水泥高分子改良固化土的室內試驗研究

仇小東，李 鋒，錢曉彤

(1. 南通市公路事業發展中心，南通 226001； 2. 蘇交科集團股份有限公司，南京 211112；3. 河海大學 巖土力學與堤壩工程教育部重點實驗室，南京 210098)

隨著公路基礎設施的快速發展，多年來的開山取石、挖河采砂對生態環境造成了嚴重破壞。礦石資源的緊缺導致砂、石價格有所提高，也增加了公路基礎設施的建設成本。各級政府部門高度重視低碳環保節能減排工作，明確提出了加快建設資源節約型、環境友好型社會的要求。目前常規做法是采用石灰、水泥或石灰粉煤灰等無機結合料對土壤進行加固處理，以代替石材用于公路建設中的道路路基或底基層材料。Kamon[1]使用生石灰與污泥混合后產生的副產品對土壤進行固化。結果表明，固化過程中，土壤顆粒之間產生大量的鈣礬石，這些鈣礬石增強了固化土強度，尤其是高含水率的土樣。李秉宜等[2]采用石灰和水泥改良高液限黏土，試驗結果表明，其水穩定性得到顯著提升，較高摻量的石灰和水泥改良高液限黏土在干濕循環作用下，無側限抗壓強度幾乎不變或衰減較小，在多次循環后仍保持較高強度。

許多學者采用有機高分子材料對土壤進行改良。朱志鐸等[3]采用自主研發的SEU-2型固化劑穩定粉質土路基，通過現場和室內試驗研究發現，摻加SEU-2型固化劑可顯著提升粉性土的無側限抗壓強度和水穩性，減小其收縮變形，摻加4% SEU-2型固化劑能滿足路基的各項技術指標要求，是較為合理的加固粉性土路基的方案。孔繁軒等[4]采用一種新型高分子固化劑加固砂土，通過室內標準固結試驗，研究了高分子固化劑濃度和試件干密度對改良砂土壓縮性能和抗滲性能的影響。結果表明，隨著試件的養護，高分子固化劑溶液由液態轉變為固態，在砂粒之間形成一張“固化網”，將分散砂粒相互連接為整體，充分填充了砂粒之間的孔隙，使得砂粒之間更加緊密，顯著增強了固化土的抗滲性能。劉瑾等[5]利用聚氨酯型固化劑改良表層砂土抗滲透特性，結果表明，該固化劑可以在很大程度上提高砂土的抗滲透性能。王銀梅等[6]采用新型高分子材料SH固化劑固化黃土，提高其抗沖刷性能，結果表明改良效果顯著。

目前大部分固化土的研究集中在只利用無機固化劑或有機固化劑，將兩種固化劑結合使用的研究較少，且主要針對改良土的抗滲性和無側限抗壓強度，對固化土在循環動荷載作用下的疲勞性能研究較少。因此，本文利用水泥和新型有機高分子固化劑(LY-1)對黏土進行填料化改良，研究改良前后土體的回彈模量、抗滲性和抗疲勞性等參數變化，以期為指導土體的填料改良提供理論依據。

1 試驗材料

試驗所用土取自江蘇省南京市黏土，試驗用土理化指標如表1所示。

表1 試驗用土理化指標

所用無機材料為42.5級硅酸鹽水泥，LY-1型有機高分子固化劑為黃色透明液體，其以天然植物、礦物提取物為主要原料，以水分散體系形式呈現。LY-1型固化劑組成成分如表2所示。

表2 LY-1型固化劑組成成分

2 試驗設計

設置4%水泥+0.3 L/m3LY-1為試驗組，另外選取水泥摻量4%、6%和8%為對照組，進行對比研究。按照《公路工程無機結合料穩定材料試驗規程》(JTG E51—2009)[7]要求進行回彈模量試驗、抗滲試驗和疲勞試驗。其中疲勞試驗僅進行4%水泥和4%水泥+0.3 L/m3LY-1型固化劑的對比試驗。

回彈模量試驗采用杠桿壓力儀法，制備試件和養生，按50 kPa、100 kPa、150 kPa、200 kPa和225 kPa 逐級進行加載和卸載，并記錄千分表讀數，直至最后一級荷載，共進行3次平行試驗，每次試驗結果與回彈模量均值之差應不超過5%。最后按公式計算回彈模量。

抗滲試驗試件制作采用靜壓成型法，試件為150 mm(直徑)×150 mm(高度)的圓柱體試件，每組試件的數量為6個，試件養生溫度(20±2)℃，濕度>95%，標準養生27 d，浸水1 d后進行抗滲試驗。

疲勞試驗試件是尺寸為50 mm×50 mm×200 mm 的小梁試件。養護90 d后，參考《公路工程無機結合料穩定材料試驗規程》(JTG E51—2009)[7]中無機結合料彎拉強度試驗方法采用三分點加載方式測定試件彎拉強度，試驗中以控制應變方式進行加載，加載速率為50 mm/min，直至破壞。

參考《公路工程無機結合料穩定材料試驗規程》(JTG E51—2009)[7]中無機結合料穩定材料疲勞試驗方法進行疲勞測試，采用三分點加載法，施加動態周期性Havesine波壓應力測定試件疲勞性能。

3 試驗分析

3.1 回彈模量試驗

對兩種試件的5個試驗點進行線性擬合，回彈變形與單位壓力相關關系如圖1所示。通過計算得到4%水泥試件的回彈模量為177 MPa，4%水泥+0.3 L/m3LY-1型固化劑試件回彈模量為213 MPa，相比4%水泥試件回彈模量增加了20.3%。結果表明，高分子固化劑增加了土壤顆粒之間的黏結力，使得改良后的固化土具有較高的回彈模量。

(a) 水泥

3.2 抗滲試驗

通過抗滲試驗測得兩種固化土試件的滲透系數，抗滲試驗結果如表3所示。4%水泥試件的滲透系數為6.51×10-5cm/min，4%水泥+0.3 L/m3LY-1型固化劑試件的滲透系數為2.28×10-6cm/min，與8%水泥試件的滲透系數相近。結果表明高分子固化劑顯著提升了固化土的抗滲性能。

表3 抗滲試驗結果

3.3 疲勞試驗

采用三分點加載法測定了兩種固化土的彎拉強度，疲勞試驗結果如表4所示，4%水泥試件的破壞荷載為410 N，彎拉強度為0.55 MPa，而4%水泥+0.3 L/m3LY-1型固化劑試件的破壞荷載為880 N，彎拉強度為1.06 MPa，結果表明，LY-1型固化劑加入后，較4%水泥試件的破壞荷載和彎拉強度分別提升了114.6%和92.7%。

表4 疲勞試驗結果

三分點疲勞試驗加載參數及試驗結果如表5所示，同等荷載水平下，4%水泥+0.3 L/m3LY-1型固化劑試件的疲勞強度提高，試件未破壞，表面未見明顯損傷，體現其良好的抵抗動態荷載的能力。

表5 三分點疲勞試驗加載參數及試驗結果

4 微觀機理分析

固化土的宏觀力學特性在很大程度上受到其微觀結構的影響。本研究對固化后的黏土進行電鏡掃描(SEM，scanning electron microscope)試驗，可得到土樣的微觀照片，并對其微觀結構進行分析，研究固化土力學性質變化機理。兩種固化土的掃描電鏡圖如圖2所示，放大倍數為10 000倍，試件的養護齡期為7 d。

(a) 4%水泥

由圖2可知，加入LY-1型固化劑后，土壤顆粒之間黏結更加緊密，膠結物質填充顆粒間孔隙，顯著降低了空隙率。水泥與高分子固化劑在固化土內部發生一系列反應，水泥水化反應生成了C-S-H膠體，高分子固化劑中的水性聚合物在土壤混合攪拌過程中均勻分散在土壤膠體中，經固化形成均勻的分子網絡結構，兩者生成的膠結物質相互搭接，填充孔隙，包裹土壤顆粒，顯著提升固化土的抗滲透能力和抗回彈能力。由高分子固化劑反應形成的填充物質，其韌性大于水泥的水化產物，因而在固化土受反復動荷載時，該部分填充物質能夠承擔大部分疲勞荷載，從而提升固化土在動荷載下的強度特性。

5 結論

本文利用水泥和一種新型有機高分子材料對黏土進行改良，對改良后固化土的回彈特性、抗滲性和抗疲勞性能進行了試驗研究，對比純水泥固化土和水泥與高分子固化劑聯合固化土，主要結論如下：

(1) 外加0.3 L/m3LY-1型固化劑試件回彈模量較單摻4%水泥的固化土增加了20.3%，與6%水泥試件的彈性模量相近。

(2) 高分子固化劑的加入使水泥土滲透系數顯著提升，摻入4%水泥+0.3 L/m3LY-1型固化劑試件的滲透系數與8%水泥試件的滲透系數相近。

(3) 加入高分子固化劑后，4%水泥+0.3 L/m3LY-1型固化劑試件的三分點加載破壞荷載和彎拉強度較4%水泥試件提高了1倍。疲勞試驗加載后，前者疲勞強度提高，試件未破壞，表面未見明顯損傷，抗動態荷載性能良好。

(4) 通過掃描電鏡發現，4%水泥+0.3 L/m3LY-1型固化劑試件中的水性聚合物經固化形成均勻的網絡結構，生成的膠結物質填充孔隙，具有更高的密實度。