丙烯酸鎂/鈣復(fù)合溶液固化黃土性能的研究

摘 """""要： 由于天然黃土具有易崩解、易侵蝕、抗水性能差、多具濕陷性等問題，無法滿足施工要求。因此，對黃土進行改性，使天然素黃土達到施工標(biāo)準(zhǔn)。由于丙烯酸鹽類溶液在進行固化的過程中會產(chǎn)生一系列的化學(xué)反應(yīng)，從而形成不溶性的聚合物高分子化合物凝膠體，所以選擇丙烯酸鎂/鈣混合溶液（簡稱丙烯酸鹽混合溶液）作為黃土改性的固化劑。研究了不同比例丙烯酸鹽混合溶液的制備、固化物的性能測試、丙烯酸鹽混合溶液的比例對黃土固化物的吸水率和靜水崩解的影響、黃土固化物的無側(cè)限抗壓強度測試、養(yǎng)護齡期對抗壓強度的影響。實驗結(jié)果表明：天然素黃土經(jīng)丙烯酸鹽混合溶液固化之后的耐水性和抗壓強度得到了明顯的改善，并且比例越大固化效果越好，耐水性越好；同時，在丙烯酸鹽混合溶液比例為4∶1時，無側(cè)限抗壓強度達到最大；在養(yǎng)護齡期60 d時抗壓強度達到最大。

關(guān) "鍵 "詞：黃土；固化劑；丙烯酸鹽混合溶液

中圖分類號：TU443 """"""""文獻標(biāo)志碼： A """"文章編號： 1004-0935（2024）07-1000-05

土體固化材料作為一種新型的化學(xué)材料，用來改善土體物理力學(xué)性質(zhì)，滿足工程技術(shù)要求。根據(jù)物質(zhì)組成特點，土的固化材料可分為無機固化劑、離子型固化劑、復(fù)合固化劑。

無機固化劑屬于常規(guī)固化材料范疇，這種固化劑以水泥為主，還包括石灰、粉煤灰等。其中，水泥加固土體，國外已有近60年歷史。在實際生活中，水泥已經(jīng)得到了廣泛使用。離子型固化劑是由幾種強離子復(fù)合而成的化學(xué)物質(zhì)，通常是液體。復(fù)合型固化劑就是利用2種或2種以上的化學(xué)物質(zhì)，按照一定的配比進行復(fù)配而成，形成了新的固化材料，提高土體物理力學(xué)性質(zhì)。其中，有機高分子材料固化劑為高分子合成制備固化材料，這種固化劑利用高分子鏈作用，使其強度得到提高。高分子材料固化土最突出的特點就是固化材料摻量小，固化后具有很高的強度，耐水性能優(yōu)異，我國對高分子固化土體研究較少且不夠系統(tǒng)。

本文采用丙烯酸（AA）、氧化鎂（MgO）、氧化鈣（CaO）經(jīng)中和反應(yīng)制得不同比例的丙烯酸鎂/鈣混合溶液（簡稱丙烯酸鹽混合溶液），經(jīng)氧化還原體系制備出具有一定強度、黏性與彈性的丙烯酸鹽凝膠體，進而對黃土按照一定的比例進行固化，探討丙烯酸混合鹽溶液的固化時間及其固化物對pH的敏感性、丙烯酸鹽混合溶液固化黃土的靜水崩解實驗、丙烯酸鹽混合溶液比例對固化黃土吸水率和無側(cè)限抗壓強度的影響。

1 "實驗部分

1.1主要原材料

主要原材料見表1。

研究所用黃土為低液限黃土，其粒度分析技術(shù)指標(biāo)如表2所示，力學(xué)性能指標(biāo)如表3所示。

1.2丙烯酸鹽溶液制備

根據(jù)中和反應(yīng)原理，將氧化鈣、氧化鎂分別溶于水，再加入丙烯酸發(fā)生中和反應(yīng)，制得丙烯酸鈣和丙烯酸鎂溶液。反應(yīng)方程式如下：

1.3 "丙烯酸鹽溶液的制備

分別制備30%丙烯酸鎂和丙烯酸鈣溶液，按照1∶1、2∶1、3∶1、4∶1、5∶1進行混合，獲得丙烯酸鎂/鈣復(fù)合鹽溶液。

丙烯酸鎂漿液的配制：向安裝攪拌槳、溫度計三口燒瓶內(nèi)添加氧化鎂粉末61.05"g和水533.90 g，打開攪拌器后氧化鎂遇水無明顯放熱，所以在 ""30 ℃左右的情況下，就可以用恒壓滴液漏斗滴丙烯酸（AA）211.90 g。

丙烯酸鈣漿液的配制：向安裝攪拌槳、溫度計三口燒瓶內(nèi)添加氧化鈣粉末77.81"g和水536.24"g，把攪拌器打開，這時氧化鈣遇水會發(fā)熱，溫度會顯著上升到50 ℃左右，需要在降溫到30 ℃左右的時用恒壓滴液漏斗滴加丙烯酸（AA）211.90 g。將所得丙烯酸鎂、丙烯酸鈣溶液混合，得復(fù)合鹽溶液。

1.4""丙烯酸鹽溶液的固化

實驗室準(zhǔn)備A、B組分：A、B組分主劑采用體積比為1∶1的設(shè)計，A組分由主劑（30%丙烯酸鹽單體溶液）、交聯(lián)劑、還原劑、填料組成；B組分由主劑（30%丙烯酸鹽單體溶液）、氧化劑組成；將A組分和B組分混合，攪拌均勻，固化。

1.5""固化黃土試樣的制作

將黃土裝入直徑40 mm、高80 mm的圓柱形模具內(nèi)，裝上黃土以后，把準(zhǔn)備好的5種不同配比的溶液，分別慢慢地倒在已灌滿黃土的模具里，使得溶液完全滲透進入黃土顆粒之間，當(dāng)溶液略微滲出黃土表面時，即可抹平試樣表面，并在其表面包裹一層保鮮膜進行養(yǎng)護，到達養(yǎng)護齡期后拆下保鮮膜，取出樣品，測試其性能。

使用直徑40 mm、高80 mm模具制作，將試樣置于室內(nèi)風(fēng)干，直至14 d為止。試樣置于水中，水面要高于試樣表面，觀察崩解特征，記錄各時段崩解特性。將做好的試樣置于養(yǎng)護箱內(nèi)養(yǎng)護。

1.6""性能測試

1.6.1""丙烯酸鹽混合溶液的固化時間

在丙烯酸鹽混合溶液中按比例添加氧化劑、還原劑進行混合后開始計時，發(fā)生自由基聚合反應(yīng)使得漿液逐漸喪失流動性并具有一定強度后停止計時，即為漿液初凝時間。

1.6.2""丙烯酸鹽固化物對pH的敏感性

將室溫狀態(tài)下的凝膠分別置于pH為7、9、11的溶液中，放置7"d測其質(zhì)量，直至試樣溶脹平衡后停止測量。溶脹度按公式（1）進行計算。

SR＝W_t－W_d/W_dchchechencheng×100％（1）

式中：W_t—溶脹后某時刻凝膠的質(zhì)量，g；

W_d—完全干燥狀態(tài)下凝膠質(zhì)量，g。

1.6.3""丙烯酸鹽黃土固化物吸水率和靜水崩解實驗

將配制好的5種不同比例固化黃土試樣養(yǎng)護箱養(yǎng)護到14 d時，取下稱重，置于清水中，放置"""""1～5 d后取下試樣，擦干表面水分稱重。

將配制的5種不同比例黃土固化物放入養(yǎng)護箱養(yǎng)護到7 d。將試樣置于水中，水面要高出試樣表面3～5 cm，觀察試樣崩解特征并記錄在不同時間內(nèi)崩解特性。

1.6.4""丙烯酸鹽黃土固化物無側(cè)限抗壓強度測試

當(dāng)試樣達到測試所需齡期時，取試樣置于無側(cè)限壓力機中，以約0.4 MPa·min^-1加載速度均勻地給試樣施壓，直至樣品損壞，對實驗數(shù)據(jù)進行記錄。

2 nbsp;結(jié)果討論與分析

2.1 "丙烯酸鹽混合溶液的比例對固化時間的影響

為了研究不同比例的丙烯酸鹽混合溶液對固化時間的影響，按5種比例制備的混合鹽溶液，取每種比例溶液25"g，采用過硫酸銨-三乙醇胺體系進行固化研究，其中過硫酸銨、三乙醇胺質(zhì)量分別為20%和5%，固化時間如圖1所示。

由圖1可以看出，隨著丙烯酸鹽混合溶液中丙烯酸鎂含量的增多固化時間逐漸縮短。在金屬活動順序表中，Mg的金屬活動性要弱于Ca，也就是說Ca離子越多反應(yīng)越迅速，但實驗結(jié)果顯示丙烯酸鈣含量越少反應(yīng)速度越快。由此分析，在本次實驗中丙烯酸鎂溶液呈堿性，丙烯酸鈣漿液呈弱酸性，丙烯酸鈣會與氧化還原體系中的過硫酸銨（弱堿性）發(fā)生中和反應(yīng)從而消耗部分氧化還原體系而導(dǎo)致丙烯酸鹽溶液的固化時間與實際情況不符?；旌消}溶液中丙烯酸鎂漿液的含量越高，溶液的pH就越大，由此判斷，過硫酸銨-三乙醇胺體系在堿性條件下更容易發(fā)生反應(yīng)。

2.2 "丙烯酸鹽混合溶液固化物對pH的敏感性

由于在實際的生活當(dāng)中，堿性環(huán)境占大多數(shù)，施工條件不一樣，使用環(huán)境不一樣，pH均不同，丙烯酸鹽固化物所顯示出來的水穩(wěn)性能在各種情況下是有一定區(qū)別的，所以將丙烯酸鹽固化物放置在不同pH的環(huán)境下，測試不同pH條件下凝膠體吸水率（敏感性指標(biāo)），結(jié)果見圖2。

2.3 "丙烯酸鹽混合溶液的比例對靜水崩解的影響

本實驗主要研究丙烯酸鹽混合溶液的比例對黃土固化效果的影響，結(jié)果如表2所示。

由表2可以看出。將不加任何助劑的素黃土試樣完全浸沒于靜水中，試樣在30"min內(nèi)完全崩解；養(yǎng)護至齡期為28"d的5種比例丙烯酸混合鹽溶液的固化黃土的試樣浸水初期冒出少量氣泡，30"min后試樣基本無變化，連續(xù)浸泡7、28 d后試樣仍保持完整。

素黃土在浸水后30"min就完全崩解了，而使用丙烯酸鹽混合溶液固化的黃土試樣浸水較長時間后沒有發(fā)生崩解現(xiàn)象，且隨著丙烯酸鹽混合溶液比例的升高，耐水效果越好。黃土浸水之后強度有所下降，但是仍然能夠保持良好的結(jié)構(gòu)形態(tài)穩(wěn)定，這是由于氫鍵作用及難溶凝膠網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的影響，它和黃土互相連接成一體，使土體內(nèi)部結(jié)構(gòu)強化，水穩(wěn)定性能提高，其空間結(jié)構(gòu)如圖3所示，表明丙烯酸鹽混合液凝固后黃土耐水性顯著提高。

2.4 "丙烯酸鹽混合溶液的比例對黃土固化物吸水率的影響

由于黃土的天然特性，遇水易崩解，土體內(nèi)部孔隙較多且分布不均勻，吸水后土體自重變大，當(dāng)吸水量達到一定程度時易發(fā)生山體滑坡等自然災(zāi)害。所以對固化后黃土進行吸水率的研究是很有必要的。將5種丙烯酸鹽黃土固化物置于水中，連續(xù)5"d稱量試樣浸水后質(zhì)量。

由表3可以得出，固化黃土試樣第1 d吸水率較高，盡管吸水率隨齡期增加而增大，但增幅逐漸降低并趨平緩。黃土試樣吸水率隨丙烯酸鹽混合溶液配比提高而提高。這是因為丙烯酸鹽體系親水基團含量越高，則解離出陰離子數(shù)量就越多，離子之間靜電排斥程度也就越高，并最終使之凝膠體網(wǎng)絡(luò)膨脹程度也就越強，凝膠體吸水率也就越高。丙烯酸鎂的添加使凝膠體網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)變大，進而使凝膠溶脹度提高，吸水率也就隨之提高。

隨著吸水率的增加改性黃土的強度隨之降低，丙烯酸鹽混合溶液比例越高，隨著吸水率的增大，強度的下降速率逐漸減小，這說明隨著丙烯酸鹽混合溶液比例的增加，增強了固化黃土的憎水性。這是由于丙烯酸鹽聚合成不溶于水的網(wǎng)狀高分子凝膠體，土顆粒就被強度高、有塑性的鏈包圍，形成一個空間網(wǎng)，這一結(jié)構(gòu)可提高土顆粒間連接強度，使土體具有較高強度和變形率，同時改性黃土中的有害孔的減少，并且有機網(wǎng)狀高分子凝膠體具有憎水作用，可減少水的滲出和滲入，有利于土的固化。

2.5 "丙烯酸鹽混合溶液比例對固化黃土的無側(cè)限抗壓強度的影響

采用丙烯酸鹽進行土固化時，丙烯酸鹽混合溶液與引發(fā)劑一起加入土中，在土中進行聚合反應(yīng)，經(jīng)過鏈的引發(fā)增長等過程，使液狀丙烯酸鹽聚合成不溶于水的網(wǎng)狀高分子凝膠體，土顆粒就被強度高、有塑性的鏈包圍，這一結(jié)構(gòu)可提高土顆粒間連結(jié)強度，使土體具有較高強度和變形率，表現(xiàn)為無側(cè)限抗壓強度、抗剪和抗折強度提高。另外，有機網(wǎng)狀高分子凝膠體具有憎水作用，可減少水的滲出和滲入，有利于土的固化。無側(cè)限抗壓強度測試結(jié)果如圖4所示。

由圖4可知，混合鹽溶液固化黃土無側(cè)限抗壓強度隨著丙烯酸鎂含量的增加而逐漸增大，當(dāng)丙烯酸鎂與丙烯酸鈣比例為4∶1時其無側(cè)限抗壓強度達到最大，而當(dāng)丙烯酸鎂與丙烯酸鈣比例為5∶1時，有較大的下降。當(dāng)丙烯酸鹽混合溶液比例為5∶1時固化黃土無側(cè)限抗壓強度理應(yīng)繼續(xù)增長，但通過觀察內(nèi)部固化情況分析，其下降原因是丙烯酸鹽混合溶液發(fā)生自由基聚合反應(yīng)速度過快，在氧化還原體系的種類和用量不變的情況下，丙烯酸鎂含量越多，丙烯酸鹽混合溶液的固化時間越短，混合鹽溶液還未完全滲透黃土之間的空隙就已發(fā)生固化，部分黃土還處于素黃土的狀態(tài)，導(dǎo)致整體無側(cè)限抗壓強度降低。

2.6 "養(yǎng)護齡期對固化黃土無側(cè)限抗壓強度的影響

為研究養(yǎng)護齡期對黃土固化物的影響，分別在7、14、28、45、60 d測試固化劑比例為3∶1的黃土固化物的無側(cè)限抗壓強度，結(jié)果如圖5所示。

由圖5可以看出，固化劑對土樣的加固效果明顯，能有效提高抗壓強度。隨著齡期的增長，抗壓強度的增長幅度逐漸減小。60 d時的強度達到最大，基本可以認(rèn)為是黃土固化物的最終強度，45 d的抗壓強度可以達到最大強度的90%以上。因此，對于時間緊迫的實際工程，可以選擇養(yǎng)護45 d，這對于加快施工進度、提高經(jīng)濟效益具有現(xiàn)實意義。

3 "結(jié) 論

1）丙烯酸鹽溶液隨著丙烯酸鎂含量的提高，固化時間逐漸變短；凝膠體吸水率隨丙烯酸鎂含量升高而逐漸增大，最終趨于平衡。

2）經(jīng)丙烯酸鹽混合溶液固化后的黃土耐水性得到明顯改善，且固化后的黃土吸水率隨丙烯酸鎂含量的升高而增大，但增長幅度逐漸減小趨于平衡；當(dāng)丙烯酸鹽混合溶液比例為4∶1（丙烯酸鎂/鈣）時其無側(cè)限抗壓強度達到最大；隨著養(yǎng)護齡期的增長，黃土固化物的無側(cè)限抗壓強度逐漸增加，約在45"d時強度達到最大。

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Study on Solidification Property"of Loess with

Magnesium and Calcium Acrylate Composite Solution

CONG"Yulong

（College of Materials Science and Engineering， Shenyang Jianzhu University， Shenyang Liaoning 110168， China）

Abstract：""Because natural loess is easy to collapse， easy to erosion， poor water resistance， collapsibility and other problems， it cannot meet the requirements of construction. Therefore， the loess is modified to make the natural loess reach the construction standard."Because the acrylate solution will produce a series of chemical reactions in the process of curing， thus forming insoluble polymer gel， the magnesium/calcium acrylate mixed solution （hereinafter referred to as acrylate mixed solution） is selected as the curing agent for loess modification. In"this paper，"the preparation of acrylate mixed solution with different proportions， the performance test of the cured product， the influence of the proportion of acrylate mixed solution on the water absorption and hydrostatic disintegration of loess cured product， the unconfined compressive strength test of loess cured product and the influence of curing age on the compressive strength were studied. The experimental results showed that the water resistance and compressive strength of natural loess were obviously improved after curing with acrylic salt mixture solution， and the higher the proportion， the better the curing effect and water resistance. At the same time， the unconfined compressive strength reached"the maximum when the ratio of acrylic salt solution was"4∶1. The maximum compressive strength was"reached at 60 d"curing.

Key words：""Loess; Curing agent; Acrylates mixture