摻量對(duì)固化鹽漬土的抗凍性能具有影響;丁永發(fā)等[11]研究了不同水泥、粉煤灰、硅灰及脫硫石膏摻量對(duì)固化鹽漬土無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度的影響．以上研究主要集中在內(nèi)陸硫酸鹽漬土及沖積平原碳酸鹽漬土,少有針對(duì)濱海地區(qū)氯鹽漬土的試驗(yàn)研究和工程實(shí)踐．濱海鹽漬土中因含有一定量的氯化鈉,在沿海地區(qū)的高地下水位和細(xì)顆粒土的毛細(xì)作用下,易于吸水軟化,會(huì)發(fā)生路基因鹽類結(jié)晶體積膨脹而開(kāi)裂、地基遇水溶陷、建筑材料受鹽類腐蝕等現(xiàn)象．本文擬采用自主研制的丙烯酸酯共聚乳液(記為ZM)作為固化材料,對(duì)固化的氯鹽漬土耐久性及微觀特性進(jìn)行試驗(yàn)研究,以期為高分子材料固化鹽漬土的工程應(yīng)用提供技術(shù)支撐．

1 試驗(yàn)概況

1.1 試驗(yàn)用土

試驗(yàn)用土取自江蘇省南通市某快速路施工現(xiàn)場(chǎng),取土深度為地下2 m．土樣顆粒分布曲線如圖1所示．試樣的最大干密度為1.56 g·cm-3,最優(yōu)含水率為18.3%,屬于低液限黏土(CL),非鹽漬土[12]．

為獲取中鹽漬土(含鹽量3%)的固化改良性能,試驗(yàn)采用人工配制氯鹽漬土．將土樣過(guò)2 mm標(biāo)準(zhǔn)篩,按一定含水率配制好后在室溫下密封靜置24 h,再根據(jù)氯鹽漬土不同含鹽量稱取所需NaCl,將其倒入土中攪拌均勻,室溫下密封存放7 d,使土樣中的NaCl均勻分布并與土體充分交換吸附．然后加入漫過(guò)土體的足量蒸餾水,放置48 h,使土樣和NaCl繼續(xù)交換吸附．最后將土樣自然風(fēng)干,碾碎過(guò)2 mm篩后得到人工配制鹽漬土[13]．

圖1 土樣顆粒分析曲線Fig.1 Grain analysis curve of soil sample

1.2 固化材料

采用自主研制的丙烯酸酯共聚乳液ZM(專利授權(quán)號(hào)ZL201810986971.6)作為固化材料,其具體性能參數(shù)為:pH值為6～7,黏度為218～650 mPa·s,密度為1.05～1.06 g·cm-3,固含量為27%～30%,凝膠率為1.16%～1.40%,為乳白色液體．

1.3 試驗(yàn)方法

按《土工試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T50123—2019)采用靜壓法制備ZM質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為0.0%,0.3%,0.6%,0.9%,1.2%和1.5%的人工配置鹽漬土(分別記為ZM0,ZM0.3,ZM0.6,ZM0.9,ZM1.2和ZM1.5),試樣直徑39.1 mm,高80 mm,每組3個(gè)平行樣,以其平均值作為試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析．將試樣放入溫度為19～23 ℃,濕度為100%的養(yǎng)護(hù)箱中分別養(yǎng)護(hù)7 d和28 d．然后將試樣浸泡于水中24 h,測(cè)試試樣浸水前后的強(qiáng)度變化,以評(píng)價(jià)固化鹽漬土的水穩(wěn)性,即在水的作用下保持自身穩(wěn)定性的能力．

干濕循環(huán)試驗(yàn)可評(píng)價(jià)固化土抵抗外界反復(fù)干濕循環(huán)交替作用下的耐久性能．本試驗(yàn)參照《固體廢物潤(rùn)濕和干燥試驗(yàn)的標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)方法》(ASTM D4843-88)和《壓實(shí)的摻土水泥混淆物的潤(rùn)濕與干燥的試驗(yàn)方法》(ASTM D559-03)中干濕循環(huán)試驗(yàn)方法,模擬自然氣候條件,將標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)7 d 和28 d的試樣在室溫下浸水12 h,然后在溫度為20～25 ℃,濕度為40%～60%條件下風(fēng)干12 h,以此為一次干濕循環(huán),檢測(cè)試樣在不同干濕循環(huán)次數(shù)下的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度．

水穩(wěn)性試驗(yàn)及干濕循環(huán)試驗(yàn)采用南京寧曦土壤儀器有限公司生產(chǎn)的YYW-2型應(yīng)變控制式無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度儀，抗壓強(qiáng)度儀升降板速率為2.4 mm·min-1。掃描電鏡試驗(yàn)采用日本日立公司的S-4800冷場(chǎng)發(fā)射式掃描電鏡。壓汞試驗(yàn)采用美國(guó)麥克默瑞提克(上海)儀器有限公司生產(chǎn)的AutoPore 9500型壓汞儀。

2 結(jié)果與分析

2.1 水穩(wěn)性試驗(yàn)

經(jīng)標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)28 d后的部分試樣浸水24 h后的形貌見(jiàn)圖2．由圖2可見(jiàn),對(duì)于齡期28 d的土樣,浸水24 h后,素鹽漬土ZM0完全坍塌,水穩(wěn)定性極差,無(wú)法測(cè)試其無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度;ZM0.9土樣表面有明顯剝落現(xiàn)象;ZM1.5土樣基本保持試樣完整性,說(shuō)明ZM的摻入在一定程度上提高了鹽漬土的水穩(wěn)性能．

圖2 ZM不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)試樣浸泡后的形貌Fig.2 Morphology of samples containing different mass fractions of ZM after immersion

對(duì)土樣浸水前后的強(qiáng)度進(jìn)行測(cè)試,計(jì)算不同齡期ZM固化鹽漬土的水穩(wěn)系數(shù)Kw=qw/q0×100%,強(qiáng)度損失Dt=(q0-qw)/q0×100%,其中q0和qw分別表示試樣浸水前后的強(qiáng)度．

水穩(wěn)性試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表1．如表1所示,浸水后不同固化時(shí)間、不同ZM質(zhì)量分?jǐn)?shù)的固化鹽漬土的強(qiáng)度均有不同程度下降．素鹽漬土試件ZM0在浸泡24 h后完全斷裂,無(wú)法測(cè)試無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度．ZM1.5養(yǎng)護(hù)7 d和28 d后的強(qiáng)度分別從1.56和1.93 MPa下降至0.97和1.57 MPa,強(qiáng)度損失Dt分別為37.82%和18.65%．固化鹽漬土樣的Kw值隨著ZM固化劑的增加而增加．此外,固化鹽漬土的Kw值也隨齡期的增加而增加,養(yǎng)護(hù)28 d的土樣Kw值保持在80.0%左右．與素鹽漬土相比,ZM的加入顯著增加了固化鹽漬土的水穩(wěn)定性．

表1 水穩(wěn)性試驗(yàn)結(jié)果Tab.1 Water stability test results

2.2 干濕循環(huán)試驗(yàn)

圖3為養(yǎng)護(hù)28 d后不同鹽漬土試樣經(jīng)一次干濕循環(huán)后的照片．圖3顯示,素鹽漬土表面土顆粒剝離嚴(yán)重,試樣發(fā)生斷裂;ZM0.9固化鹽漬土樣沒(méi)有發(fā)生破裂,但表面被嚴(yán)重侵蝕,凹凸不平;ZM1.5固化鹽漬土樣整體完整性較好,表面較平整,只有少量土粒剝落．

圖3 不同試樣經(jīng)一次干濕循環(huán)后的形貌Fig.3 Pictures of different samples after one dry-wet cycle

為評(píng)價(jià)土樣的抗干濕循環(huán)能力,計(jì)算不同土樣的強(qiáng)度損失Gn=(qu-qd)/qu×100%,其中qu和qd分別表示試樣進(jìn)行干濕循環(huán)前后的強(qiáng)度．表2為不同土樣經(jīng)一次干濕循環(huán)后的強(qiáng)度變化．素鹽漬土ZM0在干濕循環(huán)之后發(fā)生斷裂,無(wú)法測(cè)試抗壓強(qiáng)度．表2顯示,養(yǎng)護(hù)7 d和28 d的ZM1.5土樣在干濕循環(huán)后強(qiáng)度損失分別為42.95%和18.65%,固化鹽漬土的Gn值隨著ZM質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加而降低,且隨著養(yǎng)護(hù)齡期的增加而降低,養(yǎng)護(hù)齡期7 d的Gn明顯高于28 d的固化鹽漬土樣．以上結(jié)果表明ZM的摻入提高了鹽漬土的抗干濕循環(huán)性能．

表2 干濕循環(huán)試驗(yàn)結(jié)果Tab.2 Results of dry-wet cycle test

3 固化機(jī)理研究

3.1 鹽漬土微觀形貌

圖4為28 d齡期的不同土樣掃描電鏡照片．由圖4可見(jiàn),素鹽漬土ZM0結(jié)構(gòu)中的孔隙較多、分散且不連續(xù),土顆粒棱角分明、表面光滑,顆粒之間連接較少;當(dāng)鹽漬土中摻雜ZM后,土體中雖然仍存在孔隙,但顆粒表面被膠結(jié)物質(zhì)填充包裹,細(xì)顆粒之間相互連接．且ZM1.2和ZM1.5固化鹽漬土的微觀結(jié)構(gòu)更為致密,顆粒間膠結(jié)物質(zhì)的填充和包裹效果更加明顯,細(xì)小顆粒連結(jié)成較大的團(tuán)聚體．

左圖:50倍;中圖:500倍;右圖:5 000倍圖4 養(yǎng)護(hù)28 d的不同土樣掃描電鏡照片F(xiàn)ig.4 SEM photos of different saline soil after 28 d curing

3.2 壓汞試驗(yàn)結(jié)果

3.2.1 孔徑分布曲線

圖5 ZM質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)累積進(jìn)汞量的影響Fig.5 Effect of ZM mass fraction on cumulative mercury input

圖6 ZM質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)孔隙分布密度的影響Fig.6 Effect of ZM mass fraction on pore distribution density

3.2.2 孔隙大小分布特征

圖7 ZM質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)孔徑占比的影響Fig.7 Effect of ZM content on the aperture ratio

3.3 機(jī)理分析

ZM固化劑是一種水穩(wěn)性較強(qiáng)的高分子,其聚合物鏈上的親水基團(tuán)—COOH和—OH可與土顆粒形成氫鍵或進(jìn)行陽(yáng)離子交換,使固化劑緊密吸附于土顆粒表面,而主鏈上的C—C鍵則通過(guò)包裹、纏繞等作用填充顆粒之間的孔隙,在土顆粒表面形成穩(wěn)定的膜結(jié)構(gòu)．ZM固化土樣浸水后其內(nèi)部發(fā)生膨脹,但膜結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度可以使土樣保持穩(wěn)定．而素鹽漬土體表面沒(méi)有穩(wěn)定的膜結(jié)構(gòu),浸水后受水土作用的影響而逐漸分散,繼而發(fā)生崩解．ZM的聚合度和分子量較大,故較少的摻量就能提高固化土體的水穩(wěn)性和抗干濕循環(huán)性．在相同齡期下,固化土樣的水穩(wěn)性和抗干濕循環(huán)性隨著ZM摻量的增大而增強(qiáng)．