朱祎坤 俞峰 陳鑫 江正兵

摘 要： 為研究高分子固化劑對(duì)水泥土強(qiáng)度的影響，對(duì)不同高分子固化劑摻量和土質(zhì)條件下的水泥土進(jìn)行室內(nèi)無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)，從宏觀上分析高分子固化劑對(duì)水泥土強(qiáng)度的影響規(guī)律；結(jié)合X射線衍射測(cè)試和掃描電鏡測(cè)試，從微觀結(jié)構(gòu)上揭示高分子固化劑作用機(jī)理，分析高分子固化劑摻量和土質(zhì)對(duì)水泥土強(qiáng)度的影響。宏觀分析結(jié)果表明：在粉質(zhì)黏土中，高分子水泥土的抗壓強(qiáng)度高于普通水泥土，在粉土中兩者強(qiáng)度相近，且兩種土質(zhì)中高分子固化劑摻量變化對(duì)水泥土強(qiáng)度影響較??；高分子水泥土在粉質(zhì)黏土中的韌性表現(xiàn)優(yōu)于普通水泥土；高分子水泥土在粉質(zhì)黏土中的破壞應(yīng)變大于普通水泥土；高分子水泥土在兩種土質(zhì)中的強(qiáng)度不隨高分子固化劑摻量的增加而增加。微觀測(cè)試結(jié)果表明：高分子水泥土在粉土中生成較多低硬度礦物成分；高分子水泥土內(nèi)存在的高分子固化膜，對(duì)土顆粒進(jìn)行包裹、填充與連接，增強(qiáng)了土顆粒之間的黏結(jié)。該結(jié)果可為地基處理材料相關(guān)研究提供一定的參考。

關(guān)鍵詞： 高分子固化劑；水泥土；無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度；X射線衍射；掃描電鏡

中圖分類(lèi)號(hào)： TU472

文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A

文章編號(hào)： 1673-3851 （2023） 01-0131-09

引文格式：朱祎坤，俞峰，陳鑫，等. 高分子固化劑對(duì)水泥土強(qiáng)度的影響研究［J］. 浙江理工大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)），2023，49（1）：131-139.

Reference Format： ZHU Yikun， YU Feng， CHEN Xin， et al. Studies on the effect of the polymeric consolidator on the strength of cement soils［J］. Journal of Zhejiang Sci-Tech University，2023，49（1）：131-139.

Studies on the effect of the polymeric consolidator on the strength of cement soils

ZHU Yikun1， YU Feng1， CHEN Xin1， JIANG Zhengbing2

（1.School of Civil Engineering and Architecture， Zhejiang Sci-Tech University， Hangzhou 310018， China; 2.Zhejiang Jitong Construction Engineering Co.， Ltd.， Hangzhou 310009， China）

Abstract：? In order to study the effect of the polymeric consolidator on the strength of cement soils， we carried out unconfined compressive strength tests of cement soils with different polymeric consolidator contents and soil properties in the laboratory， and explored the influence law of the polymer consolidator on the strength of cement soils macroscopically. Combined with X-ray diffraction test and scanning electron microscope test， the mechanism of the polymeric consolidator′s effect on the strength of cement soils was revealed from microstructure. The tests show that the compressive strength of polymer cement soils is higher than that of ordinary cement soils in silty clay while similar with that of ordinary cement soils in silty soils， and the dosages of the polymeric consolidator in the two kinds of soils have insignificant effects on the strength of cement soils. The toughness of polymer cement soils is superior to that of ordinary cement soils while the failure strain of polymer cement soil is higher than that of ordinary cement soils in silty clay. The strength of polymer cement soil does not increase with the increase of the polymeric consolidator. The microscopic test results show that the polymer cement soils produce a large amount of low-hardness mineral components in the silty soils; the polymer cured film in the polymer cement soils forms a stable structure through wrapping， filling and connecting soil particles， enhancing the bond strength between soil particles. The results can provide some reference for the research related to foundation treatment materials.

Key words： polymeric consolidator; cement soils; unconfined compression strength; X-ray diffraction test; scanning electron microscope

0 引 言

水泥固化軟土（簡(jiǎn)稱(chēng)“水泥土”）通過(guò)水泥的物理化學(xué)作用膠結(jié)土顆粒，廣泛用于工程建設(shè)［1］。但因水泥土在使用過(guò)程中存在強(qiáng)度較低、抗?jié)B性較差、污染環(huán)境等缺點(diǎn)，限制了其在工程上的應(yīng)用。因此，以水泥基為主要膠凝材料的高效環(huán)保型固化材料受到眾多研究者的關(guān)注［2］。林彤等［3］通過(guò)在粉煤灰中摻入水泥或生石灰進(jìn)行對(duì)比研究，發(fā)現(xiàn)粉煤灰與生石灰復(fù)合固化土早期強(qiáng)度提升較為明顯。方祥位等［4］對(duì)石灰固化土和自研材料固化土進(jìn)行室內(nèi)土工試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)自研材料固化土的工程特性優(yōu)于石灰固化土。陳峰等［5］發(fā)現(xiàn)，在水泥土中摻入粉煤灰能一定程度上改善固化土性能。陳鑫等［6］通過(guò)新型GS土體固化材料（脫硫石膏土體固化劑）和水泥的對(duì)比研究，發(fā)現(xiàn)新型GS固化土體的長(zhǎng)期強(qiáng)度較高，具有工程應(yīng)用前景。但是，無(wú)機(jī)膠凝材料因顆粒細(xì)小容易產(chǎn)生粉塵等有害物質(zhì)，易對(duì)環(huán)境產(chǎn)生污染。

高分子土壤固化劑作為化學(xué)合成的工業(yè)產(chǎn)品，在土壤中會(huì)產(chǎn)生一系列化學(xué)聚合反應(yīng)，生成有機(jī)大分子鏈膠結(jié)分散的土壤顆粒；有機(jī)分子鏈附著在土顆粒表面，形成固化隔離膜，降低土壤吸附水對(duì)顆粒間孔隙的滲透作用；高分子固化劑具有運(yùn)輸簡(jiǎn)單、無(wú)粉塵危害等優(yōu)勢(shì)，得到了國(guó)內(nèi)外研究人員的關(guān)注［7］。黃河等［8］基于自主研發(fā)的高分子土壤穩(wěn)定劑在不同試驗(yàn)條件下進(jìn)行固化土強(qiáng)度變化的試驗(yàn)研究，結(jié)果表明固化土的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度得到明顯增強(qiáng)。Kolay等［9］采用丙烯酸聚合物固化污泥土與普通土壤，發(fā)現(xiàn)在不同環(huán)境下隨著聚合物的摻入得到的抗壓強(qiáng)度不同，露天環(huán)境下2種土壤抗壓強(qiáng)度都較高。Rezaeimalek等［10］研究了活性聚合物（MDI）對(duì)砂土的穩(wěn)定效果，發(fā)現(xiàn)聚合物水比固定時(shí)固化土的強(qiáng)度隨著聚合物含量的增加呈近似線性增加。諶文武等［11］采用改性聚乙烯固化麻刀加筋遺址土，發(fā)現(xiàn)改性聚乙烯溶液可加強(qiáng)土顆粒之間、土顆粒與麻刀之間的黏結(jié)強(qiáng)度。陳志昊等［12］利用高分子固化劑和聚丙烯纖維對(duì)砂土進(jìn)行復(fù)合加固，結(jié)果表明高分子固化劑和聚丙烯纖維的復(fù)合加固能夠顯著提高砂土的抗拉強(qiáng)度。徐菲等［13］通過(guò)無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)脂肪族離子固化劑摻入水泥土后，能夠降低黏土礦物結(jié)合水的能力，加速土體內(nèi)水化反應(yīng)產(chǎn)物的生成，并優(yōu)化土體孔隙結(jié)構(gòu)。王穎等［14］研究了砂土滲透性在不同高分子固化劑濃度下的變化規(guī)律，發(fā)現(xiàn)砂土滲透性與高分子固化劑濃度有關(guān)，隨著高分子固化劑濃度提高，砂土滲透系數(shù)快速降低。綜上所述，合理使用高分子固化劑能有效提高軟土的固化效果，但當(dāng)前對(duì)高分子固化劑的應(yīng)用性研究以污泥土和砂土為主，且對(duì)土顆粒大小和含水率有較高的要求；同時(shí)，在試驗(yàn)過(guò)程中需要添加多種無(wú)機(jī)膠凝材料和纖維材料進(jìn)行輔助處理，不能滿足簡(jiǎn)化施工工藝的要求，降低了經(jīng)濟(jì)效益。因此，需要一種既滿足經(jīng)濟(jì)效益，又能簡(jiǎn)化施工流程，且固化效果更為可靠的地基處理材料。

本文以杭州地區(qū)2種地基軟土為處理對(duì)象，先使用普通硅酸鹽水泥作為初步固化處理方式，再通過(guò)添加不同摻量的高分子固化劑對(duì)這2種水泥土進(jìn)一步固化，以室內(nèi)無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)作為水泥土的宏觀強(qiáng)度技術(shù)指標(biāo)，分析高分子固化劑摻量對(duì)水泥土強(qiáng)度的影響，并探究2種土質(zhì)條件下高分子水泥土強(qiáng)度的變化規(guī)律；結(jié)合X射線衍射（XRD）測(cè)試和掃描電鏡（SEM）測(cè)試，探究高分子水泥土的固化微觀現(xiàn)象和固化機(jī)理，為進(jìn)一步研究地基處理材料提供參考。

1 試驗(yàn)材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

本文試驗(yàn)采用的土樣分別為杭州市錢(qián)塘區(qū)某地的粉質(zhì)黏土與實(shí)驗(yàn)室留存的粉土，按照《土工試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》（GB/T 50123—2019）進(jìn)行土質(zhì)顆粒級(jí)配測(cè)定，通過(guò)計(jì)算分析得到試驗(yàn)土質(zhì)的顆粒級(jí)配曲線如圖1所示。同時(shí)，兩種土質(zhì)經(jīng)自然風(fēng)干后過(guò)2 mm篩備用，其基本物理指標(biāo)如表1所示。

圖1 土質(zhì)顆粒級(jí)配曲線

試驗(yàn)采用的高分子固化劑來(lái)源于國(guó)內(nèi)某公司研?? 發(fā)的環(huán)保型固化劑，屬于離子交換與高分子復(fù)合型材料，主要成分為醋酸乙烯酯-乙烯的共聚物、磷酸二氫鋁、鋁酸鈉等，為棕褐色油狀液體，pH值呈中性，不含水分且不易揮發(fā)，密度為0.925 g/cm3；試驗(yàn)選取普通硅酸鹽水泥作為基準(zhǔn)固化材料，其技術(shù)性能指標(biāo)如表2所示。

1.2 試驗(yàn)方法

為研究水泥土在摻入不同摻量的高分子固化劑時(shí)對(duì)試樣抗壓強(qiáng)度的影響，根據(jù)《水泥土配合比設(shè)計(jì)規(guī)程》（JGJ/T 233—2011）選取水泥和高分子固化劑，水泥摻量均為15%，高分子固化劑溶液質(zhì)量占水泥質(zhì)量分別為0、5%、10%、20%和30%，養(yǎng)護(hù)齡期T為7、14 d和28 d。

試樣制備過(guò)程如下：a）根據(jù)試驗(yàn)要求稱(chēng)取試樣所需粉質(zhì)黏土和粉土，以及相應(yīng)的水泥和高分子固化劑，按照水膠質(zhì)量比1.2量取拌合水；b）將稱(chēng)取好的土樣、固化劑和拌合水倒入水泥攪拌機(jī)內(nèi)攪拌至均勻，裝入70.7 mm×70.7 mm×70.7 mm標(biāo)準(zhǔn)立方體試模，經(jīng)振動(dòng)臺(tái)振實(shí)成型，養(yǎng)護(hù)24 h后拆模；c）將試塊置于室內(nèi)自然養(yǎng)護(hù)至設(shè)計(jì)齡期，進(jìn)行無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)。無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)裝置采用WAW-300B萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)，依據(jù)JGJ/T 233—2011的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)規(guī)范，設(shè)置加載速度為0.08 kN/s。試驗(yàn)共設(shè)置12組，為減少試驗(yàn)誤差，每組試樣每個(gè)齡期至少制備3個(gè)平行試樣，并取平均值進(jìn)行分析。保存每組試樣28 d齡期微觀測(cè)試樣品。X射線衍射測(cè)試采用X射線粉末衍射儀，掃描速度3（°）/min，掃描范圍10°至85°。電鏡掃描測(cè)試采用掃描電子顯微鏡，形貌掃描最小標(biāo)尺2 μm。試樣分組如表3所示。

2 結(jié)果與分析

2.1 應(yīng)力-應(yīng)變曲線

按本文試驗(yàn)方法，開(kāi)展不同高分子固化劑摻量和土質(zhì)條件下的水泥土抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)研究，得到28 d齡期粉質(zhì)黏土和粉土的應(yīng)力-應(yīng)變曲線如圖2（a）和圖2（b）所示，其中：qu表示無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度值；ε表示應(yīng)變。固化土試塊抗壓力學(xué)性能理論上表現(xiàn)為：應(yīng)力隨著應(yīng)變的增加緩慢增長(zhǎng)，第1階段為加載初始階段（也稱(chēng)“線性階段”），此時(shí)應(yīng)力-應(yīng)變曲線可近似為直線；第2階段曲線進(jìn)入屈服階段，即應(yīng)變緩慢增長(zhǎng)應(yīng)力逐漸增大并達(dá)到曲線最高點(diǎn)；第3階段為應(yīng)力-應(yīng)變曲線的破壞階段，材料完全失去工作性能［15-16］。

從圖2可以看出：高分子水泥土在加載初始階段立即出現(xiàn)應(yīng)變迅速增長(zhǎng)、應(yīng)力同步快速增加的現(xiàn)象，可視為線彈性變化；強(qiáng)度屈服階段應(yīng)變持續(xù)增加但應(yīng)力變化較小，破壞階段應(yīng)變持續(xù)增加，應(yīng)力到達(dá)峰值，之后進(jìn)入下降趨勢(shì)，因此判斷試樣發(fā)生劈裂破壞。比較圖2（a）所示各曲線可發(fā)現(xiàn)，在粉質(zhì)黏土中高分子水泥土強(qiáng)度相比普通水泥土有所提高，表明高分子固化劑對(duì)水泥固化粉質(zhì)黏土的強(qiáng)度存在一定的影響，但高分子水泥土在應(yīng)力應(yīng)變表現(xiàn)中也比普通水泥土提早進(jìn)入破壞階段。從圖2（b）可以看出，高分子固化劑在水泥固化粉土的表現(xiàn)與普通水泥土相似，說(shuō)明該高分子固化劑對(duì)水泥固化粉土等黏土顆粒含量較少的土質(zhì)的強(qiáng)度提升效果并不明顯。

2.1.1 破壞應(yīng)變

破壞應(yīng)變?chǔ)舊是應(yīng)力-應(yīng)變曲線上與破壞強(qiáng)度對(duì)應(yīng)的應(yīng)變，也是量化材料脆性或韌性的重要指標(biāo)［17］。破壞應(yīng)變大說(shuō)明材料的韌性表現(xiàn)較好，抵抗形變的能力較強(qiáng)；相反則說(shuō)明材料具有較強(qiáng)的脆性，易發(fā)生破壞。水泥土在7、14 d和28 d齡期內(nèi)破壞應(yīng)變?chǔ)舊與無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度qu的關(guān)系如圖3所示。

從圖3中可以看出：2種土質(zhì)經(jīng)高分子水泥復(fù)合固化后的韌性表現(xiàn)存在差異。從圖3（a）中可以看出，在粉質(zhì)黏土中普通水泥土C1與摻加高分子固化劑的水泥土試塊相比韌性表現(xiàn)較差，對(duì)變形的抵抗能力較弱；試塊C2、C3、C4和C5隨著齡期的增加，抗壓強(qiáng)度也隨之提高，其破壞應(yīng)變隨之減小，這種現(xiàn)象與湯怡新等［18］發(fā)現(xiàn)的破壞應(yīng)變與強(qiáng)度變化趨勢(shì)較為相似。從圖3（b）中可以看出，隨著齡期的增長(zhǎng)高分子水泥固化粉土的韌性表現(xiàn)與普通水泥固化粉土相比逐漸變差；除S4在齡期為7 d時(shí)破壞應(yīng)變大于普通水泥土之外，其余高分子水泥土在3個(gè)齡期的韌性表現(xiàn)均差于普通水泥，表明高分子固化劑對(duì)水泥固化粉土的韌性表現(xiàn)存在弱化影響。

2.1.2 韌性指數(shù)

本文采用韌性指數(shù)TI（Toughness index）對(duì)試樣進(jìn)行分析。該指數(shù)是反映材料脆性或韌性的指標(biāo)之一；材料韌性指數(shù)越高，代表材料的韌性越好。TI可用定積分方程計(jì)算，用歸一化后的應(yīng)力—應(yīng)變關(guān)系曲線從初始狀態(tài)到曲線峰值后某個(gè)特定區(qū)域的面積［19］表示：

TI=∫ε′r0f（ε′）dε′（1）

其中：ε′為歸一化應(yīng)變，即ε/εf，εf為破壞應(yīng)變；f（ε′）為歸一化應(yīng)力，即σ/qu；ε′r為ε′在σ/qu=r（r<1）的值，本文取ε′r=1.1。28 d齡期應(yīng)力-應(yīng)變曲線歸一化結(jié)果如圖4（a）—（b）所示。利用式（1）對(duì)歸一化應(yīng)力-應(yīng)變曲線進(jìn)行投影區(qū)域面積計(jì)算，得到韌性指數(shù)TI，結(jié)果如表4所示。

在圖4中，粉土各試樣的差異性現(xiàn)象最為明顯。結(jié)合表4可以看出，在粉質(zhì)黏土與粉土之間存在相

反的韌性表現(xiàn)：在15%水泥摻量下，粉質(zhì)黏土的韌性指數(shù)隨著高分子固化劑摻量的增加呈上升趨勢(shì)；在粉土中，韌性指數(shù)隨高分子固化劑摻量的增加呈現(xiàn)平穩(wěn)的狀態(tài)。同時(shí)也發(fā)現(xiàn)，S2的韌性指數(shù)則遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于普通水泥土，這可能是因?yàn)樵谶M(jìn)行無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)時(shí)S2試塊出現(xiàn)了應(yīng)力增長(zhǎng)過(guò)快的現(xiàn)象，導(dǎo)致計(jì)算韌性指數(shù)時(shí)出現(xiàn)較大的誤差。差異性現(xiàn)象進(jìn)一步表明，高分子固化劑對(duì)土壤的韌性表現(xiàn)有明顯的影響，但土質(zhì)差異導(dǎo)致韌性表現(xiàn)存在不同變化情況。這種情況可能是因?yàn)榉弁梁械酿ね令w粒較少，高分子固化劑不能有效發(fā)揮連接土壤顆粒的作用導(dǎo)致其韌性不如黏粒含量較高的粉質(zhì)黏土［20］。

2.2 土質(zhì)在無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)中的影響

土質(zhì)的差異是影響水泥土固化效果的主要原因之一［21］。試驗(yàn)選取粉質(zhì)黏土和粉土進(jìn)行無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度對(duì)比試驗(yàn)，得到的試驗(yàn)結(jié)果如圖5所示。

由圖5（a）可知，高分子固化劑在粉質(zhì)黏土和粉土中有不同的強(qiáng)度表現(xiàn)。在粉質(zhì)黏土中10%、20%和30%摻量的高分子固化劑28 d強(qiáng)度的增長(zhǎng)幅度均超過(guò)80%，超過(guò)水泥土強(qiáng)度增長(zhǎng)率；粉土中摻入高分子固化劑的水泥土14 d強(qiáng)度增長(zhǎng)率穩(wěn)定在20%～40%范圍以內(nèi)，與普通水泥土38.4%的強(qiáng)度增長(zhǎng)率相比存在離散現(xiàn)象，但28 d高分子水泥固化粉土強(qiáng)度增長(zhǎng)率均超過(guò)60%。這表明高分子固化劑在試樣后期強(qiáng)度增長(zhǎng)中起著一定的提升作用。結(jié)合圖5（b）可知，4種不同摻量的高分子固化劑在粉質(zhì)黏土中的強(qiáng)度表現(xiàn)要好于粉土，同時(shí)在14 d時(shí)強(qiáng)度出現(xiàn)分化現(xiàn)象。這可能是因?yàn)椋涸诜圪|(zhì)黏土中存在的黏土顆粒要大于粉土且能有效地與高分子長(zhǎng)鏈進(jìn)行連接，減少土中的吸附水；同時(shí)，高分子固化劑特有的憎水性，能有效地改變土粒表面親水性質(zhì)，形成保護(hù)層填充固化土內(nèi)部的孔隙；高分子固化劑與土壤混合后，利用陽(yáng)離子交換作用與黏粒形成緊密的連接結(jié)構(gòu)，輔助水化反應(yīng)產(chǎn)物C—S—H的膠結(jié)作用，使固化土強(qiáng)度得到提高。有機(jī)分子鏈固化結(jié)構(gòu)示意圖如圖6所示［22］。

2.3 高分子固化劑摻量在水泥土強(qiáng)度試驗(yàn)中的影響

本文在水泥土中添加不同摻量的高分子固化劑，研究高分子固化劑摻量對(duì)水泥土強(qiáng)度的影響。高分子固化劑摻入水泥土后的強(qiáng)度變化曲線如圖7所示。

圖7顯示了高分子固化劑不同摻量的強(qiáng)度表現(xiàn)。在粉質(zhì)黏土中，高分子固化劑的摻加有效提高水泥土強(qiáng)度，但在相同齡期條件下?lián)搅康脑黾訉?duì)水泥土強(qiáng)度并沒(méi)有明顯影響。粉土中的表現(xiàn)則更加平穩(wěn)，即4種高分子摻量得到的固化強(qiáng)度相近。特別的是，除粉質(zhì)黏土28 d的強(qiáng)度表現(xiàn)在4種高分子摻量中較高外，其余摻量在不同齡期條件下的強(qiáng)度都是逐步提高的過(guò)程且強(qiáng)度較為接近。

3 微觀固化機(jī)理分析

3.1 X射線衍射測(cè)試

土的物理力學(xué)性質(zhì)與土中所含膠結(jié)物及膠結(jié)程度有關(guān)，為揭示2種土質(zhì)在相對(duì)較長(zhǎng)的固化時(shí)間內(nèi)可能發(fā)生的微觀結(jié)構(gòu)變化，在28 d齡期時(shí)進(jìn)行X射線衍射測(cè)試和電鏡掃描測(cè)試。通過(guò)Jade專(zhuān)業(yè)軟件檢測(cè)試樣反應(yīng)產(chǎn)生的主要產(chǎn)物，并在對(duì)應(yīng)的衍射峰上進(jìn)行元素標(biāo)記，XRD測(cè)試測(cè)得結(jié)果如圖8（a）和圖8（b）所示。

測(cè)試結(jié)果表明，2種土質(zhì)在固化前的主要成分均為石英、鈉長(zhǎng)石、方解石和白云石。經(jīng)水泥固化后新生成的產(chǎn)物主要是集中在10°和30°衍射峰附近的水化硅酸鈣（C—S—H）和鈣釩石（AFt）。在不同土質(zhì)條件下高分子固化劑固化產(chǎn)物較為不同，水泥固化粉土中摻入高分子固化劑除生成赤鐵礦外還產(chǎn)生少量堇青石（Mg2Al4Si5O18）［23］。同時(shí)對(duì)比原狀粉土可發(fā)現(xiàn)，30°附近的衍射峰強(qiáng)度隨著高分子固化劑的摻入明顯降低且產(chǎn)生寬化現(xiàn)象。而在水泥固化粉質(zhì)黏土中，高分子固化劑增強(qiáng)了石英的衍射峰強(qiáng)度有效促進(jìn)固化土形成完整的空間結(jié)構(gòu)。這種差異化表現(xiàn)，與上文得到的宏觀力學(xué)性能研究結(jié)果相近。本文以粉質(zhì)黏土和粉土中的方解石作為晶面間距的指標(biāo)，晶面間距通過(guò)布拉格方程計(jì)算相鄰的兩個(gè)平行晶面之間的距離得到，晶面間距越大則微觀結(jié)構(gòu)越緊密［24］。在28 d養(yǎng)護(hù)齡期下，高分子水泥土和普通水泥土之間的晶面間距d沒(méi)有顯著差異，這表明高分子固化劑摻入水泥土對(duì)晶體結(jié)構(gòu)沒(méi)有產(chǎn)生較大的改變。

3.2 掃描電鏡測(cè)試

水泥土及高分子水泥土掃描電鏡圖像如圖9（a）—（d）所示。水泥土的基本微觀結(jié)構(gòu)大致相似：土中較大的顆粒構(gòu)成水泥土的基本骨架，大顆粒之間以小顆粒進(jìn)行填充，在顆粒之間存在水泥水化產(chǎn)物的結(jié)晶體作為聯(lián)結(jié)橋梁［25］。圖9（a）和圖9（c）基本符合上述規(guī)律，即：顆粒之間由簇狀纖維水化物和片狀水化物填充在孔隙中；在10000倍電鏡倍數(shù)下，水泥固化粉質(zhì)黏土結(jié)構(gòu)整體性較水泥固化粉土要高，水化產(chǎn)物數(shù)量較多，孔隙較小。水泥固化粉土因?yàn)榉弁令w粒較為細(xì)小，其簇狀水化產(chǎn)物處于生長(zhǎng)階段，導(dǎo)致顆粒與顆粒間的聯(lián)結(jié)較為稀疏，結(jié)構(gòu)不夠完整，反映到宏觀層面為抗壓強(qiáng)度較弱。

高分子固化劑固化軟土的機(jī)理可分為包裹、填充和連接三部分。當(dāng)高分子固化劑與水結(jié)合時(shí)形成的高分子固化膜包裹土顆粒并填充顆粒間孔隙，用顆粒表面的高分子固化膜連接土顆粒形成致密結(jié)構(gòu)以達(dá)到提高強(qiáng)度的目的［12］。圖9（b）和圖9（d）表明：高分子水泥土是將軟土顆粒作為固化土的主要骨架體系，水泥水化產(chǎn)物作為連接顆粒的主要方式；高分子水泥土明顯存在固化膜包裹土顆粒的現(xiàn)象，固化膜形狀大小不一、排列不規(guī)則，固化土內(nèi)部存在眾多小孔隙；附著在土顆粒表面的固化膜通過(guò)物理化學(xué)連接的方式，連接細(xì)小顆粒，形成為較大的土團(tuán)以填充孔隙，該種土團(tuán)在整個(gè)高分子水泥土中較為常見(jiàn)；但從實(shí)際的抗壓強(qiáng)度可知，該結(jié)構(gòu)強(qiáng)度需要在一定的土質(zhì)條件下才能發(fā)揮作用：在粉土結(jié)構(gòu)中，高分子固化膜并沒(méi)有完全包裹土顆粒和水化產(chǎn)物，其結(jié)構(gòu)致密性與粉質(zhì)黏土相比較為稀疏。

4 結(jié) 論

為研究水泥土強(qiáng)度與高分子固化劑摻量之間的相關(guān)性，本文對(duì)以粉質(zhì)黏土和粉土為固化對(duì)象的高分子水泥土進(jìn)行了室內(nèi)無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)，從宏觀角度分析高分子固化劑對(duì)水泥土強(qiáng)度的影響規(guī)律；并結(jié)合X射線衍射測(cè)試和電鏡掃描測(cè)試，從微觀角度揭示高分子固化劑作用機(jī)理，初步分析了高分子固化劑摻量對(duì)水泥土強(qiáng)度的影響機(jī)理。具體結(jié)論如下：

a）高分子固化劑在水泥土中存在一定的影響。在不同摻量、不同土質(zhì)條件下的高分子水泥土的應(yīng)力-應(yīng)變曲線表現(xiàn)不同：高分子水泥土在加載初始階段塑性變化較快，相比普通水泥土提早進(jìn)入破壞階段，高分子水泥土整體破壞表現(xiàn)為劈裂破壞。

b）不同摻量和不同土質(zhì)條件下的高分子水泥土的破壞應(yīng)變有較大差異：破壞應(yīng)變與普通水泥土相比主要集中在1%～4%。在粉質(zhì)黏土中，高分子水泥土隨著齡期的增加，強(qiáng)度隨之增加，破壞應(yīng)變逐漸減小，在相同齡期內(nèi)其韌性表現(xiàn)均好于普通水泥土；在粉土中，高分子水泥土與普通水泥土相比其韌性表現(xiàn)差異不大。因此，在水泥固化粉質(zhì)黏土中加入高分子固化劑，能有效提高材料的韌性；但材料的韌性表現(xiàn)不隨高分子固化劑含量的提高而增強(qiáng)。

c）高分子水泥土強(qiáng)度的增長(zhǎng)根據(jù)土質(zhì)的不同有著較大的差異。高分子水泥土在固化粉質(zhì)黏土中，其早期強(qiáng)度的增長(zhǎng)與普通水泥土相似，同時(shí)高分子水泥固化粉質(zhì)黏土隨著齡期的增加其強(qiáng)度增長(zhǎng)較快，到28 d時(shí)強(qiáng)度增長(zhǎng)率均大于普通水泥土；而在粉土中的早期強(qiáng)度增長(zhǎng)與普通水泥土相比差異較大，在后期強(qiáng)度表現(xiàn)中與普通水泥土較為接近。高分子水泥土強(qiáng)度與摻量并無(wú)關(guān)聯(lián)，隨著摻量的提高，高分子水泥土的強(qiáng)度并沒(méi)有呈現(xiàn)上升趨勢(shì)。

d）X射線衍射測(cè)試表明，2種土質(zhì)經(jīng)過(guò)高分子固化后的產(chǎn)物有所不同：在粉質(zhì)黏土中以水化硅酸鈣、鈣礬石和赤鐵礦為主，將粉質(zhì)黏土中的低硬度礦物轉(zhuǎn)化為高硬度礦物，對(duì)軟土內(nèi)部的成分進(jìn)行重構(gòu)，以增強(qiáng)晶體的空間結(jié)構(gòu)；高分子水泥固化粉土中除水化硅酸鈣和鈣礬石外還產(chǎn)生了斜綠泥石等變質(zhì)礦物，對(duì)固化土強(qiáng)度無(wú)有益影響。電鏡掃描測(cè)試也表明，在高分子水泥土中產(chǎn)生的高分子固化膜將細(xì)小土顆粒包裹，通過(guò)連接作用形成較大土團(tuán)，以填充土顆粒間的孔隙，形成一個(gè)較為穩(wěn)定的致密結(jié)構(gòu)。同時(shí)，高分子固化膜填充顆粒間孔隙的完整程度取決于土質(zhì)，土顆粒中黏土顆粒含量較高則高分子固化劑發(fā)揮的作用較明顯。

綜上所述，相較于無(wú)機(jī)類(lèi)固化材料，高分子固化劑更適用于韌性需求高的地基處理工程。同時(shí)，高分子水泥土摻量變化對(duì)水泥土強(qiáng)度的影響較小但受到土質(zhì)的影響較大，在工程實(shí)踐中以較低高分子固化劑摻量的方式可達(dá)到預(yù)期目標(biāo)，控制工程成本。

本文僅分析了高分子固化劑對(duì)普通水泥土強(qiáng)度的影響，未來(lái)可進(jìn)一步研究高分子水泥土耐久性能，完善高分子固化劑在地基處理中的應(yīng)用研究。高分子固化劑由于生產(chǎn)工藝復(fù)雜，對(duì)生產(chǎn)條件要求苛刻，未來(lái)需進(jìn)一步降低生產(chǎn)成本。

參考文獻(xiàn)：

［1］樊恒輝， 高建恩， 吳普特， 等. 水泥基土壤固化劑固化土的物理化學(xué)作用［J］. 巖土力學(xué)， 2010， 31（12）：3741-3745.

［2］力乙鵬， 李婷. 土壤固化劑的固化機(jī)理與研究進(jìn)展［J］. 材料導(dǎo)報(bào)， 2020， 34（S2）：1273-1277.

［3］林彤， 劉祖德. 粉煤灰與生石灰加固軟土的室內(nèi)試驗(yàn)研究［J］. 巖土力學(xué)， 2003， 24（6）：1049-1052.

［4］方祥位， 孫樹(shù)國(guó)， 陳正漢， 等. GT型土壤固化劑改良土的工程特性研究［J］. 巖土力學(xué)， 2006， 27（9）：1545-1548.

［5］陳峰， 賴(lài)錦華. 粉煤灰水泥土變形特性實(shí)驗(yàn)研究［J］. 工程地質(zhì)學(xué)報(bào)， 2016， 24（1）：96-101.

［6］陳鑫， 俞峰， 洪哲明， 等. 新型GS固化土與水泥土的力學(xué)特性對(duì)比研究［J/OL］. 工程地質(zhì)學(xué)報(bào). （2020-09-09）［2022-05-07］.https：//kns.cnki.net/kcms/detail/detail.aspx？doi=10.13544/j.cnki.jeg.2020-172.

［7］李沛， 楊武， 鄧永鋒， 等. 土壤固化劑發(fā)展現(xiàn)狀和趨勢(shì)［J］. 路基工程， 2014（3）：1-8.

［8］黃河， 施斌， 劉瑾， 等. STW型生態(tài)土壤穩(wěn)定劑改性土強(qiáng)度試驗(yàn)研究［J］. 防災(zāi)減災(zāi)工程學(xué)報(bào)， 2008， 28（1）：87-90.

［9］Kolay P K， Dhakal B， Kumar S， et al. Effect of liquid acrylic polymer on geotechnical properties of fine-grained soils［J］. International Journal of Geosynthetics and Ground Engineering， 2016， 2（4）： 1-9.

［10］Rezaeimalek S， Huang J， Bin-Shafique S. Evaluation of curing method and mix design of a moisture activated polymer for sand stabilization［J］. Construction and Building Materials， 2017， 146： 210-220.

［11］諶文武， 許賀， 李永杰， 等. 改性聚乙烯醇固化麻刀加筋遺址土的力學(xué)特性［J］. 蘭州大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版）， 2019， 55（5）：667-672.

［12］陳志昊， 劉瑾， 錢(qián)衛(wèi)， 等. 高分子固化劑/纖維改良砂土的抗拉強(qiáng)度試驗(yàn)研究［J］. 工程地質(zhì)學(xué)報(bào)， 2019， 27（2）：350-359.

［13］徐菲， 蔡躍波， 錢(qián)文勛， 等. 脂肪族離子固化劑改性水泥土的機(jī)理研究［J］. 巖土工程學(xué)報(bào)， 2019， 41（9）：1679-1687.

［14］王穎， 劉瑾， 王瓊亞， 等. 高分子固化劑改良砂土的滲透特性試驗(yàn)研究［J］. 防災(zāi)減災(zāi)工程學(xué)報(bào)， 2020， 40（2）：243-250.

［15］陳蕾， 杜延軍， 劉松玉， 等. 水泥固化鉛污染土的基本應(yīng)力-應(yīng)變特性研究［J］. 巖土力學(xué)， 2011， 32（3）：715-721.

［16］陳鑫. GS固化土工程性質(zhì)及微觀結(jié)構(gòu)特征研究［D］. 杭州： 浙江理工大學(xué)， 2021：23.

［17］范曉秋， 洪寶寧， 胡昕， 等. 水泥砂漿固化土物理力學(xué)特性試驗(yàn)研究［J］. 巖土工程學(xué)報(bào)， 2008， 30（4）：605-610.

［18］湯怡新， 劉漢龍， 朱偉. 水泥固化土工程特性試驗(yàn)研究［J］. 巖土工程學(xué)報(bào)， 2000， 22（5）：549-554.

［19］Harianto T. Study on Innovative Multi-layer Design of Landfill Cover Barrier Layer［D］. Kyoto： Saga University， 2008： 41-42.

［20］李昊， 程冬兵， 王家樂(lè)， 等. 土壤固化劑研究進(jìn)展及在水土流失防治中的應(yīng)用［J］. 人民長(zhǎng)江， 2018， 49（7）：11-15.

［21］鄭旭， 劉松玉， 蔡光華， 等. 活性MgO碳化固化土的干濕循環(huán)特性試驗(yàn)研究［J］. 巖土工程學(xué)報(bào)， 2016， 38（2）：297-304.

［22］張麗萍，張興昌，孫強(qiáng). SSA土壤固化劑對(duì)黃土擊實(shí)、抗剪及滲透特性的影響［J］. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)， 2009， 25（7）：45-49.

［23］Zhou H Y， Wang X S， Wu Y P， et al. Mechanical properties and micro-mechanisms of marine soft soil stabilized by different calcium content precursors based geopolymers［J］. Construction and Building Materials， 2021， 305： 124722.

［24］Chen X， Yu F， Hong Z M， et al. Comparative investigation on the curing behavior of GS-stabilized and cemented soils at macromechanical and microstructural scales［J］. Journal of Testing and Evaluation， 2022， 50（6）： 20200631.

［25］芮凱軍， 李俊才， 楊宇， 等. 不同土質(zhì)水泥土性質(zhì)的室內(nèi)試驗(yàn)［J］. 南京工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版）， 2019， 41（2）：173-178.

（責(zé)任編輯：康 鋒）

收稿日期： 2022-05-07? 網(wǎng)絡(luò)出版日期：2022-10-08網(wǎng)絡(luò)出版日期

基金項(xiàng)目： 國(guó)家自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目（52178365）

作者簡(jiǎn)介： 朱祎坤（1995- ），男，浙江湖州人，碩士研究生，主要從事基坑工程方面的研究。

通信作者： 俞 峰，E-mail：pokfulam@zstu.edu.cn