黃土改性與機理研究

胡安棟，符 勇

(河南理工大學 資源環境學院，河南 焦作 454000)

中國黃土主要分布在陜西、青海、甘肅、寧夏及內蒙古等西北部地區，由于其形成的特殊環境條件，使得黃土具有易崩解、易侵蝕、抗水性能差、多具濕陷性等工程地質特性，無法滿足高速公路、鐵路路基和水利類等較大型工程建設要求。因此，對黃土進行改性，使天然素黃土的強度和水穩性能等得以強化，具有重要意義。

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。化學改性黃土是通過在黃土中加入化學固化材料來改善黃土的工程地質特性，使其改性后的黃土能夠滿足實際工程要求的一種技術手段。化學固化材料又被稱為土壤固化劑，已有很長的應用歷史，在工程應用中水泥類土壤固化劑是出現最早的，緊隨其后石灰、粉煤灰、有機高分子材料及其組合產品相繼問世。當土壤固化劑摻入到土中并進行拌合時，土和不同類型的固化劑之間會發生諸如土粒孔隙充填、水解水化、離子交換、絮凝、碳酸化、結晶和解離等物理化學反應，對土體進行固化改性。

我國對固化劑改性土體的研究處于起步階段，一些學者先后進行了不同固化劑改性不同種類土體效果的試驗研究，探討固化劑改性土體物化性質的作用機制和影響因素，取得了一些結果。梁波等[1-4]分別就粉煤灰、鋼渣、石灰等改性黃土的水穩定性進行研究；張偉鋒等[5-6]開展了以 HEC 固化劑加固黃土的試驗研究；魏公權[7]采用添加土壤固化劑方法提高黃土的強度、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，認為固化劑能大幅提升黃土的力學性能；王銀梅等[8-10]對新型高分子材料 SH 固化黃土和沙土進行了試驗，研究表明 SH 可以大幅度提高土體的工程性質；徐鵬飛等[11]采用新型高分子材料 SH 固化黃土就凍融循環對固化黃土抗壓與抗剪強度的影響開展室內模擬研究，發現 SH 摻量越高，黃土強度提升越大，經凍融循環后強度損失率越小，質量損失率越低，試樣完整性越好；王建良等[12-13]分別就水泥加固黃土和石灰加固黃土開展凍融循環特性研究。但已有的黃土固化對固化后黃土的力學性能提升有限只能滿足特定條件下一般的工程建設需要。

通過采用 G2 黃土固化材料，針對固化劑的不同摻量對黃河中上游流域的黃土樣本進行室內試驗，通過分析固化后黃土的靜水崩解和吸水率、浸水強度以及抗凍融性能來了解該固化劑改性黃土的性能效果，為土壤固化劑在黃土地區渠道、邊坡、土壩護坡等水利工程建設提供技術支撐。

1 試驗設計

1.1 試驗材料

試驗所用黃土取自山西省吉縣，黃土的物理力學性質見表 1。試驗所用黃土固化材料為黃河水利委員會研發的礦粉基膠凝材料——G2 固化劑，固化劑外觀形態如圖1所示。

表1 黃土的物理力學性質Tab.1 Physical and mechanical properties of loess

圖1 試驗所用黃土、G2固化劑Fig.1 Loess and G2 curing agent used in the test

1.2 試驗儀器、試件制備與養護

試驗儀器主要有WEW-100液壓萬能試驗機和DWR-II全自動低溫凍融循環試驗箱。試驗所采用固化劑和細砂的摻量均為所占干土質量的百分比。改性黃土按照設計摻量并以1.69 g/cm3的干密度和17.2%的含水率，在邊長為70.7 mm的立方體模具中手工壓實制備。試件脫模后用塑料袋密封并置于20 ℃和98%濕度左右的環境中養護，養護齡期分別為7、14、28 d。

1.3 浸水崩解與吸水率對改性黃土無側限抗壓強度影響試驗

將制備好摻量為11%、25%、43%、46%+8%細砂和50%+17%細砂的改良黃土立方體試件，在養護箱中養護至7 d。將試件放入水中，水面應高于試件表面3～5 cm，觀察其崩解特征，記錄不同時間段上的崩解特性。

將制備好摻量為11%、25%、43%的改良黃土在養護箱中養護至14 d后，從塑料袋中取出稱重后放在裝有水的負壓裝置中，分別在負壓狀態下吸水1、2、4 h后取出試件并擦干表面水分稱重后進行無側限抗壓強度測試。

1.4 浸水強度試驗

浸水強度試驗的目的是了解G2固化劑改性黃土吸水后的強度變化。將制備好的摻量為11%、25%、43%、46%+8%細砂和50%+17%細砂的改性黃土試件分為2組，1組在6、13和27 d的齡期時從塑料袋中取出，浸沒于水中24 h后，從水中取出擦干試件表面水分并測無側限抗壓強度，另1組在7、14、28 d的齡期后直接進行無側限抗壓強度測試。

1.5 凍融循環試驗

此次試驗參照《公路工程巖石試驗規程》(JTGE41—2005)采用慢凍法，將制備好的43%、46%+8%細砂和50%+17%細砂的改性黃土試件養護至60 d。先將試件放入室溫的水中浸泡3 d，然后將試件從水中取出并擦干表面水分后，放入凍融循環機中自5～35次開始進行凍融循環。一次凍融循環過程為在-20 ℃下冷凍4 h，20 ℃的條件下融解4 h。凍融循環間隔為5次，每循環5次后取出試件并觀察表面狀態后進行無側限抗壓強度試驗。

2 結果與分析

2.1 改性黃土靜浸水狀態與吸水率對強度的影響

將素黃土試件完全浸沒于靜水中，試件在10 min內完全崩解。養護至齡期為7 d的11%、25%、43%、46%+8%細砂和50%+17%細砂的改性黃土試件浸水初期冒出少量氣泡，30 min后試件基本無變化，連續5 d對試件表面進行觀察并稱量試件浸水后質量。連續浸泡28 d后試件仍保持完整。

G2固化后的黃土試件吸水率試驗結果見表2。

由表2可以得出，G2改良黃土第1天吸水率較高，雖然隨著齡期的增長吸水率也在增長，但是增長率逐漸減小。隨著固化劑摻量的增加，改性黃土的吸水率也隨之增大，但隨著細砂和固化劑摻量同時增加，改性黃土的吸水率卻略有下降。改性黃土試件在負壓狀態下吸水率與強度的關系如圖2所示。

從圖2可知，隨著負壓狀態的時間增加，改性黃土的吸水率逐漸增大但趨于平緩。隨著吸水率的增加改性黃土的14 d強度隨之降低，固化劑摻量的越高，雖隨著吸水率的增大，但強度的下降速率逐漸減小，這說明隨著固化劑的增加，增強了改性黃土的憎水性。這是由于改性黃土體系內水化硅酸鈣和硅膠等所構成無機膠凝水化網絡的抗水性以及改性黃土中的有害孔的減少，同時降低改性黃土的親水性，使改性黃土內的毛細管壁上形成憎水層，使毛細管吸附作用減弱，從而降低了改性黃土的吸水性。

2.2 浸水后無側限抗壓強度試驗

G2固化劑改性黃土強度試驗結果如圖3、圖4所示。

圖3 改性土強度與齡期的關系Fig.3 Relationship between strength and age of modified soil

圖4 不同摻量不同齡期下的G2改性黃土的浸水前后的強度和軟化系數的關系Fig.4 Relationship between strength and softening coefficient of G2 modified loess with different content and age

從圖3、圖4可以看出，G2改性黃土試件隨著齡期的不斷增長，強度也隨之增長，但是增長速率逐漸放緩。結合3個齡期階段的結果可以得出，G2改性黃土在浸水后強度急劇降低，但仍能保持較好的結構形態穩定性，其原因是氫鍵的作用和不溶于水的鈣質聚集體，形成新的CSH凝膠體，從而加強了土體內部結構，增加了土體的水穩定性能。改性黃土隨著固化劑和細砂摻量的增加，抗壓強度也隨之增加，軟化系數幾乎都大于0.8且隨著齡期的增長而增大，浸水后強度損失率隨著齡期的增長和摻量的增加也逐漸減小，說明G2具有很好的水穩性。

2.3 凍融循環模擬試驗

43%、46%+8%細砂和 50%+17%細砂的改性黃土試件的抗凍融試驗結果如圖5所示。

圖5 凍融循環次數與無側限抗壓強度的關系Fig.5 Relationship between the number of freeze-thaw cycles and unconfined compressive strength

從圖5可以看出，隨著凍融次數增加，固化劑固化黃土的強度損失增大。46%+8%細砂和50%+17%細砂摻量的試件，歷經35次凍融循環后，雖較未經歷凍融的強度都有所下降，但強度損失均低于 25%。43%摻量的改性黃土歷經35次凍融循環后強度損失超過25%，但在歷經30次循環時強度損失為 21.8%。隨著摻量的增加，改性黃土的抗凍性能也隨之得到增強。其原因是凍融循環對改性土內部結構的影響主要集中在增大內部孔隙率和破壞土顆粒膠結2個方面，因為改性黃土中無機膠凝材料水化網絡的抗水性以及膠凝材料包裹土顆粒的作用，減少了改性黃土凍融過程中水—冰相變所增大的土中孔隙率對內部結構的破壞，從而大幅提高了改性黃土的抗凍性。

2.4 固化劑固化機理

3 結語

(1)固化劑提高了改性黃土的水穩定性。G2固化劑對黃土進行改性后遇水不發生崩解現象。G2改性黃土浸泡28 d仍然完好，耐水性得到增強。

(2)G2改性黃土的強度隨著吸水率的增加，強度也隨之降低但提高摻量能夠改善這種現象。

(3)摻量為43%、46%+8%細砂和50%+17%細砂的改性黃土具有較高的強度，浸水后強度明顯降低，軟化系數都在0.8以上。

(4)G2改性黃土的強度隨著摻量和齡期的增加而增大，但隨著齡期的逐漸增長，強度的增長速率逐漸放緩。

(5)隨著凍融次數的增加，G2改性黃土的抗壓強度逐漸降低，G2摻量越大，強度損失越小。43%摻量以上的G2固化劑的改性黃土最少可以抵抗30次凍融循環。