土質固化劑對水泥土力學特性的影響及機理研究

何國平，蔡天德，陳 雙，莫 憂，胡 建

(1.浙江鉅元建設有限公司，浙江 杭州 311600; 2.四川農業大學水利水電學院，四川 成都 611130)

0 引 言

隨著我國高速鐵路、公路的持續快速建設，對公路路基填料的要求越來越高[1]。采用傳統的無機結合料固化土進行路基修筑的缺陷日漸顯現，傳統的固化土內部存在高度分散的無機膠體[2]，干燥時容易發生收縮開裂，對相關工程的穩定性和耐久性十分不利，難以滿足當前工程建設的需要[3]。采用常規條件下水泥土修筑的地基、路基土或排水基土經常會發生翻漿冒泥、不均勻沉降、邊坡滑塌等工程事故[4-6]。另外，水泥、石灰等材料需進行大量工業開采與生產，浪費了資源和能源，并對生態環境帶來不利影響[7]。因此，大量外加劑被使用到水泥土不利工程性能的改性中，從而達到固化和穩定的效果[8]。

采用土質固化劑對路基填料進行改性是一種有效的加固手段，固化技術使得路基填料能夠有效地防止土體結構性破壞，并延長材料的服役年限[8]。例如：楊林等[9]采用TG土質固化劑對水泥土進行改良，大幅提高了土體的無側限抗壓強度和抗凍融性能；劉春龍等[10]利用偏高嶺土對水泥土的力學性能進行改性試驗研究，有效地提高了水泥土的抗壓強度；Tebaldi等[11]利用固化劑改性了石灰穩定土的工程性能，大幅提高了試樣的抗壓強度。當前，我國學者在利用適宜的土質固化劑作為路基材料的外加劑從而改善其綜合性能進行了大量嘗試，TG固化劑是我國自主研發的一種土質固化劑，作為一種新型筑路材料的的外加劑已經取得了廣泛應用[12-14]。然而，當前關于TG固化劑對強度的影響規律以及改性機理的認知還相對薄弱，值得開展相應的研究。

本文首先利用擊實試驗獲得水泥土最優水泥摻量，再摻入我國自主研發的TG型土質固化劑，開展單軸壓縮試驗、核磁共振實驗和掃描電鏡試驗研究固化水泥土的強度特性及其機理，為路用固化水泥土材料的改性設計與施工提供參考。

1 樣品制備與試驗方法

1.1 基本土性

本研究采用固化土基料為粉質粘土，土體的外觀呈黃褐色，天然密度為1.72 g/cm3，天然含水率為16.5%，孔隙比0.53，液限28.9%，塑性指數32.8，自由膨脹率33.5%，滲透系數4.01×10-6cm/s。經過擊實試驗發現該土的最優含水率為15.2%。由X衍射實驗得到了土壤的X射線衍射圖譜，半定量可以對土體的物相組成進行快速、高效的測定，通過XRD衍射譜中各峰的強度值間接計算不同成分的質量分數，發現該土的礦物成分包括石英(58.2%)、鈉長石 (12.0%)、方解石(9.5%)、伊利石 (6.1%)，蒙脫石(4.1%)、斜長石(3.8%)以及其他礦物6.3%。采用篩分法和密度計法相結合的方法測定顆粒級配曲線，結果如圖1所示?？梢钥闯鲈摰貐^土顆粒主要為粉粒和黏粒，其中粉粒(粒徑處于0.002～0.025 mm)的含量為17.8%，黏粒(粒徑低于0.002 mm)的含量為62.4%。土壤的礦物成分組成如表1所示。

圖1 土的顆粒級配曲線

表1 土壤的礦物成分組成

1.2 樣品制備

采用分層擊實法制備水泥固化土試樣，分三層進行圓柱體土樣的擊實，水泥土樣品的直徑為50 mm，高度為100 mm。采用摻量（質量含量）分別為2%、4%、6%、8%和10%的水泥外摻料進行實驗，以素土的實驗結果作為參照組。在水泥土試樣配置前利用擊實實驗結果確定不同水泥摻量影響下穩定土的最大干密度與最優含水率。在確定了最優含水率和水泥含量后，再將不同質量含量的TG-1型土質固化劑摻入到水泥土的拌合料中進行攪拌，同樣采用分三層擊實的方法制備圓柱體樣品。

1.3 試驗方法

采用土工單軸壓縮測試儀對水泥固化土試樣進行強度測試，實驗時的加載速率控制為0.15 kPa/s。從單軸壓縮試驗的應力應變曲線結果中獲得了水泥土試樣的無側限抗壓強度qu，并采用彈性模量E，即應力-應變曲線直線段斜率作為衡量水泥固化土的強度性能參數。

采用NMR23-50H型號核磁共振分析儀對不同TG-1型固化劑含量水泥土試樣進行掃描，經過48 h的抽氣飽和，由核磁共振實驗得到了弛豫時間和信號強度的關系曲線（簡稱T2分布曲線）。T2分布曲線能夠反映試樣內部孔隙的分布情況。

采用SEM掃描電子顯微鏡對不同固化劑含量下的水泥土試樣開展微觀結構的觀測。試驗中先對水泥土試件的表面進行切樣，得到的樣品高度約為5 mm；再將樣品進行真空冷凍干燥處理，最后將處理后的樣品開展SEM試驗獲取微觀圖像

2 試驗結果與討論

2.1 擊實試驗結果

對普通重塑土和不同摻量的水泥土試樣開展擊實試驗，得到的土體干密度與含水率關系曲線如圖2所示?？梢钥闯鲭S著水泥摻量的增加，試樣最大干密度與最優含水率趨于增大，水泥土壓實曲線比天然土的壓實曲線更加平坦。上述實驗現象主要是由于水泥與土顆粒發生火山灰反應，形成硅酸鈣水合物的團聚體，提高了土壤的密實度。水泥顆粒對水分子的吸附能力強于土顆粒，土壤中的一部分游離水在與石灰發生后轉化為結合水。而為了提高土體壓實性需要更多的自由水進行潤滑，導致其最優含水率隨水泥含量的增加而增大。此外，當水泥摻量超過8%后，最大干密度基本不變，而最優含水率繼續增大。試驗現象表明在盲目增加水泥摻量反而對固化土強度不利，根據擊實試驗結果確定固化土的最優水泥摻量為8%，對應的擊實土試樣最大干密度為1.51 g/cm3，最優含水率為17.9%。

圖2 土樣的擊實試驗結果

2.2 強度特性分析

對不同固化劑含量的水泥土開展單軸壓縮試驗得到應力-應變關系曲線。如圖3(a)和(b)給出了不同養護時間條件下的試樣應力-應變曲線。按照應力-應變關系曲線的變化規律大致可將試樣的變形過程分為：顆粒壓密、線彈性變形、塑性變形和應變軟化階段。另外，對相同固化劑含量的試樣而言，養護時間為28 d的應力-應變曲線明顯高于養護時間為7 d的結果，說明隨著養護時間的增加，固化劑對水泥土強度和變形特征的改性效果越好。

圖3 固化水泥土的應力-應變關系曲線

從不同固化劑含量的水泥土單軸壓縮實驗結果可以看出：不同固化劑含量的水泥土應力-應變曲線均存在明顯的應力峰值點，該點的縱坐標對應土體的無側限抗壓強度qu。計算了水泥土試樣的彈性模量E，不同固化劑含量下的無側限抗壓強度qu和彈性模量E結果如圖4所示。可以看出隨著TG固化劑含量的增加，水泥土的抗壓強度與彈性模量逐漸增大，且含量在0.01%～0.04%的范圍內變化較快。另外，養護時間對改性水泥土的力學性能指標也有重要影響，隨著養護時間從7 d增加至28 d，不同固化劑含量的水泥土抗壓強度平均增長幅度為46.3%，彈性模量的平均增長幅度為49.5%。

圖4 強度指標與固化劑含量的關系

2.3 微觀結構分析

核磁共振實驗（NMR）可以對水泥土內部的孔隙分布特征進行探測，核磁信號強度與孔隙水的含量成正比[15]。因此，利用NMR得到的T2分布曲線變化規律可以反映不同固化劑含量的水泥土內部孔隙變化特征。根據NMR實驗，得到了養護齡期為28 d的固化水泥土T2分布曲線，結果如圖5所示?？梢钥闯?條曲線均呈雙峰分布，靠橫坐標左側為主峰，表示小孔隙分布；靠橫坐標右側為次峰，表示大孔隙分布。隨著固化劑含量的增加，改性水泥土的T2分布曲線有顯著變化，主峰的幅值逐漸降低，次峰的幅值和分布范圍均逐漸減小。T2分布曲線的變化表明：隨著固化劑含量的提高，改性水泥土中的孔隙數量逐漸變少，尺寸逐漸減小，即固化劑的改性作用在使得水泥土中的孔隙逐漸閉合。

圖5 固化水泥土的T2分布曲線

對不同固化劑含量的水泥土試樣進行了掃描電子顯微鏡（SEM）實驗，得到了養護齡期為28 d的固化水泥土SEM圖像，結果如圖6所示。根據圖6(a)所示的SEM圖觀察到：普通水泥土內部結構較為松散，水泥土顆粒呈絮凝狀的團聚體，顆粒間的孔隙和裂隙具有不同的尺寸和形狀，并以點對面方式相互連通；根據圖6(b)～(d)可以看出隨著固化劑含量由0.01%增加至0.03%的過程中，水泥土團聚體間的裂隙逐漸閉合，裂隙張開度也明顯減??；圖6(e)和(f)顯示，經過含量為0.04%和0.05%固化劑改性的水泥土密實度大幅增加，試樣內部結構呈現一種相對均勻的微觀形態，卷曲片狀和扁平的土體顆粒以邊-面和邊-邊接觸形式存在，土體內部的孔隙尺寸尺寸較小。SEM圖像的變化特征表明固化劑使得以硅酸鈣水合物（C-S-H）凝膠物質形式存在的水化產物膠結成整體，有效地縮小了裂隙，增加了土顆粒間的密實程度。此外，NMR結果與SEM圖像的變化規律比較吻合，說明核磁共振實驗對水泥土的孔隙特征探測具有較好的適宜性。

圖6 固化水泥土的SEM圖像

當水泥摻入粉質粘土中并進行擊實成型后，與土體中的水分接觸而發生水化反應，形成可起到硬化骨架作用的膠凝物質，對土體穩定性具有顯著的提升效果。TG-1型固化劑是一種電離子溶液類的外加劑，具有高電導性，與水泥土的團粒接觸后會與團粒表面吸附的陽離子發生強烈交換作用，破壞顆粒表面雙電子層結構，使得顆粒表面吸附水的作用力大幅降低，束縛在水泥土團粒內部的結合水轉換成自由水而析出。經過固化作用的凝膠物顆粒具有較大的表面能和較強的吸附作用，引起水化物中Ca2+離子與土顆粒表面吸附的其他陽離子發生交換反應，絮凝狀水化硅酸鈣C-S-H和針狀鈣礬石Aft數量增加，最終使得水泥土更容易被壓實，形成致密、穩定的整體結構，提升材料密實度和強度。

3 結束語

1)水泥土的最大干密度與最優含水率隨摻量的增加而增大，根據擊實試驗結果確定最優水泥摻量為8%，對應的擊實水泥土試樣最大干密度為1.51 g/cm3，最優含水率為17.9%。

2)固化水泥土的應力-應變曲線為應變軟化型，土體的變形過程大致可分為：壓密階段、線彈性變形階段和應變軟化階段，抗壓強度和彈性模量隨土質固化劑含量增加顯著增大，且變化速率在0.01%～0.04%范圍內較快。養護時間越長，固化水泥土強度指標的提升幅度越大。

3) 由核磁共振實驗獲得的固化水泥土T2分布曲線呈雙峰分布，隨著土質固化劑含量的增加，試樣內部的孔隙數量與尺度逐漸減小。

4) 固化劑的改性作用在使得土體內部硅酸鈣水化物含量增加，形成了致密、穩定的整體性結構，進而提升固化水泥土的密實度和強度性能。