一種自修復固化土的抗拉強度試驗

錢曉彤， 陳 庚*， 李 鋒

(1.河海大學巖土力學與堤壩工程教育部重點實驗室， 南京 210098； 2.蘇交科集團有限公司， 南京 210098)

軟土固化技術是目前應用廣泛的棄土資源化利用技術，通過將軟土與一定配比的固化劑混合攪拌，提升軟土的強度和耐久性，用作路基填料等工程用土需求。軟土力學特性的提升取決于固化劑的種類，水泥是使用最為廣泛的無機固化劑。很多學者針對水泥土的力學特性開展了各項研究。湯怡新等[1]發現水泥固化土的抗壓強度主要取決于水泥用量, 其次是原料土的含水量；馬卉等[2]發現水泥的摻入可以有效提高凍土的力學參數；Consoli等[3]考慮3種不同孔隙率和7種水泥含量的情況下，進行了1%～12%的劈裂拉伸試驗和無側限壓縮試驗，證明孔隙率作為控制水泥土抗拉與抗壓強度參數極為有效；Cai等[4]分析了水泥土的摻比、養護齡期、含水率、土體等因素對水泥土抗壓強度的影響。

在一定的摻量和養護齡期下，水泥固化土有較高的抗壓強度，但是其抗拉強度較低，干縮、溫縮條件下易產生裂縫[5-6]。張通等[7]選用MBER土壤固化劑進行試驗，發現固化土的劈裂強度總體上高于水泥土；戴文亭等[8]通過在水泥土中添加劍麻纖維來提升固化土的劈裂抗拉強度；Hejazi等[9]總結分析了聚丙烯纖維可用于提升固化土的抗拉性能。綜上所述，提升水泥土抗拉強度的方法很多，但是裂縫狀態下實現抗拉強度的自修復還少有人研究。強度自修復技術目前多運用于砂漿和混凝土等領域[10-13]，因此研究水泥固化土在裂縫狀態下抗拉強度的自修復具有很大的工程實踐意義。

現以一種強度自修復有機固化劑為主要原料，配合水泥固化土體，用固化土的劈裂強度(間接抗拉強度)來判斷自修復固化劑對水泥土的加固性能，研究不同浸水時間、養護齡期下固化土的強度變化特性；對比水泥固化土和自修復固化土劈裂破壞后的強度自修復情況。采用掃描電鏡試驗(scanning electron microscope, SEM)對自修復固化土進行微觀試驗研究，探討其固化機理。

1 試驗材料

試驗用土為低液限黏土，取自江蘇省南京市，基本物理性質指標如表1所示。選取的自修復有機固化劑由江蘇路液新材料有限公司提供，呈深黃色透明液體狀(圖1)，可以與水以任意比例互溶，其具體組成成分如表2所示，各項物理指標如表3所示。無機固化劑選取由諸城市楊春水泥有限公司生產的普通硅酸鹽水泥(圖2)，標號42.5。

表1 試驗用土的基本物理性質指標

圖1 自修復固化劑Fig.1 Road liquid material

表2 自修復固化劑的組成成分

表3 自修復固化劑的基本物理性質指標

圖2 水泥干粉Fig.2 Dry cement powder

2 試驗方案及步驟

采用自修復固化劑-水泥組成的復合材料聯合固化黏土，將天然含水率下的黏土在室外風干晾曬，直到其含水率降低至最優含水率以下。水泥按干土質量比摻入，摻量為4%，自修復固化劑根據應用說明，按體積比摻入，摻量為0.3 L/m3，另做一組4%水泥摻量固化土作為對照組，同時研究不同養護齡期、浸水時間下水泥土與自修復固化土的強度變化。劈裂試件的制作、養生和測試均按照《公路工程無機結合料穩定材料試驗規程》(JTJ E51—2009)進行。測試過程如圖3所示。劈裂強度試驗方案如表4所示。

圖3 劈裂強度測試過程Fig.3 Testing process of splitting strength

表4 劈裂強度試驗方案

劈裂強度自修復測試方法：水泥土的應力-應變曲線由線性上升段(彈性變形)、非線性上升段(塑性變形)和陡降段(完全破壞)組成，峰值應力的30%～40%后即進入塑性破壞階段[14]，土體內部開始出現微裂縫損傷。為了避免產生貫通的大裂縫，綜合考慮本實驗的固化劑摻量，在試驗過程中選擇劈裂強度峰值應力的80%進行加載，研究自修復固化土產生微裂縫之后的強度恢復能力。

采取“養護—初加載80%—卸載—自修復養護—再加載”的方式。自修復類材料的修復效果與其摻量和裂縫寬度有關[15]，因此先測量3個平行試樣的劈裂強度，以該強度的80%對剩余三個平行試樣進行初加載，隨即卸載。將3個初加載試樣放入標準養護箱進行自修復養護，待養護至指定齡期后取出，測量劈裂強度。固化劑選擇4%水泥、4%水泥+0.1 L/m3自修復固化劑、4%水泥+0.2 L/m3自修復固化劑、4%水泥+0.3 L/m3自修復固化劑進行對比分析。自修復劈裂強度試驗方案如表5所示。

表5 自修復劈裂強度試驗方案

3 試驗結果與分析

3.1 劈裂強度

固化土的劈裂強度一定程度上反映其在豎向荷載下抵抗裂縫的能力。4%水泥、4%水泥+0.3 L/m3自修復固化劑的兩種固化土在浸水0、24、48 h條件下劈裂強度與養護齡期的關系如圖4所示。

圖4 不同養護齡期下固化土的劈裂強度Fig.4 Splitting strength of solidified soil at different curing ages

由圖4可知，劈裂強度的增長階段主要在3～7 d。浸水24 h情況下，水泥土養護7 d時的劈裂強度比3 d時的劈裂強度高25.9%，繼續養護至28 d后的劈裂強度比7 d時僅提高了1.6%；同浸水條件下自修復固化土養護7 d時的劈裂強度比3 d時的劈裂強度高8.8%，繼續養護至28 d后的劈裂強度比7 d時僅提高了3.7%。浸水0 h和浸水48 h情況下的水泥土與自修復固化土的劈裂強度增長趨勢也類似，整體表現為先快后慢，而增長速度的時間轉折點為7 d。由此可看出，7 d之前是水泥土和自修復固化土劈裂強度發展的主要時期，繼續養護劈裂強度也有所增長，但增長速度都有不同程度的減緩。

由圖4還可明顯看出，自修復固化劑的加入大幅度提高了試件的劈裂強度。浸水24 h情況下，養護齡期3 d時，加入自修復固化劑后的劈裂強度較水泥土提高了27.1%，幾乎等于水泥土養護7 d的強度；養護齡期7、14、28 d時，加自修復固化劑之后的劈裂強度較水泥土都有不同程度的提升，分別提高了9.8%、8.5%、12.1%。自修復固化劑的加入為固化土額外提供了抵抗拉應力的能力，進一步加強了土體內部的黏結力，在外力作用下，自修復固化土的間接抗拉強度較水泥土大幅增強。

不同浸水時間下固化土的劈裂強度如圖5所示。由圖5可以明顯看出，浸水時間對水泥土和自修復固化土的劈裂強度都有一定影響，具體表現為隨著浸水時間的增長，兩種固化土的劈裂強度呈現出不同程度的下降，這與張俊等[16]的水泥基類固化土的劈裂試驗結論相同。對于水泥土，在養護3 d時，0～24 h浸水期間強度下降緩慢(強度下降14.24%)，24～48 h浸水期間強度大幅度下降(強度下降41.31%)，該階段試件內部水泥水化反應還處于初期階段，水化產物C-S-H生成數量有限，因而土顆粒之間的膠結作用很弱，內部存在大量孔隙，浸水之后水分進入孔隙，土顆粒之間由于水的滲透力大于膠結力而逐漸瓦解，導致劈裂強度急劇下降。養護7 d之后，浸水時間雖然對水泥土的劈裂強度仍有所影響，但強度下降趨勢明顯變緩，原因是水泥水化反應已基本完成，土顆粒之間通過水化硅酸鈣(C-S-H)已形成較強的黏結力，同時土體內部孔隙由于填充了大量的水化產物導致孔隙率大幅度降低，因而降低了浸水對強度的影響程度。

圖5 不同浸水時間下固化土的劈裂強度Fig.5 Splitting strength of solidified soil under different soaking time

由圖5可看出，自修復固化劑的加入顯著提升了固化土的水穩特性。養護3 d時浸水0～24 h，自修復固化土的劈裂強度僅下降5.50%，浸水24～48 h，自修復固化土的劈裂強度僅下降4.1%，遠低于水泥土強度的下降程度(14.24%和41.31%)，充分體現浸水條件下自修復固化劑對水泥土前期的補強作用。由圖5還可看出，養護7 d之后，浸水時間對自修復固化土的劈裂強度影響較水泥土要小得多，表現為強度變化曲線更為平緩。除此之外，相同浸水時間下自修復固化劑的加入也大幅度提升了試件的劈裂強度。養護14 d時，浸水0、24、48 h的自修復固化土的劈裂強度較水泥土分別提升了8.25%、5.84%和9.80%；養護28 d時，浸水0、24、48 h的自修復固化土的劈裂強度較水泥土分別提升了7.89%、10.77%和13.14%。在同一養護齡期下，隨著浸水時間的延長，自修復固化土較水泥土的劈裂強度的提升幅度逐漸變大，體現出自修復固化土良好的水穩特性。

3.2 自修復劈裂強度

3種自修復固化土和水泥土在不同養護時間下破壞后的劈裂強度自修復情況如圖6所示。由圖6可看出，3種破壞情況下自修復固化土的劈裂強度修復情況均優于水泥土，且恢復效果隨自修復固化劑摻量的增加而增加。養護3 d后破壞，0.1、0.2、0.3 L/m3摻量下的固化土自修復28 d后的劈裂強度比水泥土分別提高了8.24%、18.89%和20.25%；同條件下養護14 d后破壞，固化土自修復28 d后的強度比水泥土分別提高了12.65%、24.74%和25.86%。當土體內部受荷載作用出現了微裂縫和局部損傷時，水泥土自身具備一定的自修復功能，即重塑固化土的強度增長[17]。自修復固化劑可以提供一部分額外的強度補償，加大固化土劈裂強度的恢復程度。

圖6 不同養護時間破壞后的自修復劈裂強度Fig.6 Self repairing splitting strength after different initial curing time

由3種養護破壞時間下的強度恢復圖像均可看出，固化土的自修復劈裂強度在初期(破壞后自修復0～3 d)增長速度較快，中期(破壞后自修復3～14 d)強度增長速度有所下降，但仍保持一定速率的線性增長，后期(破壞后自修復14～28 d)強度已無明顯增長。說明破壞后的0～14 d為固化土劈裂強度恢復的主要時期，在該期間水泥和自修復固化劑共同作用，促進固化土的強度恢復。圖7為不同養護時間下破壞后的28 d自修復劈裂強度。可以看出，4種固化土的最終劈裂強度均隨養護時間的延長而減小。養護3 d后破壞，此時水化反應還處于初期階段[18]，破壞后隨著水化反應的繼續進行，大量的膠凝物質(C-S-H)生成，配合自修復固化劑共同作用，填充和黏結裂縫，從而起到強度提升效果。而在養護14 d后破壞，水泥的水化反應已進入遲緩期，在自修復時期能提供的膠凝物質有限，此時水泥土的強度主要來源于固化土團間的摩擦和咬合作用，而自修復固化土的強度來源于土顆粒之間的摩擦以及自修復固化劑的膠結，在宏觀上則表現為后者在破壞后28 d的自修復劈裂強度遠大于前者，體現出即便在較長的養護時間下破壞，自修復固化土仍具備較高的強度恢復能力。

圖7 不同養護時間下破壞后的自修復劈裂強度(自修復28 d)Fig.7 Self repairing splitting strength after failure under different curing time (self repairing 28 days)

4 微觀機理分析

固化土的宏觀力學特性在很大程度上受到其微觀結構的影響和控制。本研究對固化后的黏土進行掃描電子顯微鏡(SEM)試驗，得到土樣的微觀照片對其微觀結構進行分析，進一步分析固化土物理力學性質變化的機理。兩種固化土的掃描電鏡圖如圖8所示。圖8(a)為4%水泥固化土的SEM圖，圖8(b)為4%水泥+0.3 L/m3自修復固化土的SEM圖。從圖8可見，養護7 d之后兩類固化土SEM圖中均存在大量的纖維狀物質聯結著土顆粒，在土骨架內部形成交叉貫穿的空間網絡結構。從圖8(a)可以看出，僅添加4%水泥時，養護7 d后的試樣多為棱狀小顆粒物聚集而成，試樣內部已產生部分水化硅酸鈣凝膠黏結土顆粒，但是顆粒間的孔隙仍清晰可見，顆粒與顆粒之間比較松散。從圖8(b)可以看出，添加自修復固化劑之后的固化土，多為圓狀大顆粒聚集而成，粒與粒之間孔隙明顯減小，大孔隙被膠結填充。水泥與自修復固化劑生成的膠結物質相互搭接，形成了強度更高、孔隙率更小的交互空間結構。

圖8 齡期為7 d的兩種固化土的SEM圖Fig.8 SEM images of two solidified soils aged 7 days

4%水泥+0.3 L/m3自修復固化土在養護7 d破壞，自修復前后的SEM圖像如圖9所示。可以發現，在固化土自修復7 d之后，土顆粒較之前結合地更加緊密，土顆粒之間的孔隙較自修復前顯著變小，土顆粒由松散狀態向團聚狀結構、網狀結構發展，孔隙充填、膠結的程度增加。分析原因是自修復固化劑中含有大量富含活性物質的微膠囊，當硬化后的土體受到應力開裂時，裂紋尖端的微膠囊在集中應力的作用下破裂，修復劑流出，在毛細作用下滲入土體的裂紋中，滲入裂紋中的修復劑與分散在土體材料中的固化劑相遇，抑制裂紋繼續擴展，達到恢復甚至提高固化土強度的效果。7 d的自修復時間提高了土顆粒的膠結緊密程度，產生更多的膠凝物質填充破壞產生的微裂縫，在裂縫之間起橋接作用，繼續為固化土提供強度。

圖9 4%水泥+0.3 L/m3自修復固化土修復前后的SEM圖Fig.9 SEM images of 4% cement+0.3 L/m3 self repairing solidified soil before and after repair

5 結論

通過劈裂強度試驗探討了自修復固化土的劈裂強度及破壞后的劈裂強度自修復效果，研究了水泥土與自修復固化土的水穩特性；采取“養護—加載80%—卸載—自修復養護—再加載”的方式，研究了不同自修復固化劑摻量、養護時間和自修復時間對固化土自修復效果的影響，并采用掃描電鏡試驗對自修復固化土進行了微觀研究，得到以下結論。

(1)自修復固化劑的加入顯著提升了水泥土的劈裂強度，劈裂強度的增長階段主要在3～7 d，之后強度增長緩慢。浸水時間對自修復固化土的影響顯著低于水泥土，體現出自修復固化土良好的水穩特性。

(2)養護時間越長，劈裂強度自修復效果越低。養護3 d和7 d后破壞，水泥土和自修復固化土均具備一定的劈裂強度自修復能力，養護14 d后破壞，自修復效果大部分來源于自修復固化劑，且自修復強度隨自修復固化劑摻量的增加而增加。

(3)電鏡掃描試驗結果顯示，自修復固化土多為圓狀大顆粒聚集而成，孔隙較水泥土明顯減小。破壞自修復7 d之后，由于微膠囊作用，土顆粒由松散狀態向團聚狀、網狀結構發展，孔隙充填、膠結的程度增加，強度得到大幅度提升。