鹽溶液浸泡養護固化土的耐久性分析

任瑞平，劉世皎，樊恒輝，史 祥，賀智強

（1.楊凌職業技術學院 交通與測繪工程學院，陜西 楊凌712100；2.西北工業大學，陜西 西安710072；3.西北農林科技大學，陜西 楊凌712100）

土壤固化劑是一種能夠在常溫下加固土體的新型材料，其以節能環保、性能優異而備受人們的關注，已應用在建筑地基、路基、渠道工程以及水土保持等工程領域中。對土壤固化劑的研究主要集中于固化土的力學性能、變形性能，而在工程實踐中發現固化土的耐久性是其推廣應用的瓶頸。尤其在寒冷的北方地區，設計使用年限為20a的固化土工程往往經過5～8a就會破壞。目前，國外研究者［1－6］多是以干濕循環、凍融循環后試件抗壓強度的損失、質量的損失、變形量及表面的破壞程度來評估固化土的耐久性，也有研究同時考慮了其它的因素，如疲勞荷載等［7］。

在國內，多數關于固化土耐久性的研究只是考慮單方面的因素，一些研究只考慮凍融循環因素［8－10］，一些只考慮干濕循環因素［11－12］，還有一些只對固化土進行抗滲試驗［13－14］。在提高固化土耐久性方面，國內外均有許多嘗試，如添加纖維［15］、使用不同的壓實方法［16］、增加固化劑摻量或延長養護齡期［17］等。但目前固化土的耐久性問題仍沒有得到很好的解決。固化土形成強度的一系列反應都是在一定的環境下進行的，故固化土所處的環境對固化土的強度及耐久性的形成起決定性的作用。本研究基于這一思路提出用鹽溶液養護固化土，通過創造一個不同于傳統方式的養護環境，以期能夠提高固化土的耐久性，延長使用年限。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

試驗用土為陜西省楊凌示范區的黃土，取土深度為5～6m，其基本物理性質指標詳見表1。各物理性質均依據《土工試驗方法標準》［18］測定。試驗前將土料風干、碾散、過5mm篩。

表1 楊凌黃土的物理性質指標

試驗用水泥為冀東水泥股份有限公司生產的普通硅酸鹽水泥（P.O.42.5）。水泥添加量以每千克干土中加入的水泥質量計，試驗中水泥的摻量為0.08 kg／kg。浸泡養護所用鹽溶液有飽和石灰水，硅酸鈉、硫酸鈉和氫氧化鈉的混合溶液（下文稱“混合溶液”），混合溶液中硅酸鈉為0.4mol／L、氫氧化鈉為0.2 mol／L、硫酸鈉為0.04mol／L。

1.2 試驗方案

試驗中所用試塊的制作均為同一標準，均按摻水泥后擊實試驗所得最大干密度制作。將制好的試件分為4組，分別為混合溶液浸泡組、飽和石灰水浸泡組、水浸泡組和標準養護組。其中水浸泡組與標準養護組為對照組。每組進行5項試驗，分別是7和28d齡期無側限抗壓試驗、干濕循環試驗、凍融循環試驗及掃描電子顯微鏡（SEM）試驗。每項試驗做6次平行試驗。

1.3 試驗方法

1.3.1 試塊制備及養護 參照《公路工程無機結合料穩定材料試驗規程》［19］制塊。試塊為直徑（50mm）×高（50mm）的圓柱體，用千斤頂靜壓成型。養護分為標準養護與浸泡養護。標準養護是將試件在溫度（20±2）℃，相對濕度大于95%的養護條件下養護。浸泡養護是將試塊標準養護3d，然后浸入配制好的溶液里養護，溫度（20±2）℃。標準養護的試塊在齡期的最后1d將試件浸泡在水中，水面高出試件頂部約2.5cm。浸泡24h后，將試件從水中取出進行試驗，浸泡養護的試塊齡期結束后直接進行試驗。

1.3.2 無側限抗壓試驗 無側限抗壓強度試驗采用河南恒瑞金試驗機有限公司生產的WDW—100微機控制電子萬能試驗機測定。試驗參照《公路工程無機結合料穩定材料試驗規程》。

1.3.3 干濕循環試驗 將齡期為7d的試件分為兩組，一組繼續養護至28d；另一組在70℃的烘箱里烘24h，然后在水浴槽中放置24h，溫度設為（22±1）℃。此過程為一個干濕循環過程，即2d一個干濕循環。28d時正好10次干濕循環。對比標準養護和干濕循環后試件的抗壓強度。根據強度的變化評估固化土抗干濕循能力。

1.3.4 凍融循環試驗 將試件養護至28d齡期。然后將試件分為兩組，其中一組為對照組，進行無側限抗壓試驗，另外一組進行凍融循環試驗。一次凍融循環包括在－18℃下凍結16h，然后在（20±1）℃的融解水槽中融化8h，保證水面高出試塊2cm。凍融循環10次后進行無側限抗壓強度試驗。根據試塊的強度損失評估固化土的抗凍融循環能力。

1.3.5 微觀結構 采用型號J-5 800掃描電子顯微鏡（scanning electron microscope，SEM），對28d齡期固化土的微觀結構進行觀察。

2 結果分析

2.1 無側限抗壓強度試驗

7d養護齡期與28d養護齡期的無側限抗壓試驗結果詳見表2—3。由表2—3可以看出，兩種鹽溶液浸泡提高了固化土強度，提高最多的是28d齡期下的混合溶液養護，其與標準養護相比提高了70%，與水中養護相比提高了40%。在同一養護齡期下，混合溶液養護對強度的提高效果大于飽和石灰水養護。同一養護方式下，28d齡期強度提高的效果比7 d齡期的更明顯。如混合溶液養護7d后，強度比標準養護提高58%，而養護28d后強度提高70%。鹽溶液養護的強度比水中養護高，證明了鹽溶液中的化學物質對固化土強度的增長貢獻明顯。

表2 養護7d固化土無側限抗壓強度

2.2 干濕循環試驗

干濕循環后無側限抗壓強度的變化情況詳見表4。由表4可以看出，各養護方式下固化土試塊的強度經過10次干濕循環后均增高。干濕循環后混合溶液與飽和石灰水養護試塊的強度明顯比水中養護和標準養護試塊的強度高，如混合溶液養護試塊比標準養護試塊的強度高出41%。其原因在于混合溶液與飽和石灰水養護的環境有利于固化土內部生成更多的水化膠結物質。這些膠結物增大了土團粒間的黏聚力，使固化土可以更有效地抵抗干濕循環產生的內應力。膠結物質同時填充了團粒間的空隙使水分在干濕循環過程中不易進入固化土內部，從而有效地降低了固化土內部因干濕不均勻產生的內應力。

表3 養護28d固化土無側限抗壓強度

表4 干濕循環后土體強度變化

2.3 凍融循環試驗

2.3.1 無側限抗壓強度 經過10次凍融循環后固化土的抗壓強度變化情況詳見表5。由表5可以看出，凍融循環后混合溶液養護與飽和石灰水養護試驗土塊的強度損失均小于水中養護與標準養護的試驗土塊。且凍融循環后混合溶液與飽和石灰水養護試驗土塊的強度顯著大于水中養護與標準養護試驗土塊的強度。

凍融循環的破壞主要是由于顆粒間水分結冰膨脹而產生的凍脹應力造成的，這種凍脹應力破壞顆粒間的膠結，當膠結力小于凍脹應力固化土便被凍壞。而混合溶液養護與飽和石灰水養護使固化土內部生成更多膠結物質，這些膠結物質增加土團粒間的黏聚力，從而使固化土抵抗凍脹應力的能力增強。膠結物質同時填充了顆粒間空隙，使進入固化土內部的水分減少，產生的凍脹應力也隨之減小。

表5 凍融循環前后土體抗壓強度變化

2.3.2 凍融循環后試塊的外觀特征 圖1為各養護方式下的試塊經凍融循環后的外觀特征。由圖1可以看出，混合溶液與飽和石灰水養護試塊經凍融循環后表面仍然保存完整，邊角無破損現象。但是水中養護試塊表面凍壞明顯，并產生了較明顯裂縫。標準養護受凍破壞最嚴重。試塊凍融循環后外觀的情況與上述試塊強度的變化相一致，即強度損失越小試塊表面越完好，而強度損失越大試塊表面凍壞越嚴重。

圖1 凍融循環后各養護方式下的試塊

2.4 掃描電子顯微鏡（SEM）試驗

各養護方式下試塊的掃描電子顯微鏡圖片如圖2所示。從圖2可以看出，混合溶液養護試塊生成的水化物最多，纖維狀結晶向外延伸，產生分叉，且相互連接形成空間蜂窩狀結構，針狀結晶穿插于蜂窩狀結構中。

土顆粒完全被水化凝膠物質包裹，看不到土顆粒的形狀、輪廓；飽和石灰水中養護的試塊，其水化產物較多，呈團粒狀結構。團粒之間針狀結晶物較多，縱橫交錯，將團粒牢固粘結在一起形成了整體；水中養護的試樣以團粒結構為主，伴有小顆粒，間隙較明顯；標準養護試塊的內部，小顆粒多，大團粒少，間隙大。在顆粒、團粒表面雖有水化物生成，但由于生成的量少，不能有效地將土顆粒連接成整體。分析表明，鹽溶液養護使固化土生成更多更致密的凝膠體，進而降低了固化土的孔隙率，減少了固化土的大孔隙。由于固化土的強度、耐久性隨孔隙率降低、孔徑減小、膠結力增大而提高，因此從微觀結構角度出發，混合溶液養護與飽和石灰水養護可以提高固化土的強度與耐久性。

圖2 不同養護方式下固化土的SEM圖像

3 結論

（1）混合溶液養護與飽和石灰水養護均可提高固化土的強度、抗干濕循環以及抗凍融循環的耐久性。

（2）混合溶液養護對強度和耐久性的提高優于飽和石灰水養護。在實際工程中應綜合考慮各方面因素，使養護成本與效果最經濟。

（3）從微觀結構圖中可以看出，混合溶液與飽和石灰水養護使固化土生成了更多更致密的凝膠物質，增加了黏聚力，降低了孔隙率，減少了大孔隙。

（4）混合溶液與飽和石灰水養護對固化土的強度與耐久性的提高切實有效，有必要結合工程實踐做進一步的試驗研究。

［1］ Khattab S A A，Al-Juari K A K，Al-Kiki I M A.Strength，durability and hydraulic properties of clayey soil stabilized with lime and industrial waste lime［J］.Al-Rafidain Engineering，2008，16（1）：102-116.

［2］ Khoury N N，Zaman M M.Environmental effects on durability of aggregates stabilized with cementitious materials［J］.Journal of Materials in Civil Engineering，2007，19（1）：41-48.

［3］ Kamei T，Ahmed A，Shibi T.Effect of freeze-thaw cycles on durability and strength of very soft clay soil stabilised with recycled Bassanite［J］.Cold Regions Science and Technology，2012，82（10）：124-129.

［4］ Walker P J.Strength，durability and shrinkage characteristics of cement stabilised soil blocks［J］.Cement and Concrete Composites，1995，17（4）：301-310.

［5］ Bin-Shafique S，Rahman K，Yaykiran M，et al.The long-term performance of two fly ash stabilized finegrained soil subbases［J］.Resources，Conservation and Recycling，2010，54（10）：666-672.

［6］ Ahmed A，Ugai K.Environmental effects on durability of soil stabilized with recycled gypsum［J］.Cold Regions Science and Technology，2011，66（2）：84-92.

［7］ Sobhan K，Das B M.Durability of soil-cements against fatigue fracture［J］.Journal of Materials in Civil Engineering，2007，19（1）：26-32.

［8］ 賀行洋，陳益民，張文生.土的組成、結構與固化技術［J］.巖土工程技術，2003（3）：129-133.

［9］ 韓蘇建，郭敏霞，李寧.黃土地區渠道防滲固化劑初探［J］.水土保持通報，2005，25（2）：60-62.

［10］ 李圣君，哈圖，蘇躍宏，等.固化風沙土抗凍性能試驗研究［J］.低溫建筑技術，2012（8）：4-6.

［11］ 鄭軍，閻長虹，夏文俊，等.干濕循環對新型固化土承載強度影響的試驗研究［J］.巖石力學與工程學報，2009，28（S1）：3051-3056.

［12］ 周永祥，閻培渝.不同類型鹽漬土固化體的干縮與濕脹特性［J］.巖土工程學報，2007，29（11）：1653-1658.

［13］ 張麗萍，張興昌，孫強.SSA土壤固化劑對黃土擊實、抗剪及滲透特性的影響［J］.農業工程學報，2009，25（7）：1002-6819.

［14］ 張麗萍，張興昌，孫強.EN-1固化劑加固黃土的工程特性及其影響因素［J］.中國水土保持科學，2009，7（4）：60-65.

［15］ 周煒，婁宗科，譚明.纖維固化土抗滲性試驗研究［J］.水資源與水工程學報，2008，19（6）：96-98.

［16］ Kenai S，Bahar R，Benazzoug M.Experimental analysis of the effect of some compaction methods on mechanical properties and durability of cement stabilized soil［J］.Journal of Materials Science，2006，41（21）：6956-6964.

［17］ 張巨松，金亮，劉志鑫，等.硫鋁酸鹽基土壤固化劑性能試驗［J］.沈陽建筑大學學報：自然科學版，2012，28（1）：116-122.

［18］ 中華人民共和國水利部.GB／T50123—1999土工試驗方法標準［S］.北京：中國計劃出版社，1999.

［19］ 交通部公路科學研究院.JTG／E51—2009公路工程無機結合料穩定材料試驗規程［S］.北京：人民交通出版社，2009.