地聚合物加固软土力学性能及微观试验研究

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(1.温州市交通规划设计研究院，温州 325000； 2.长沙理工大学 交通经济研究所，长沙 410014)

1 研究背景

104国道温州西过境瓯海桐岭至瑞安仙降段改建工程，本线路部分路段经过的大部分为软土路基，表部为厚度1.1～2.9 m的黏土(硬壳层)，其下为较厚的淤泥、淤泥质土，饱和，流塑，具高孔隙比，高含水量，高压缩性，承载力低[1]等特点，属于典型的海相软土，需妥善处置方可满足工程建设的要求。以往在工程上,多用水泥作为固化剂来加固软土，以此减小地基沉降和变形，提高地基的承载能力。但对于某些土质，仅仅使用水泥加固的效果并不明显，从而局限了该方法的使用范围[2]。此外，该方法需使用大量水泥，水泥的生产会排放大量污染物，破坏环境。所以，找寻一种环保的、新型的，并且能适应于各类土质的固化剂，是土木工程软基处理领域亟待解决的重要课题。

近些年来，国内外众多学者都在研究一种名为地聚合物的碱激发胶凝材料[3-4]，该材料原材料具有来源广泛、工艺简单、价格低廉等优点，且除具有硅酸盐水泥所具有的较高力学性能外，还具有低收缩、低水化热、耐高温、比普通水泥更为优越的耐久性和抗腐蚀性[5]，并且地聚合物是一种绿色环保材料。因此，以温州地区软土作为研究对象，采用地聚合物作为固化剂，在室内对温州软土用地聚合物进行了加固试验，在养护7,28，60 d后进行了地聚合物土的直剪试验和无侧限抗压强度试验，获得了相关力学性能指标，并使用扫描电子显微镜(SEM)分析了加固软土的微观形貌；同时借助工业CT分析加固软土的孔隙结构分布，分析加固土的密实性。从宏观和微观的角度验证加入地聚合物的可行性，为地聚合物加固软土提供参考。

2 试验材料、方案与过程

2.1 试验材料

本次研究的试验用土为浙江省104国道温州西过境瓯海桐岭至瑞安仙降段改建工程软土，属于典型的海相软黏土，取样时先挖除地表面以下杂填土，将取回的土样经过烘干粉碎后，测试其基本物理参数如表1所示。

表1 温州软土的物理指标Table 1 Physical indexes of soft soil in Wenzhou

此外，固化剂采用DW型地聚合物，它是由硅、铝元素为主体的工业废渣、矿渣或粉煤灰等为原料，在强碱的激发作用下经过适当的工艺处理，并且在较低的温度条件下(50～80 ℃)，通过化学反应得到的由硅氧四面体和铝氧四面体构成的三维网络结构的聚合胶凝材料[1]。由于没有地聚合物相关性能指标标准，因此参照普通硅酸盐水泥标准[6]，其性能指标如表2所示。

表2 DW型地聚合物物理力学性能指标Table 2 Physical and mechanical properties ofDW type geopolymer

2.2 试验方案

本次室内试验采用地聚合物基准聚土比(地聚合物质量与软土湿土质量之比)，分别取10%，12%，14%[7]；根据天然含水率52%(水的质量与干土质量之比)检测试件龄期7，28，60 d的无侧限抗压强度试验和抗剪强度，并采集少量土样用扫描电子显微镜和工业CT进行试验，研究固化土样的微观结构特征及孔隙分布情况。

2.3 试验过程

2.3.1 试样制备和养护

根据上述试验方案，将取来的软土置于烘箱烘干，并将烘干的土样击碎，过5 mm筛，并将筛余的土置于密封桶中保存以做备用。

直剪试验试样由直径61.8 mm、高20 mm的环刀制备；无侧限抗压强度试样由70.7 mm×70.7 mm×70.7 mm的立方体试模制备。按照表3的配合比方案称取一定量的干土、地聚合物置于搅拌锅中，然后再按照相应的含水量及0.5的水灰比所需水量取适量水倒入，开动搅拌机搅拌均匀。每种比例的试块均制作3个平行试样。将试模内壁涂好机油，随后将搅拌好的土样分3次填充到试模内，每层振动2 min排除试块内气泡，直至填充完毕后用刮刀刮平，随后用塑料薄膜密封防止水分蒸发过快。48 h后，将成型试件拆模后置于标准养护箱((20±2)℃，湿度保持在75%左右)中养护至7,28，60 d设定龄期。环刀制样与上述类似。采集少量加固土样做扫描试验，养护条件相同。

表3 固化剂配合比Table 3 Mix ratio of curing agent

注：为了使误差降到最小，故试验次数3次

2.3.2 无侧限抗压强度试验与抗剪强度试验

当试件养护至规定龄期后，将试件取出至于水中浸泡24 h。试验设备为龙威LM-02型数字式液压测力仪，将浸泡过的试件依次置于下压力板，随后将上压力板缓慢旋转下移接触试件的上表面，开动压力机，将回油阀门关闭，送油阀门打开，待试件被压开裂，读取最大压力值；然后计算出试件最大抗压强度值，试验3次，在进行结果分析时，取平均值。

快剪试验设备为应变控制式直剪仪，先对准剪切容器上下盒，插入固定销，在下盒内放透水石和滤纸，然后将达到相应龄期的环刀试样刀刃向上对准剪盒口推入剪切盒内；移动转动装置使上盒前端钢珠刚好与测力计接触，依次加上传压板、加压框架，安装垂直位移测量装置，记录初始读数；根据工程实际分为100,200，300，400 kPa的垂直压力；因为试样为非饱和试样，固在加压板周围包湿棉花；随后拔出固定销立即开动秒表以0.8 mm/min的剪切速度进行；当测力计百分表读数不变或后退时，继续剪切位移至4 mm时停止，记录破坏值，试验结束后进行数据整理[8]。

2.3.3 电镜扫描试验与CT试验

将试样制备时采集的少量土样，在105 ℃烘箱内烘干后研磨粉碎，筛去较大颗粒，选取米粒大小表面平整的土样。电镜扫描试验开始前先将土样放置于小型离子溅射仪内镀一层金膜，以避免试样表面电荷聚集产生的放电现象，随之将镀金后的试样置于扫描范围内进行电镜扫描分析。试验设备为日本日立公司生产的S-3000N型扫描电子显微镜，其最大电压为30 kV，最大放大倍数能达到30万倍，最大分辨率5 nm。

CT试验所用的设备为德国YXLON公司生产的20105348型工业CT，最大加速电压320 kV，最小分辨率83 μm。将待测的试样依次放入CT仪载物平台的中间位置，在底部用双面胶固定后开始扫描即可。

3 试验结果及分析

3.1 宏观力学性能分析

待无侧限抗压强度试验及直剪试验完成后，试验结果见图1,表4。

从图1、图2看出：

(1)在同一龄期下，加固土样的强度随着地聚合物掺量(聚土比)的增加而随之增大；而在同等掺量配比下，加固土样的强度亦随着龄期的延长而增大。

图1 不同地聚合物掺入比情况下，地聚合物土抗压强度fcu随养护龄期T的变化与地聚合物掺入比Aw的关系Fig.1 Changes of compressive strength(fcu) of reinforced soil with different geopolymer dosages(Aw) against curing age(T)

表4 加固土样的试验效果Table 4 Test data of reinforced soil sample

(2)当掺加地聚合物的量相同时，在强度增长速度上，当养护龄期分别为7 d到28 d时、28 d到60 d时，后者增长速度远大于前者增长速度；当试件龄期相同时，在强度增长速度上，地聚合物掺量分别为12%到14%区间、10%到12%区间时，前者的强度增长远大于后者，可得知在地聚合物掺量为14%的情况下，同时具有足够长的龄期，能发挥其最大程度的作用。

(3)以龄期7 d数据为例，当地聚合物掺量由10%增加到12%时，其黏聚力、内摩擦角以及抗压强度分别提升了37%，10%，16%；当地聚合物掺量由12%增加到14%时，土样的黏聚力、内摩擦角和抗压强度分别提升了64%，13.5%，34%。由上可知，当其掺量由12%增加到14%时，强度增长幅度比掺量10%到12%强度增长幅度大。综合考虑，确定聚土比为14%时为最佳参配比例。从28 d数据同样可得到相关结论。

(4)以掺量10%数据为例，当地聚合物土养护龄期由7 d到28 d时，其黏聚力、内摩擦角以及抗压强度分别提升了31%，15.8%，162%；当养护龄期由28 d到60 d时，其黏聚力、内摩擦角以及抗压强度分别提升了102%，23.5%，224%。后者的强度增长幅度远大于前者，说明要想充分发挥地聚合物的加固效果还需要足够长的反应时间。从掺量12%数据也能得出相关结论。

由表4 可知：地聚合物土的黏聚力与内摩擦角随着无侧限抗压强度的提高而提高，呈线性相关关系。当fcu=0～4 730 kPa时。地聚合物土的黏聚力c=83.47～421.76 kPa,其内摩擦角一般在14.05°～20.73°之间。当无侧限抗压强度fcu在500～4 730 kPa时，抗剪强度大致为无侧向抗压强度的1/10～1/4,即τ=(1/10～1/4)fcu,并且随着fcu的增加，无侧限抗压强度与抗剪强度的比值有逐渐变小的趋势。考虑到强度的离散性，抗剪强度值取τ=0.25fcu。

3.2 微观试验性能分析

众所周知，材料的性能取决于材料的内部组成和结构，而材料所体现出的各种物理力学性能则与其微观结构密切相关[9]。为了更为深入地了解土样的宏观性能与微结构之间的关系，选取原状土以及28 d龄期下掺量为10%，12%，14%的加固土样通过SEM电镜扫描和CT扫描试验的手段得出的图样进行分析。

3.2.1 SEM电镜扫描试验结果

分别对试样a,b,c,d进行了电镜扫描测试，结果如图2所示。图2(a)—图2(d)为部分试样的SEM电镜扫描试样图片。

图2 加固土样SEM结构Fig.2 SEM images of reinforced soil samples

(1)图2(a)为温州原状土图片，从图中可以看出结构分布有较多密集的孔隙，其骨架较为松散，由形状不一的黏土矿物颗粒杂乱堆积而成。

(2)图2(b)为28 d龄期掺量10%地聚合物加固土样，从图中可以看出，原本松散密集的孔隙变得不再明显，土颗粒表面出现了一些长条状、絮状的白色晶体，粘附在部分孔隙上使得土体间的相互作用增强，强度得以提高。

(3)图2(c)为28 d龄期下掺量12%地聚合物加固土样，从图中可以看出，与图2(b)相比，条状、纤维状物质分布范围更大。这些物质填充于孔隙间，使得土样结构致密，而且也将周边的松散颗粒连接起来，提高了整体的强度。

(4)图2(d)为28 d龄期下掺量14%地聚合物加固土样，很明显能看出土体表面有大量如蜘蛛网般的白色结晶体，牢牢地捆绑覆盖在土体表面，使土颗粒与四周胶结成为了一个完整的整体。这是因为地聚合物水化所产生的凝胶状的类沸石前驱体，当这些类沸石前驱体脱水后即形成非晶相物质，并与土颗粒相互结合形成整体，于是土的结构特征由松散杂乱堆积变成了颗粒状胶结，孔隙大幅度减少，剪切、抗压和抗渗性能大幅提升。

3.2.2 CT试验结果分析

CT测试结果如图3所示，地聚合物掺量依次为10%，12%，14%，试件均为28 d龄期试件，图3为部分试样图片。本次CT试验所切的横截面高度分别为60 cm和70 cm[10]。

(a) 截面高度60 cm试件

(b) 截面高度70 cm试件图3 截面高度60 cm和70 cm试件CT测试结果Fig.3 CT test results of speciments with sectional height 60 cm and 70 cm

从图3可以很明显地看出：同一含水率下(含水率为49%的情况下)，随着地聚合物掺量的增加，试样的孔隙的量在逐渐减小，即孔隙率降低，大孔隙比例降低。这从一方面也说明了地聚合物对土体的填充作用，与SEM扫描结果亦相互验证。

另外亦能看出：当试样的地聚合物掺量一致时，同一试件的截面高度不同时，它的孔隙也不同，孔隙的发展并非贯穿整个试件。这说明孔隙的发展与试件的制作有着密切的关系。

CT试验结果进一步证明了地聚合物对土体的填充胶结作用，即在相同掺量和龄期下，尤其是反映后期大孔隙的减少，土体越加密实紧凑，自然土体的强度就提高了，这亦和之前的宏观抗剪强度、抗压强度以及SEM结果一致。

4 结 论

本文首先通过大量的无侧限抗压试验和直接剪切试验初步探讨了地聚合物对提高温州软土强度的效果。随后通过SEM电镜扫描和CT扫描试验，从微观角度分析了地聚合物加固软土对抗压、抗剪强度的影响，试验研究结论如下：

(1)地聚合物加固软土的强度增长规律表现为随着龄期和地聚合物掺入量的增加而增加，当聚土比为14%时可以获得比较好的效果。

(2)试验表明加固土样的抗剪强度与抗压强度表现为正相关的关系，在一定范围内黏聚力和内摩擦角随着抗压强度的提高而增大，抗压强度与抗剪强度的关系为τ=0.25fcu。

(3)SEM扫描试验表明地聚合物反应后对土体产生了胶结和填充作用，能提高软土的密实性；CT扫描试验表明地聚合物能减少土体的孔隙，降低孔隙率。

综上所述，用地聚合物加固软土地基，能够大幅度提高软土的强度，可以在实际工程中进行推广应用。