酸堿固化劑共存條件下固化黏土力學(xué)行為特征分析

楊　青，羅小花，邱　欣，吳金洪

(浙江師范大學(xué)　工學(xué)院，浙江　金華　321004)

酸堿固化劑共存條件下固化黏土力學(xué)行為特征分析

楊青，羅小花，邱欣，吳金洪

(浙江師范大學(xué)工學(xué)院，浙江金華321004)

摘要：為探究酸堿固化劑共存條件對(duì)于固化黏土力學(xué)性能的影響規(guī)律，在分析基質(zhì)黏土基本物性參數(shù)及酸堿固化劑固化機(jī)理的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)不同配合比固化土混合料，通過系列室內(nèi)試驗(yàn)，開展了酸堿固化劑固化土混合料力學(xué)行為特征研究。結(jié)果表明：基質(zhì)紅黏土為低液限黏土，液態(tài)離子土壤固化劑具有強(qiáng)酸性，最佳摻入量為干土質(zhì)量的0.014%；離子土壤固化劑獨(dú)特的分子結(jié)構(gòu)能夠減小雙電層結(jié)合水膜厚度，礦物顆粒密實(shí)度增強(qiáng)；離子土壤固化劑摻入后，各配合比混合料的7 d無側(cè)限抗壓強(qiáng)度均有不同程度的提升；除高石灰摻入量的固化土混合料外，壓實(shí)度對(duì)離子土壤固化劑固化效果的發(fā)揮影響較大，需達(dá)到96%及以上；隨著齡期增加，酸堿固化劑固化土的抗壓強(qiáng)度、劈裂強(qiáng)度以及凍融性能持續(xù)提升，但由于酸堿中和反應(yīng)以及離子土壤固化劑的油性膜效應(yīng)，抑制了后期石灰水泥碳酸化、火山灰及水化反應(yīng)進(jìn)程，酸堿固化土強(qiáng)度演變特征存在固化疊加效應(yīng)的優(yōu)勢(shì)體現(xiàn)期。

關(guān)鍵詞：道路工程；固化黏土;微宏觀試驗(yàn)；力學(xué)性能；土壤固化劑

0引言

20世紀(jì)60年代，離子型土壤固化劑以其快速便捷施工的特點(diǎn)被作為美國(guó)軍用保密產(chǎn)品研發(fā)，隨后民用化，1998年作為新型筑路產(chǎn)品引入我國(guó)。離子土壤固化劑是一種高濃縮液態(tài)表面活性劑，具有很強(qiáng)的氧化和溶解能力，可使土壤顆粒結(jié)晶形成礦物混合物。自引進(jìn)以來，如何最大發(fā)揮離子土壤固化劑在筑路工程中的優(yōu)勢(shì)，已成為行業(yè)熱點(diǎn)研究問題。目前，國(guó)內(nèi)外學(xué)者已對(duì)離子土壤固化劑的固化機(jī)理、路用性能等方面進(jìn)行了相關(guān)研究。Latifi[1]、Eisazadeh[2]通過核磁共振光譜、傅里葉變換紅外光譜、場(chǎng)發(fā)射掃描電鏡、能量色散X射線光譜等方法，探究了離子土壤固化劑處治熱帶土壤的最佳摻量值。Bhaskar[3]利用回歸分析、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、有限元分析等方法探究發(fā)現(xiàn)Tex120-E與Tex121-E固化劑對(duì)以高嶺石、伊利石為主要成分的低液限類土壤的固化效果較佳。Petry和Katz[4-5]對(duì)液態(tài)離子固化劑加固土的固化效果和工程應(yīng)用進(jìn)行了探索，對(duì)其作用機(jī)理進(jìn)行了闡述。楊青[6]等人通過等離子體發(fā)射光譜、掃描電鏡、X 射線衍射、BET測(cè)試等系列物化及微觀試驗(yàn)，探究了浙中地區(qū)紅黏土固化前后微觀結(jié)構(gòu)特征的變化規(guī)律。崔德山[7]對(duì)離子土壤固化劑加固紅黏土前后的結(jié)合水進(jìn)行了定量化研究，闡述了離子土壤固化劑減少結(jié)合水的作用機(jī)理。盧雪松[8-10]研究了離子土壤固化劑對(duì)武漢紅黏土的作用機(jī)理，得出離子土壤固化劑能夠提升紅黏土的 7 d 無側(cè)限抗壓強(qiáng)度。項(xiàng)偉和徐海清等人[11-12]發(fā)現(xiàn)離子土壤固化劑能使滑帶土黏聚力提高，性能得到改善。王尚等人[13]通過離子土壤固化劑加固粉砂土、黃土和粉質(zhì)亞黏土的室內(nèi)試驗(yàn)，分析了離子土壤固化劑對(duì)土的抗壓強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度的改良效果。Venkata[14]通過研究發(fā)現(xiàn)離子土壤固化劑能極大減少膨脹土的線性收縮和自由膨脹，但其對(duì)土體的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度提升有限，約為30%。Argu[15]研究發(fā)現(xiàn)SA-44/LS-40固化劑與石灰混合形成酸堿固化劑后能最大限度地提升紅色黏土的CBR值。Chawa[16]通過基本物性參數(shù)和無側(cè)限抗壓強(qiáng)度等指標(biāo)，最終證明酸堿固化劑共同作用能提升土體的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度，減小膨脹和收縮性。汪益敏和張麗娟等人[17-18]研究發(fā)現(xiàn)離子土壤固化劑粉土質(zhì)砂和砂質(zhì)低液限粉土性能提升有限，需摻入少量水泥和石灰形成酸堿固化土以提高加固土的早期強(qiáng)度、抗變形能力和抗?jié)B能力。耿佚君[19]通過抗壓強(qiáng)度和抗剪強(qiáng)度兩個(gè)指標(biāo)及物理參數(shù)，確定了EN-1固化劑的最佳配比，探究了摻入EN-1和水泥石灰的酸堿固化土的抗壓強(qiáng)度變化規(guī)律。上述研究表明，離子土壤固化劑能夠提升不同土質(zhì)的力學(xué)性能，但對(duì)不同土質(zhì)的固化效果存在差異，且對(duì)提升土體的強(qiáng)度效果作用有限，作為筑路材料尚需加入傳統(tǒng)的石灰水泥等堿性固化劑共同激發(fā)。然而，酸堿固化劑共存條件下，酸堿固化劑本身也發(fā)生一定反應(yīng)，使固化土內(nèi)部結(jié)構(gòu)變化極為復(fù)雜，涉及物理、化學(xué)等諸多反應(yīng)，至今對(duì)其力學(xué)強(qiáng)度行為的研究仍不夠深入。

基于此，本人在分析基質(zhì)土物性參數(shù)及酸堿固化劑固化機(jī)理的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)不同配合比的固化土混合料，通過室內(nèi)宏微觀系列試驗(yàn)，探討離子土壤固化劑對(duì)于紅黏土的固化機(jī)理，分析壓實(shí)度和齡期條件對(duì)固化土混合料抗壓強(qiáng)度、劈裂強(qiáng)度和凍融強(qiáng)度的影響規(guī)律，進(jìn)而揭示酸堿固化劑共存條件下固化土混合料力學(xué)性能的特征行為。研究成果以期為離子土壤固化劑在道路工程中的合理使用提供技術(shù)支撐。

1材料基本參數(shù)

1.1基質(zhì)土物性參數(shù)

試驗(yàn)選用的基質(zhì)土為由頁(yè)巖分化而形成的紅黏土，基本物性參數(shù)測(cè)試結(jié)果見表1。由此可知，該基質(zhì)土為低液限黏土。

表1　基質(zhì)土基本物性參數(shù)指標(biāo)

1.2離子土壤固化劑基本物化參數(shù)

試驗(yàn)選取美國(guó)某公司生產(chǎn)的液態(tài)離子型土壤固化劑，基本物性參數(shù)見表2，由此可知，該液態(tài)離子型固化劑呈強(qiáng)酸性。

表2　離子土壤固化劑基本物性參數(shù)指標(biāo)

2離子土壤固化劑最佳摻量確定

2.1塑性指數(shù)測(cè)試

將離子固化劑與水按比例稀釋后，按固化劑占干土質(zhì)量的0.010%，0.012%，0.014%，0.016%，0.018%和0.020%等6種工況條件，均勻地?fù)饺氲郊t黏土中，拌和均勻后，在松散狀態(tài)下密封悶料24 h，通過液塑限聯(lián)合測(cè)定儀，測(cè)定其界限含水率，不同離子固化劑摻入條件下塑性指數(shù)測(cè)試結(jié)果，見圖1。

圖1　不同固化劑摻入量的塑性指數(shù)Fig.1　Plasticity index vs. stabilizer content

由此可知：(1)紅黏土加入離子土壤固化劑后，其塑性指數(shù)有所降低，表明土顆粒變大，比表面積減小，結(jié)構(gòu)更加密實(shí)，當(dāng)離子土壤固化劑占干土質(zhì)量的比例為0.014%時(shí)，塑性指數(shù)下降最為明顯，與基質(zhì)土相比降低了10.8%；(2)固化劑的摻量并非越高越好，當(dāng)離子土壤固化劑摻入量超過0.014%時(shí)，隨著離子土壤固化劑摻入量的增加，塑性指數(shù)又有所提高。

2.2抗壓強(qiáng)度測(cè)試

在基質(zhì)紅黏土中分別摻入干土質(zhì)量百分比為0，0.010%，0.012%，0.014%，0.016%和0.018%的離子土壤固化劑，按比例組數(shù)制備壓實(shí)度分別為96%和98%的試件并測(cè)定試件7 d無側(cè)限抗壓強(qiáng)度，測(cè)試結(jié)果，見表3和圖2。

由測(cè)試結(jié)果可知，(1)摻入離子固化劑后，試件7 d無側(cè)限抗壓強(qiáng)度均有明顯提高，表明離子固化劑對(duì)紅黏土起到了固化效果，且98%壓實(shí)度的強(qiáng)度明顯高于96%壓實(shí)度，壓實(shí)度增加，固化效果越明顯，同時(shí)隨著離子固化劑摻量的增加其強(qiáng)度先增加后減?。?2)當(dāng)離子固化劑摻入量為0.014%時(shí)，平均壓實(shí)度條件下試件抗壓強(qiáng)度達(dá)到最大值1.67 MPa，比基質(zhì)紅黏土的強(qiáng)度提高了20.14%，進(jìn)而表明0.014%為該工況條件下離子固化劑的最佳摻量；(3)雖然摻入離子固化劑后固化土強(qiáng)度得到了提高，但仍舊沒有達(dá)到重中交通以上路面基層或底基層材料的強(qiáng)度要求(基層要求≥3.0 MPa；底基層要求≥2.0 MPa)，因此，當(dāng)離子土壤固化劑固化土混合料用于路面基層或底基層結(jié)構(gòu)時(shí)，尚需摻入一定量的水泥和石灰，以進(jìn)一步提高其抗壓強(qiáng)度。

表3　7 d無側(cè)限抗壓強(qiáng)度

圖2　固化劑摻量與7 d無側(cè)限抗壓強(qiáng)度測(cè)試Fig.2　Stabilizer content vs. 7 d unconfined compressive strength

3酸堿固化劑固化機(jī)理分析

3.1酸性離子土壤固化劑的固化機(jī)理

離子土壤固化劑具有獨(dú)特的分子結(jié)構(gòu)，由“親水頭”和“疏水尾”所構(gòu)成?！坝H水頭”為磺酸有機(jī)化合物(RSO3H)，能產(chǎn)生一個(gè)與黏土顆粒表面金屬陽(yáng)離子相結(jié)合的[SO3]2-離子，使其吸附在黏土礦物表面?！笆杷病庇梢粋€(gè)碳及氫原子所組成，連著“親水頭”，并在黏土顆粒表面形成油性層，阻止水分進(jìn)入體系，同時(shí)對(duì)土顆粒表面上的水進(jìn)行排擠，以減小土顆粒表面結(jié)合水膜厚度，增大顆粒間引力，使顆粒之間排列更緊密，孔隙減少，逐步形成更大的團(tuán)聚體，結(jié)構(gòu)更加密實(shí)，如圖3所示。

圖3　離子土壤固化劑與黏土顆粒作用示意圖Fig.3　Schematic diagram of reaction of ionic soil stabilizer and clay particals

為了進(jìn)一步證實(shí)離子固化劑的固化作用，采用日本日立S-4800掃描電子顯微鏡對(duì)基質(zhì)紅黏土以及0.014%固化劑摻量的離子固化土樣品，分析進(jìn)行倍數(shù)為15 000倍的電鏡掃描試驗(yàn)，測(cè)試結(jié)果如圖4所示。由此可見:(1)基質(zhì)紅黏土微觀結(jié)構(gòu)形態(tài)以粒團(tuán)體點(diǎn)-面、邊-面形式接觸的堆疊結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)，伴隨有架空結(jié)構(gòu)，很少見到紊流結(jié)構(gòu)和絮凝結(jié)構(gòu)，孔隙較發(fā)達(dá)；(2)摻入離子固化劑后，固化土結(jié)構(gòu)形態(tài)以面-面形式接觸的團(tuán)聚體結(jié)構(gòu)或堆疊結(jié)構(gòu)為主，孔隙大大減小，結(jié)構(gòu)單元體表面膠結(jié)物膠結(jié)特征明顯，結(jié)構(gòu)變得更加緊密。

圖4　固化土微觀結(jié)構(gòu)形態(tài)Fig.4　Microstructural morphology of stablized soil

3.2石灰水泥堿性固化劑的固化機(jī)理

試驗(yàn)選取二等熟石灰和325號(hào)硅酸鹽水泥作為堿性固化劑，促進(jìn)紅黏土性能提升。熟石灰在混合料中主要發(fā)生結(jié)晶反應(yīng)、碳酸化反應(yīng)和火山灰反應(yīng)。在結(jié)晶反應(yīng)中，石灰吸收水分形成含水晶格[Ca(OH)2·nH2O]，所形成的晶體相互結(jié)合，并與土粒結(jié)合形成共晶體，把土粒膠結(jié)成整體；在碳酸化反應(yīng)中，石灰與空氣中的二氧化碳發(fā)生反應(yīng)，生成的碳酸物質(zhì)(CaCO3),對(duì)土的膠結(jié)作用使土體得到加固；在火山灰反應(yīng)中，生成含水的硅酸鈣和鋁酸鈣等膠結(jié)物，這些膠結(jié)物逐漸由膠凝狀態(tài)向晶體狀態(tài)轉(zhuǎn)化，使抗壓強(qiáng)度提高。水泥在混合料中主要發(fā)生水化反應(yīng)、火山灰反應(yīng)和碳酸化反應(yīng)。水化反應(yīng)生成Ca(OH)2保證水泥土中水化生成致密的凝膠，土體孔隙率明顯減小，內(nèi)部結(jié)構(gòu)的密實(shí)度增加，無側(cè)限抗壓強(qiáng)度迅速提升；火山灰反應(yīng)和碳酸化反應(yīng)進(jìn)程緩慢，對(duì)土后期強(qiáng)度增長(zhǎng)貢獻(xiàn)較大。

4不同配比固化土混合料溶液pH值分析

選取4組典型配合比混合料(①與②、③與④、⑤與⑥、⑦與⑧)，編號(hào)方式如表4所示。通過靜壓法制成壓實(shí)度為98%，φ50 mm×50 mm的圓柱形試件。經(jīng)過24 h標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)生后，取試件內(nèi)部中心位置10 g土體破碎研磨，加50 mL蒸餾水振蕩，靜置后取上層清液測(cè)定其pH值，以探究不同配合比混合料試件內(nèi)部酸堿特性，測(cè)試結(jié)果如表5所示。

表4　混合料編號(hào)

表5　混合料溶液pH值

由測(cè)試結(jié)果可知，(1)混合料①清液H+濃度大于OH-，pH值為5.69，故基質(zhì)紅黏土為酸性土質(zhì)；(2)離子固化劑呈強(qiáng)酸性，基質(zhì)紅黏土中摻入0.014%離子土壤固化劑后，H+濃度上升，混合料②清液pH值進(jìn)一步降低；(3)石灰和水泥均為堿性材料，混合料③和⑤清液OH-濃度大于H+，清液呈堿性，混合料④和⑤清液pH值雖有減小，但仍呈堿性；(4)混合料⑦中石灰和水泥摻量分別為3%和5%，其清液pH值達(dá)到堿性最大值(pH=8.45)，當(dāng)摻入0.014%離子土壤固化劑后，由于H+的增加，其清液pH值減小至8.01。分析可知，酸堿固化劑共存條件下，離子土壤固化劑電離的H+與石灰水泥電離的OH-將發(fā)生酸堿中和反應(yīng)，消耗混合料中的OH-，表現(xiàn)為混合料清液pH值下降，反應(yīng)過程如下所示。

(1)

(2)

(3)

5無側(cè)限抗壓強(qiáng)度分析

5.17 d無側(cè)限抗壓強(qiáng)度

選取3組配合比混合料(③與④,⑤與⑥,⑦與⑧)，制成壓實(shí)度為98%，φ50 mm×50 mm的圓柱形試件，7 d標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)生后進(jìn)行無測(cè)試抗壓強(qiáng)度測(cè)試，測(cè)試結(jié)果如圖5所示。由此可知，混合料③,⑤,⑦的7 d無側(cè)限抗壓強(qiáng)度分別小于混合料④,⑥,⑧，即摻入離子固化劑的石灰固化土、水泥固化土和水泥石灰固化土7 d無側(cè)限抗壓強(qiáng)度，大于未摻入離子土壤固化劑的石灰土、水泥土和石灰水泥土。由分析可知，離子固化劑與土壤礦物顆粒發(fā)生離子交換反應(yīng)，并在土顆粒表面形成油性層，減小結(jié)合水膜厚度，土體結(jié)構(gòu)更加密實(shí)，混合料7 d無側(cè)限抗壓強(qiáng)度均有不同程度的提升。

圖5　混合料7 d無側(cè)限抗壓強(qiáng)度Fig.5　Analysis diagram of 7 d unconfined compressive strengthes of mixtures

5.2不同壓實(shí)度無側(cè)限抗壓強(qiáng)度

選取3組典型配合比混合料(③與④、⑤與⑥、⑦與⑧)，形成壓實(shí)度分別為90%, 92%, 94%, 96%, 98%的試件，標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)生后進(jìn)行7 d抗壓強(qiáng)度測(cè)試，測(cè)試結(jié)果如圖6所示。

圖6　不同壓實(shí)度混合料7 d無側(cè)限抗壓強(qiáng)度Fig.6　Analysis diagram of 7 d unconfined compressive strengthes of mixtures with different compact degrees

由此可知，(1)隨壓實(shí)度的不斷增大，3組混合料的7 d無側(cè)限抗壓強(qiáng)度均有明顯提升；(2)低壓實(shí)度(90%, 92%和94%)條件下，摻入離子固化劑混合料的抗壓強(qiáng)度小于未摻入該固化劑的混合料(除混合料③和④以外)，而當(dāng)壓實(shí)度提高至96%及以上時(shí)，呈現(xiàn)相反趨勢(shì)，表明離子固化劑固化效果的發(fā)揮，對(duì)于壓實(shí)度依賴性較高，需達(dá)到壓實(shí)度96%及以上；(3)混合料③和④在各壓實(shí)度(90%, 92%, 94%, 96%和98%)條件下，摻入離子固化劑混合料的抗壓強(qiáng)度均大于未摻入該固化劑的混合料，表明較高石灰的摻入量(≥5%)，降低了離子固化劑固化土對(duì)于壓實(shí)度的依賴性，保證了固化作用在較低壓實(shí)度條件下得以充分發(fā)揮。

腰椎管狹窄癥作為脊柱外科臨床工作的重要組成部分，不可避免的伴有腰部疼痛。當(dāng)前對(duì)于腰痛的診斷僅僅依靠臨床診斷顯得尤為不足，MRI檢查為我們提供了很好的診斷方法。

5.3不同齡期無側(cè)限抗壓強(qiáng)度

選取3組混合料(③與④,⑤與⑥,⑦與⑧)，制成壓實(shí)度為98%，φ50 mm×50 mm的圓柱形試件，進(jìn)行齡期分別為7, 28, 60, 90 d和180 d的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度測(cè)試，測(cè)試結(jié)果如圖7～圖10所示。

(1)石灰土與石灰固化土

由圖7可知，齡期為7，28 d和60 d時(shí)，混合料④的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度大于混合料③，而當(dāng)齡期超過60 d之后，混合料③的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度反大于混合料④。

圖7　不同齡期混合料③與④無側(cè)限抗壓強(qiáng)度Fig.7　Unconfined compressive strengths of mixture ③ and mixture ④ with different curing time

(2)水泥土與水泥固化土

由圖8可知，齡期為7，28 d和60 d時(shí)，混合料⑥的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度大于混合料⑤，而當(dāng)齡期超過60 d之后，混合料⑤的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度反大于混合料⑥。

圖8　不同齡期混合料⑤與⑥無側(cè)限抗壓強(qiáng)度Fig.8　Unconfined compressive strengths of mixture ⑤ and mixture ⑥ with different curing time

(3)石灰水泥土與石灰水泥固化土

由圖9可知，各齡期條件下，混合料⑦與⑧的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度遠(yuǎn)大于上述各混合料；齡期為7 d和28 d時(shí)，混合料⑧的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度大于混合料⑦；而當(dāng)齡期超過28 d之后，混合料⑧無側(cè)限抗壓強(qiáng)度小于混合料⑦。

圖9　不同齡期混合料⑦與⑧無側(cè)限抗壓強(qiáng)度Fig.9　Unconfined compressive strengths of mixture ⑦ and mixture ⑧ with different curing time

圖10　固化土性能優(yōu)勢(shì)體現(xiàn)期Fig.10　Performance advantage emboding periods of stabilized soil

產(chǎn)生上述現(xiàn)象的主要原因在于隨著齡期的增加，土體內(nèi)水分浸潤(rùn)作用進(jìn)一步體現(xiàn)，酸性離子土壤固化劑解離出的H+與堿性固化劑電解出的OH-發(fā)生了中和反應(yīng)，破壞了石灰水泥作用發(fā)揮所需的堿性環(huán)境，加之離子土壤固化劑通過“親水頭”和“疏水尾”在土顆粒表面包裹了一層油性膜，外部H2O和CO2無法進(jìn)入，進(jìn)而抑制了后期石灰水泥碳酸化、火山灰及水化反應(yīng)的進(jìn)程，故酸堿固化劑共存的強(qiáng)度疊加優(yōu)勢(shì)存在一定的時(shí)間閾值，超出該時(shí)間閾值，雖然酸堿固化土強(qiáng)度持續(xù)提升，但其強(qiáng)度卻小于不加入離子固化劑的堿性固化土。上述研究成果表明離子固化劑能夠彌補(bǔ)傳統(tǒng)石灰水泥堿性固化劑提升早期強(qiáng)度緩慢的不足，但從酸堿固化土長(zhǎng)期強(qiáng)度體現(xiàn)的規(guī)律來看，酸性離子固化劑的添加無益于石灰水泥堿性固化劑固化效果的發(fā)揮。

6跨優(yōu)勢(shì)體現(xiàn)期的固化土路用性能分析

6.1凍融穩(wěn)定性分析

選取98%壓實(shí)度下3組混合料(③與④,⑤與⑥,⑦與⑧)進(jìn)行凍融試驗(yàn)，以28 d和90 d齡期標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)生后固化土經(jīng)過5次凍融循環(huán)后的抗壓強(qiáng)度損失指標(biāo)BDR表征其抗凍性，其值越大表明其抗凍性能越穩(wěn)定，如式(8)所示。試驗(yàn)結(jié)果如表6和圖11所示。

BDR=RDC/Rc×100，

(8)

式中，BDR為5次凍融循環(huán)后試件的抗壓強(qiáng)度損失；RDC為5次凍融循環(huán)后試件的抗壓強(qiáng)度；Rc為未凍融對(duì)比試件的抗壓強(qiáng)度。

表6　不同齡期固化土混合料的凍融穩(wěn)定性

圖11　不同齡期固化土混合料的凍融穩(wěn)定性對(duì)比Fig.11　Comparison of freeze-thaw performance of stabilized soil mixtures with different curing time

由測(cè)試結(jié)果可知，(1)3組混合料試件在經(jīng)歷5次凍融循環(huán)后，其穩(wěn)定性均受到影響，抗壓強(qiáng)度值降低；(2)28 d和90 d齡期條件下，離子固化劑的摻入能改善傳統(tǒng)石灰水泥堿性混合料的抗凍性能，使得酸堿固化劑混合料④,⑥,⑧的BDR值大于堿性混合料③,⑤,⑦的BDR值；(3)28 d齡期條件下，離子固化劑對(duì)各組堿性混合料抗凍性能的提升幅度較大，相比而言90 d齡期條件下提升幅度較小。綜上所述，在優(yōu)勢(shì)體現(xiàn)期內(nèi)離子固化劑對(duì)于混合料的抗凍性能提升效果尤為顯著。

6.2劈裂強(qiáng)度分析

選取98%壓實(shí)度下3組混合料(③與④、⑤與⑥、⑦與⑧)，進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)生28 d和90 d的劈裂強(qiáng)度試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如圖12和圖13所示。

圖12　不同配合比混合料28 d劈裂強(qiáng)度Fig.12　Analysis diagram of 28 d indirect tensile strengths of different mixtures

圖13　不同配合比混合料90 d劈裂強(qiáng)度Fig.13　Analysis diagram of 90 d indirect tensile strengths of different mixtures

由測(cè)試結(jié)果可知，(1)養(yǎng)生齡期28 d時(shí)，酸堿固化劑共存的混合料④，⑥，⑧劈裂強(qiáng)度分別大于對(duì)應(yīng)只摻入石灰水泥的堿性混合料③，⑤，⑦的劈裂強(qiáng)度，齡期90 d時(shí)出現(xiàn)相反規(guī)律；(2)優(yōu)勢(shì)體現(xiàn)期內(nèi)，離子固化劑能顯著提高各組堿性混合料的間接抗拉性能，超出優(yōu)勢(shì)體現(xiàn)期后，離子固化劑的摻入無益于其間接抗拉性能的發(fā)揮。

7結(jié)論

(1)離子固化劑對(duì)紅黏土的固化作用存在最佳摻量0.014%，此時(shí)固化土的塑性指數(shù)降低，抗壓強(qiáng)度最大。

(2)離子固化劑獨(dú)特的分子結(jié)構(gòu)能夠減小雙電層結(jié)合水膜厚度，微觀形態(tài)中黏土礦物顆粒以面-面形式接觸的團(tuán)聚體結(jié)構(gòu)或堆疊結(jié)構(gòu)為主，孔隙大大減小，顆粒表面膠結(jié)物膠結(jié)特征明顯，結(jié)構(gòu)變得更加緊密。

(3)酸堿固化劑共存條件下，破壞了石灰水泥作用發(fā)揮所需的堿性環(huán)境，加之離子土壤固化劑在土顆粒表面形成油性膜，外部H2O和CO2無法進(jìn)入，進(jìn)而抑制了后期石灰水泥碳酸化、火山灰及水化反應(yīng)的進(jìn)程，固化土強(qiáng)度存在疊加效應(yīng)的優(yōu)勢(shì)體現(xiàn)期。該時(shí)期內(nèi)，酸堿固化土各性能均強(qiáng)于水泥石灰堿性混合料土，超過該時(shí)期后，水泥石灰堿性混合料性能超越酸堿固化土。

(4)液態(tài)離子型土壤固化劑作為一種新型優(yōu)質(zhì)筑路材料，具有固化作用發(fā)揮時(shí)間短的優(yōu)勢(shì)，與傳統(tǒng)堿性固化劑共同作用后，優(yōu)勢(shì)體現(xiàn)期內(nèi)綜合效益最佳，彌補(bǔ)了傳統(tǒng)石灰水泥堿性固化劑提升早期強(qiáng)度緩慢的不足，為有快速通車需求的公路工程建設(shè)提供了技術(shù)支撐，但從酸堿固化土長(zhǎng)期強(qiáng)度體現(xiàn)的規(guī)律來看，酸性離子固化劑的添加無益于石灰水泥堿性固化劑固化效果的發(fā)揮。

參考文獻(xiàn)：

References:

[1]LATIFI N, EISAZADEH A, MARTO A. Strength Behavior and Microstructural Characteristics of Tropical Laterite Soil Treated with Sodium Silicate-based Liquid Stabilizer[J]. Environmental Earth Sciences, 2014, 72(1): 91-98.

[2]EISAZADEH A, KASSIM K A, NUR H. Characterization of Phosphoric Acid-and lime-stabilized Tropical Lateritic Clay[J]. Environmental Earth Sciences, 2011, 65(5): 1057-1066.

[3]BHASKAR C S C. Clay Mineralogy Effects on Long-term Performance of Chemically Treated Expansive Clays[D]. Arlington：University of Texas at Arlington, 2008.

[4]PETRY T M, DAS B. Evaluation of Chemical Modifiers and Stabilizers for Chemically Active Soils: Clays[J]. Transportation Research Record, 2001，1757: 43-49.

[5]KATZ L, RAUCH A, LILJESTRAND H, et al. Mechanisms of Soil Stabilization with Liquid Ionic Stabilizer[J]. Transportation Research Record， 2001 1757: 50-57.

[6]楊青,羅小花,邱欣，等.離子土壤固化劑固化土的微觀結(jié)構(gòu)特征及固化機(jī)理研究[J].公路交通科技,2015,32(11):33-40.

YANG Qing, LUO Xiao-hua, QIU Xin, et al. Analysis of Microstructure Characteristics and Stabilization Mechanism of Ionic Soil Stabilizer Treated Clay[J]. Journal of Highway and Transportation Research and Development, 2015, 32(11):33-40.

[7]崔德山.離子土壤固化劑對(duì)武漢紅色黏土結(jié)合水作用機(jī)理研究[D].武漢:中國(guó)地質(zhì)大學(xué),2009.

CUI De-shan. Research on Reaction Mechanism of Adsorbed Water in Red Clay of Wuhan with Ionic Soil Stabilizer[D]. Wuhan: China University of Geosciences,2009.

[8]LU Xue-song. Safety Evaluation System Research of Municipal Pipeline[C]// ICPTT 2009: Advances and Experiences with Pipelines and Trenchless Technology for Water, Sewer, Gas, and Oil Applications. [s. l.]: ASCE, 2010:1793-1801.

[9]盧雪松. 離子土壤固化劑加固武漢紅色黏土的試驗(yàn)效果及其機(jī)理研究[D].武漢:中國(guó)地質(zhì)大學(xué), 2010.

LU Xue-song. Research on Experimental Effect and Mechanism of Ionic Soil Stabilizer Reinforcing Wuhan Red Clay[D]. Wuhan: China University of Geosciences, 2010.

[10]盧雪松,項(xiàng)偉,曹李靖.離子土壤固化劑加固紅黏土的ξ電位試驗(yàn)研究[J].路基工程,2009(6): 32-33.

LU Xue-song, XIANG Wei, CAO Li-jing. Research on the ξ Otential of Ionic Soil Stabilizer Reinforcing Red Clay[J]. Subgrade Engineering, 2009(6):32-33.

[11]項(xiàng)偉,崔德山,劉莉. 離子土固化劑加固滑坡滑帶土的試驗(yàn)研究[J]. 地球科學(xué):中國(guó)地質(zhì)大學(xué)學(xué)報(bào),2007,32(3): 397-402.

XIANG Wei, CUI De-shan, LIU Li. Experimental Study on Sliding Soil of Ionic Soil Stabilizer[J]. Earth Science:Journal of China University of Geosciences, 2007,32(3):397-402.

[12]徐海清.離子土固化劑加固滑帶土研究[D].武漢:中國(guó)地質(zhì)大學(xué),2008.

XU Hai-qing. Research on Sliding Soil Reinforced by Ionic Soil Stabilizer[D].Wuhan：China University of Geosciences，2008.

[13]王尚,張玉斌,卓建平. ISS離子穩(wěn)固劑穩(wěn)定土反應(yīng)機(jī)理及其應(yīng)用探討[J].公路,2005(7): 192-194.WANG Shang, ZHANG Yu-bin, ZHUO Jian-ping. Reactive Mechanism of ISS Stabilized Soils and Its Application[J] Highway,2005(7):192-194.

[14]BHADRIRAJU V. A Laboratory Study to Address Swell, Shrink and Strength Characteristics of Deep Mixing Treated Expansive Clays[D]. Arlington: University of Texas at Arlington, 2005.

[15]ARGU Y. Stabilization of Light Grey and Red Clay Subgrade Soil Using LS-40 Chemical and Lime[D]. Addis Abab: Addis Ababa University, 2008.[16]CHAWA P. Evaluation of Strength, Swell and Shrinkage Characteristics of Chemically Treated Soils from North Texas[D]. Arlington: University of Texas at Arlington, 2002.

[17]汪益敏,賈娟,張麗娟,等. ISS加固土的微觀結(jié)構(gòu)及強(qiáng)度特征[J].華南理工大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版,2002,30(9): 96-99.WANG Yi-min, JIA Juan, ZHANG Li-juan, et al. Microstructure and Strength Feature of ISS Stabilized Soil[J]. Journal of South China University of Technology: Natural Science Edition, 2002,30 (9):96-99.

[18]張麗娟,汪益敏,陳頁(yè)開，等.電離子土壤固化劑加固土的壓實(shí)性能[J].華南理工大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版, 2004,32(3): 83-87.ZHANG Li-juan, WANG Yi-min， CHEN Ye-kai,et al. Compactibility of Ionic Soil Stabilizer Strengthening Soil[J]. Journal of South China University of Technology: Natural Science Edition, 2004,32(3):83-87.

[19]耿佚君. EN-1土壤固化劑改良紅砂巖的作用機(jī)理與路用性能研究[D].成都:西南交通大學(xué),2009.GENG Yi-jun. Study on Action Mechanism and Road Performance of Improved Red Sandstone by EN-1 Soil Agent[D]. Chengdu: Southwest Jiaotong University, 2009.

Analysis on Mechanical Behavior Characteristics of Stabilized Clay Under the Coexistence Condition of Acidic and Alkalic Additives

YANG Qing，LUO Xiao-hua，QIU Xin，WU Jin-hong

(College of Engineering, Zhejiang Normal University, Jinhua Zhejiang 321004,China)

Abstract：In order to study the influence of the coexistence condition of acidic and alkalic stabilizer on the mechanical performance of stabilized clay, on the basis of analyzing basic physical parameters of matrix clay and the stabilization mechanism of ionic and alkalic soil stabilizer, a research on the mechanical behavior characteristics of stabilized clay mixture which is stabilized by ionic and alkalic soil stabilizer is performed for the stabilized clay with different mix proportions by a series of laboratory tests. The result shows that (1) the matrix red clay is low liquid limit clay and the liquid ionic soil stabilizer has a strong acidity whose optimal content is 0.014% mass ratio of the dry soil; (2) due to the unique molecular structure of ionic soil stabilizer, the thickness of the double electric combined water film becomes thin at the compaction molding process, which makes the clay particle structure compactness increased; (3) the 7 d unconfined compressive strengths of the different mixtures are improved to different degrees when the ionic soil stabilizer is jointed; (4) except for the high lime soil mixture, if the compaction degree of soil has a pronounced effect on stabilization performance of the ionic soil stabilizer, the least compaction degree should be more than 96%; (5) the compressive strength, the indirect tensile strength and the freeze-thaw performance of the acidic and alkali stabilized soils present a gradual increasing trend with the increasing of curing time, however, due to the fact that the neutralization reaction and the oil membrane effect of ionic soil stabilizer inhibit the process of lime and cement’s carbonation, volcanic ash and hydration reaction, the evolution characteristics of the strength of the stabilized clay exists an advantage emboding period of stabilization superposition effect.

Key words：road engineering; mechanical performance; micro-macro tests; stabilized clay; ionic soil stabilizer

收稿日期：2015-10-21

基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(51408550)；浙江省自然科學(xué)基金項(xiàng)目(LQ14E080006)；浙江新苗人才計(jì)劃項(xiàng)目(2015R404053)

作者簡(jiǎn)介：楊青(1981-)，女，浙江金華人，博士.(yangq@zjnu.cn)

doi:10.3969/j.issn.1002-0268.2016.06.008

中圖分類號(hào)：U416.223

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1002-0268(2016)06-0046-08