TG固化劑水泥石灰穩(wěn)定土強(qiáng)度及微觀結(jié)構(gòu)和固化機(jī)理的分析

楊 林，匡以壽

(東北林業(yè)大學(xué) 土木工程學(xué)院，哈爾濱 150040)

我國傳統(tǒng)的公路路面基層多采用石灰穩(wěn)定類材料、水泥穩(wěn)定類材料以及石灰粉煤灰穩(wěn)定類材料等[1-3]，這些傳統(tǒng)的材料大都為天然材料，需要進(jìn)行大量的生產(chǎn)和開采，這不僅浪費(fèi)資源和能源，還破壞植被和生態(tài)環(huán)境。在平原地區(qū)，常規(guī)的筑路材料嚴(yán)重匱乏，均需外購，材料的外購及遠(yuǎn)距離

運(yùn)輸，直接導(dǎo)致了工程造價(jià)的高居不下，嚴(yán)重制約了當(dāng)?shù)毓返慕ㄔO(shè)發(fā)展。在長期的土壤固化過程中，人們逐漸意識(shí)到采用傳統(tǒng)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(shè)發(fā)展的需要[4]。鑒于此，國內(nèi)外專家研發(fā)了一系列新型土質(zhì)固化劑[5-6]。新型土質(zhì)固化劑加固土不僅具有較高的強(qiáng)度，同時(shí)也具有較強(qiáng)的水穩(wěn)定性和抗凍性。新型土質(zhì)固化劑的應(yīng)用對(duì)解決上述問題起到了很好的效果，它最大的特點(diǎn)就是可以就地取材，方便施工，解決了缺砂少石等常規(guī)建筑材料地區(qū)公路建設(shè)周期長、造價(jià)高等問題，節(jié)約了資源和能源。

本文對(duì)TG固化劑、水泥、石灰穩(wěn)定土的強(qiáng)度進(jìn)行了正交試驗(yàn)分析，并對(duì)配合比進(jìn)行了優(yōu)化，得到了最優(yōu)配合比。同時(shí)對(duì)最優(yōu)配合比方案進(jìn)行了微觀結(jié)構(gòu)的觀察，并分析了其固化機(jī)理。

1 原材料性質(zhì)

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

表1 土顆粒的通過率

表2 土的工程性質(zhì)

石灰化學(xué)成分：試驗(yàn)采用的石灰是玉泉生產(chǎn)的鈣質(zhì)消石灰，依據(jù)《公路工程無機(jī)結(jié)合料穩(wěn)定材料試驗(yàn)規(guī)程》(JTG E51-2009)，測(cè)定其有效鈣鎂含量為61.4％，為二級(jí)消石灰。

水泥主要技術(shù)指標(biāo)：試驗(yàn)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(yàn)規(guī)程》(JTG E3O一2005)的規(guī)定，對(duì)試驗(yàn)所用水泥的主要技術(shù)指標(biāo)進(jìn)行了測(cè)定，結(jié)果見表3。

表3 水泥的主要技術(shù)指標(biāo)

TG液體土質(zhì)固化劑：TG液體土質(zhì)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(jī)高分子物質(zhì)，pH值小于1.0，密度為1.3～1.35 g/cm3。使用時(shí)需要將TG液體土質(zhì)固化劑濃縮液稀釋，釋比例為1∶100。

2 正交試驗(yàn)及分析

2.1 正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)

影響因素的確定：在試驗(yàn)當(dāng)中，采用的是TG液體土質(zhì)固化劑、水泥和石灰三種固化材料的復(fù)合穩(wěn)定土，穩(wěn)定土的強(qiáng)度、微觀結(jié)構(gòu)及其膠結(jié)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(jìn)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(jīng)濟(jì)的基礎(chǔ)上并根據(jù)相關(guān)的一些工程經(jīng)驗(yàn)確定的。TG液體土質(zhì)固化劑：根據(jù)固化劑價(jià)格，及其生產(chǎn)單位提供的土質(zhì)固化劑摻配劑量的經(jīng)濟(jì)有效范圍，確定其劑量為0.015％、0.02％和0.025％；石灰：根據(jù)相關(guān)工程的使用經(jīng)驗(yàn)，確定其劑量為2％、4％、6％；水泥：根據(jù)相關(guān)工程的使用經(jīng)驗(yàn)及其價(jià)格，確定其劑量為0％、2％、4％。見表4。

表4 正交試驗(yàn)因素水平表

故選用L9(34)正交表，其中C列為誤差試驗(yàn)列(即空列)。

2.2 正交試驗(yàn)結(jié)果及其分析

根據(jù)正交因素水平表即可得到正交試驗(yàn)方案，見表5，得到正交試驗(yàn)方案后，根據(jù)正交試驗(yàn)方案的安排，對(duì)穩(wěn)定土進(jìn)行擊實(shí)和7 d無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)，確定各種配比的最大干密度、最佳含水率和7 d的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度，結(jié)果見表6，并對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行極差和方差分析，結(jié)果見表7和表8。

表5 正交試驗(yàn)方案

表6 正交試驗(yàn)結(jié)果

表7 正交試驗(yàn)檢差分析

表8 正交試驗(yàn)結(jié)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(wěn)定土7 d無側(cè)限抗壓強(qiáng)度的顯著性因素，可靠度達(dá)到95％，其中，對(duì)強(qiáng)度影響的主次順序依次為：D(水泥)→A(TG固化劑)→B(石灰)。

3 穩(wěn)定土配合比的優(yōu)化

從正交試驗(yàn)的分析中可以看出，當(dāng)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(shí)，穩(wěn)定土的7d無側(cè)限抗壓強(qiáng)度達(dá)到最大。但其造價(jià)過高，不夠經(jīng)濟(jì)。在保證穩(wěn)定土強(qiáng)度的基礎(chǔ)上，本著盡量降低工程造價(jià)的原則，對(duì)各方面因素進(jìn)行綜合分析、對(duì)比，最終擬定TG固化劑∶石灰∶水泥為0.02％∶4％∶4％為最優(yōu)配比。

對(duì)擬定的最優(yōu)配比方案進(jìn)行擊實(shí)和無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)，以檢驗(yàn)其路用性能。試驗(yàn)結(jié)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(cè)限抗壓強(qiáng)度為2.23 MPa，滿足強(qiáng)度要求。

4 最優(yōu)配比方案微觀結(jié)構(gòu)及固化機(jī)理分析

確定最優(yōu)配比后，按照最優(yōu)配比方案進(jìn)行制件并養(yǎng)生，然后通過掃描電鏡觀察其微觀結(jié)構(gòu)并分析其固化機(jī)理。

石灰對(duì)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(huì)大幅度增加，由于Ca2+離子具有很強(qiáng)的置換能力，因此Ca2+離子會(huì)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(qiáng)的連結(jié)[7-8]。另一方面石灰與土礦物發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，生成新的物質(zhì)，并形成一定的網(wǎng)絡(luò)骨架結(jié)構(gòu)，這對(duì)土的水穩(wěn)定性有較好的強(qiáng)化作用。但是石灰與土之間的化學(xué)反應(yīng)較為單一的，連接力不強(qiáng)，形成的網(wǎng)絡(luò)骨架結(jié)構(gòu)易受到外界環(huán)境的破壞。

水泥對(duì)土礦物的固化作用：水泥加入到土中后，與土中水分接觸，發(fā)生水化反應(yīng)，水泥的水化產(chǎn)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(fā)生交換作用，使土顆粒改性和團(tuán)?；?，而且由于水泥水化物產(chǎn)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(huì)產(chǎn)生很大的表面能，具有強(qiáng)烈的吸附作用，使已經(jīng)較大的水泥土團(tuán)粒進(jìn)一步的結(jié)合，形成更大的土團(tuán)粒結(jié)構(gòu)，起到網(wǎng)絡(luò)骨架作用，從而改善土的穩(wěn)定性，提高土的強(qiáng)度和耐久性[9-10]。

TG固化劑對(duì)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(huì)產(chǎn)生強(qiáng)大的離子作用，使溶液呈高導(dǎo)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(jìn)行強(qiáng)烈的交換作用[11]，并破壞土壤顆粒表面的雙電層結(jié)構(gòu)，減弱土壤顆粒表面與水的化學(xué)作用力，并且從根本上改變土壤顆粒的表面性質(zhì)，使其趨于憎水性，從而釋放出束縛在吸附層和擴(kuò)散層內(nèi)的結(jié)合水，使其轉(zhuǎn)化為自由水排出，使土易于壓實(shí)，形成結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的整體板塊，改良土壤的物理、力學(xué)性能。

當(dāng)3種固化材料同時(shí)加入到土中時(shí)，3種固化材料與土發(fā)生作用，并且三者之間相互作用、相互促進(jìn)，形成致密的、穩(wěn)定的、高強(qiáng)度的、耐久的、膠凝狀的結(jié)構(gòu)，從而改善土的物理、力學(xué)性能，提高土的強(qiáng)度。如圖1所示。

圖1 TG固化水泥石灰劑穩(wěn)定土微觀結(jié)構(gòu)

當(dāng)只加入石灰和水泥而不加TG固化劑時(shí)，石灰、水泥與土發(fā)生作用，二者之間也相互作用，形成團(tuán)狀骨架大顆粒結(jié)構(gòu)，有一定的強(qiáng)度和穩(wěn)定性，但結(jié)構(gòu)不夠致密，不能形成膠凝狀結(jié)構(gòu)。如圖2所示。

圖2 水泥石灰穩(wěn)定土微觀結(jié)構(gòu)

5 結(jié) 論

通過對(duì)TG固化劑水泥、石灰穩(wěn)定土的綜合分析，得到以下結(jié)論。

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

(2)在保證強(qiáng)度并考慮經(jīng)濟(jì)的前提下，穩(wěn)定土的最優(yōu)配比為TG固化劑∶石灰∶水泥為0.02％∶4％∶4％。

(3)最優(yōu)配比下的穩(wěn)定土不僅滿足路用性能要求，同時(shí)能夠降低工程造價(jià)，節(jié)約資源。

(4)從穩(wěn)定土的微觀結(jié)構(gòu)及固化機(jī)理的分析、對(duì)比中可以看出，同時(shí)加入3種固化材料到土中時(shí)，土體的固化效果比較好，能夠形成致密、穩(wěn)定、高強(qiáng)的膠凝結(jié)構(gòu)，從整體上改善了土體的物理、力學(xué)性能；只加入水泥和石灰時(shí)，雖然能夠形成團(tuán)狀骨架大顆粒，有一定強(qiáng)度和穩(wěn)定性，但結(jié)構(gòu)不夠致密，不能形成膠凝狀結(jié)構(gòu)。

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