F1離子固化劑加固泥巖物理力學特性試驗

廖亦涵， 張延杰*， 李建東， 王旭,2， 王興為

(1.蘭州交通大學土木工程學院， 蘭州 730070； 2.道橋工程災害防治技術國家地方聯合工程實驗室， 蘭州 730070)

泥巖是一種富含蒙脫石、伊利石等強親水性黏土礦物的特殊軟巖，具有吸水膨脹軟化、失水收縮干裂和易崩解等不良工程特性[1]，在中國西南、西北、中南和東南地區廣泛分布。泥巖在特殊的生成和賦存環境下，經常出現表層風化效應和可逆濕脹干縮效應，經常誘發路基上拱、邊坡坍塌、渠壩和建筑物開裂等工程病害，嚴重制約泥巖地區公路、鐵路、水利及其附屬構筑物的安全服役和壽命周期，造成了巨大的經濟損失。因此對于泥巖的不良工程性質改良問題，引起工程技術人員的高度關注。

水泥、石灰、粉煤灰和礦渣等膠凝材料，由于其具有成本低、取材方便、加固效果穩定等優點[2]，在實際泥巖加固工程中被廣泛應用，國內外學者對無機類固化劑加固泥巖的力學性能進行了大量研究。毛雪松等[3]、何俊等[4]、Zhang等[5]詳細闡述了此類固化劑的固化機理。徐鵬等[6]通過動力響應試驗發現，石灰改良泥巖能減小路基的沉降變形，提高路基的整體承載性。Vazquez等[7]利用石灰和水泥對泥巖進行改良，大幅提高了土體的物理力學特性。Katz等[8]通過石灰和水泥對泥巖進行改良后，發現土體強度與礦物晶格結構變化有關。檀奧龍等[9]提出了堿渣改性的方法，研究發現改性后的泥巖膨脹率降低，力學性能得到了顯著提升。此外，相關學者還研究了固化劑摻量變化對泥巖力學性能提高效果的影響。祝艷波等[10]采用石灰、水泥、粉煤灰對泥巖風化物進行改良，得出摻比為5%的水泥改良效果最佳。Manasseh等[11]摻入石灰對改良土體的工程性能進行研究，得出在8%最佳石灰摻量下，土體的強度達到最高。

采用無機類土壤固化劑，對于廢棄固化土難以處理利用，固結層滲透性差、易干縮產生裂縫，并且對土質會造成嚴重破壞，不利于生態防護[12]。近些年來，隨著材料科學的快速發展，利用高分子聚合物加固土體引起了工程技術人員的高度重視。離子類新型固化劑能克服無機類固化劑的不足，且具有成本低[13]、固化效果佳、施工簡便快捷和綠色環保等眾多優點，可顯著改善黏土礦物的工程性質，被廣泛應用于道路基層[14-16]、渠道防滲[17]和水利工程[18]。泥巖作為黏土經過后生作用形成的巖石[19]，富含蒙脫石、伊利石等黏土礦物，物理力學特性與黏土有眾多相似之處，因此利用離子類固化劑改良泥巖具有一定的研究意義。但是縱觀國內外現有泥巖加固研究成果可知，采用離子型固化劑加固泥巖的內容較少，對于固化泥巖的物理力學特性有待深入研究。鑒于此，現使用F1離子固化劑加固甘肅地區泥巖，對F1固化劑作用前后泥巖的物理力學特性展開研究，以期為泥巖土體的改良和治理提供技術參考。

1 試驗材料

1.1 F1離子固化劑

F1離子固化劑(以下簡稱F1)的主要成分為丙烯酸磺化有機聚合物，且含有多種酸性表面活性劑，是一種綠色環保的新型土壤穩固材料，其密度為1.35 g/cm3，稀釋率為1∶200。如圖1所示。受專利和商業機密限制，制造商未公布確切的化學成分。F1遇水時可快速離解出水化半徑小、電勢強的高能氫離子(H3O+)，可通過離子交換反應，替換黏土顆粒表面水化半徑大、吸水能力強的金屬陽離子(Na+、Li+、K+、Mg2+等)，并破壞雙電層水膜結構，降低ζ電勢[20]，改變土體微觀孔隙結構和土顆粒間的連接、排列方式，促進土顆粒絮凝團聚，提高土體密實度。F1中的磺化油成分具有獨特的“二重性”，其可在土顆粒表面形成一層疏水油性層[21-22]，將黏土顆粒由“親水性”變為“憎水性”，可有效阻止土顆粒與水的接觸，提高了土體的水穩定性。F1加固土體示意圖見圖2。

圖1 F1離子固化劑Fig.1 F1 ionic soil stabilizer

圖2 F1離子固化劑加固泥巖顆粒示意圖Fig.2 Diagram of solidified mudstone particles in F1 ionic soil stabilizer

F1主要與土體中的黏土顆粒發生一系列物理化學反應，因此對加固土體有嚴格的要求，黏粒含量不得低于15%，塑性指數須大于10。

1.2 試驗泥巖和土樣制備

試驗所用泥巖取自G6京藏高速公路蘭州—海石灣段，取土深度為3～5 m，天然含水量低，呈紅褐色，其基本物理特性見表1。取適量土樣放入105～110 ℃的烘箱烘干8 h，冷卻至室溫后，過2 mm標準篩備用。試驗中固化劑F1的摻量分別為0、0.3、0.5、0.7 L/m3(1 m3的土加入0.7 L的F1)。稱取一定質量的備用土料，加入相應摻量的固化劑，根據擊實試驗得到的F1改良泥巖的最優含水率，加水拌勻，裝入塑料袋中密封靜置12 h備用。

2 試驗方案與內容

為探究F1固化劑改良泥巖的加固效果，設計0、0.3、0.5、0.7 L/m34種摻量的F1固化泥巖土樣，嚴格參照《土工試驗方法標準》(GB/T 50123—2019)[23]，開展擊實試驗、滲透試驗、無荷膨脹試驗、三軸不固結不排水試驗、凍融循環試驗，分析F1加固前后及F1摻量對泥巖物理力學參數的影響規律，并結合XRD衍射試驗和核磁共振試驗(nuclear magnetic resonance，NMR)，對F1加固前后泥巖固化土的物質成分和微觀孔隙結構展開研究。

2.1 膨脹特性試驗

控制壓實度為K=0.95，稱取一定質量的F1摻量比為0、0.3、0.5、0.7 L/m3的固化泥巖土樣，用環刀制成Φ61.8 mm×20 mm的試樣，制樣完成后按照《土工試驗方法標準》(GB/T 50123—2019)[23]，在WG型單杠桿固結儀上開展無荷載膨脹試驗，研究改良泥巖膨脹率與F1固化劑摻量的關系。其中試樣無荷載膨脹率按式(1)計算。

(1)

式(1)中：δt為t時刻的無荷載膨脹率；Z0、Zt分別為試驗開始時刻與結束時刻量表讀數；h0為試樣初始高度。

本次點評病歷136份，其中男性72例，女性64例，平均年齡（57.48±17.3）歲；平均住院時間 11.32天；伏立康唑片平均用藥6.16天。經治療，127例好轉，1例未愈，3例死亡，5例不詳。

2.2 三軸不固結不排水試驗

根據擊實試驗結果，控制壓實度為K=0.95，對F1摻量為0、0.3、0.5、0.7 L/m3的固化泥巖土樣，采用液壓法制成Φ39.1 mm×80 mm的圓柱體試樣，試樣成型后用保鮮膜包裹，防止水分丟失，立即放入三軸儀中，在50、100、200、400 kPa 4種圍壓下進行不固結不排水試驗。

2.3 凍融循環試驗

設計0、1、5、10和15次凍融循環次數，對0 L/m3和0.5 L/m3摻量的F1固化試樣進行凍融循環試驗(制冷箱凍結12 h，室內環境下融化12 h為一次凍融循環)。制冷溫度為-20 ℃，熔融溫度為23 ℃，待試樣達到設計的凍融循環次數后，立即放入三軸儀，在50、100、200、400 kPa 4種圍壓條件下開展三軸不固結不排水試驗，分析凍融循環次數對黏聚力和內摩擦角的影響規律。

2.4 NMR試驗和XRD衍射試驗

核磁共振(NMR)是通過土樣中的氫核與磁場之前的作用來獲取氫質子相關信息的一項技術，核磁共振技術可通過釋放一定頻率的射頻脈沖，使得飽和待測土樣中的自旋氫核吸收電磁波。射頻脈沖停止時，自旋氫核釋放電磁波，能量恢復平衡狀態，其間所需弛豫時間T2值的大小與土體微觀孔徑密切相關，可通過弛豫時間變化規律反應土體的微觀孔隙結構[24]。控制壓實度為0.95，制備F1摻量為0、0.3、0.5、0.7 L/m3的三軸試樣，制樣完成后進行負壓真空飽水處理，最后飽和樣放入紐邁MacroMR12-150H-I型低場核磁共振儀(圖3)，分析不同F1摻量泥巖的微觀孔隙結構。NMR試驗完成后取出試樣，取一定量將其風干、研磨后過0.075 mm的篩，在MiniFlex600型X射線衍射儀上進行XRD測試，分析土樣物質成分的變化。

圖3 低場核磁共振儀Fig.3 The low field NMR

表1 泥巖的基本特性指標Table 1 Basic characteristic indexes of mudstone

3 試驗結果分析

3.1 物理參數試驗

擊實試驗、滲透試驗結果如表2所示，可知隨著F1摻量的增加，固化泥巖土的最優含水率、最大干密度呈現出先增大后減小的趨勢。0.5 L/m3摻量的加固泥巖的最大干密度達到最高值為1.81 g/cm3，相較于未加固泥巖提升5.8%。其原因為F1固化劑減小了泥巖顆粒的結合水膜，降低土顆粒間的排斥力，經過壓實后，土顆粒間更加緊密地排列，提高土體的密實度。

并且隨著F1摻量的增加，加固泥巖的滲透系數先減小后增大。0 L/m3摻量未加固泥巖的滲透系數為15.72×10-9cm/s，0.5 L/m3摻量加固泥巖的滲透系數達到最小為9.15×10-8cm/s，降低了41%。其原因為F1固化劑加入泥巖后，土體堆疊成更加緊密的層狀結構，并且由于疏水油性層的存在，泥巖“親水性”改變為“憎水性”，水分子通過土體更加困難。

表2 擊實、滲透試驗的物理參數Table 2 Physical parameters of compaction and penetration test

3.2 無荷膨脹試驗

圖4 改良泥巖的浸水膨脹曲線Fig.4 Immersion curves of improved mudstone

試樣的無荷載膨脹率如圖4所示，可知F1加固試樣的無荷膨脹率先降低后升高，摻量0.5 L/m3的試樣膨脹率達到最低。F1固化劑可抑制泥巖的膨脹變形，0 L/m3摻量試樣的無荷膨脹率為15.75%，0.3、0.5、0.7 L/m3摻量試樣的膨脹率分別為9.24%、8.03%、8.61%，對比未加固泥巖分別降低6.51%、7.72%、7.14%。其原因是F1固化劑能夠減小結合水膜厚度，增加土顆粒間的引力，減小粒間間距，形成排列更加緊密穩定的層狀堆疊結構，抑制泥巖的膨脹性。

3.3 三軸不固結不排水試驗

不同F1摻量泥巖固化土的應力-應變曲線如圖5所示，可知試樣的應力-應變曲線變化規律與圍壓緊密相關。當圍壓為50 kPa和100 kPa時，各摻量下F1固化泥巖土的應力-應變曲線為應變軟化型，當圍壓為200 kPa和400 kPa時，應力-應變曲線的變化為應變硬化型。此外，不同圍壓下，試樣的最大偏應力隨F1摻量增加呈現出先升高后降低的趨勢。

由《公路土工試驗規程》(JTG 3430—2020)[25]可知，應力-應變曲線上主應力差的峰值為破壞點，無峰值時取15%的軸向應變對應的主應力差值為破壞點，不同圍壓和不同F1摻量下改良泥巖試樣的偏應力匯總如表3所示。為了直觀分析F1固化劑對泥巖的加固效果，引入一個無量強度提高系數R[26]，公式為

(2)

由表4可知，F1固化劑可顯著提升泥巖強度提高系數。F1摻量分別為0.3、0.5和0.7 L/m3時，固化泥巖的強度提高系數分別為1.12～1.5、1.67～1.97和1.05～1.32，可知F1摻量為0.5 L/m3時，泥巖試樣強度提升效果最佳，與圍壓為50、100、200、400 kPa時未加固泥巖的R值相比，分別增大1.67、1.69、1.97、1.46倍，其原因是F1固化劑通過離子交換，破壞雙電層結構，減薄水膜，縮小顆粒間距，提高密實度，從而提高土體強度。

改良前后泥巖的黏聚力和內摩擦角見圖6，可知隨F1摻量增加，固化泥巖試樣的黏聚力和內摩擦角均表現出先增大后減小的變化規律，且當F1摻量為0.5 L/m3時，黏聚力、內摩擦角均達到最大值，分別為143.91 kPa、18.07°。與未加固泥巖相比，F1摻量分別為0.3、0.5和0.7 L/m3時，黏聚力分別提高27.25%、64.17%、36.19%，內摩擦角分別提高12.43%、29.81%、18.75%。可知F1可顯著增大固化泥巖試樣的黏聚力，而對內摩擦角的增大幅度小于黏聚力，其原因是F1固化劑主要通過離子交換作用和磺化油疏水作用，縮小了土顆粒間距，使土顆粒在壓實作用下形成密實度更高、團聚體更大的穩定層狀堆積結構，進而增大固化泥巖試樣的抗剪強度參數。綜合上述分析可知，當F1摻量為0.5 L/m3，泥巖試樣的固化效果最佳，F1加固泥巖的最佳摻量為0.5 L/m3。

圖5 不同F1固化劑摻量泥巖的應力-應變曲線Fig.5 Stress-strain curves of mudstone with different contents of F1 soil stabilizer

表3 試樣破壞的偏應力Table 3 The stress of specimens failure

表4 改良泥巖的提高系數效果Table 4 The effect coefficient of improved mudstone

圖6 黏聚力、內摩擦角隨F1摻量變化曲線Fig.6 Variation curve of cohesion and internal friction angle with F1 content

3.4 凍融循環試驗

凍融循環試驗結果如圖7所示，可知隨著凍融循環次數的增加，0 L/m3和0.5 L/m3摻量下試樣的黏聚力、內摩擦角都隨之降低。凍融循環15次時，0 L/m3摻量下試樣的黏聚力從87.66 kPa減小為65.07 kPa，降低25.8%。內摩擦角由13.92°減小為10.54°，降低24%。0.5 L/m3摻量下試樣的黏聚力從143.97 kPa減小為118.71 kPa，降低17.5%，內摩擦角從18.07°減小為15.43°，降低14.6%。前5次凍融循環對試樣的黏聚力與內摩擦角影響較大，經歷5次凍融循環后，影響逐漸減小。

圖7 改良泥巖的黏聚力與內摩擦角Fig.7 Cohesion and internal friction angle of improved mudstone

其原因為在凍結過程中，試樣中的水分由于體積膨脹產生的凍脹力擠壓土骨架，在土體內部產生細小裂隙，改變土體內部原有結構。在融化過程，水分又滲入到裂隙中，在下一次的凍結中對土體結構造成進一步破壞。凍融過程改變土體內部孔隙形態，破壞泥巖顆粒間的聯結作用，降低了土顆粒間的結合力，導致黏聚力下降，內摩擦發生了變化。隨著凍融次數的增加，泥巖顆粒逐漸形成新的穩定結構，循環次數對于黏聚力和摩擦角的影響逐漸減小。對比未摻F1固化劑泥巖，改良泥巖的黏聚力和內摩擦角變化幅度較小，其原因為F1固化劑能夠減小水膜，經過壓實后土顆粒間的結構排列更加密實，凍脹力對土體內部結構影響較小，可以有效減小凍融循環對于土體的破壞。

3.5 NMR試驗

核磁共振(NMR)試驗結果如圖8所示，參考鄧永鋒等[27]和Horpinbulsu等[28]對孔徑d的劃分方法，將測得的泥巖孔隙劃分四類：微孔隙(d≤0.01 μm)、小孔隙(0.01 μm

圖8 改良泥巖的孔徑分布曲線Fig.8 Pore size distribution curves of improved mudstone

根據孔隙劃分方法，對改良泥巖的孔徑分布進行分析，可知固化泥巖試樣小孔隙最多、其次為微孔隙、中孔隙和大孔隙。隨著F1摻量的增加，第一波峰峰值先增大后減小，并且都小幅向左移動，第二個與第三個波峰略微向左移動，說明泥巖的大、中、小孔隙減小。在0.5 L/m3最佳摻量下，固化泥巖試樣的小孔、中孔、大孔孔隙與未加固泥巖試樣相比分別減小了3.12%、1.18%、0.93%，微孔孔徑占比增加了0.66%。其原因是F1固化劑經過離子交換作用破壞了土體的雙電層結構，減小了土顆粒表層水膜的厚度，縮小土顆粒間距，改善孔隙分布，促進大、中、小孔隙向微孔隙轉化，降低孔隙總體積，提高土體密實度。

3.6 XRD衍射試驗

XRD衍射試驗結果如圖9所示，整理可得改良前后泥巖的礦物成分和含量如表5所示。分析可知改良前后泥巖的衍射圖中沒有出現新峰,也未見峰消失，泥巖主要成分均為石英、方解石、長石、斜綠泥石，說明在土樣在加入F1固化劑后并沒有新的物質生成。摻入F1固化劑后，土體進行了一系列物理化學反應，使得固化后試樣中長石的含量降低，斜綠泥石的含量增加。而斜綠泥石可增強土顆粒間的聯結作用，提高土體的強度。

圖9 改良泥巖的衍射圖譜Fig.9 Diffraction pattern of improved mudstone

表5 改良泥巖的礦物成分Table 5 Mineral compositions of improved mudstone

取衍射角為26.6°、28.3°、29.34°，其特征晶面分別為(101)、(220)、(104)，對應的晶面間距如表6所示，衍射角相同時，改良泥巖晶面間距均小于未摻F1固化劑泥巖，0.5 L/m3摻量的泥巖晶面間距達到最小。其原因是F1固化劑降低土顆粒間的斥力，使得泥巖顆粒間距減小結構更加致密。試驗結果進一步說明0.5 L/m3為F1固化劑最佳摻量。

表6 改良泥巖的礦物晶體間距Table 6 Mineral crystal spacing of improved mudstone

4 結論

(1)F1離子固化劑通過離子交換作用和磺化油疏水作用，減小土顆粒表面的結合水膜厚度和顆粒間距，顯著改善了泥巖土的水敏性和壓實特性，提高了密實度，降低了滲透性和膨脹性。

(2)F1離子固化劑可顯著增大固化泥巖土強度和抗剪強度參數，且試驗證明0.5 L/m3摻量為F1固化劑加固泥巖最佳摻量。當F1固化劑摻量為0.5 L/m3時，與未加固泥巖相比，F1固化泥巖破壞應力提升1.97倍，摩擦角與黏聚力分別提高1.29倍和1.64倍。前5次凍融循環對試樣抗剪強度參數的影響較大，經歷15次凍融循環時，0.5 L/m3摻量下試樣的黏聚力從143.97 kPa減小為118.71 kPa，降低17.5%，內摩擦角從18.07°減小為15.43°，降低14.6%，表明F1離子固化劑加固泥巖的抗凍融性較好。

(3)核磁共振試驗和XRD衍射試驗表明，F1固化劑可減小粒間孔隙體積和晶面間距，改善孔隙分布，使大、中、小孔隙向微孔隙轉化，降低孔隙總體積，提高土體密實度。F1離子固化劑具有傳統膠凝材料不具備的眾多優點，在泥巖土固化研究和工程應用中有更廣闊的應用前景。