水基聚合物－水泥復(fù)合固化土強(qiáng)度規(guī)律研究

任瑞波宋揚(yáng)王振薄劍趙品暉

(1.山東建筑大學(xué)交通工程學(xué)院，山東 濟(jì)南 250101；2.濱州市濱城區(qū)青田街道辦事處，山東 濱州 256660)

0 引言

由于社會(huì)經(jīng)濟(jì)的快速增長(zhǎng)，公路系統(tǒng)進(jìn)入快速發(fā)展階段。 目前，我國(guó)公路建設(shè)仍以石灰、水泥、砂礫、碎石以及這些材料的混合物作為主要填料，常用于基層、底基層。 但是，隨著路網(wǎng)的不斷加密，施工過程中經(jīng)常遇到碎石材料短缺的問題，通常采用材料置換、豎向排水、水泥固化等方法改善素土的力學(xué)性質(zhì)，使之能夠達(dá)到工程要求。 其中，使用水泥固化土是目前應(yīng)用最多的解決方案，已廣泛應(yīng)用于改善路基、土壩、河堤等土基結(jié)構(gòu)的性能。

對(duì)于土的固化而言，選擇合適的固化劑至關(guān)重要。 作為一種可以與路基土結(jié)合的新型基層填料，李琴等[1]認(rèn)為固化劑對(duì)土結(jié)構(gòu)有著積極影響，土固化后其應(yīng)用范圍增大。 科學(xué)合理地應(yīng)用土固化劑需有一個(gè)全面正確的認(rèn)識(shí)，包括固化劑適用土的類型、應(yīng)用范圍、固化齡期長(zhǎng)短以及固化的目標(biāo)效果等。不同類型的土固化劑固化機(jī)理相差甚遠(yuǎn)，需要根據(jù)各自的特點(diǎn)選擇適用環(huán)境。 早在19 世紀(jì)70 年代，土固化劑在美國(guó)得到應(yīng)用，因其優(yōu)異性能而逐漸推廣，并引起重視。 19 世紀(jì)90 年代，我國(guó)的相關(guān)科研人員開始引進(jìn)和使用土固化劑，最初出現(xiàn)的是水泥、石灰等固態(tài)固化劑，至今為止，已經(jīng)出現(xiàn)了許多不同功效、不同類型、多種功能的土固化劑。 此外，朱燕等[2]、米瑞等[3]認(rèn)為強(qiáng)度是固化土能否作為道路基層的主要技術(shù)指標(biāo)，近年來對(duì)土固化的強(qiáng)度增長(zhǎng)規(guī)律及形成機(jī)理的研究成為重點(diǎn)方向；黃新等[4]研究了水泥固化土的作用機(jī)理，認(rèn)為水泥固化土的強(qiáng)度主要是由水化硅酸鈣等水化物的膠結(jié)作用提供的，同時(shí)提出水泥固化土的硬化反應(yīng)模式；HORPIBULSUK 等[5]研究了含水量對(duì)水泥固化土強(qiáng)度的影響；CONSOLI 等[6]指出成型含水率對(duì)水泥處理土抗壓強(qiáng)度具有決定作用；SASANIAN 等[7]總結(jié)了水泥固化土的抗剪強(qiáng)度隨固化時(shí)間或水泥摻量的增加而增加的規(guī)律；湯怡新等[8]認(rèn)為水泥用量、含水量對(duì)于強(qiáng)度的影響高于其他因素，并建立了一個(gè)簡(jiǎn)單的經(jīng)驗(yàn)公式，還擬合了固化土抗壓強(qiáng)度與土含水量之間的關(guān)系方程；楊廷玉等[9]基于室內(nèi)不固結(jié)不排水三軸試驗(yàn)，指出應(yīng)變保持恒定時(shí)，水泥固化土的應(yīng)力與圍壓成正相關(guān)關(guān)系。

出于減少水泥使用量的目的，多種固化劑協(xié)同反應(yīng)成為新的研究方向，WANG 等[10]指出摻入1.0%的納米氧化鎂，經(jīng)碳化1 d 后，改性水泥土的抗壓強(qiáng)度可得到顯著提高，但納米氧化鎂含量對(duì)水泥土峰值應(yīng)變影響不大；雷鳴洲[11]發(fā)現(xiàn)固化劑水泥－硅粉(40∶10)摻量比為15%時(shí)固化效果最佳，并提出工程泥漿固化土無側(cè)限抗壓強(qiáng)度預(yù)測(cè)公式；詹博博[12]以大連灣淤泥水泥固化土為研究對(duì)象，探討了孔隙溶液鹽分對(duì)其無側(cè)限抗壓強(qiáng)度的影響，指出低水泥摻量時(shí)孔隙溶液鹽分越高，固化土強(qiáng)度越低，而隨著水泥摻量的增加，孔隙溶液鹽分增長(zhǎng)會(huì)對(duì)固化土強(qiáng)度產(chǎn)生積極影響；譚峰等[13]選擇硅酸鹽水泥、粉煤灰、水玻璃和木質(zhì)素磺酸鈉組成的水泥基復(fù)合固化劑，進(jìn)行了室內(nèi)固化試驗(yàn)，指出復(fù)合固化劑是平衡固化效果和成本的最優(yōu)解，同時(shí)復(fù)合固化劑摻量的增加對(duì)固化土的固化效果有正向影響，但會(huì)減緩強(qiáng)度增長(zhǎng)速度；吳王正[14]針對(duì)淤泥質(zhì)土，研究水泥及其他外摻劑對(duì)固化土的影響，得出當(dāng)外摻組合為水泥摻量為18%、三乙醇胺混合外摻劑摻量為12%時(shí)，抗壓強(qiáng)度增長(zhǎng)速度達(dá)到最大值；高貝貝等[15]基于聚合物技術(shù)并通過室內(nèi)試驗(yàn)，探究了固化劑摻量對(duì)固化土抗壓強(qiáng)度的影響，發(fā)現(xiàn)了幾組較好配比的氯硫聚合物固化土；蔡光華[16]研究了氧化鎂摻量、碳化時(shí)間、氧化鎂活性指數(shù)等因素對(duì)碳化固化土強(qiáng)度的影響，發(fā)現(xiàn)其均對(duì)無側(cè)限抗壓強(qiáng)度有著積極影響。

目前，對(duì)土固化劑的研究主要集中在提高各類不良土的力學(xué)性質(zhì)以及穩(wěn)定性，以達(dá)到路用規(guī)范的標(biāo)準(zhǔn)。 但各種的固化劑固化效果是各不相同的，其影響因素有所差別、作用機(jī)理略有差距，而增長(zhǎng)規(guī)律也不盡相同。 此外，關(guān)于固化土的研究主要基于一些單一類型固化劑，對(duì)于既能滿足力學(xué)性能要求又具有一定柔韌性滿足抗裂性能的復(fù)合固化劑的研究偏少，且關(guān)于這類固化劑的固化機(jī)理和基礎(chǔ)理論都還不夠完善，尤其是缺乏對(duì)新型土固化劑及其與傳統(tǒng)固化劑相互作用關(guān)系的研究。 因此，選用一種新型水基聚合物復(fù)合水泥作為固化劑，研究了水基聚合物摻量、養(yǎng)護(hù)溫度對(duì)水基聚合物－水泥復(fù)合固化土無側(cè)限抗壓強(qiáng)度和間接抗拉強(qiáng)度的影響規(guī)律，探究了水基聚合物、水泥以及土體的內(nèi)在反應(yīng)機(jī)理，揭示了水基聚合物－水泥復(fù)合固化土強(qiáng)度發(fā)展規(guī)律，為指導(dǎo)土固化處理的工程設(shè)計(jì)提供科學(xué)依據(jù)。

1 原材料及試驗(yàn)方法

1.1 原材料

1.1.1 黏土

用于試驗(yàn)的土樣是在濟(jì)南市歷城區(qū)建筑工地采集的一種黏土，地表雜草叢生，開挖深度為1~3 m。該黏土的顏色為黃色、顆粒細(xì)小、黏度高，分布范圍廣，具有很強(qiáng)的代表性。 黏土的具體物理參數(shù)包括含水率為29.3%、密度為1.53 g/cm3、液限為24.3%、塑限為12.5%、液性指數(shù)為2.27、塑性指數(shù)為11.8。

1.1.2 水泥

試驗(yàn)選用普通硅酸鹽水泥(P?O 42.5R 級(jí))，由山東山水水泥集團(tuán)有限公司生產(chǎn)，其主要礦物組成為硅酸三鈣、硅酸二鈣、鋁酸三鈣、鐵鋁酸四鈣等，初、終凝時(shí)間分別為110 和260 min。

1.1.3 水基聚合物

采用的水基聚合物為液體狀態(tài)，其黏附性優(yōu)異、應(yīng)用范圍廣，通常可用作工程涂料、材料黏合劑、膠黏劑等。 該水基聚合物外觀呈乳白色，其固含量為55%、黏度在1 000~5 000 mPa?s 范圍內(nèi)，25 ℃下pH 值為7.0~9.0、玻璃化轉(zhuǎn)變溫度為－22 ℃，其成膜平整連續(xù)，且鈣離子和機(jī)械的穩(wěn)定性高。

1.2 試樣的制備與養(yǎng)護(hù)

1.2.1 試樣的制備

根據(jù)設(shè)計(jì)的配合比稱量拌和試料，采用靜壓法制備試件。 實(shí)驗(yàn)所用試件的直徑和高度均為50 mm、壓實(shí)度為95%，每組由6 個(gè)平行試件構(gòu)成。根據(jù)最佳含水量、最大干密度和體積，計(jì)算放入試模中的固化土質(zhì)量，再分別計(jì)算土、水泥、水基聚合物和水的質(zhì)量。 將稱量好的固化土分成3 份，依次倒入試模。 每一層裝好后均需輕輕搗實(shí)，以確保被壓密。 填充完成后，將試件置于成型機(jī)上壓實(shí)，壓實(shí)時(shí)間至少為3 h。 壓實(shí)完成后，使用脫模機(jī)將固化土試樣脫模。

1.2.2 試樣的養(yǎng)護(hù)

為了研究不同條件下對(duì)固化土強(qiáng)度的影響規(guī)律，試件分別在20 和50 ℃的條件下養(yǎng)護(hù)。 試件脫模后，標(biāo)號(hào)并分別稱重，對(duì)極差較大的試樣應(yīng)舍棄，再重新制作試樣。 為了防止水分的過度揮發(fā)，將需要密封的合格樣品放入密封袋中，把密封好的試件分別放入20 和50 ℃的養(yǎng)護(hù)室內(nèi)，試件之間的距離至少為10~20 mm，置于鐵架上，并養(yǎng)護(hù)1~336 h。

1.3 固化土性能測(cè)試

1.3.1 含水率試驗(yàn)

含水率是土的基本物理指標(biāo)之一，作為計(jì)算干密度、孔隙度等指數(shù)的基礎(chǔ)，是監(jiān)測(cè)巖土結(jié)構(gòu)施工質(zhì)量的重要指標(biāo)。 參照J(rèn)TG E51—2009?公路工程無機(jī)結(jié)合料穩(wěn)定材料試驗(yàn)規(guī)程?[17]，采用烘干法測(cè)量含水率，由式(1)表示為

式中ω為含水率，%；m1為鋁盒的質(zhì)量，g；m2為鋁盒和濕土的總質(zhì)量，g；m3為鋁盒和干土的總質(zhì)量，g。

1.3.2 擊實(shí)試驗(yàn)

擊實(shí)試驗(yàn)是測(cè)定土體干密度與含水率關(guān)系的基礎(chǔ)試驗(yàn)。 通過擊實(shí)試驗(yàn)，繪制含水率－干密度關(guān)系曲線，得到土體干密度峰值和對(duì)應(yīng)含水率，確定最優(yōu)配合比。 擊實(shí)試驗(yàn)的具體參數(shù)見表1，擊實(shí)5 層，每層擊實(shí)27 次。

表1 擊實(shí)試驗(yàn)技術(shù)參數(shù)表

試驗(yàn)開始前，將含水率較高的土樣放入烘箱烘干，烘箱溫度應(yīng)該設(shè)置為<80 ℃，防止溫度過高對(duì)土的組成成分產(chǎn)生影響。 用小木錘將干燥黏土粉碎，以免破壞黏土顆粒的原始結(jié)構(gòu)。 將其過2.0 mm 篩，取篩下的土粉，分為5~6 份，每份2 kg。 按照選定含水率計(jì)算所需要加的水量，其中中間摻量的加水量應(yīng)該控制在最佳含水率附近。

稱量出每一份土樣的加水量，將其噴灑在土粉上，攪拌均勻，放入塑料袋中靜置2 h。 為防止固化劑與土樣發(fā)生固化反應(yīng)而影響試驗(yàn)結(jié)果，在準(zhǔn)備開始擊實(shí)試驗(yàn)時(shí)，再將固化劑與燜好的土樣充分混合，拌和完成后，將土樣分為5 等份，依次加入擊實(shí)筒中擊實(shí)，每層擊實(shí)完成后注意刮平以確保試件完整性。在最后一層擊實(shí)完成后，土體高度應(yīng)比試筒邊緣高5 mm，用刮刀刮掉表層土樣并將其抹平。 將試件與試筒的重量相加，再將試件脫模，測(cè)試含水率，根據(jù)試件質(zhì)量和試筒體積計(jì)算出試件濕密度。 對(duì)土樣依次試驗(yàn)，得到含水率－干密度數(shù)據(jù)，繪制含水率－干密度擬合曲線，如圖1 所示，曲線最高點(diǎn)Z(xZ，yZ)的xZ為試件的最佳含水率、yZ為最大干密度。

圖1 含水率－干密度關(guān)系曲線圖

1.3.3 無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)

無側(cè)限抗壓強(qiáng)度是指試件在沒有側(cè)向壓力情況下抵抗軸向壓力的極限強(qiáng)度，簡(jiǎn)而言之，是對(duì)試件施加軸向壓力直至出現(xiàn)裂縫時(shí)測(cè)量的施加應(yīng)力值。

從密封袋中取出養(yǎng)護(hù)完成后的樣品，按標(biāo)簽稱重并記錄，按照J(rèn)TG E51—2009[17]試驗(yàn)，記錄試樣斷裂時(shí)的最大壓力，計(jì)算得到的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度由式(2)表示為

式中Rc為試件的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度，MPa；P0為試件斷裂或破壞時(shí)的最大壓力，N；A為試件的截面面積，mm2。

1.3.4 間接抗拉強(qiáng)度試驗(yàn)

在道路基層設(shè)計(jì)中，抗拉強(qiáng)度與抗壓強(qiáng)度同樣重要，用抗拉強(qiáng)度高的材料鋪筑的公路具有優(yōu)異抗裂性和穩(wěn)定性。 反之，就會(huì)出現(xiàn)很多裂縫，造成路面反射裂縫，影響道路的使用壽命，甚至危及行車安全。 抗拉強(qiáng)度指材料在承受拉力荷載情況下發(fā)生斷裂的應(yīng)力最大值，確定方法分為直接測(cè)試法和間接抗拉強(qiáng)度法。 前者對(duì)試驗(yàn)器材及試件有嚴(yán)格的要求，而且對(duì)試驗(yàn)的精準(zhǔn)度也有較高要求。 故此，擬采用路面強(qiáng)度試驗(yàn)儀進(jìn)行間接抗拉強(qiáng)度試驗(yàn)。

試驗(yàn)按照無機(jī)結(jié)合料穩(wěn)定材料間接抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)方法[17]進(jìn)行，保證間接抗拉強(qiáng)度試件為直徑和高度均為50 mm 的圓柱體，養(yǎng)護(hù)固化土試件，完成后放在路面材料強(qiáng)度儀上進(jìn)行間接抗拉試驗(yàn)，加載速率為1 mm/min，記錄試件發(fā)生斷裂時(shí)的壓力，即最大壓力。

試件間接抗拉強(qiáng)度的計(jì)算由式(3)表示為

(4)設(shè)計(jì)裝置D、E的目的是比較氯、溴、碘的非金屬性。當(dāng)向D裝置中緩緩?fù)ㄈ胍欢柯葰鈺r(shí),可以看到無色溶液逐漸變?yōu)開___色,說明氯的非金屬性強(qiáng)于溴。

式中Ri為試件的間接抗拉強(qiáng)度，MPa；d為試件的直徑，mm；h為試件的高度，mm；P為試件破壞時(shí)的最大壓力，N。

2 結(jié)果與討論

2.1 水基聚合物摻量對(duì)復(fù)合固化土無側(cè)限抗壓強(qiáng)度的影響

為了探究水基聚合物摻量對(duì)水基聚合物－水泥復(fù)合固化土無側(cè)限抗壓強(qiáng)度的影響，需設(shè)置其摻量梯度，王臻華[18]認(rèn)為水泥摻量>6%時(shí)的固化土強(qiáng)度增長(zhǎng)顯著。 為了保證一定的強(qiáng)度基礎(chǔ)，水泥摻量選取8%，在此基礎(chǔ)上分別添加固化土質(zhì)量的0.5%、1.0%、2.0%、4.0%和8.0%的水基聚合物，制備得到水基聚合物－水泥復(fù)合的固化土；同時(shí)，任瑞波等[19]提出養(yǎng)護(hù)溫度對(duì)水性高分子聚合物乳液的強(qiáng)度產(chǎn)生影響，故將各復(fù)合固化土試樣分別在20 和50 ℃下養(yǎng)護(hù)，測(cè)試其在不同養(yǎng)護(hù)時(shí)間下的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度，如圖2 所示。

圖2 不同溫度養(yǎng)護(hù)下復(fù)合固化土無側(cè)限抗壓強(qiáng)度與養(yǎng)護(hù)時(shí)間的關(guān)系圖

由圖2(a)可知，在20 ℃下，隨著養(yǎng)護(hù)時(shí)間的增加，復(fù)合固化土的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度隨之增加，以1%水基聚合物＋8%水泥復(fù)合固化土為研究對(duì)象，養(yǎng)護(hù)開始到24 h 的固化土的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度迅速增長(zhǎng)，0~24、24~72、72~168、168~336 h 曲線的斜率分別為0.090 417、0.019 375、0.011 979 和0.001 131，可知雖然固化土的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度隨時(shí)間增長(zhǎng)而持續(xù)增長(zhǎng)，但增長(zhǎng)速率降低，并逐漸趨于穩(wěn)定值。 同時(shí)，復(fù)合固化土的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度曲線在0~24 h 內(nèi)與水泥固化土近似重合，說明復(fù)合固化土前期(24 h前)無側(cè)限抗壓強(qiáng)度的形成主要由水泥水化反應(yīng)導(dǎo)致的。 養(yǎng)護(hù)24 h 后，各摻量復(fù)合固化土無側(cè)限抗壓強(qiáng)度差異逐漸明顯，說明水基聚合物作用開始顯現(xiàn)，對(duì)復(fù)合固化土的強(qiáng)度產(chǎn)生了影響。 在相同的養(yǎng)護(hù)時(shí)間內(nèi)，隨著水基聚合物摻量的增加，復(fù)合固化土的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度先增加后減小，當(dāng)水基聚合物摻量為1.0%時(shí)，復(fù)合固化土的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度達(dá)到最大值。 與水泥摻量為8.0%的純水泥固化土相比，水基聚合物摻量在0.5%~2.0%范圍內(nèi)，復(fù)合固化土的強(qiáng)度均高于水泥固化土，而當(dāng)水基聚合物摻量達(dá)到4%時(shí)，復(fù)合固化土強(qiáng)度反而低于水泥固化土，表明對(duì)于改善無側(cè)限抗壓強(qiáng)度來說，水基聚合物存在一個(gè)合理的摻量范圍，最優(yōu)摻量為1.0%。

由圖2(b)可知，50 ℃養(yǎng)護(hù)條件下水基聚合物－水泥復(fù)合固化土無側(cè)限抗壓強(qiáng)度隨時(shí)間的增長(zhǎng)規(guī)律與20 ℃養(yǎng)護(hù)條件下類似。 但是，養(yǎng)護(hù)溫度的升高顯著提高了復(fù)合固化土的強(qiáng)度增長(zhǎng)率。 為了進(jìn)一步對(duì)比考察養(yǎng)護(hù)溫度對(duì)無側(cè)限抗壓強(qiáng)度的影響，以20 ℃養(yǎng)護(hù)下復(fù)合固化土的168 h 無側(cè)限抗壓強(qiáng)度為參考，選取50 ℃無側(cè)限抗壓強(qiáng)度曲線特征點(diǎn)，即分別養(yǎng)護(hù)24 和168 h，其結(jié)果如圖3 所示。

圖3 復(fù)合固化土的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度對(duì)比圖

在20 和50 ℃養(yǎng)護(hù)溫度下，復(fù)合固化土在任何一個(gè)齡期時(shí)的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度均隨著水基聚合物摻量增加而先增加后減小，其中當(dāng)水基聚合物摻量為1%時(shí)，其值達(dá)到最大值。 這是因?yàn)樵趽搅枯^低時(shí)，水基聚合物與水泥之間具有協(xié)同作用，使得復(fù)合固化土的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度增加。 但是，由于水基聚合物會(huì)促使土顆粒迅速結(jié)團(tuán)，妨礙離子擴(kuò)散，影響后期水化，所以在過高水基聚合物摻量會(huì)使得固化土的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度降低。 而相同的摻量時(shí)，在50 ℃下養(yǎng)護(hù)24 h 的復(fù)合固化土無側(cè)限抗壓強(qiáng)度高于在20 ℃下養(yǎng)護(hù)168 h 的復(fù)合固化土強(qiáng)度，同時(shí)差值基本不隨水基聚合物摻量增長(zhǎng)而變化；在50 ℃下養(yǎng)護(hù)168 h 的復(fù)合固化土無側(cè)限抗壓強(qiáng)度>20 ℃時(shí)的2倍且差值基本穩(wěn)定。 由此可知，溫度對(duì)復(fù)合固化土無側(cè)限抗壓強(qiáng)度的增長(zhǎng)有穩(wěn)定積極的影響，可以通過提高養(yǎng)護(hù)溫度，快速達(dá)到預(yù)期無側(cè)限抗壓強(qiáng)度，加快施工速度，縮短工期。

2.2 水基聚合物摻量對(duì)復(fù)合固化土間接抗拉強(qiáng)度的影響

為了探究水基聚合物摻量對(duì)水基聚合物－水泥復(fù)合固化土間接抗拉強(qiáng)度的影響，需設(shè)置其摻量梯度。 根據(jù)前期研究結(jié)果，為保證一定的強(qiáng)度基礎(chǔ)，水泥摻量選取8%，所以試驗(yàn)在此基礎(chǔ)上，分別添加固化土質(zhì)量的0.5%、1.0%、2.0%、4.0%、8.0%的水基聚合物，制備得到水基聚合物－水泥復(fù)合固化土，然后將各復(fù)合固化土試樣分別在20 和50 ℃下養(yǎng)護(hù)，測(cè)試其在不同養(yǎng)護(hù)時(shí)間下的間接抗拉強(qiáng)度，如圖4 所示。

圖4 養(yǎng)護(hù)下復(fù)合固化土間接抗拉強(qiáng)度對(duì)比圖

由圖4(a)可知，在20 ℃養(yǎng)護(hù)溫度下，復(fù)合固化土的間接抗拉強(qiáng)度隨著養(yǎng)護(hù)時(shí)間的延長(zhǎng)而增加，以“0.5%水基聚合物＋8%水泥復(fù)合固化土”為研究對(duì)象，從養(yǎng)護(hù)開始至6 h，固化土的間接抗拉強(qiáng)度基本保持一致，水基聚合物作用不顯著，0~12 h 的間接抗拉強(qiáng)度基本保持線性增長(zhǎng)。 0 ~ 12、12 ~ 24、24~72、72~168 h 時(shí)間接抗拉強(qiáng)度的曲線斜率分別為0.015 250、0.004 417、0.001 833 和0.000 323，由此可知，雖然復(fù)合土間接抗拉強(qiáng)度會(huì)隨時(shí)間增長(zhǎng)，但其增長(zhǎng)速率減緩，逐漸趨于穩(wěn)定值。 養(yǎng)護(hù)168 h 時(shí)，水基聚合物摻量為0.5%、1.0%、2.0%、4.0%的復(fù)合固化土間接抗拉強(qiáng)度分別為水泥固化土的112.6%、72.9%、60.0%、53.0%。 保持水泥摻量一定(8%)，當(dāng)水基聚合物摻量為0.5%時(shí)，復(fù)合固化土的間接抗拉強(qiáng)度最大。 與水泥摻量為8%的純水泥固化土相比，水基聚合物摻量在0%~0.5%范圍內(nèi)，復(fù)合固化土的強(qiáng)度均高于水泥固化土；當(dāng)摻量>1.0%時(shí)，則會(huì)造成復(fù)合固化土強(qiáng)度低于水泥固化土。 總之，對(duì)于間接抗拉強(qiáng)度而言，水基聚合物存在一個(gè)合理的摻量范圍，使得復(fù)合固化土優(yōu)于水泥固化土，最優(yōu)的摻量為0.5%。

圖5 復(fù)合固化土的間接抗拉強(qiáng)度對(duì)比圖

在20 和50 ℃溫度下，復(fù)合固化土在養(yǎng)護(hù)24、168 h 時(shí)的間接抗拉強(qiáng)度均隨著水基聚合物摻量增加呈先增后減的趨勢(shì)，其中當(dāng)水基聚合物摻量為0.5%時(shí)達(dá)到頂峰。 這是因?yàn)樵趽搅枯^低時(shí)，水基聚合物會(huì)促進(jìn)水泥水化反應(yīng)，使得復(fù)合固化土的間接抗拉強(qiáng)度增加。 但是，由于水基聚合物會(huì)使水化作用過快，水化產(chǎn)物后期反應(yīng)不充分，過高的摻量會(huì)使得固化土間接抗拉強(qiáng)度降低。 而在相同的摻量下，50 ℃、168 h 養(yǎng)護(hù)條件下復(fù)合固化土的間接抗拉強(qiáng)度接近或大于20 ℃養(yǎng)護(hù)的2 倍，且水基聚合物摻量越高，溫度對(duì)復(fù)合固化土間接抗拉強(qiáng)度的提升效果越明顯。 同時(shí)，在50 ℃下養(yǎng)護(hù)24 h 的復(fù)合固化土間接抗拉強(qiáng)度接近或大于在20 ℃下養(yǎng)護(hù)168 h 的；當(dāng)水基聚合物摻量為0.5%時(shí)，50 ℃、24 h 條件下間接抗拉強(qiáng)度與20 ℃、168 h 條件下間接抗拉強(qiáng)度之間的差值為－0.012，其差距不大，可忽略，表明提高溫度可有效提高間接抗拉強(qiáng)度，減少養(yǎng)護(hù)時(shí)間。

3 水基聚合物－水泥及固化土改性機(jī)理

3.1 水泥固化土改性機(jī)理

黏土的微觀結(jié)構(gòu)包括黏土顆粒聚合物、土顆粒內(nèi)孔隙及土顆粒間孔隙。 水泥固化土的改性作用主要包括水泥水化反應(yīng)、火山灰反應(yīng)和碳酸化作用[20]。 在水泥與水接觸后，固化土中的水泥發(fā)生水化反應(yīng)，生成一系列的水化產(chǎn)物，呈凝膠狀附著于土顆粒表面，使相鄰?fù)令w粒膠結(jié)成骨架。 由于土顆粒被包裹，可塑性和其他特性隨之降低，水泥水化反應(yīng)后，水化產(chǎn)物的數(shù)量增加，混合料膠結(jié)強(qiáng)度也逐漸增強(qiáng)。 水化反應(yīng)生成物為氫氧化鈣和少量的氫氧化鎂，水解后有大量鈣離子和少量鎂離子出現(xiàn)，與土顆粒表面的鈉離子、鉀離子發(fā)生離子交換反應(yīng)，黏土顆粒因絮凝而結(jié)塊[21]。 土中的氫氧化鈣與空氣中的二氧化碳反應(yīng)生成碳酸鈣，難溶于水，具有較高的強(qiáng)度與耐水性，其對(duì)土的膠結(jié)作用提高了土的強(qiáng)度。此外，碳酸鈣的固相體積略大于氫氧化鈣的固相體積，致使固化土體更加緊密。

3.2 水基聚合物固化土改性機(jī)理

由于水基聚合物本身的抗沖擊性能良好，所以其對(duì)復(fù)合固化土間接抗拉強(qiáng)度的增強(qiáng)效果明顯。 同時(shí)，水基聚合物固化劑由大量表面帶有親水基團(tuán)(—COOR)的長(zhǎng)鏈組成[22]，親水基團(tuán)和碳分子長(zhǎng)鏈分別形成親水和疏水基團(tuán)，土顆粒表面分散了大量陽離子，如鈣離子、鎂離子等。 當(dāng)水基聚合物與土顆?；旌希浔砻娴挠H水基團(tuán)通過氫鍵作用與土顆粒形成緊密連接結(jié)構(gòu)，疏水基團(tuán)則通過擴(kuò)散作用在土顆粒表面或空隙中，形成空間網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，如圖6 所示，從而使土顆粒與水基聚合物固化劑之間產(chǎn)生物理或化學(xué)聯(lián)系，同時(shí)發(fā)生一定的物理或化學(xué)反應(yīng)，使土顆粒成為一個(gè)緊密的整體，則固化土抵抗變形的能力顯著提高，即具有更大的屈服應(yīng)力，無側(cè)限抗壓強(qiáng)度得到提高。

圖6 水基聚合物分子與土體相互作用示意圖

隨著養(yǎng)護(hù)溫度提高，固化土表面或空隙中的水分通過擴(kuò)散或揮發(fā)而明顯減少，反應(yīng)速度加快，物理或化學(xué)作用效果逐漸增強(qiáng)，由于水基聚合物中疏水基團(tuán)包裹土顆粒，土體與水的接觸減少，水分被排擠，土顆粒間粘結(jié)程度提高，其整體性增強(qiáng)，固化土的強(qiáng)度也得到有效提高。

3.3 水基聚合物－水泥固化土強(qiáng)度發(fā)展機(jī)理

由于水泥對(duì)于土的間接抗拉強(qiáng)度與無側(cè)限抗壓強(qiáng)度提高有積極影響，其水化反應(yīng)、火山灰反應(yīng)、碳酸化反應(yīng)均在堿性環(huán)境下效果優(yōu)異，所以采用復(fù)合固化，將兩種反應(yīng)協(xié)調(diào)促進(jìn)的材料相繼加入固化土中，以期實(shí)現(xiàn)固化土強(qiáng)度改善最優(yōu)解。

復(fù)合固化土在強(qiáng)度形成初期水基聚合物作用較小，其強(qiáng)度主要由水泥提供。 隨著養(yǎng)護(hù)時(shí)間的增長(zhǎng)，水基聚合物的作用逐漸加強(qiáng)從而使復(fù)合固化土與水泥固化土間出現(xiàn)一定差異。 水基聚合物能夠提供一種堿性環(huán)境，促進(jìn)鈣離子的溶解，使黏土顆粒進(jìn)一步凝聚成尺寸較大的聚合體，同時(shí)黏土顆粒表面呈弱酸性的二氧化硅和氧化鋁溶解后與鈣離子發(fā)生火山灰反應(yīng)，生成凝膠狀產(chǎn)物并結(jié)晶硬化，所以低濃度的水基聚合物添加劑可以通過提高土顆粒間黏結(jié)程度提高固化復(fù)合土的強(qiáng)度。 但高濃度的水基聚合物對(duì)固化復(fù)合土的強(qiáng)度有不利影響，原因在于聚合物濃度較高時(shí)，提供的強(qiáng)堿環(huán)境會(huì)導(dǎo)致水泥水化反應(yīng)過快，水化產(chǎn)物過多，包裹未水化顆粒，妨礙了后期水化需要的離子擴(kuò)散，減少了聚合物在水化作用吸附期與水的接觸和反應(yīng)，導(dǎo)致反應(yīng)減緩且后期水化漿體呈現(xiàn)多孔隙結(jié)構(gòu)，其強(qiáng)度反而比聚合物濃度低的固化土的強(qiáng)度更低。

總之，水基聚合物存在一個(gè)最優(yōu)配比，使復(fù)合固化土無側(cè)限抗壓強(qiáng)度和間接抗拉強(qiáng)度達(dá)到最大值，并非水基聚合物的摻量越高，復(fù)合固化土的強(qiáng)度越高，因此在實(shí)際工程實(shí)踐中，需嚴(yán)格控制復(fù)合固化土各配方的比例，切實(shí)保證道路施工的工程質(zhì)量。

4 結(jié)論

以水基聚合物－水泥復(fù)合固化土為研究對(duì)象，探究了水基聚合物摻量和養(yǎng)護(hù)溫度對(duì)復(fù)合固化土的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度和間接抗拉強(qiáng)度的影響規(guī)律，以及復(fù)合固化土的強(qiáng)度機(jī)理，主要得出以下結(jié)論:

(1) 水基聚合物摻量對(duì)無側(cè)限抗壓強(qiáng)度和間接抗拉強(qiáng)度表現(xiàn)出不同的影響規(guī)律。 對(duì)于無側(cè)限抗壓強(qiáng)度，低摻量水基聚合物對(duì)復(fù)合固化土的強(qiáng)度具有一定的促進(jìn)作用，而過高摻量(>4.0%)的水基聚合物會(huì)產(chǎn)生不利影響。 當(dāng)水基聚合物摻量為1.0%時(shí)，復(fù)合固化土的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度最大。 同時(shí)，當(dāng)養(yǎng)護(hù)溫度提高時(shí)，復(fù)合固化土的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度隨之增長(zhǎng)且增長(zhǎng)速度加快，說明采用提高養(yǎng)護(hù)溫度的方法，能夠加快施工速度、縮短工期。

(2) 對(duì)于間接抗拉強(qiáng)度，較低的水基聚合物摻量對(duì)復(fù)合固化土間接抗拉強(qiáng)度有積極影響，過高的水基聚合物摻量(>1.0%)則對(duì)復(fù)合固化土間接抗拉強(qiáng)度產(chǎn)生不利影響，且固化劑摻量越高，間接抗拉強(qiáng)度越低。 當(dāng)水基聚合物摻量為0.5%時(shí)，復(fù)合固化土的間接抗拉強(qiáng)度最大。 養(yǎng)護(hù)溫度越高，復(fù)合固化土的間接抗拉強(qiáng)度越高，且增長(zhǎng)速度越快。

綜合分析，對(duì)于復(fù)合固化土的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度和間接抗拉強(qiáng)度，最優(yōu)摻量為8.0%水泥＋0.5%水基聚合物。