吳文飛，張紀(jì)陽，何　銳，陳華鑫

(1.長安大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，西安　710061；2.長安大學(xué)交通鋪面材料教育部工程研究中心，西安　710061)

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固化劑改良水泥穩(wěn)定黃土強(qiáng)度及水穩(wěn)性研究

吳文飛1,2，張紀(jì)陽1,2，何銳1,2，陳華鑫1,2

(1.長安大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，西安710061；2.長安大學(xué)交通鋪面材料教育部工程研究中心，西安710061)

為了研究水泥及微量固化劑對黃土路基強(qiáng)度及水穩(wěn)性的影響，選擇3個(gè)水泥摻量(6%、7%和8%)和4種固化劑(M1、M2、M3和M4)，測試3個(gè)水泥摻量下黃土的7 d無側(cè)限抗壓強(qiáng)度，在8%的水泥摻量下分別加入0.2%和2%的4種固化劑，測試其7 d無側(cè)限抗壓強(qiáng)度、滲水系數(shù)K20和30 min沖刷量，并結(jié)合分別加入4種微量固化劑的黃土試件微觀形貌圖，分析固化劑改善水泥穩(wěn)定黃土的機(jī)理。結(jié)果表明，水泥穩(wěn)定能大幅提高黃土強(qiáng)度；4種固化劑成份體系不同，對水泥穩(wěn)定黃土的主要作用機(jī)制也不同，主要包括離子交換作用、火山灰作用、化學(xué)反應(yīng)生成Friede晶體改善作用和膨脹填充作用；固化劑類型對土壤有一定的適應(yīng)性，不同土壤類型需要有選擇的使用固化劑類型；各類固化劑改善黃土方式并不只是通過單一作用，而是主要機(jī)制不同的多種作用復(fù)合發(fā)生；對黃土的改善途徑主要是通過提高土體顆粒粘聚性或生成更多、更強(qiáng)的水化產(chǎn)物提高強(qiáng)度或填充孔隙提高密實(shí)性。

黃土； 固化劑； 水泥穩(wěn)定； 路基

1　引　言

我國黃土面積占國土總面積的6.3%，主要分布于陜西、青海、甘肅、寧夏及內(nèi)蒙古等西北部地區(qū)。隨著我經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展及國家西部大開發(fā)戰(zhàn)略的推行，這些黃土地區(qū)高速公路的修建開始快速增加。黃土作為公路路基材料使用具有強(qiáng)度高、壓縮性小等優(yōu)點(diǎn)，但是遇水特別容易沉降，造成路基出現(xiàn)變形、坍塌等破壞。因此提高黃土路基的穩(wěn)定性，預(yù)防其發(fā)生濕陷性和滲透性破壞對于提高公路質(zhì)量至關(guān)重要。常用的土壤加固方法包括機(jī)械加固法、熱處理加固法、化學(xué)加固法、瀝青加固法、加筋加固法、注漿加固法和生物酶固化劑加固法等[1-3]，而對于黃土路基處理目前常用的是機(jī)械加固與化學(xué)加固協(xié)同使用。張洪亮從力學(xué)角度分析，提出了以回彈模量和壓實(shí)度雙控的黃土路基壓實(shí)標(biāo)準(zhǔn)[4]；景宏君[5]研究了采用沖擊壓實(shí)的方法改善黃土地區(qū)公路路基壓實(shí)度和強(qiáng)度，認(rèn)為沖擊壓實(shí)能有效提高路基整體強(qiáng)度改善黃土路基的穩(wěn)定性；魏公權(quán)[6]采用添加土壤固化劑方法改善黃土的強(qiáng)度、水穩(wěn)定性及滲透性等，對比了素黃土、石灰加固土和復(fù)合加固土的性能，認(rèn)為固化劑能大幅改善黃土性能。本文研究了固化劑對水泥穩(wěn)定黃土強(qiáng)度、水穩(wěn)性及濕陷性的影響，分析了固化劑對水泥穩(wěn)定黃土的增強(qiáng)及抗水毀性的作用機(jī)理。

2　試　驗(yàn)

2.1原材料

內(nèi)蒙古蒙西水泥廠生產(chǎn)P·O 42.5R普通水泥，技術(shù)指標(biāo)見表1；黃土取自陜西省延安市吳起縣鐵邊城鎮(zhèn)，黃土的物理力學(xué)性質(zhì)見表2，土顆粒組成見表3；固化劑采用課題組自主研發(fā)產(chǎn)品，包括四種編號分別為M1、M2、M3和M4，4種固化劑主要成份見表4；拌和采用可飲用自來水。

表1　水泥物理性能指標(biāo)

表2　黃土物理力學(xué)性能

表3　黃土顆粒組成

表4　固化劑主要成份

續(xù)表

2.2試驗(yàn)方法

圖1　干密度與含水率二次擬合曲線Fig.1　Dry density and moisture content of quadratic curve fitting

為排除素土材料風(fēng)干程度不同而對擊實(shí)試驗(yàn)測定最佳含水率和最大干密度產(chǎn)生影響，試驗(yàn)前將素土置于110 ℃烘箱烘烤12 h。按照《公路工程無機(jī)結(jié)合料穩(wěn)定材料式樣規(guī)程》(JTG E51-2009)無機(jī)結(jié)合料穩(wěn)定材料擊實(shí)試驗(yàn)甲類方法(T0804-1994)進(jìn)行擊實(shí)試驗(yàn)。試驗(yàn)每個(gè)水泥摻量預(yù)定5個(gè)含水率，分別為9%、11%、13%、15%和17%，將試驗(yàn)結(jié)果各點(diǎn)采用二次曲線方法擬合曲線如圖1所示。根據(jù)圖1確定每個(gè)水泥摻量下的最佳含水率如表5所示，在最佳含水率條件下按規(guī)范要求成型φ50 mm×50 mm圓柱形試件用于強(qiáng)度測試，φ150 mm×150 mm圓柱形試件用于滲水系數(shù)及抗沖刷測試。不摻固化劑的水泥穩(wěn)定黃土參數(shù)見表5，將成型好后的試件放入溫度為(20±2) ℃、濕度大于95%的養(yǎng)護(hù)室養(yǎng)護(hù)至7 d，其中無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試件最后一天浸水。

表5　不摻固化劑的水泥穩(wěn)定黃土參數(shù)

采用壓力機(jī)測試圓柱形試件7 d無側(cè)限抗壓強(qiáng)度，將已浸水一晝夜的試件從水中取出，用軟布吸去試件表面的水分，將試件放于壓頭正中央位置加壓，記錄數(shù)據(jù)。為研究固化劑對水泥穩(wěn)定黃土水穩(wěn)定性的影響，采用變水頭法按規(guī)范(JTG E51-2009)進(jìn)行固化劑改良水泥穩(wěn)定黃土滲透系數(shù)的測試，用以評價(jià)固化劑對水泥穩(wěn)定黃土滲透性的改善效果。

水泥穩(wěn)定黃土抗沖刷試驗(yàn)試件為φ150 mm×150 mm圓柱形，按照最大干密度和最佳含水量及98%壓實(shí)度，采用靜力壓實(shí)成型法制備試件，成型好后將試件置于標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室養(yǎng)護(hù)28 d，試件養(yǎng)生結(jié)束后將試件浸水24 h，按規(guī)范(JTG E51-2009)進(jìn)行沖刷試驗(yàn)，沖刷時(shí)間為30 min，記錄試件質(zhì)量損失。

3　結(jié)果與討論

3.1固化劑改善水泥穩(wěn)定黃土抗壓強(qiáng)度

圖2　水泥摻量對黃土無側(cè)限抗壓強(qiáng)度的影響Fig.2　Effect of cement content on unconfined compressive strength of loess

水泥摻量對黃土無側(cè)限抗壓強(qiáng)度的影響如圖2所示，水泥的摻入能大幅提高黃土抗壓強(qiáng)度，并且隨著摻量的增加抗壓強(qiáng)度逐漸增大，當(dāng)達(dá)到7%時(shí)強(qiáng)度增長趨于穩(wěn)定，因此建議水泥穩(wěn)定黃土基層水泥摻量設(shè)為8%。由表6所示的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度測試結(jié)果可以看出，通過加入微量固化劑能顯著提高水泥穩(wěn)定黃土的抗壓強(qiáng)度，最大能提高0.27 MPa，相當(dāng)于將水泥摻量提高2%。4種固化劑成份不同對黃土增強(qiáng)方式和作用結(jié)果也不同，強(qiáng)度由高到低依次為M2>M3>M1>M4，并且多組數(shù)據(jù)結(jié)果標(biāo)準(zhǔn)差小，說明黃土、水泥、水和固化劑所形成混合體系均勻，水泥水化物晶體形成的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)勻稱，黃土內(nèi)部沒有薄弱區(qū)域，這樣間接提高了整體強(qiáng)度。

當(dāng)水泥與黃土、水混合后，水泥顆粒分散于黃土顆粒體系內(nèi)被黃土顆粒包裹，由于黃土滲透性強(qiáng)，水透過黃土與水泥顆粒接觸發(fā)生水化，生成水化硅酸鈣、水化鋁酸鈣和水化硫鋁酸鈣等凝膠狀水化物，這些水化物與黃土中礦物的活性成份反應(yīng)生成片狀、纖維狀或針狀晶體，這些水化物晶體互相交錯(cuò)，在黃土中形成穩(wěn)定的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)[7,8]。將水泥摻量由6%提高至7%，黃土中水泥水化物晶體形成的空間網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)變密集，黃土內(nèi)部大部分孔隙被填充，強(qiáng)度增長較快，繼續(xù)提高水泥摻量，雖然水化物晶體形成的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)更加密集，但是這些網(wǎng)格強(qiáng)度有限，因此水泥穩(wěn)定黃土強(qiáng)度增長變緩。加入微量固化劑后，能間接促進(jìn)或直接參與反應(yīng)生成水化物晶體，這樣不僅提高了黃土強(qiáng)度而且還能填充黃土內(nèi)部孔隙，提高密實(shí)度。

表6　無側(cè)限抗壓強(qiáng)度

3.2固化劑對水泥穩(wěn)定黃土的抗水毀性的影響

濕陷性是黃土顆粒組成的最大特征之一，黃土顆粒之間接觸不夠緊密，土層浸濕時(shí)在自重及外力作用下容易沉陷和坍塌，因此提高黃土路基的抗水毀性和穩(wěn)定性對提高公路質(zhì)量至關(guān)重要，本文采用滲水試驗(yàn)和抗沖刷試驗(yàn)評價(jià)水泥穩(wěn)定黃土的濕陷性和抗水毀性。滲水試驗(yàn)結(jié)果如表7和圖3所示，隨著養(yǎng)護(hù)齡期的增加水泥穩(wěn)定黃土滲水系數(shù)呈遞減趨勢，并且逐漸趨于穩(wěn)定。由于水泥水化程度加深，水泥水化物逐漸增多，水泥、黃土和水組成體系內(nèi)空隙被水泥水化物填充，滲水系數(shù)下降，水泥在前14 d內(nèi)水化程度能達(dá)到85%以上，因此由圖3所示0～14 d養(yǎng)護(hù)期內(nèi)曲線下降較快，之后趨于平緩。4種固化劑對滲水系數(shù)的影響步調(diào)基本一致，都能有效提高水泥穩(wěn)定黃土的抗?jié)B性，28 d滲水系數(shù)改善效果M2>M3>M1>M4。對于添加M4型固化劑的黃土試件由于其CaSO4對水泥水化起緩凝作用，3 d的滲水系數(shù)最大，之后隨著水泥水化程度的加深到第7 d滲水系數(shù)開始小于不添加固化劑的空白組，但是差距不大。

表7　不同固化劑和齡期的水泥穩(wěn)定黃土滲水系數(shù)K20×10-6

圖3　水泥穩(wěn)定黃土滲水系數(shù)隨齡期的變化Fig.3　Changes in cement stabilized loess permeability coefficient with curing age

由表8可以看出，固化劑能大幅提高水泥穩(wěn)定黃土的抗沖刷能力，但是M1、M2、M3和M4之間效果差距不大，4種固化劑平均減少沖刷量40.12 g，微量固化劑的添加能很好的改善水泥穩(wěn)定黃土的抗水毀壞性能?？顾畾耘c組成成份在水中溶解性、密實(shí)度及黃土與粘結(jié)材料粘結(jié)強(qiáng)度有關(guān)，水泥穩(wěn)定黃土在受到動水沖刷時(shí)，水泥水化產(chǎn)物中氫氧化鈣不斷溶于水中被動水帶走，由于氫氧化鈣的流失其它水化產(chǎn)物也開始分解，如水化硅酸鈣和水化鋁酸鈣會分解成膠結(jié)能力較差的硅膠SiO2·nH2O和鋁膠Al(OH)3，這樣由于水泥水化產(chǎn)物的流失，黃土顆粒之間粘結(jié)強(qiáng)度變?nèi)?，裸露于表面的顆粒被帶走，30 min質(zhì)量損失達(dá)103 g。當(dāng)加入固化劑后，提高了黃土內(nèi)部Ca2+濃度，部分游離的Ca2+溶入水中使水質(zhì)變硬，減緩了Ca(OH)2在水中的溶解，另外由水泥水化產(chǎn)物與固化劑作用生成的Friede晶體鹽或黃土中活性礦物直接與固化劑作用生成的硅酸鈣、鋁酸鈣等難容產(chǎn)物，不僅提高了整體密實(shí)度同時(shí)能將Ca(OH)2晶體包裹在內(nèi)部，阻止其被水帶走，使改良后的黃土抗沖刷能力大幅提高。

表8　水泥穩(wěn)定黃土抗沖刷試驗(yàn)結(jié)果

3.3微量固化劑改良水泥穩(wěn)定黃土機(jī)理微觀分析

M1、M2、M3和M4四種黃土固化劑是由多種無機(jī)、有機(jī)材料混合而成的用以改善黃土性能的復(fù)合添加劑材料，其固化黃土本質(zhì)是通過與黃土顆粒、水及水泥顆粒之間發(fā)生物理化學(xué)反應(yīng)，改善黃土顆粒之間的接觸面積，強(qiáng)化黃土顆粒間的連接結(jié)構(gòu)，其固化機(jī)理包括膠體化學(xué)、結(jié)構(gòu)力學(xué)和黃土化學(xué)等作用[9]。黃土疏松多孔，在自然微觀狀態(tài)下呈現(xiàn)絮狀結(jié)構(gòu)(圖4a)，強(qiáng)度及抗水性極差。當(dāng)加入水泥后水泥水化物不僅可以提高黃土密實(shí)性而且能使黃土形成一定的強(qiáng)度。水泥穩(wěn)定黃土強(qiáng)度主要來源于水泥與黃土中活性礦質(zhì)成份發(fā)生水化反應(yīng)生成一系列水化產(chǎn)物，如C-S-H、Ca(OH)2等，這些針狀、片狀水化產(chǎn)物相互穿插縱橫交錯(cuò)形成空間網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)(圖4b)，提高黃土的強(qiáng)度和韌性，但是由于水泥比例有限，這樣的強(qiáng)度往往還不能滿足一般公路基層強(qiáng)度要求，所以還需要添加一些微量的固化劑。M1、M2、M3和M4成份不同作用機(jī)理也不同，主要包括離子交換作用，含Ca2+的無機(jī)鹽溶液和溶膠(如Ca(OH)2溶膠)固化劑的火山灰作用，含氯離子固化劑的化學(xué)固化作用和含CaSO4固體粉末固化劑的膨脹填充作用。

圖4　添加不同固化劑下黃土微觀形貌圖(a)絮狀素黃土；(b)水泥穩(wěn)定黃土；(c)M1；(d)M2；(e)M3；(f)M4Fig.4　SEM images of add different firming agent loess

由于離子交換作用，黃土顆粒表面吸附了大量Na+、K+金屬離子，在其表面形成吸附層，當(dāng)加入固化劑后電離產(chǎn)生的Ca2+、Mg2+和Al3+等離子與吸附層上的Na+、K+離子進(jìn)行交換，從而降低黃土顆粒電勢φ，減薄黃土膠粒雙電層厚度使黃土顆粒聚集成團(tuán)，提高水泥穩(wěn)定黃土強(qiáng)度，并且離子交換量受外界環(huán)境的影響，隨著PH值的增加交換量減少，因此不同土壤類型需要調(diào)整固化劑配方，以達(dá)到最佳的固化效果。同時(shí)加入的Ca2+、Mg2+和Al3+離子有助于水泥水化，提高水泥石與黃土顆粒的界面強(qiáng)度，離子交換方程式為：

Ca2+(Mg2+、Al3+)+2(3)Na+(K+)-黃土顆粒→Ca2+(Mg2+、Al3+)-黃土顆粒+2(3)Na+(K+)

此外通過離子交換還能使黃土毛細(xì)管、黃土孔隙及表面張力引起的吸水作用降低，使得通過改善過的黃土由“親水性”變?yōu)椤霸魉浴?，在靜壓或振動壓實(shí)成型后，黃土界面變得光滑斷口上呈現(xiàn)“鱗片”狀(圖4c)，這樣不僅提高了黃土強(qiáng)度而且較低的孔隙率使其抗?jié)B性和抗水毀性都得到了有效的改善。

固化劑中重要離子成份Ca2+，這些Ca2+與水電離出來的微量OH-發(fā)生水解反應(yīng)生成Ca(OH)2溶膠如式(1)所示，Ca(OH)2溶膠能與黃土中的礦物成份SiO2、Al2O3發(fā)生反應(yīng)，逐步生成C-S-H、鋁酸鈣等物質(zhì)如式(2)所示，從而表現(xiàn)出火山灰作用。隨著Ca(OH)2濃度的減少水解平衡方程式(1)繼續(xù)往右進(jìn)行，隨著養(yǎng)護(hù)齡期的增長，生成的C-S-H、鋁酸鈣越來越多，這樣相當(dāng)于間接提高了水泥用量，并且這些反應(yīng)持續(xù)時(shí)間長，只要有多余的Ca2+反應(yīng)就會持續(xù)進(jìn)行，反應(yīng)產(chǎn)物待水泥基本完全水化后能有效填充內(nèi)部孔隙，形成密實(shí)黃土結(jié)構(gòu)(圖4d)。

Ca2+H2O?Ca(OH)2(溶膠)+H+

(1)

xCa(OH)2+ SiO2+n H2O→xCaO·SiO2·(n+x)H2O

yCa(OH)2+ Al2O3+nH2O→yCaO·Al2O3·(n+y) H2O

(2)

化學(xué)固化作用，當(dāng)加入氯離子類固化劑M3時(shí)，氯離子將會與水泥水化生成的氫氧化鈣結(jié)合生成CaCl2，之后生CaCl2再與未水化的C3A共同作用生成Friede晶體鹽(C3ACaCl2·10H2O)[10-12]，其基本化學(xué)反應(yīng)方程式如式(3)所示，F(xiàn)riede鹽(圖4e)的生成能有效提高黃土強(qiáng)度，并且氯鹽的存在能在黃土內(nèi)部形成膨脹性的低鈣凝膠，這些凝膠在黃土固化形成初期使其內(nèi)部發(fā)生膨脹提高強(qiáng)度。

2(C3)S+6H2O→C3S2H+3Ca(OH)2

Ca(OH)2+2Cl-?CaCl2+2OH-

C3A+3CaCl2+10H2O?3CaO·Al2O3·CaCl2·10H2O(單氯型氯鋁酸鈣)

C3A+3CaCl2+32H2O?3CaO·Al2O3·3CaCl2·32H2O(三氯型氯鋁酸鈣)

(3)

膨脹填充作用，硫酸鹽類固化劑M4中石膏(CaSO4)，它能與水泥水化反應(yīng)生成的水化鋁酸鈣或與氫氧化鈣和活性Al2O3反應(yīng)生成高硫型的水化硫鋁酸鈣(AFt)[13-15]，反應(yīng)方程式如式(4)所示，AFt(圖4f)能沿孔隙結(jié)晶成柱狀或針刺狀晶體，其固相體積可以膨脹120%左右，這樣不僅填充了土體內(nèi)部空隙，同時(shí)由于其體積的膨脹使黃土顆粒之間相互擠壓，增大了顆粒之間的接觸面積，由與孔隙量的減少及內(nèi)部土體顆粒之間內(nèi)摩阻力的增加，固化的黃土強(qiáng)度也隨之升高。

3CaO·Al2O3·mH2O+CaSO4+(32-m)H2O→3CaO·Al2O3·3CaSO4·32H2O

3Ca(OH)2+Al2O3+3CaSO4+29H2O→3CaO·Al2O3·3CaSO4·32H2O(AFt)

(4)

4　結(jié)　論

(1)水泥穩(wěn)定能大幅提高黃土無側(cè)限抗壓強(qiáng)度，6%的水泥摻量能把黃土從0.14 MPa提高至2.13 MPa，并且隨水泥摻量的增加強(qiáng)度升高；

(2)微量固化劑的摻入不僅能提高水泥穩(wěn)定黃土的強(qiáng)度，同時(shí)還能有效改善黃土的抗水毀性能，通過試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)M1、M2、M3和M4四種固化劑的作用效果不同，改善效果由強(qiáng)變?nèi)跻来螢镸2>M3>M1>M4，固化劑類型對土壤有一定的適應(yīng)性，對于特定土壤類型需要有選擇性的使用固化劑才能達(dá)到最優(yōu)效果；

(3)4種固化劑成份各不相同，作用機(jī)理也不一樣，主要包括離子交換作用、火山灰作用、化學(xué)反應(yīng)生成Friede晶體改善作用和膨脹填充作用，各類固化劑改善黃土方式并不只是通過單一作用，而是主要機(jī)制不同的多種作用復(fù)合發(fā)生，如生成Friede鹽不僅提高了黃土強(qiáng)度同時(shí)也起了類似于AFt的膨脹填充作用。

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Firming Agent to Improve Strength and Water Stability of Stabilized Loess with Cement

WUWen-fei1,2，ZHANGJi-yang1,2，HERui1,2，CHENHua-xin1,2

(1.School of Materials Science and Engineering,Chang’an University,Xi’an 710061,China;2.Engineering Research Center of Transportation Materials of Ministry of Education,Chang’an University,Xi’an 710061,China)

In order to study the impact of cement and trace firming agent to loess subgrade strength and water stability, chose three cement content (6%, 7% and 8%), and four kinds of firming agent (M1, M2, M3 and M4), tested 7 d unconfined compressive strength under three cement content. Added 0.2% and 2% of the four kinds of curing agents under 8% of cement content to tested 7 d unconfined compressive strength, permeability coefficientK20and 30 min erosion volume. Further combined with morphology diagram of loess specimens that were added four kinds of firming agent to analyze the mechanism of the firming agent to improve the stability of cement loess. The results showed that a substantial increase in cement stabilized loess strength. There are different component systems of four kinds of firming agent which pay a various role in improving properties of stabilized loess with cement, including ion exchange, the role of volcanic ash, Friede crystals produced by chemical reaction that have improvement and expansion filler effects. Firming agent have a certain type of soil adaptability that different soil types need to use a suitable firming agent, all kinds of firming agent to improve the loess is not just a single action mode, but through different actions, the main way to improve the loess by improving the cohesiveness of loess particles or generate more and stronger hydration products to improve the strength or filled porosity to increase compactness.

loess;firming agent;cement stabilized;subgrade

高等學(xué)校博士學(xué)科點(diǎn)專項(xiàng)科研基金資助課題(20130205110013)；浙江省交通運(yùn)輸廳科研計(jì)劃項(xiàng)目(2014H38)；青海省重大科技專項(xiàng)計(jì)劃項(xiàng)目(2014-GX-A2A)；長安大學(xué)中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)資金資助(310831162001,310831161001)

吳文飛(1989-)，男，碩士研究生.主要從事耐久性路面結(jié)構(gòu)與材料方面的研究.

何銳，博士，副教授.

TQ172

A

1001-1625(2016)07-2159-07