TG固化劑水泥石灰穩定土強度及微觀結構和固化機理的分析

楊 林，匡以壽

(東北林業大學 土木工程學院，哈爾濱 150040)

我國傳統的公路路面基層多采用石灰穩定類材料、水泥穩定類材料以及石灰粉煤灰穩定類材料等[1-3]，這些傳統的材料大都為天然材料，需要進行大量的生產和開采，這不僅浪費資源和能源，還破壞植被和生態環境。在平原地區，常規的筑路材料嚴重匱乏，均需外購，材料的外購及遠距離

運輸，直接導致了工程造價的高居不下，嚴重制約了當地公路的建設發展。在長期的土壤固化過程中，人們逐漸意識到采用傳統的石灰、水泥、粉煤灰等土壤固化材料，存在著明顯不足，滿足不了工程建設發展的需要[4]。鑒于此，國內外專家研發了一系列新型土質固化劑[5-6]。新型土質固化劑加固土不僅具有較高的強度，同時也具有較強的水穩定性和抗凍性。新型土質固化劑的應用對解決上述問題起到了很好的效果，它最大的特點就是可以就地取材，方便施工，解決了缺砂少石等常規建筑材料地區公路建設周期長、造價高等問題，節約了資源和能源。

本文對TG固化劑、水泥、石灰穩定土的強度進行了正交試驗分析，并對配合比進行了優化，得到了最優配合比。同時對最優配合比方案進行了微觀結構的觀察，并分析了其固化機理。

1 原材料性質

土的工程性質：試驗所用土樣取自建虎高速，其土顆粒通過率及工程性質見表1和表2。

表1 土顆粒的通過率

表2 土的工程性質

石灰化學成分：試驗采用的石灰是玉泉生產的鈣質消石灰，依據《公路工程無機結合料穩定材料試驗規程》(JTG E51-2009)，測定其有效鈣鎂含量為61.4％，為二級消石灰。

水泥主要技術指標：試驗采用的水泥為42.5普通硅酸鹽水泥，按照《公路工程水泥及水泥混凝土試驗規程》(JTG E3O一2005)的規定，對試驗所用水泥的主要技術指標進行了測定，結果見表3。

表3 水泥的主要技術指標

TG液體土質固化劑：TG液體土質固化劑是我國自主研制的一種新型固化劑，是一種呈深褐色、易溶于水的有機高分子物質，pH值小于1.0，密度為1.3～1.35 g/cm3。使用時需要將TG液體土質固化劑濃縮液稀釋，釋比例為1∶100。

2 正交試驗及分析

2.1 正交試驗設計

影響因素的確定：在試驗當中，采用的是TG液體土質固化劑、水泥和石灰三種固化材料的復合穩定土，穩定土的強度、微觀結構及其膠結固化主要是三種固化材料的作用，因此，將三種固化材料作為影響因素進行考察。

因素水平的確定：各種固化材料的因素水平是在考慮經濟的基礎上并根據相關的一些工程經驗確定的。TG液體土質固化劑：根據固化劑價格，及其生產單位提供的土質固化劑摻配劑量的經濟有效范圍，確定其劑量為0.015％、0.02％和0.025％；石灰：根據相關工程的使用經驗，確定其劑量為2％、4％、6％；水泥：根據相關工程的使用經驗及其價格，確定其劑量為0％、2％、4％。見表4。

表4 正交試驗因素水平表

故選用L9(34)正交表，其中C列為誤差試驗列(即空列)。

2.2 正交試驗結果及其分析

根據正交因素水平表即可得到正交試驗方案，見表5，得到正交試驗方案后，根據正交試驗方案的安排，對穩定土進行擊實和7 d無側限抗壓強度試驗，確定各種配比的最大干密度、最佳含水率和7 d的無側限抗壓強度，結果見表6，并對試驗結果進行極差和方差分析，結果見表7和表8。

表5 正交試驗方案

表6 正交試驗結果

表7 正交試驗檢差分析

表8 正交試驗結果

從極差、方差分析中可以看出，TG固化劑、石灰和水泥均是影響穩定土7 d無側限抗壓強度的顯著性因素，可靠度達到95％，其中，對強度影響的主次順序依次為：D(水泥)→A(TG固化劑)→B(石灰)。

3 穩定土配合比的優化

從正交試驗的分析中可以看出，當TG固化劑、石灰、水泥3種固化材料的用量分別為0.025％、6％、4％時，穩定土的7d無側限抗壓強度達到最大。但其造價過高，不夠經濟。在保證穩定土強度的基礎上，本著盡量降低工程造價的原則，對各方面因素進行綜合分析、對比，最終擬定TG固化劑∶石灰∶水泥為0.02％∶4％∶4％為最優配比。

對擬定的最優配比方案進行擊實和無側限抗壓強度試驗，以檢驗其路用性能。試驗結果如下：最大干密度為1.91 g/cm3，最佳含水率為11.9％，7 d無側限抗壓強度為2.23 MPa，滿足強度要求。

4 最優配比方案微觀結構及固化機理分析

確定最優配比后，按照最優配比方案進行制件并養生，然后通過掃描電鏡觀察其微觀結構并分析其固化機理。

石灰對土礦物固化作用：石灰加入到土顆粒中后，土孔隙溶液中Ca2+離子濃度會大幅度增加，由于Ca2+離子具有很強的置換能力，因此Ca2+離子會置換出土顆粒表面吸附的水合Na+離子，此置換過程可以降低土顆粒水膜的厚度，有利于土顆粒之間形成較強的連結[7-8]。另一方面石灰與土礦物發生化學反應，生成新的物質，并形成一定的網絡骨架結構，這對土的水穩定性有較好的強化作用。但是石灰與土之間的化學反應較為單一的，連接力不強，形成的網絡骨架結構易受到外界環境的破壞。

水泥對土礦物的固化作用：水泥加入到土中后，與土中水分接觸，發生水化反應，水泥的水化產物主要有C-S-H、C-A-H凝膠和C-H板狀晶體等，這些水化物能夠迅速溶于水。水化物中的Ca2+離子與土顆粒表面吸附的陽離子發生交換作用，使土顆粒改性和團?；?，而且由于水泥水化物產生的凝膠粒子的比表面積比原來水泥顆粒的比表面積大得多，因而會產生很大的表面能，具有強烈的吸附作用，使已經較大的水泥土團粒進一步的結合，形成更大的土團粒結構，起到網絡骨架作用，從而改善土的穩定性，提高土的強度和耐久性[9-10]。

TG固化劑對土礦物的固化作用：TG固化劑屬于電離子溶液類固化劑，加水稀釋后，會產生強大的離子作用，使溶液呈高導電性，與土壤混合后，將與土壤顆粒表面吸附的活性陽離子進行強烈的交換作用[11]，并破壞土壤顆粒表面的雙電層結構，減弱土壤顆粒表面與水的化學作用力，并且從根本上改變土壤顆粒的表面性質，使其趨于憎水性，從而釋放出束縛在吸附層和擴散層內的結合水，使其轉化為自由水排出，使土易于壓實，形成結構穩定的整體板塊，改良土壤的物理、力學性能。

當3種固化材料同時加入到土中時，3種固化材料與土發生作用，并且三者之間相互作用、相互促進，形成致密的、穩定的、高強度的、耐久的、膠凝狀的結構，從而改善土的物理、力學性能，提高土的強度。如圖1所示。

圖1 TG固化水泥石灰劑穩定土微觀結構

當只加入石灰和水泥而不加TG固化劑時，石灰、水泥與土發生作用，二者之間也相互作用，形成團狀骨架大顆粒結構，有一定的強度和穩定性，但結構不夠致密，不能形成膠凝狀結構。如圖2所示。

圖2 水泥石灰穩定土微觀結構

5 結 論

通過對TG固化劑水泥、石灰穩定土的綜合分析，得到以下結論。

(1)TG固化劑、石灰和水泥均是影響穩定土7 d無側限抗壓強度的顯著性因素，可靠度達到95％。

(2)在保證強度并考慮經濟的前提下，穩定土的最優配比為TG固化劑∶石灰∶水泥為0.02％∶4％∶4％。

(3)最優配比下的穩定土不僅滿足路用性能要求，同時能夠降低工程造價，節約資源。

(4)從穩定土的微觀結構及固化機理的分析、對比中可以看出，同時加入3種固化材料到土中時，土體的固化效果比較好，能夠形成致密、穩定、高強的膠凝結構，從整體上改善了土體的物理、力學性能；只加入水泥和石灰時，雖然能夠形成團狀骨架大顆粒，有一定強度和穩定性，但結構不夠致密，不能形成膠凝狀結構。

【參 考 文 獻】

[1]張懷偉，宋云詳.水泥穩定類基層強度確定的研究[J].中國新技術新產品，2009(16)：54-55.

[2]彭 煜，田 俊.水泥、粉煤灰穩定砂礫類基層的質量控制[J].河南科技，2011(13)：80-81.

[3]侯民強.石灰粉煤灰穩定碎石基層強度機理及影響因素[J].交通世界，2012(17)：126-127.

[4]趙永巧.淺談土壤固化劑的發展與固話機理研究[J].水利科技與經濟，2005，11(10)：620-622.

[5]Mitchell J K.Soil improvement：state of the art report [A].Proc.of 10th ICSMFE[C]，1981，4：533-538.

[6]萬百千，路新瀛.用固硫渣作土壤固化劑的可行性研究[J].粉煤灰綜合利用，2002(3)：21-22.

[7]李 琴，孫可偉，徐 彬，等.土壤固化劑固化機理研究進展及應用[J].材料導報，2011，25(5)：64-67.

[8]錢國飛.石灰土路基強度形成機理[J].上海公路，2002，(3)：14-16.

[9]柳俊哲.土木工程材料[M].北京：科學出版社，2005.

[10]馬培賢.夯實水泥土的固化機理及微觀結構分析[J].探礦工程，2005(增刊)：65-68.

[11]任永強.筑路工程用土壤固化劑的研究進展[J].甘肅科技，2006，22(8)：185-188.

[12]何東坡，王森嶺，姚天宇.中路1號土壤固化劑在道路工程中的應用[J].森林工程，2007，23(5)：37-39.