水泥高分子改良固化土的室内试验研究

仇小东，李 锋，钱晓彤

(1. 南通市公路事业发展中心，南通 226001； 2. 苏交科集团股份有限公司，南京 211112；3. 河海大学 岩土力学与堤坝工程教育部重点实验室，南京 210098)

随着公路基础设施的快速发展，多年来的开山取石、挖河采砂对生态环境造成了严重破坏。矿石资源的紧缺导致砂、石价格有所提高，也增加了公路基础设施的建设成本。各级政府部门高度重视低碳环保节能减排工作，明确提出了加快建设资源节约型、环境友好型社会的要求。目前常规做法是采用石灰、水泥或石灰粉煤灰等无机结合料对土壤进行加固处理，以代替石材用于公路建设中的道路路基或底基层材料。Kamon[1]使用生石灰与污泥混合后产生的副产品对土壤进行固化。结果表明，固化过程中，土壤颗粒之间产生大量的钙矾石，这些钙矾石增强了固化土强度，尤其是高含水率的土样。李秉宜等[2]采用石灰和水泥改良高液限黏土，试验结果表明，其水稳定性得到显著提升，较高掺量的石灰和水泥改良高液限黏土在干湿循环作用下，无侧限抗压强度几乎不变或衰减较小，在多次循环后仍保持较高强度。

许多学者采用有机高分子材料对土壤进行改良。朱志铎等[3]采用自主研发的SEU-2型固化剂稳定粉质土路基，通过现场和室内试验研究发现，掺加SEU-2型固化剂可显著提升粉性土的无侧限抗压强度和水稳性，减小其收缩变形，掺加4% SEU-2型固化剂能满足路基的各项技术指标要求，是较为合理的加固粉性土路基的方案。孔繁轩等[4]采用一种新型高分子固化剂加固砂土，通过室内标准固结试验，研究了高分子固化剂浓度和试件干密度对改良砂土压缩性能和抗渗性能的影响。结果表明，随着试件的养护，高分子固化剂溶液由液态转变为固态，在砂粒之间形成一张“固化网”，将分散砂粒相互连接为整体，充分填充了砂粒之间的孔隙，使得砂粒之间更加紧密，显著增强了固化土的抗渗性能。刘瑾等[5]利用聚氨酯型固化剂改良表层砂土抗渗透特性，结果表明，该固化剂可以在很大程度上提高砂土的抗渗透性能。王银梅等[6]采用新型高分子材料SH固化剂固化黄土，提高其抗冲刷性能，结果表明改良效果显著。

目前大部分固化土的研究集中在只利用无机固化剂或有机固化剂，将两种固化剂结合使用的研究较少，且主要针对改良土的抗渗性和无侧限抗压强度，对固化土在循环动荷载作用下的疲劳性能研究较少。因此，本文利用水泥和新型有机高分子固化剂(LY-1)对黏土进行填料化改良，研究改良前后土体的回弹模量、抗渗性和抗疲劳性等参数变化，以期为指导土体的填料改良提供理论依据。

1 试验材料

试验所用土取自江苏省南京市黏土，试验用土理化指标如表1所示。

表1 试验用土理化指标

所用无机材料为42.5级硅酸盐水泥，LY-1型有机高分子固化剂为黄色透明液体，其以天然植物、矿物提取物为主要原料，以水分散体系形式呈现。LY-1型固化剂组成成分如表2所示。

表2 LY-1型固化剂组成成分

2 试验设计

设置4%水泥+0.3 L/m3LY-1为试验组，另外选取水泥掺量4%、6%和8%为对照组，进行对比研究。按照《公路工程无机结合料稳定材料试验规程》(JTG E51—2009)[7]要求进行回弹模量试验、抗渗试验和疲劳试验。其中疲劳试验仅进行4%水泥和4%水泥+0.3 L/m3LY-1型固化剂的对比试验。

回弹模量试验采用杠杆压力仪法，制备试件和养生，按50 kPa、100 kPa、150 kPa、200 kPa和225 kPa 逐级进行加载和卸载，并记录千分表读数，直至最后一级荷载，共进行3次平行试验，每次试验结果与回弹模量均值之差应不超过5%。最后按公式计算回弹模量。

抗渗试验试件制作采用静压成型法，试件为150 mm(直径)×150 mm(高度)的圆柱体试件，每组试件的数量为6个，试件养生温度(20±2)℃，湿度>95%，标准养生27 d，浸水1 d后进行抗渗试验。

疲劳试验试件是尺寸为50 mm×50 mm×200 mm 的小梁试件。养护90 d后，参考《公路工程无机结合料稳定材料试验规程》(JTG E51—2009)[7]中无机结合料弯拉强度试验方法采用三分点加载方式测定试件弯拉强度，试验中以控制应变方式进行加载，加载速率为50 mm/min，直至破坏。

参考《公路工程无机结合料稳定材料试验规程》(JTG E51—2009)[7]中无机结合料稳定材料疲劳试验方法进行疲劳测试，采用三分点加载法，施加动态周期性Havesine波压应力测定试件疲劳性能。

3 试验分析

3.1 回弹模量试验

对两种试件的5个试验点进行线性拟合，回弹变形与单位压力相关关系如图1所示。通过计算得到4%水泥试件的回弹模量为177 MPa，4%水泥+0.3 L/m3LY-1型固化剂试件回弹模量为213 MPa，相比4%水泥试件回弹模量增加了20.3%。结果表明，高分子固化剂增加了土壤颗粒之间的黏结力，使得改良后的固化土具有较高的回弹模量。

(a) 水泥

3.2 抗渗试验

通过抗渗试验测得两种固化土试件的渗透系数，抗渗试验结果如表3所示。4%水泥试件的渗透系数为6.51×10-5cm/min，4%水泥+0.3 L/m3LY-1型固化剂试件的渗透系数为2.28×10-6cm/min，与8%水泥试件的渗透系数相近。结果表明高分子固化剂显著提升了固化土的抗渗性能。

表3 抗渗试验结果

3.3 疲劳试验

采用三分点加载法测定了两种固化土的弯拉强度，疲劳试验结果如表4所示，4%水泥试件的破坏荷载为410 N，弯拉强度为0.55 MPa，而4%水泥+0.3 L/m3LY-1型固化剂试件的破坏荷载为880 N，弯拉强度为1.06 MPa，结果表明，LY-1型固化剂加入后，较4%水泥试件的破坏荷载和弯拉强度分别提升了114.6%和92.7%。

表4 疲劳试验结果

三分点疲劳试验加载参数及试验结果如表5所示，同等荷载水平下，4%水泥+0.3 L/m3LY-1型固化剂试件的疲劳强度提高，试件未破坏，表面未见明显损伤，体现其良好的抵抗动态荷载的能力。

表5 三分点疲劳试验加载参数及试验结果

4 微观机理分析

固化土的宏观力学特性在很大程度上受到其微观结构的影响。本研究对固化后的黏土进行电镜扫描(SEM，scanning electron microscope)试验，可得到土样的微观照片，并对其微观结构进行分析，研究固化土力学性质变化机理。两种固化土的扫描电镜图如图2所示，放大倍数为10 000倍，试件的养护龄期为7 d。

(a) 4%水泥

由图2可知，加入LY-1型固化剂后，土壤颗粒之间黏结更加紧密，胶结物质填充颗粒间孔隙，显著降低了空隙率。水泥与高分子固化剂在固化土内部发生一系列反应，水泥水化反应生成了C-S-H胶体，高分子固化剂中的水性聚合物在土壤混合搅拌过程中均匀分散在土壤胶体中，经固化形成均匀的分子网络结构，两者生成的胶结物质相互搭接，填充孔隙，包裹土壤颗粒，显著提升固化土的抗渗透能力和抗回弹能力。由高分子固化剂反应形成的填充物质，其韧性大于水泥的水化产物，因而在固化土受反复动荷载时，该部分填充物质能够承担大部分疲劳荷载，从而提升固化土在动荷载下的强度特性。

5 结论

本文利用水泥和一种新型有机高分子材料对黏土进行改良，对改良后固化土的回弹特性、抗渗性和抗疲劳性能进行了试验研究，对比纯水泥固化土和水泥与高分子固化剂联合固化土，主要结论如下：

(1) 外加0.3 L/m3LY-1型固化剂试件回弹模量较单掺4%水泥的固化土增加了20.3%，与6%水泥试件的弹性模量相近。

(2) 高分子固化剂的加入使水泥土渗透系数显著提升，掺入4%水泥+0.3 L/m3LY-1型固化剂试件的渗透系数与8%水泥试件的渗透系数相近。

(3) 加入高分子固化剂后，4%水泥+0.3 L/m3LY-1型固化剂试件的三分点加载破坏荷载和弯拉强度较4%水泥试件提高了1倍。疲劳试验加载后，前者疲劳强度提高，试件未破坏，表面未见明显损伤，抗动态荷载性能良好。

(4) 通过扫描电镜发现，4%水泥+0.3 L/m3LY-1型固化剂试件中的水性聚合物经固化形成均匀的网络结构，生成的胶结物质填充孔隙，具有更高的密实度。