固化劑改良水泥穩定黃土強度及水穩性研究

吳文飛，張紀陽，何　銳，陳華鑫

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

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固化劑改良水泥穩定黃土強度及水穩性研究

吳文飛1,2，張紀陽1,2，何銳1,2，陳華鑫1,2

(1.長安大學材料科學與工程學院，西安710061；2.長安大學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度及水穩性的影響，選擇3個水泥摻量(6%、7%和8%)和4種固化劑(M1、M2、M3和M4)，測試3個水泥摻量下黃土的7 d無側限抗壓強度，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無側限抗壓強度、滲水系數K20和30 min沖刷量，并結合分別加入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定黃土的機理。結果表明，水泥穩定能大幅提高黃土強度；4種固化劑成份體系不同，對水泥穩定黃土的主要作用機制也不同，主要包括離子交換作用、火山灰作用、化學反應生成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，而是主要機制不同的多種作用復合發生；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、更強的水化產物提高強度或填充孔隙提高密實性。

黃土； 固化劑； 水泥穩定； 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、寧夏及內蒙古等西北部地區。隨著我經濟的高速發展及國家西部大開發戰略的推行，這些黃土地區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度高、壓縮性小等優點，但是遇水特別容易沉降，造成路基出現變形、坍塌等破壞。因此提高黃土路基的穩定性，預防其發生濕陷性和滲透性破壞對于提高公路質量至關重要。常用的土壤加固方法包括機械加固法、熱處理加固法、化學加固法、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械加固與化學加固協同使用。張洪亮從力學角度分析，提出了以回彈模量和壓實度雙控的黃土路基壓實標準[4]；景宏君[5]研究了采用沖擊壓實的方法改善黃土地區公路路基壓實度和強度，認為沖擊壓實能有效提高路基整體強度改善黃土路基的穩定性；魏公權[6]采用添加土壤固化劑方法改善黃土的強度、水穩定性及滲透性等，對比了素黃土、石灰加固土和復合加固土的性能，認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定黃土強度、水穩性及濕陷性的影響，分析了固化劑對水泥穩定黃土的增強及抗水毀性的作用機理。

2　試　驗

2.1原材料

內蒙古蒙西水泥廠生產P·O 42.5R普通水泥，技術指標見表1；黃土取自陜西省延安市吳起縣鐵邊城鎮，黃土的物理力學性質見表2，土顆粒組成見表3；固化劑采用課題組自主研發產品，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

表2　黃土物理力學性能

表3　黃土顆粒組成

表4　固化劑主要成份

續表

2.2試驗方法

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

為排除素土材料風干程度不同而對擊實試驗測定最佳含水率和最大干密度產生影響，試驗前將素土置于110 ℃烘箱烘烤12 h。按照《公路工程無機結合料穩定材料式樣規程》(JTG E51-2009)無機結合料穩定材料擊實試驗甲類方法(T0804-1994)進行擊實試驗。試驗每個水泥摻量預定5個含水率，分別為9%、11%、13%、15%和17%，將試驗結果各點采用二次曲線方法擬合曲線如圖1所示。根據圖1確定每個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范要求成型φ50 mm×50 mm圓柱形試件用于強度測試，φ150 mm×150 mm圓柱形試件用于滲水系數及抗沖刷測試。不摻固化劑的水泥穩定黃土參數見表5，將成型好后的試件放入溫度為(20±2) ℃、濕度大于95%的養護室養護至7 d，其中無側限抗壓強度試件最后一天浸水。

表5　不摻固化劑的水泥穩定黃土參數

采用壓力機測試圓柱形試件7 d無側限抗壓強度，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，記錄數據。為研究固化劑對水泥穩定黃土水穩定性的影響，采用變水頭法按規范(JTG E51-2009)進行固化劑改良水泥穩定黃土滲透系數的測試，用以評價固化劑對水泥穩定黃土滲透性的改善效果。

水泥穩定黃土抗沖刷試驗試件為φ150 mm×150 mm圓柱形，按照最大干密度和最佳含水量及98%壓實度，采用靜力壓實成型法制備試件，成型好后將試件置于標準養護室養護28 d，試件養生結束后將試件浸水24 h，按規范(JTG E51-2009)進行沖刷試驗，沖刷時間為30 min，記錄試件質量損失。

3　結果與討論

3.1固化劑改善水泥穩定黃土抗壓強度

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

水泥摻量對黃土無側限抗壓強度的影響如圖2所示，水泥的摻入能大幅提高黃土抗壓強度，并且隨著摻量的增加抗壓強度逐漸增大，當達到7%時強度增長趨于穩定，因此建議水泥穩定黃土基層水泥摻量設為8%。由表6所示的無側限抗壓強度測試結果可以看出，通過加入微量固化劑能顯著提高水泥穩定黃土的抗壓強度，最大能提高0.27 MPa，相當于將水泥摻量提高2%。4種固化劑成份不同對黃土增強方式和作用結果也不同，強度由高到低依次為M2>M3>M1>M4，并且多組數據結果標準差小，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絡結構勻稱，黃土內部沒有薄弱區域，這樣間接提高了整體強度。

當水泥與黃土、水混合后，水泥顆粒分散于黃土顆粒體系內被黃土顆粒包裹，由于黃土滲透性強，水透過黃土與水泥顆粒接觸發生水化，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生成片狀、纖維狀或針狀晶體，這些水化物晶體互相交錯，在黃土中形成穩定的網絡結構[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絡結構變密集，黃土內部大部分孔隙被填充，強度增長較快，繼續提高水泥摻量，雖然水化物晶體形成的網絡結構更加密集，但是這些網格強度有限，因此水泥穩定黃土強度增長變緩。加入微量固化劑后，能間接促進或直接參與反應生成水化物晶體，這樣不僅提高了黃土強度而且還能填充黃土內部孔隙，提高密實度。

表6　無側限抗壓強度

3.2固化劑對水泥穩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定性對提高公路質量至關重要，本文采用滲水試驗和抗沖刷試驗評價水泥穩定黃土的濕陷性和抗水毀性。滲水試驗結果如表7和圖3所示，隨著養護齡期的增加水泥穩定黃土滲水系數呈遞減趨勢，并且逐漸趨于穩定。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空隙被水泥水化物填充，滲水系數下降，水泥在前14 d內水化程度能達到85%以上，因此由圖3所示0～14 d養護期內曲線下降較快，之后趨于平緩。4種固化劑對滲水系數的影響步調基本一致，都能有效提高水泥穩定黃土的抗滲性，28 d滲水系數改善效果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的滲水系數最大，之后隨著水泥水化程度的加深到第7 d滲水系數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定黃土滲水系數K20×10-6

圖3　水泥穩定黃土滲水系數隨齡期的變化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定黃土的抗水毀壞性能。抗水毀性與組成成份在水中溶解性、密實度及黃土與粘結材料粘結強度有關，水泥穩定黃土在受到動水沖刷時，水泥水化產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物也開始分解，如水化硅酸鈣和水化鋁酸鈣會分解成膠結能力較差的硅膠SiO2·nH2O和鋁膠Al(OH)3，這樣由于水泥水化產物的流失，黃土顆粒之間粘結強度變弱，裸露于表面的顆粒被帶走，30 min質量損失達103 g。當加入固化劑后，提高了黃土內部Ca2+濃度，部分游離的Ca2+溶入水中使水質變硬，減緩了Ca(OH)2在水中的溶解，另外由水泥水化產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、鋁酸鈣等難容產物，不僅提高了整體密實度同時能將Ca(OH)2晶體包裹在內部，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　水泥穩定黃土抗沖刷試驗結果

3.3微量固化劑改良水泥穩定黃土機理微觀分析

M1、M2、M3和M4四種黃土固化劑是由多種無機、有機材料混合而成的用以改善黃土性能的復合添加劑材料，其固化黃土本質是通過與黃土顆粒、水及水泥顆粒之間發生物理化學反應，改善黃土顆粒之間的接觸面積，強化黃土顆粒間的連接結構，其固化機理包括膠體化學、結構力學和黃土化學等作用[9]。黃土疏松多孔，在自然微觀狀態下呈現絮狀結構(圖4a)，強度及抗水性極差。當加入水泥后水泥水化物不僅可以提高黃土密實性而且能使黃土形成一定的強度。水泥穩定黃土強度主要來源于水泥與黃土中活性礦質成份發生水化反應生成一系列水化產物，如C-S-H、Ca(OH)2等，這些針狀、片狀水化產物相互穿插縱橫交錯形成空間網絡結構(圖4b)，提高黃土的強度和韌性，但是由于水泥比例有限，這樣的強度往往還不能滿足一般公路基層強度要求，所以還需要添加一些微量的固化劑。M1、M2、M3和M4成份不同作用機理也不同，主要包括離子交換作用，含Ca2+的無機鹽溶液和溶膠(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，當加入固化劑后電離產生的Ca2+、Mg2+和Al3+等離子與吸附層上的Na+、K+離子進行交換，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，提高水泥穩定黃土強度，并且離子交換量受外界環境的影響，隨著PH值的增加交換量減少，因此不同土壤類型需要調整固化劑配方，以達到最佳的固化效果。同時加入的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”變為“憎水性”，在靜壓或振動壓實成型后，黃土界面變得光滑斷口上呈現“鱗片”狀(圖4c)，這樣不僅提高了黃土強度而且較低的孔隙率使其抗滲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-發生水解反應生成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發生反應，逐步生成C-S-H、鋁酸鈣等物質如式(2)所示，從而表現出火山灰作用。隨著Ca(OH)2濃度的減少水解平衡方程式(1)繼續往右進行，隨著養護齡期的增長，生成的C-S-H、鋁酸鈣越來越多，這樣相當于間接提高了水泥用量，并且這些反應持續時間長，只要有多余的Ca2+反應就會持續進行，反應產物待水泥基本完全水化后能有效填充內部孔隙，形成密實黃土結構(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)

化學固化作用，當加入氯離子類固化劑M3時，氯離子將會與水泥水化生成的氫氧化鈣結合生成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]，其基本化學反應方程式如式(3)所示，Friede鹽(圖4e)的生成能有效提高黃土強度，并且氯鹽的存在能在黃土內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部發生膨脹提高強度。

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生成的水化鋁酸鈣或與氫氧化鈣和活性Al2O3反應生成高硫型的水化硫鋁酸鈣(AFt)[13-15]，反應方程式如式(4)所示，AFt(圖4f)能沿孔隙結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部空隙，同時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部土體顆粒之間內摩阻力的增加，固化的黃土強度也隨之升高。

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　論

(1)水泥穩定能大幅提高黃土無側限抗壓強度，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度升高；

(2)微量固化劑的摻入不僅能提高水泥穩定黃土的強度，同時還能有效改善黃土的抗水毀性能，通過試驗發現M1、M2、M3和M4四種固化劑的作用效果不同，改善效果由強變弱依次為M2>M3>M1>M4，固化劑類型對土壤有一定的適應性，對于特定土壤類型需要有選擇性的使用固化劑才能達到最優效果；

(3)4種固化劑成份各不相同，作用機理也不一樣，主要包括離子交換作用、火山灰作用、化學反應生成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，而是主要機制不同的多種作用復合發生，如生成Friede鹽不僅提高了黃土強度同時也起了類似于AFt的膨脹填充作用。

[1] 周永祥，閻培渝.土壤加固技術及其進展[J].鐵道科學與工程學報，2006，(3)：35-40.

[2] 高立成.固化劑改良黃土力學特性試驗研究[D].太原：太原理工大學，2013.

[3] 周海龍，申向東，薛慧君.派酶土壤固化劑在我國的應用與研究現狀[J].硅酸鹽通報，2013，32(9)：1780-1784.

[4] 張洪亮，王秉綱.黃土路基壓實標準研究[J].公路工程，2008，33(5)：19-23.

[5] 景宏君，張斌.黃土地區公路路基沖擊壓實試驗[J].長安大學學報(自然科學版)，2004，24(1)：25-29.

[6] 魏公權，唐德密，隆海健，等.一種新型復合固化劑加固黃土的試驗研究[J].路基工程，2012，(5)：67-71.

[7] 宋南京，陳新中，趙洪義.土壤固化劑的研究進展應用[J].中國建材科技，2009,(1)：54.

[8] 童斌，李真.土壤固化劑的進展研究[J].合肥師范學院學報，2009，27(3)：91.

[9] 李琴，孫可偉，徐斌，等.土壤固化劑固化機理進展應用[J].材料導報A(綜述篇)，2011，25(5)：64-67.

[10] 蔡躍波，羅睿，王昌義.水泥-磨細礦渣水化產物-F鹽的微光結構分析[J].水利水運工程學報，2001，(1):45.

[11] Surgavanshi A K，Swamy R N.Stability of frie del’ssalt in carbonated concrete structural elem ents[J].CenmentConer-Res，1996,26(5)：729.

[12] Renuadi G，Kubel F. Strueotral phase transition and high temperature phase strueture of friedels salt，3CaO·Al2O3·CaCl2·10H2O[J].CementConerRes，1999，29：1937.

[13] Yilmaz I I k,Civelekoglu B.Gyp sum: An additive for stabilization of swelling clay soile[J].AppleClaySci，2009，44：166.

[14] 顏志平.超細高性能灌漿水泥的性能及其微觀結構研究[J].巖土力學，2004，5(4)：275.

[15] 王銀梅，韓文峰，諶文武.新型高分子固化材料與水泥加固黃土力學性能對比研究[J].巖土力學，2004，25(11)，1761-1765.

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

高等學校博士學科點專項科研基金資助課題(20130205110013)；浙江省交通運輸廳科研計劃項目(2014H38)；青海省重大科技專項計劃項目(2014-GX-A2A)；長安大學中央高校基本科研業務費專項資金資助(310831162001,310831161001)

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

何銳，博士，副教授.

TQ172

A

1001-1625(2016)07-2159-07