環氧樹脂-水泥復合改良加固膨脹土試驗研究

王 建 立1，張 家 銘，米 敏，周 峙，羅 易，袁 超

(1.安徽省交通控股集團有限公司，安徽 合肥 230088； 2.中國地質大學(武漢) 工程學院，湖北 武漢 430074)

1 研究背景

膨脹土是一種具有多裂隙、強脹縮、反復變形特點的特殊性巖土，廣泛分布于世界各地。利用膨脹土進行工程建設時，膨脹土地基容易受季節和濕度周期性變化影響，出現反復脹縮行為，從而誘發各類地質災害[1]。為了消除膨脹土脹縮引起的不利影響，工程中通常采用添加不同材料的穩定因子對膨脹土進行改良加固，以改善其工程性能。目前對膨脹土改良的方法主要可分為物理改良法和化學改良法。李廣信等將纖維摻入膨脹土中并通過室內試驗研究了纖維對膨脹土強度的影響規律[2-6]；楊俊等研究了風化砂改良膨脹土的作用機理，揭示了風化砂與膨脹土發生的物理化學反應過程，得到風化砂摻量與膨脹土脹縮特性及強度特性之間的關系[7]；孫樹林和Rashidian等分別將廢棄輪胎膠粉和廢棄玻璃中提取出來的玻纖粉摻入到膨脹土中，研究改良后膨脹土內摩擦角和凝聚力等抗剪強度指標的變化規律，總結出膨脹土改良后抗剪強度變化特征[8-9]。周葆春等將石灰、粉煤灰、水泥等摻入到膨脹土中，通過發生化學反應如離子交換作用、水化凝硬反應等生成新的物質，從而降低膨脹土的活性，達到抑制脹縮變形的目的[10-11]。也有學者用堿渣粉、鋼渣粉、硅粉等工業副產品對膨脹土進行改良，研究其改良原理，并對可行性和改良效果進行了探討[12-14]。隨著化學領域的發展，科研人員不斷研發出新的改性劑來對膨脹土等特殊性巖土進行改良，如劉清秉等采用自主研發的一種離子型固化劑溶液(Ionic Soil Stabilizer，簡稱ISS)對膨脹土進行改良，發現一定配比濃度的ISS可顯著降低土樣的膨脹性指標，并對其改良機制進行了深入分析[15-17]；王保田等采用CTMAB對天然膨脹土進行了化學改良試驗研究，結果表明改良后的膨脹土塑性和膨脹性顯著降低，水穩定性明顯提高[18]。

但也有研究表明，單純添加穩定因子雖然可以改善膨脹土的脹縮性能，但改良后的土體仍然是一種多孔隙松散介質，土顆粒膠結差，力學性能并沒有顯著改善。因此，一些非傳統化學加固方法也逐步應用于巖土工程試驗研究，Anagnostopoulos和Al-Khanbashi等將樹脂、聚合物、膠體等高聚物添加至水泥土內，增加混合土體結構的膠結性，在很大程度上提高了土體的凝聚力和內摩擦角[19-21]。由于環氧樹脂固化后有優異的粘結性能，變形收縮率小、抗水性強、硬度高、韌性好、對酸堿及大部分溶劑穩定，Anagnostopoulos和Issa等已經將其用于混凝土結構維修、裂縫修復及軟基處理[21-22]，但在膨脹土改良加固處理中報道并不多見。

表1 土樣基本性質

基于上述觀點，本文采用環氧樹脂、水泥對膨脹土進行復合改良加固，通過對不同配比的改良試樣進行力學性能測試和微觀結構分析，得到較優的添加劑配比，并嘗試建立改良后膨脹土微觀結構與宏觀性能之間的關系。

2 試驗材料

2.1 試驗用土

試驗采用的土樣取自安徽省沿江地區高速公路某邊坡2.0～2.5 m深度處(圖1左)，按照相關規范要求開展室內土工試驗，土樣基本物理力學性質見表1，粒度成分見表2，膨脹性指標見表3。

表2 土樣粒度成分Tab.2 Granularity ingredients of expansive soil %

表3 土樣膨脹性指標

2.2 試驗用水泥

試驗采用普通硅酸鹽水泥(圖1右)，其主要成分指標見表4。

2.3 試驗用環氧樹脂乳液

環氧樹脂一般由兩種組分組成，即環氧樹脂基材與固化劑(見圖2)。試驗選用E44低分子聚酰胺水性環氧樹脂基材(以下用A表示)，固化劑采用聚酰胺650(以下用B表示)，本次試驗在制樣過程中將組分A和B按照2∶1的比例進行混合。

圖1 試驗用土樣和水泥Fig.1 Soil and cement

%

試驗過程中為了改善樹脂與加固劑的流動性，便于攪拌均勻，在攪拌過程中添加與兩者不反應的活性稀釋劑。環氧樹脂和固化劑的主要性能指標見表5～6。

圖2 環氧樹脂和固化劑Fig.2 Epoxy resin and hardener

外觀環氧值(mol/100g)有機氯值(mol/100g)無機氯值(mol/100g)主要用途淺黃色透明液體0.41～0.47≤0.02≤0.001粘接、密封、浸漬、層壓

表6 固化劑性能指標Tab.6 Performance index of hardener

3 試驗方案與試樣制備

已有研究表明，聚合物改性黏性土存在一個最優聚灰比(“聚”指環氧樹脂和固化劑按比例混合而成的聚合物乳液，“灰”指試驗土樣)，即改性后試樣最大無側限抗壓強度所對應的配比。本次試驗首先確定最優聚灰比，在此配比下，添加不同摻量的水泥。對膨脹土開展了復合改良加固試驗研究。具體制樣過程如下所述。

(1) 制樣1。將組分A和B按照2∶1的比例進行混合，置于電動攪拌機中攪拌5 min使其均勻(見圖3a)。將攪拌均勻的聚合物乳液按不同配比(0.2，0.4，0.6，0.8)分別添加到烘干的試驗土樣中，置于攪拌機中攪拌均勻。每種配比稱取相同質量的混合土樣分3次灌入尺寸為Φ5 cm×10 cm的圓柱形鋼模中，每次灌入后用壓實器均勻壓實(見圖3b)。靜置48 h進行脫模，將成型的樣品用塑料薄膜密封，在室溫下水中養護28 d(見圖3c)。對試樣進行無側限抗壓強度試驗，在其破壞后的剪切面進行取樣用于SEM掃面電鏡測試，確定最優的聚合物摻比。

圖3 制樣及養護Fig.3 Sample preparation and curing

(2) 制樣2。將干燥的水泥分別按0，5%，10%，20%，30%五種配比(占膨脹土樣的比例)添加到試驗土樣中，摻入20%(占試驗土樣和水泥總量的配比)的水量并攪拌均勻后入模、脫模、養護(28 d)，隨后進行力學性質和微觀結構測試。

(3) 制樣3。按照制樣1確定的最優聚合物摻比將一定量的聚合物乳液添加到制樣2干燥的混合土樣中，并置于攪拌機中攪拌均勻。同樣，對樣品進行相關性能測試分析。

力學試驗在INSTRON微機控制巖石伺服三軸壓力試驗機上完成，SEM電鏡掃描所用儀器為EDAX環境掃描電子顯微鏡。

4 試驗結果與分析

4.1 無側限抗壓強度試驗分析

與Anagnostopoulos等研究成果類似，試驗結果顯示環氧樹脂與固化劑的聚合反應是混合試樣強度的主要控制因素[21,23-25]。圖4試驗結果顯示：試樣的強度隨著聚灰比增大而增加。當聚灰比較低時(0.2，0.4)，強度較低，最高僅為3.51 MPa，結合Asano和Horpibulsuk等人研究成果，推測這是由于樹脂與膨脹土顆粒漿體的流動性較差，攪拌過程中會帶入大量的空氣，導致試樣的孔隙度大，結構松散，抗壓強度較低[26-27]。當聚灰比為0.6，0.8時，環氧樹脂與膨脹土顆粒攪拌更加均勻，環氧樹脂本身與固化劑產生交聯反應形成一種網狀聚合物膜結構，將膨脹土顆粒包裹形成致密的膠結體，導致試樣的強度增加顯著，這也與Anagnostopoulos和Ohama等人研究成果一致[21,28]。但是當聚灰比超過0.6后，強度基本趨于穩定，且可以看出環氧樹脂加固樣的無側限抗壓強度最高可達25 MPa左右。為了降低樹脂添加劑成本，本文選取0.6為最優聚灰比，在此基礎上摻加水泥進一步復合改良，以期達到更優的效果。

圖4 環氧樹脂加固樣應力-應變曲線Fig.4 Stress-strain curves of the samples stabilized with epoxy resin

圖5和圖6分別為添加水泥加固和添加環氧樹脂-水泥復合加固的膨脹土應力應變曲線。如圖5所示，單純添加水泥加固的試樣脆性大，破壞應變基本都不超過2%。另外，隨著水泥含量的增加，試樣的無側限抗壓強度呈上升趨勢。如圖6所示，添加環氧樹脂和水泥復合加固試樣的無側限抗壓強度和破壞應變都有大幅度提高，其中，無側限抗壓強度最小值已達到25 MPa以上，相當于低標號混凝土的強度，但其相應的破壞應變卻比混凝土要大得多。另外，復合加固樣的干密度在1.026～1.362 g/cm3之間，相當于普通混凝土(1.8 g/cm3)的40%，而濕密度(1.6 g/cm3)約為混凝土的65%。因此，在強度和低標號混凝土相當甚至更優的同時，復合加固樣有密度更小、延展性更好的優點。所以，從強度和經濟方面綜合考慮，本文所研究的改善加固處理方法具有一定的合理性。

圖7反映了不同水泥摻比下添加和不添加環氧樹脂改良加固膨脹土后的無側限抗壓強度和彈性模量變化趨勢。可以看出，水泥加固樣中，試樣的抗壓強度隨著水泥摻量的增加而增大。在環氧樹脂-水泥復合加固土樣中，所有加固樣的抗壓強度都已超過25 MPa，其中，水泥摻比為10%的復合加固樣其抗壓強度達到了40 MPa，遠高于低標號混凝土的強度。因此，也可稱其為“黏土混凝土”。另外，在水泥加固樣中，水泥摻比為5%，10%，20%，30%的加固樣抗壓強度相對于素土樣(水泥摻比為0)分別增加了2.17，7.93，8.86，12.6倍，水泥摻比為10%的加固樣強度為水泥摻比為5%加固樣的3.65倍，而當水泥摻比增加到20%，30%時，其強度較摻比為10%的加固樣只增加了11.7%和58.8%，增幅不大。而將環氧樹脂添加到水泥加固樣中，水泥摻比為0，5%，10%，20%，30%的加固樣無側限抗壓強度分別增加了257.91，157.39，49.25，31.05，21.19倍。因此，環氧樹脂的添加是提高加固樣強度的關鍵。另外，在復合加固樣中，隨著水泥配比的增加(5%，10%，20%，30%)，其強度較單純用環氧樹脂加固樣(水泥配比為0%)的強度分別增加了1.32，1.51，1.07，1.03倍。因此，從強度方面考慮，在水泥加固樣中，10%是一個較優的水泥配比。

圖5 水泥加固樣應力-應變曲線Fig.5 Stress-strain curves of the samples stabilized with cement

從圖7還可以看出樣品的彈性模量和水泥摻比的關系：水泥加固樣中，隨著水泥配比增加，加固樣的彈性模量隨之增大，推測是因為水泥發生水化、凝硬反應所致。將環氧樹脂添加到水泥加固樣中后，除水泥摻量為30%外，復合加固樣的彈性模量都有顯著提高。同樣的水泥摻比下，將環氧樹脂添加到水泥穩定樣中后，水泥摻比為0，5%，10%，20%，30%的加固樣彈性模量分別增加了389.94，20.46，12.86，3.94和0.75倍。而在環氧樹脂-水泥復合加固樣中，隨著水泥配比由0上升到5%，10%，20%，30%，試樣的彈性模量分別增加了2.05，2.57，0.89，0.25倍。因此，在環氧樹脂-水泥復合加固樣中，隨著水泥配比的增加，樣品的彈性模量呈先增加后減小的趨勢。當水泥摻比超過10%后，試樣的彈性模量下降顯著，甚至低于純環氧樹脂加固樣的彈性模量。分析其原因，認為當水泥摻比在較低范圍(0～10%)時，水泥的水化、凝硬反應和聚合物乳液的聚合反應同時進行，其水化產物和聚合產物共同承擔外部荷載，形成較大的前期剛度，而當水泥摻比超過10%，強烈的水化反應抑制了聚合反應的進行，導致后者反應不充分。因此，10%為一個較優的水泥配比，在此配比下，水化反應和聚合反應均充分進行，加固樣的彈性模量和前期剛度達到最大。

圖6 復合加固樣應力-應變曲線Fig.6 Stress-strain curves of the samples stabilized with cement and epoxy resin

圖7 加固樣無側限抗壓強度和彈性模量Fig.7 UCS and elastic modulus results in the samples stabilized using cement and epoxy resin

圖8反映了加固樣破壞應變隨水泥摻比變化的趨勢。如圖所示，試驗土樣具有較高的延展性，素土樣的破壞應變也已達到了10%，但是由于比表面積較大，親水性較強，塑性指數較高，其素土樣抗壓強度很低。可以看出，隨著水泥的添加，試樣的破壞應變明顯降低。其中，水泥摻比為5%和30%的破壞應變較素土樣分別降低了87.17%和89.97%，而摻比為10%和20%的破壞應變降低相對較少，分別為83.7%和84.33%。環氧樹脂添加到水泥加固樣中明顯使得加固樣的破壞應變有了明顯的提高，水泥摻比為0，5%，10%，20%，30%的復合加固樣其破壞應變分別增加至25.83%，26.85%，29.187%，27.48%，28.89%。因此，環氧樹脂-水泥復合加固膨脹土樣的延展性有明顯改善。

圖8 加固樣破壞應變柱狀圖Fig.8 Failure strain results in the samples stabilized by cement and epoxy resin

綜合無側限抗壓強度、彈性模量及破壞應變3種力學參數考慮，認為環氧樹脂-水泥復合加固膨脹土中水泥最優配比為10%。

4.2 SEM掃描電鏡測試分析

取強度試驗中破壞試樣剪切面的特征部位進行電鏡掃描測試，從微觀結構角度對上述力學性質變化規律進行解釋。 圖9顯示的是試驗素土樣和加固樣的SEM掃描結果。圖9a為試驗素土樣的微觀結構圖像，可以看出呈明顯的顆粒狀結構，結構松散，顆粒間孔隙較大。圖9b為經過摻比為10%的水泥改良加固后的試驗土樣微觀結構，顯然，經水泥改良后，土顆粒呈團粒狀，膠結緊密，盡管孔隙改良效果不顯著，但是孔隙之間有大量水泥水化生成的針棒狀鈣礬石和層片狀Ca(OH)2充填，使得土結構更加牢固，凝聚力大幅提高，從微觀結構上解釋了水泥改良土強度和彈性模量均增大的原因。圖9c為環氧樹脂改良試樣的SEM圖像，相較素土樣，經環氧樹脂改良后的土樣中，黏土礦物的顆粒狀結構消除，而絮凝狀結構出現，這是由于環氧樹脂與黏土礦物發生聚合反應而產生。圖9d～g為水泥配比分別為5%、10%、20%、30%的環氧樹脂-水泥復合加固樣的微觀結構圖像，可以看出，水泥摻比為5%和10%時復合加固樣的微觀結構都呈三維立體交叉結構，使得改良土樣整體孔隙減小，且10%的加固效果顯著。而水泥摻比為20%和30%時，加固樣中過量的水泥水化產物將聚合物空間網絡結構分割開來，不能形成有效的整體，失去了這種獨特的優異結構，并有較大孔隙出現，這也是水泥配比超過10%時加固樣的強度和彈性模量都降低的原因。因此，從微觀角度確定復合加固樣中最優的水泥配比為10%，和強度試驗中確定的水泥配比相同。

圖9 試驗土樣微觀結構Fig.9 SEM images of the samples stabilized by epoxy resin and cement

5 加固機理分析

如4.1節無側限抗壓強度結果所示，水泥的添加使得試驗土樣的強度有所提高，而前人對水泥改良膨脹土研究也較多，因此其改良機理也比較成熟，一般認為水泥摻入到土中改變了土體性質，其作用方式可歸結為離子交換作用、硬凝反應和碳酸化作用3種，將原本松散的土顆粒團粒化，降低了孔隙率并且各種水化產物相間依分子間的作用和水化產物相間巨大的表面積，在體系中相互搭接、交聯，組成一個橫貫整體的空間結構，提高了混合試樣的強度。而將環氧樹脂添加到水泥穩定樣中后，強度提高至25 MPa以上，分析其原因為：① 高效攪拌導致聚合物降解，產生游離基，在游離基作用下形成聚合物分子間的交聯；② 水化過程中，在堿性條件下溶解出一定量的Ca2+、Al3+、Fe3+等離子，而這些離子均可使聚合物產生交聯作用形成一種空間網絡結構。聚合物和水泥各自的網絡結構相互貫穿，相互依托，組成空間的立體交叉結構，與此同時，由于有機、無機兩相間的化學鍵合作用，使兩種網絡結構在很多點形成了較強的粘結，增強了土樣的復合效應。這樣一種獨特的優異結構大大提高了混合土樣的整體性，從而增加試樣的抗壓強度和彈性模量等力學性能。而當水泥含量由10%上升到20%，30%時，過量的水化產物破壞了這種立體交叉結構，使得試樣整體性下降，且局部有較大孔隙出現，從而降低了試樣的強度和彈性模量。所以，環氧樹脂-水泥復合改良加固膨脹土時確定最優配比是至關重要的一步。

6 結 論

(1) 在環氧樹脂穩定樣中，0.6是一個較經濟高效的聚灰比。在此配比下，加固樣的抗壓強度達到了25 MPa，相當于低標號混凝土的強度。因此，以環氧樹脂為基底物質是一個可行的思路。

(2) 將環氧樹脂添加到水泥穩定樣中后，最高抗壓強度達到了40 MPa，遠高于低標號混凝土的強度，而復合加固樣的干、濕密度卻更低。所以，環氧樹脂-水泥復合改良加固膨脹土的方案是合理可行的。

(3) 在環氧樹脂-水泥復合加固樣中，當水泥摻比為10%時，混合樣的抗壓強度較純環氧樹脂加固樣(水泥摻比為0)提高了1.52倍，破壞應變則由水泥摻比為0時的26.04%增加至29.187%，彈性模量則提高了2.57倍。綜合考慮認為，在復合加固樣中，10%為一個較優的水泥摻比。

(4) SEM電鏡掃描結果顯示，分別用水泥和環氧樹脂改良的加固樣各自形成了自己獨特的空間結構，消除了素土樣的顆粒狀松散結構。在環氧樹脂-水泥復合加固樣中，當水泥摻比為5%和10%時，加固樣微觀結構呈現一種三維立體交叉結構，且摻比為10%時這種優異結構更顯著。而當水泥摻比上升到20%以上時，這種立體結構消失，并局部有大孔隙出現，從微觀結構的角度解釋了復合加固樣強度和彈性模量變化的原因。