水基聚合物－水泥復合固化土強度規律研究

任瑞波宋揚王振薄劍趙品暉

(1.山東建筑大學交通工程學院，山東 濟南 250101；2.濱州市濱城區青田街道辦事處，山東 濱州 256660)

0 引言

由于社會經濟的快速增長，公路系統進入快速發展階段。 目前，我國公路建設仍以石灰、水泥、砂礫、碎石以及這些材料的混合物作為主要填料，常用于基層、底基層。 但是，隨著路網的不斷加密，施工過程中經常遇到碎石材料短缺的問題，通常采用材料置換、豎向排水、水泥固化等方法改善素土的力學性質，使之能夠達到工程要求。 其中，使用水泥固化土是目前應用最多的解決方案，已廣泛應用于改善路基、土壩、河堤等土基結構的性能。

對于土的固化而言，選擇合適的固化劑至關重要。 作為一種可以與路基土結合的新型基層填料，李琴等[1]認為固化劑對土結構有著積極影響，土固化后其應用范圍增大。 科學合理地應用土固化劑需有一個全面正確的認識，包括固化劑適用土的類型、應用范圍、固化齡期長短以及固化的目標效果等。不同類型的土固化劑固化機理相差甚遠，需要根據各自的特點選擇適用環境。 早在19 世紀70 年代，土固化劑在美國得到應用，因其優異性能而逐漸推廣，并引起重視。 19 世紀90 年代，我國的相關科研人員開始引進和使用土固化劑，最初出現的是水泥、石灰等固態固化劑，至今為止，已經出現了許多不同功效、不同類型、多種功能的土固化劑。 此外，朱燕等[2]、米瑞等[3]認為強度是固化土能否作為道路基層的主要技術指標，近年來對土固化的強度增長規律及形成機理的研究成為重點方向；黃新等[4]研究了水泥固化土的作用機理，認為水泥固化土的強度主要是由水化硅酸鈣等水化物的膠結作用提供的，同時提出水泥固化土的硬化反應模式；HORPIBULSUK 等[5]研究了含水量對水泥固化土強度的影響；CONSOLI 等[6]指出成型含水率對水泥處理土抗壓強度具有決定作用；SASANIAN 等[7]總結了水泥固化土的抗剪強度隨固化時間或水泥摻量的增加而增加的規律；湯怡新等[8]認為水泥用量、含水量對于強度的影響高于其他因素，并建立了一個簡單的經驗公式，還擬合了固化土抗壓強度與土含水量之間的關系方程；楊廷玉等[9]基于室內不固結不排水三軸試驗，指出應變保持恒定時，水泥固化土的應力與圍壓成正相關關系。

出于減少水泥使用量的目的，多種固化劑協同反應成為新的研究方向，WANG 等[10]指出摻入1.0%的納米氧化鎂，經碳化1 d 后，改性水泥土的抗壓強度可得到顯著提高，但納米氧化鎂含量對水泥土峰值應變影響不大；雷鳴洲[11]發現固化劑水泥－硅粉(40∶10)摻量比為15%時固化效果最佳，并提出工程泥漿固化土無側限抗壓強度預測公式；詹博博[12]以大連灣淤泥水泥固化土為研究對象，探討了孔隙溶液鹽分對其無側限抗壓強度的影響，指出低水泥摻量時孔隙溶液鹽分越高，固化土強度越低，而隨著水泥摻量的增加，孔隙溶液鹽分增長會對固化土強度產生積極影響；譚峰等[13]選擇硅酸鹽水泥、粉煤灰、水玻璃和木質素磺酸鈉組成的水泥基復合固化劑，進行了室內固化試驗，指出復合固化劑是平衡固化效果和成本的最優解，同時復合固化劑摻量的增加對固化土的固化效果有正向影響，但會減緩強度增長速度；吳王正[14]針對淤泥質土，研究水泥及其他外摻劑對固化土的影響，得出當外摻組合為水泥摻量為18%、三乙醇胺混合外摻劑摻量為12%時，抗壓強度增長速度達到最大值；高貝貝等[15]基于聚合物技術并通過室內試驗，探究了固化劑摻量對固化土抗壓強度的影響，發現了幾組較好配比的氯硫聚合物固化土；蔡光華[16]研究了氧化鎂摻量、碳化時間、氧化鎂活性指數等因素對碳化固化土強度的影響，發現其均對無側限抗壓強度有著積極影響。

目前，對土固化劑的研究主要集中在提高各類不良土的力學性質以及穩定性，以達到路用規范的標準。 但各種的固化劑固化效果是各不相同的，其影響因素有所差別、作用機理略有差距，而增長規律也不盡相同。 此外，關于固化土的研究主要基于一些單一類型固化劑，對于既能滿足力學性能要求又具有一定柔韌性滿足抗裂性能的復合固化劑的研究偏少，且關于這類固化劑的固化機理和基礎理論都還不夠完善，尤其是缺乏對新型土固化劑及其與傳統固化劑相互作用關系的研究。 因此，選用一種新型水基聚合物復合水泥作為固化劑，研究了水基聚合物摻量、養護溫度對水基聚合物－水泥復合固化土無側限抗壓強度和間接抗拉強度的影響規律，探究了水基聚合物、水泥以及土體的內在反應機理，揭示了水基聚合物－水泥復合固化土強度發展規律，為指導土固化處理的工程設計提供科學依據。

1 原材料及試驗方法

1.1 原材料

1.1.1 黏土

用于試驗的土樣是在濟南市歷城區建筑工地采集的一種黏土，地表雜草叢生，開挖深度為1~3 m。該黏土的顏色為黃色、顆粒細小、黏度高，分布范圍廣，具有很強的代表性。 黏土的具體物理參數包括含水率為29.3%、密度為1.53 g/cm3、液限為24.3%、塑限為12.5%、液性指數為2.27、塑性指數為11.8。

1.1.2 水泥

試驗選用普通硅酸鹽水泥(P?O 42.5R 級)，由山東山水水泥集團有限公司生產，其主要礦物組成為硅酸三鈣、硅酸二鈣、鋁酸三鈣、鐵鋁酸四鈣等，初、終凝時間分別為110 和260 min。

1.1.3 水基聚合物

采用的水基聚合物為液體狀態，其黏附性優異、應用范圍廣，通?？捎米鞴こ掏苛?、材料黏合劑、膠黏劑等。 該水基聚合物外觀呈乳白色，其固含量為55%、黏度在1 000~5 000 mPa?s 范圍內，25 ℃下pH 值為7.0~9.0、玻璃化轉變溫度為－22 ℃，其成膜平整連續，且鈣離子和機械的穩定性高。

1.2 試樣的制備與養護

1.2.1 試樣的制備

根據設計的配合比稱量拌和試料，采用靜壓法制備試件。 實驗所用試件的直徑和高度均為50 mm、壓實度為95%，每組由6 個平行試件構成。根據最佳含水量、最大干密度和體積，計算放入試模中的固化土質量，再分別計算土、水泥、水基聚合物和水的質量。 將稱量好的固化土分成3 份，依次倒入試模。 每一層裝好后均需輕輕搗實，以確保被壓密。 填充完成后，將試件置于成型機上壓實，壓實時間至少為3 h。 壓實完成后，使用脫模機將固化土試樣脫模。

1.2.2 試樣的養護

為了研究不同條件下對固化土強度的影響規律，試件分別在20 和50 ℃的條件下養護。 試件脫模后，標號并分別稱重，對極差較大的試樣應舍棄，再重新制作試樣。 為了防止水分的過度揮發，將需要密封的合格樣品放入密封袋中，把密封好的試件分別放入20 和50 ℃的養護室內，試件之間的距離至少為10~20 mm，置于鐵架上，并養護1~336 h。

1.3 固化土性能測試

1.3.1 含水率試驗

含水率是土的基本物理指標之一，作為計算干密度、孔隙度等指數的基礎，是監測巖土結構施工質量的重要指標。 參照JTG E51—2009?公路工程無機結合料穩定材料試驗規程?[17]，采用烘干法測量含水率，由式(1)表示為

式中ω為含水率，%；m1為鋁盒的質量，g；m2為鋁盒和濕土的總質量，g；m3為鋁盒和干土的總質量，g。

1.3.2 擊實試驗

擊實試驗是測定土體干密度與含水率關系的基礎試驗。 通過擊實試驗，繪制含水率－干密度關系曲線，得到土體干密度峰值和對應含水率，確定最優配合比。 擊實試驗的具體參數見表1，擊實5 層，每層擊實27 次。

表1 擊實試驗技術參數表

試驗開始前，將含水率較高的土樣放入烘箱烘干，烘箱溫度應該設置為<80 ℃，防止溫度過高對土的組成成分產生影響。 用小木錘將干燥黏土粉碎，以免破壞黏土顆粒的原始結構。 將其過2.0 mm 篩，取篩下的土粉，分為5~6 份，每份2 kg。 按照選定含水率計算所需要加的水量，其中中間摻量的加水量應該控制在最佳含水率附近。

稱量出每一份土樣的加水量，將其噴灑在土粉上，攪拌均勻，放入塑料袋中靜置2 h。 為防止固化劑與土樣發生固化反應而影響試驗結果，在準備開始擊實試驗時，再將固化劑與燜好的土樣充分混合，拌和完成后，將土樣分為5 等份，依次加入擊實筒中擊實，每層擊實完成后注意刮平以確保試件完整性。在最后一層擊實完成后，土體高度應比試筒邊緣高5 mm，用刮刀刮掉表層土樣并將其抹平。 將試件與試筒的重量相加，再將試件脫模，測試含水率，根據試件質量和試筒體積計算出試件濕密度。 對土樣依次試驗，得到含水率－干密度數據，繪制含水率－干密度擬合曲線，如圖1 所示，曲線最高點Z(xZ，yZ)的xZ為試件的最佳含水率、yZ為最大干密度。

圖1 含水率－干密度關系曲線圖

1.3.3 無側限抗壓強度試驗

無側限抗壓強度是指試件在沒有側向壓力情況下抵抗軸向壓力的極限強度，簡而言之，是對試件施加軸向壓力直至出現裂縫時測量的施加應力值。

從密封袋中取出養護完成后的樣品，按標簽稱重并記錄，按照JTG E51—2009[17]試驗，記錄試樣斷裂時的最大壓力，計算得到的無側限抗壓強度由式(2)表示為

式中Rc為試件的無側限抗壓強度，MPa；P0為試件斷裂或破壞時的最大壓力，N；A為試件的截面面積，mm2。

1.3.4 間接抗拉強度試驗

在道路基層設計中，抗拉強度與抗壓強度同樣重要，用抗拉強度高的材料鋪筑的公路具有優異抗裂性和穩定性。 反之，就會出現很多裂縫，造成路面反射裂縫，影響道路的使用壽命，甚至危及行車安全。 抗拉強度指材料在承受拉力荷載情況下發生斷裂的應力最大值，確定方法分為直接測試法和間接抗拉強度法。 前者對試驗器材及試件有嚴格的要求，而且對試驗的精準度也有較高要求。 故此，擬采用路面強度試驗儀進行間接抗拉強度試驗。

試驗按照無機結合料穩定材料間接抗拉強度標準試驗方法[17]進行，保證間接抗拉強度試件為直徑和高度均為50 mm 的圓柱體，養護固化土試件，完成后放在路面材料強度儀上進行間接抗拉試驗，加載速率為1 mm/min，記錄試件發生斷裂時的壓力，即最大壓力。

試件間接抗拉強度的計算由式(3)表示為

(4)設計裝置D、E的目的是比較氯、溴、碘的非金屬性。當向D裝置中緩緩通入一定量氯氣時,可以看到無色溶液逐漸變為____色,說明氯的非金屬性強于溴。

式中Ri為試件的間接抗拉強度，MPa；d為試件的直徑，mm；h為試件的高度，mm；P為試件破壞時的最大壓力，N。

2 結果與討論

2.1 水基聚合物摻量對復合固化土無側限抗壓強度的影響

為了探究水基聚合物摻量對水基聚合物－水泥復合固化土無側限抗壓強度的影響，需設置其摻量梯度，王臻華[18]認為水泥摻量>6%時的固化土強度增長顯著。 為了保證一定的強度基礎，水泥摻量選取8%，在此基礎上分別添加固化土質量的0.5%、1.0%、2.0%、4.0%和8.0%的水基聚合物，制備得到水基聚合物－水泥復合的固化土；同時，任瑞波等[19]提出養護溫度對水性高分子聚合物乳液的強度產生影響，故將各復合固化土試樣分別在20 和50 ℃下養護，測試其在不同養護時間下的無側限抗壓強度，如圖2 所示。

圖2 不同溫度養護下復合固化土無側限抗壓強度與養護時間的關系圖

由圖2(a)可知，在20 ℃下，隨著養護時間的增加，復合固化土的無側限抗壓強度隨之增加，以1%水基聚合物＋8%水泥復合固化土為研究對象，養護開始到24 h 的固化土的無側限抗壓強度迅速增長，0~24、24~72、72~168、168~336 h 曲線的斜率分別為0.090 417、0.019 375、0.011 979 和0.001 131，可知雖然固化土的無側限抗壓強度隨時間增長而持續增長，但增長速率降低，并逐漸趨于穩定值。 同時，復合固化土的無側限抗壓強度曲線在0~24 h 內與水泥固化土近似重合，說明復合固化土前期(24 h前)無側限抗壓強度的形成主要由水泥水化反應導致的。 養護24 h 后，各摻量復合固化土無側限抗壓強度差異逐漸明顯，說明水基聚合物作用開始顯現，對復合固化土的強度產生了影響。 在相同的養護時間內，隨著水基聚合物摻量的增加，復合固化土的無側限抗壓強度先增加后減小，當水基聚合物摻量為1.0%時，復合固化土的無側限抗壓強度達到最大值。 與水泥摻量為8.0%的純水泥固化土相比，水基聚合物摻量在0.5%~2.0%范圍內，復合固化土的強度均高于水泥固化土，而當水基聚合物摻量達到4%時，復合固化土強度反而低于水泥固化土，表明對于改善無側限抗壓強度來說，水基聚合物存在一個合理的摻量范圍，最優摻量為1.0%。

由圖2(b)可知，50 ℃養護條件下水基聚合物－水泥復合固化土無側限抗壓強度隨時間的增長規律與20 ℃養護條件下類似。 但是，養護溫度的升高顯著提高了復合固化土的強度增長率。 為了進一步對比考察養護溫度對無側限抗壓強度的影響，以20 ℃養護下復合固化土的168 h 無側限抗壓強度為參考，選取50 ℃無側限抗壓強度曲線特征點，即分別養護24 和168 h，其結果如圖3 所示。

圖3 復合固化土的無側限抗壓強度對比圖

在20 和50 ℃養護溫度下，復合固化土在任何一個齡期時的無側限抗壓強度均隨著水基聚合物摻量增加而先增加后減小，其中當水基聚合物摻量為1%時，其值達到最大值。 這是因為在摻量較低時，水基聚合物與水泥之間具有協同作用，使得復合固化土的無側限抗壓強度增加。 但是，由于水基聚合物會促使土顆粒迅速結團，妨礙離子擴散，影響后期水化，所以在過高水基聚合物摻量會使得固化土的無側限抗壓強度降低。 而相同的摻量時，在50 ℃下養護24 h 的復合固化土無側限抗壓強度高于在20 ℃下養護168 h 的復合固化土強度，同時差值基本不隨水基聚合物摻量增長而變化；在50 ℃下養護168 h 的復合固化土無側限抗壓強度>20 ℃時的2倍且差值基本穩定。 由此可知，溫度對復合固化土無側限抗壓強度的增長有穩定積極的影響，可以通過提高養護溫度，快速達到預期無側限抗壓強度，加快施工速度，縮短工期。

2.2 水基聚合物摻量對復合固化土間接抗拉強度的影響

為了探究水基聚合物摻量對水基聚合物－水泥復合固化土間接抗拉強度的影響，需設置其摻量梯度。 根據前期研究結果，為保證一定的強度基礎，水泥摻量選取8%，所以試驗在此基礎上，分別添加固化土質量的0.5%、1.0%、2.0%、4.0%、8.0%的水基聚合物，制備得到水基聚合物－水泥復合固化土，然后將各復合固化土試樣分別在20 和50 ℃下養護，測試其在不同養護時間下的間接抗拉強度，如圖4 所示。

圖4 養護下復合固化土間接抗拉強度對比圖

由圖4(a)可知，在20 ℃養護溫度下，復合固化土的間接抗拉強度隨著養護時間的延長而增加，以“0.5%水基聚合物＋8%水泥復合固化土”為研究對象，從養護開始至6 h，固化土的間接抗拉強度基本保持一致，水基聚合物作用不顯著，0~12 h 的間接抗拉強度基本保持線性增長。 0 ~ 12、12 ~ 24、24~72、72~168 h 時間接抗拉強度的曲線斜率分別為0.015 250、0.004 417、0.001 833 和0.000 323，由此可知，雖然復合土間接抗拉強度會隨時間增長，但其增長速率減緩，逐漸趨于穩定值。 養護168 h 時，水基聚合物摻量為0.5%、1.0%、2.0%、4.0%的復合固化土間接抗拉強度分別為水泥固化土的112.6%、72.9%、60.0%、53.0%。 保持水泥摻量一定(8%)，當水基聚合物摻量為0.5%時，復合固化土的間接抗拉強度最大。 與水泥摻量為8%的純水泥固化土相比，水基聚合物摻量在0%~0.5%范圍內，復合固化土的強度均高于水泥固化土；當摻量>1.0%時，則會造成復合固化土強度低于水泥固化土。 總之，對于間接抗拉強度而言，水基聚合物存在一個合理的摻量范圍，使得復合固化土優于水泥固化土，最優的摻量為0.5%。

圖5 復合固化土的間接抗拉強度對比圖

在20 和50 ℃溫度下，復合固化土在養護24、168 h 時的間接抗拉強度均隨著水基聚合物摻量增加呈先增后減的趨勢，其中當水基聚合物摻量為0.5%時達到頂峰。 這是因為在摻量較低時，水基聚合物會促進水泥水化反應，使得復合固化土的間接抗拉強度增加。 但是，由于水基聚合物會使水化作用過快，水化產物后期反應不充分，過高的摻量會使得固化土間接抗拉強度降低。 而在相同的摻量下，50 ℃、168 h 養護條件下復合固化土的間接抗拉強度接近或大于20 ℃養護的2 倍，且水基聚合物摻量越高，溫度對復合固化土間接抗拉強度的提升效果越明顯。 同時，在50 ℃下養護24 h 的復合固化土間接抗拉強度接近或大于在20 ℃下養護168 h 的；當水基聚合物摻量為0.5%時，50 ℃、24 h 條件下間接抗拉強度與20 ℃、168 h 條件下間接抗拉強度之間的差值為－0.012，其差距不大，可忽略，表明提高溫度可有效提高間接抗拉強度，減少養護時間。

3 水基聚合物－水泥及固化土改性機理

3.1 水泥固化土改性機理

黏土的微觀結構包括黏土顆粒聚合物、土顆粒內孔隙及土顆粒間孔隙。 水泥固化土的改性作用主要包括水泥水化反應、火山灰反應和碳酸化作用[20]。 在水泥與水接觸后，固化土中的水泥發生水化反應，生成一系列的水化產物，呈凝膠狀附著于土顆粒表面，使相鄰土顆粒膠結成骨架。 由于土顆粒被包裹，可塑性和其他特性隨之降低，水泥水化反應后，水化產物的數量增加，混合料膠結強度也逐漸增強。 水化反應生成物為氫氧化鈣和少量的氫氧化鎂，水解后有大量鈣離子和少量鎂離子出現，與土顆粒表面的鈉離子、鉀離子發生離子交換反應，黏土顆粒因絮凝而結塊[21]。 土中的氫氧化鈣與空氣中的二氧化碳反應生成碳酸鈣，難溶于水，具有較高的強度與耐水性，其對土的膠結作用提高了土的強度。此外，碳酸鈣的固相體積略大于氫氧化鈣的固相體積，致使固化土體更加緊密。

3.2 水基聚合物固化土改性機理

由于水基聚合物本身的抗沖擊性能良好，所以其對復合固化土間接抗拉強度的增強效果明顯。 同時，水基聚合物固化劑由大量表面帶有親水基團(—COOR)的長鏈組成[22]，親水基團和碳分子長鏈分別形成親水和疏水基團，土顆粒表面分散了大量陽離子，如鈣離子、鎂離子等。 當水基聚合物與土顆粒混合，其表面的親水基團通過氫鍵作用與土顆粒形成緊密連接結構，疏水基團則通過擴散作用在土顆粒表面或空隙中，形成空間網狀結構，如圖6 所示，從而使土顆粒與水基聚合物固化劑之間產生物理或化學聯系，同時發生一定的物理或化學反應，使土顆粒成為一個緊密的整體，則固化土抵抗變形的能力顯著提高，即具有更大的屈服應力，無側限抗壓強度得到提高。

圖6 水基聚合物分子與土體相互作用示意圖

隨著養護溫度提高，固化土表面或空隙中的水分通過擴散或揮發而明顯減少，反應速度加快，物理或化學作用效果逐漸增強，由于水基聚合物中疏水基團包裹土顆粒，土體與水的接觸減少，水分被排擠，土顆粒間粘結程度提高，其整體性增強，固化土的強度也得到有效提高。

3.3 水基聚合物－水泥固化土強度發展機理

由于水泥對于土的間接抗拉強度與無側限抗壓強度提高有積極影響，其水化反應、火山灰反應、碳酸化反應均在堿性環境下效果優異，所以采用復合固化，將兩種反應協調促進的材料相繼加入固化土中，以期實現固化土強度改善最優解。

復合固化土在強度形成初期水基聚合物作用較小，其強度主要由水泥提供。 隨著養護時間的增長，水基聚合物的作用逐漸加強從而使復合固化土與水泥固化土間出現一定差異。 水基聚合物能夠提供一種堿性環境，促進鈣離子的溶解，使黏土顆粒進一步凝聚成尺寸較大的聚合體，同時黏土顆粒表面呈弱酸性的二氧化硅和氧化鋁溶解后與鈣離子發生火山灰反應，生成凝膠狀產物并結晶硬化，所以低濃度的水基聚合物添加劑可以通過提高土顆粒間黏結程度提高固化復合土的強度。 但高濃度的水基聚合物對固化復合土的強度有不利影響，原因在于聚合物濃度較高時，提供的強堿環境會導致水泥水化反應過快，水化產物過多，包裹未水化顆粒，妨礙了后期水化需要的離子擴散，減少了聚合物在水化作用吸附期與水的接觸和反應，導致反應減緩且后期水化漿體呈現多孔隙結構，其強度反而比聚合物濃度低的固化土的強度更低。

總之，水基聚合物存在一個最優配比，使復合固化土無側限抗壓強度和間接抗拉強度達到最大值，并非水基聚合物的摻量越高，復合固化土的強度越高，因此在實際工程實踐中，需嚴格控制復合固化土各配方的比例，切實保證道路施工的工程質量。

4 結論

以水基聚合物－水泥復合固化土為研究對象，探究了水基聚合物摻量和養護溫度對復合固化土的無側限抗壓強度和間接抗拉強度的影響規律，以及復合固化土的強度機理，主要得出以下結論:

(1) 水基聚合物摻量對無側限抗壓強度和間接抗拉強度表現出不同的影響規律。 對于無側限抗壓強度，低摻量水基聚合物對復合固化土的強度具有一定的促進作用，而過高摻量(>4.0%)的水基聚合物會產生不利影響。 當水基聚合物摻量為1.0%時，復合固化土的無側限抗壓強度最大。 同時，當養護溫度提高時，復合固化土的無側限抗壓強度隨之增長且增長速度加快，說明采用提高養護溫度的方法，能夠加快施工速度、縮短工期。

(2) 對于間接抗拉強度，較低的水基聚合物摻量對復合固化土間接抗拉強度有積極影響，過高的水基聚合物摻量(>1.0%)則對復合固化土間接抗拉強度產生不利影響，且固化劑摻量越高，間接抗拉強度越低。 當水基聚合物摻量為0.5%時，復合固化土的間接抗拉強度最大。 養護溫度越高，復合固化土的間接抗拉強度越高，且增長速度越快。

綜合分析，對于復合固化土的無側限抗壓強度和間接抗拉強度，最優摻量為8.0%水泥＋0.5%水基聚合物。