鹽溶液浸泡養(yǎng)護(hù)固化土的耐久性分析

任瑞平，劉世皎，樊恒輝，史 祥，賀智強(qiáng)

（1.楊凌職業(yè)技術(shù)學(xué)院 交通與測繪工程學(xué)院，陜西 楊凌712100；2.西北工業(yè)大學(xué)，陜西 西安710072；3.西北農(nóng)林科技大學(xué)，陜西 楊凌712100）

土壤固化劑是一種能夠在常溫下加固土體的新型材料，其以節(jié)能環(huán)保、性能優(yōu)異而備受人們的關(guān)注，已應(yīng)用在建筑地基、路基、渠道工程以及水土保持等工程領(lǐng)域中。對(duì)土壤固化劑的研究主要集中于固化土的力學(xué)性能、變形性能，而在工程實(shí)踐中發(fā)現(xiàn)固化土的耐久性是其推廣應(yīng)用的瓶頸。尤其在寒冷的北方地區(qū)，設(shè)計(jì)使用年限為20a的固化土工程往往經(jīng)過5～8a就會(huì)破壞。目前，國外研究者［1－6］多是以干濕循環(huán)、凍融循環(huán)后試件抗壓強(qiáng)度的損失、質(zhì)量的損失、變形量及表面的破壞程度來評(píng)估固化土的耐久性，也有研究同時(shí)考慮了其它的因素，如疲勞荷載等［7］。

在國內(nèi)，多數(shù)關(guān)于固化土耐久性的研究只是考慮單方面的因素，一些研究只考慮凍融循環(huán)因素［8－10］，一些只考慮干濕循環(huán)因素［11－12］，還有一些只對(duì)固化土進(jìn)行抗?jié)B試驗(yàn)［13－14］。在提高固化土耐久性方面，國內(nèi)外均有許多嘗試，如添加纖維［15］、使用不同的壓實(shí)方法［16］、增加固化劑摻量或延長養(yǎng)護(hù)齡期［17］等。但目前固化土的耐久性問題仍沒有得到很好的解決。固化土形成強(qiáng)度的一系列反應(yīng)都是在一定的環(huán)境下進(jìn)行的，故固化土所處的環(huán)境對(duì)固化土的強(qiáng)度及耐久性的形成起決定性的作用。本研究基于這一思路提出用鹽溶液養(yǎng)護(hù)固化土，通過創(chuàng)造一個(gè)不同于傳統(tǒng)方式的養(yǎng)護(hù)環(huán)境，以期能夠提高固化土的耐久性，延長使用年限。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)用土為陜西省楊凌示范區(qū)的黃土，取土深度為5～6m，其基本物理性質(zhì)指標(biāo)詳見表1。各物理性質(zhì)均依據(jù)《土工試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》［18］測定。試驗(yàn)前將土料風(fēng)干、碾散、過5mm篩。

表1 楊凌黃土的物理性質(zhì)指標(biāo)

試驗(yàn)用水泥為冀東水泥股份有限公司生產(chǎn)的普通硅酸鹽水泥（P.O.42.5）。水泥添加量以每千克干土中加入的水泥質(zhì)量計(jì)，試驗(yàn)中水泥的摻量為0.08 kg／kg。浸泡養(yǎng)護(hù)所用鹽溶液有飽和石灰水，硅酸鈉、硫酸鈉和氫氧化鈉的混合溶液（下文稱“混合溶液”），混合溶液中硅酸鈉為0.4mol／L、氫氧化鈉為0.2 mol／L、硫酸鈉為0.04mol／L。

1.2 試驗(yàn)方案

試驗(yàn)中所用試塊的制作均為同一標(biāo)準(zhǔn)，均按摻水泥后擊實(shí)試驗(yàn)所得最大干密度制作。將制好的試件分為4組，分別為混合溶液浸泡組、飽和石灰水浸泡組、水浸泡組和標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)組。其中水浸泡組與標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)組為對(duì)照組。每組進(jìn)行5項(xiàng)試驗(yàn)，分別是7和28d齡期無側(cè)限抗壓試驗(yàn)、干濕循環(huán)試驗(yàn)、凍融循環(huán)試驗(yàn)及掃描電子顯微鏡（SEM）試驗(yàn)。每項(xiàng)試驗(yàn)做6次平行試驗(yàn)。

1.3 試驗(yàn)方法

1.3.1 試塊制備及養(yǎng)護(hù) 參照《公路工程無機(jī)結(jié)合料穩(wěn)定材料試驗(yàn)規(guī)程》［19］制塊。試塊為直徑（50mm）×高（50mm）的圓柱體，用千斤頂靜壓成型。養(yǎng)護(hù)分為標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)與浸泡養(yǎng)護(hù)。標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)是將試件在溫度（20±2）℃，相對(duì)濕度大于95%的養(yǎng)護(hù)條件下養(yǎng)護(hù)。浸泡養(yǎng)護(hù)是將試塊標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)3d，然后浸入配制好的溶液里養(yǎng)護(hù)，溫度（20±2）℃。標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)的試塊在齡期的最后1d將試件浸泡在水中，水面高出試件頂部約2.5cm。浸泡24h后，將試件從水中取出進(jìn)行試驗(yàn)，浸泡養(yǎng)護(hù)的試塊齡期結(jié)束后直接進(jìn)行試驗(yàn)。

1.3.2 無側(cè)限抗壓試驗(yàn) 無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)采用河南恒瑞金試驗(yàn)機(jī)有限公司生產(chǎn)的WDW—100微機(jī)控制電子萬能試驗(yàn)機(jī)測定。試驗(yàn)參照《公路工程無機(jī)結(jié)合料穩(wěn)定材料試驗(yàn)規(guī)程》。

1.3.3 干濕循環(huán)試驗(yàn) 將齡期為7d的試件分為兩組，一組繼續(xù)養(yǎng)護(hù)至28d；另一組在70℃的烘箱里烘24h，然后在水浴槽中放置24h，溫度設(shè)為（22±1）℃。此過程為一個(gè)干濕循環(huán)過程，即2d一個(gè)干濕循環(huán)。28d時(shí)正好10次干濕循環(huán)。對(duì)比標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)和干濕循環(huán)后試件的抗壓強(qiáng)度。根據(jù)強(qiáng)度的變化評(píng)估固化土抗干濕循能力。

1.3.4 凍融循環(huán)試驗(yàn) 將試件養(yǎng)護(hù)至28d齡期。然后將試件分為兩組，其中一組為對(duì)照組，進(jìn)行無側(cè)限抗壓試驗(yàn)，另外一組進(jìn)行凍融循環(huán)試驗(yàn)。一次凍融循環(huán)包括在－18℃下凍結(jié)16h，然后在（20±1）℃的融解水槽中融化8h，保證水面高出試塊2cm。凍融循環(huán)10次后進(jìn)行無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)。根據(jù)試塊的強(qiáng)度損失評(píng)估固化土的抗凍融循環(huán)能力。

1.3.5 微觀結(jié)構(gòu) 采用型號(hào)J-5 800掃描電子顯微鏡（scanning electron microscope，SEM），對(duì)28d齡期固化土的微觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行觀察。

2 結(jié)果分析

2.1 無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)

7d養(yǎng)護(hù)齡期與28d養(yǎng)護(hù)齡期的無側(cè)限抗壓試驗(yàn)結(jié)果詳見表2—3。由表2—3可以看出，兩種鹽溶液浸泡提高了固化土強(qiáng)度，提高最多的是28d齡期下的混合溶液養(yǎng)護(hù)，其與標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)相比提高了70%，與水中養(yǎng)護(hù)相比提高了40%。在同一養(yǎng)護(hù)齡期下，混合溶液養(yǎng)護(hù)對(duì)強(qiáng)度的提高效果大于飽和石灰水養(yǎng)護(hù)。同一養(yǎng)護(hù)方式下，28d齡期強(qiáng)度提高的效果比7 d齡期的更明顯。如混合溶液養(yǎng)護(hù)7d后，強(qiáng)度比標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)提高58%，而養(yǎng)護(hù)28d后強(qiáng)度提高70%。鹽溶液養(yǎng)護(hù)的強(qiáng)度比水中養(yǎng)護(hù)高，證明了鹽溶液中的化學(xué)物質(zhì)對(duì)固化土強(qiáng)度的增長貢獻(xiàn)明顯。

表2 養(yǎng)護(hù)7d固化土無側(cè)限抗壓強(qiáng)度

2.2 干濕循環(huán)試驗(yàn)

干濕循環(huán)后無側(cè)限抗壓強(qiáng)度的變化情況詳見表4。由表4可以看出，各養(yǎng)護(hù)方式下固化土試塊的強(qiáng)度經(jīng)過10次干濕循環(huán)后均增高。干濕循環(huán)后混合溶液與飽和石灰水養(yǎng)護(hù)試塊的強(qiáng)度明顯比水中養(yǎng)護(hù)和標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)試塊的強(qiáng)度高，如混合溶液養(yǎng)護(hù)試塊比標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)試塊的強(qiáng)度高出41%。其原因在于混合溶液與飽和石灰水養(yǎng)護(hù)的環(huán)境有利于固化土內(nèi)部生成更多的水化膠結(jié)物質(zhì)。這些膠結(jié)物增大了土團(tuán)粒間的黏聚力，使固化土可以更有效地抵抗干濕循環(huán)產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力。膠結(jié)物質(zhì)同時(shí)填充了團(tuán)粒間的空隙使水分在干濕循環(huán)過程中不易進(jìn)入固化土內(nèi)部，從而有效地降低了固化土內(nèi)部因干濕不均勻產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力。

表3 養(yǎng)護(hù)28d固化土無側(cè)限抗壓強(qiáng)度

表4 干濕循環(huán)后土體強(qiáng)度變化

2.3 凍融循環(huán)試驗(yàn)

2.3.1 無側(cè)限抗壓強(qiáng)度 經(jīng)過10次凍融循環(huán)后固化土的抗壓強(qiáng)度變化情況詳見表5。由表5可以看出，凍融循環(huán)后混合溶液養(yǎng)護(hù)與飽和石灰水養(yǎng)護(hù)試驗(yàn)土塊的強(qiáng)度損失均小于水中養(yǎng)護(hù)與標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)的試驗(yàn)土塊。且凍融循環(huán)后混合溶液與飽和石灰水養(yǎng)護(hù)試驗(yàn)土塊的強(qiáng)度顯著大于水中養(yǎng)護(hù)與標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)試驗(yàn)土塊的強(qiáng)度。

凍融循環(huán)的破壞主要是由于顆粒間水分結(jié)冰膨脹而產(chǎn)生的凍脹應(yīng)力造成的，這種凍脹應(yīng)力破壞顆粒間的膠結(jié)，當(dāng)膠結(jié)力小于凍脹應(yīng)力固化土便被凍壞。而混合溶液養(yǎng)護(hù)與飽和石灰水養(yǎng)護(hù)使固化土內(nèi)部生成更多膠結(jié)物質(zhì)，這些膠結(jié)物質(zhì)增加土團(tuán)粒間的黏聚力，從而使固化土抵抗凍脹應(yīng)力的能力增強(qiáng)。膠結(jié)物質(zhì)同時(shí)填充了顆粒間空隙，使進(jìn)入固化土內(nèi)部的水分減少，產(chǎn)生的凍脹應(yīng)力也隨之減小。

表5 凍融循環(huán)前后土體抗壓強(qiáng)度變化

2.3.2 凍融循環(huán)后試塊的外觀特征 圖1為各養(yǎng)護(hù)方式下的試塊經(jīng)凍融循環(huán)后的外觀特征。由圖1可以看出，混合溶液與飽和石灰水養(yǎng)護(hù)試塊經(jīng)凍融循環(huán)后表面仍然保存完整，邊角無破損現(xiàn)象。但是水中養(yǎng)護(hù)試塊表面凍壞明顯，并產(chǎn)生了較明顯裂縫。標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)受凍破壞最嚴(yán)重。試塊凍融循環(huán)后外觀的情況與上述試塊強(qiáng)度的變化相一致，即強(qiáng)度損失越小試塊表面越完好，而強(qiáng)度損失越大試塊表面凍壞越嚴(yán)重。

圖1 凍融循環(huán)后各養(yǎng)護(hù)方式下的試塊

2.4 掃描電子顯微鏡（SEM）試驗(yàn)

各養(yǎng)護(hù)方式下試塊的掃描電子顯微鏡圖片如圖2所示。從圖2可以看出，混合溶液養(yǎng)護(hù)試塊生成的水化物最多，纖維狀結(jié)晶向外延伸，產(chǎn)生分叉，且相互連接形成空間蜂窩狀結(jié)構(gòu)，針狀結(jié)晶穿插于蜂窩狀結(jié)構(gòu)中。

土顆粒完全被水化凝膠物質(zhì)包裹，看不到土顆粒的形狀、輪廓；飽和石灰水中養(yǎng)護(hù)的試塊，其水化產(chǎn)物較多，呈團(tuán)粒狀結(jié)構(gòu)。團(tuán)粒之間針狀結(jié)晶物較多，縱橫交錯(cuò)，將團(tuán)粒牢固粘結(jié)在一起形成了整體；水中養(yǎng)護(hù)的試樣以團(tuán)粒結(jié)構(gòu)為主，伴有小顆粒，間隙較明顯；標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)試塊的內(nèi)部，小顆粒多，大團(tuán)粒少，間隙大。在顆粒、團(tuán)粒表面雖有水化物生成，但由于生成的量少，不能有效地將土顆粒連接成整體。分析表明，鹽溶液養(yǎng)護(hù)使固化土生成更多更致密的凝膠體，進(jìn)而降低了固化土的孔隙率，減少了固化土的大孔隙。由于固化土的強(qiáng)度、耐久性隨孔隙率降低、孔徑減小、膠結(jié)力增大而提高，因此從微觀結(jié)構(gòu)角度出發(fā)，混合溶液養(yǎng)護(hù)與飽和石灰水養(yǎng)護(hù)可以提高固化土的強(qiáng)度與耐久性。

圖2 不同養(yǎng)護(hù)方式下固化土的SEM圖像

3 結(jié)論

（1）混合溶液養(yǎng)護(hù)與飽和石灰水養(yǎng)護(hù)均可提高固化土的強(qiáng)度、抗干濕循環(huán)以及抗凍融循環(huán)的耐久性。

（2）混合溶液養(yǎng)護(hù)對(duì)強(qiáng)度和耐久性的提高優(yōu)于飽和石灰水養(yǎng)護(hù)。在實(shí)際工程中應(yīng)綜合考慮各方面因素，使養(yǎng)護(hù)成本與效果最經(jīng)濟(jì)。

（3）從微觀結(jié)構(gòu)圖中可以看出，混合溶液與飽和石灰水養(yǎng)護(hù)使固化土生成了更多更致密的凝膠物質(zhì)，增加了黏聚力，降低了孔隙率，減少了大孔隙。

（4）混合溶液與飽和石灰水養(yǎng)護(hù)對(duì)固化土的強(qiáng)度與耐久性的提高切實(shí)有效，有必要結(jié)合工程實(shí)踐做進(jìn)一步的試驗(yàn)研究。

［1］ Khattab S A A，Al-Juari K A K，Al-Kiki I M A.Strength，durability and hydraulic properties of clayey soil stabilized with lime and industrial waste lime［J］.Al-Rafidain Engineering，2008，16（1）：102-116.

［2］ Khoury N N，Zaman M M.Environmental effects on durability of aggregates stabilized with cementitious materials［J］.Journal of Materials in Civil Engineering，2007，19（1）：41-48.

［3］ Kamei T，Ahmed A，Shibi T.Effect of freeze-thaw cycles on durability and strength of very soft clay soil stabilised with recycled Bassanite［J］.Cold Regions Science and Technology，2012，82（10）：124-129.

［4］ Walker P J.Strength，durability and shrinkage characteristics of cement stabilised soil blocks［J］.Cement and Concrete Composites，1995，17（4）：301-310.

［5］ Bin-Shafique S，Rahman K，Yaykiran M，et al.The long-term performance of two fly ash stabilized finegrained soil subbases［J］.Resources，Conservation and Recycling，2010，54（10）：666-672.

［6］ Ahmed A，Ugai K.Environmental effects on durability of soil stabilized with recycled gypsum［J］.Cold Regions Science and Technology，2011，66（2）：84-92.

［7］ Sobhan K，Das B M.Durability of soil-cements against fatigue fracture［J］.Journal of Materials in Civil Engineering，2007，19（1）：26-32.

［8］ 賀行洋，陳益民，張文生.土的組成、結(jié)構(gòu)與固化技術(shù)［J］.巖土工程技術(shù)，2003（3）：129-133.

［9］ 韓蘇建，郭敏霞，李寧.黃土地區(qū)渠道防滲固化劑初探［J］.水土保持通報(bào)，2005，25（2）：60-62.

［10］ 李圣君，哈圖，蘇躍宏，等.固化風(fēng)沙土抗凍性能試驗(yàn)研究［J］.低溫建筑技術(shù)，2012（8）：4-6.

［11］ 鄭軍，閻長虹，夏文俊，等.干濕循環(huán)對(duì)新型固化土承載強(qiáng)度影響的試驗(yàn)研究［J］.巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2009，28（S1）：3051-3056.

［12］ 周永祥，閻培渝.不同類型鹽漬土固化體的干縮與濕脹特性［J］.巖土工程學(xué)報(bào)，2007，29（11）：1653-1658.

［13］ 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）：1002-6819.

［14］ 張麗萍，張興昌，孫強(qiáng).EN-1固化劑加固黃土的工程特性及其影響因素［J］.中國水土保持科學(xué)，2009，7（4）：60-65.

［15］ 周煒，婁宗科，譚明.纖維固化土抗?jié)B性試驗(yàn)研究［J］.水資源與水工程學(xué)報(bào)，2008，19（6）：96-98.

［16］ Kenai S，Bahar R，Benazzoug M.Experimental analysis of the effect of some compaction methods on mechanical properties and durability of cement stabilized soil［J］.Journal of Materials Science，2006，41（21）：6956-6964.

［17］ 張巨松，金亮，劉志鑫，等.硫鋁酸鹽基土壤固化劑性能試驗(yàn)［J］.沈陽建筑大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2012，28（1）：116-122.

［18］ 中華人民共和國水利部.GB／T50123—1999土工試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)［S］.北京：中國計(jì)劃出版社，1999.

［19］ 交通部公路科學(xué)研究院.JTG／E51—2009公路工程無機(jī)結(jié)合料穩(wěn)定材料試驗(yàn)規(guī)程［S］.北京：人民交通出版社，2009.