酸碱固化剂共存条件下固化黏土力学行为特征分析

杨　青，罗小花，邱　欣，吴金洪

(浙江师范大学　工学院，浙江　金华　321004)

酸碱固化剂共存条件下固化黏土力学行为特征分析

杨青，罗小花，邱欣，吴金洪

(浙江师范大学工学院，浙江金华321004)

摘要：为探究酸碱固化剂共存条件对于固化黏土力学性能的影响规律，在分析基质黏土基本物性参数及酸碱固化剂固化机理的基础上，设计不同配合比固化土混合料，通过系列室内试验，开展了酸碱固化剂固化土混合料力学行为特征研究。结果表明：基质红黏土为低液限黏土，液态离子土壤固化剂具有强酸性，最佳掺入量为干土质量的0.014%；离子土壤固化剂独特的分子结构能够减小双电层结合水膜厚度，矿物颗粒密实度增强；离子土壤固化剂掺入后，各配合比混合料的7 d无侧限抗压强度均有不同程度的提升；除高石灰掺入量的固化土混合料外，压实度对离子土壤固化剂固化效果的发挥影响较大，需达到96%及以上；随着龄期增加，酸碱固化剂固化土的抗压强度、劈裂强度以及冻融性能持续提升，但由于酸碱中和反应以及离子土壤固化剂的油性膜效应，抑制了后期石灰水泥碳酸化、火山灰及水化反应进程，酸碱固化土强度演变特征存在固化叠加效应的优势体现期。

关键词：道路工程；固化黏土;微宏观试验；力学性能；土壤固化剂

0引言

20世纪60年代，离子型土壤固化剂以其快速便捷施工的特点被作为美国军用保密产品研发，随后民用化，1998年作为新型筑路产品引入我国。离子土壤固化剂是一种高浓缩液态表面活性剂，具有很强的氧化和溶解能力，可使土壤颗粒结晶形成矿物混合物。自引进以来，如何最大发挥离子土壤固化剂在筑路工程中的优势，已成为行业热点研究问题。目前，国内外学者已对离子土壤固化剂的固化机理、路用性能等方面进行了相关研究。Latifi[1]、Eisazadeh[2]通过核磁共振光谱、傅里叶变换红外光谱、场发射扫描电镜、能量色散X射线光谱等方法，探究了离子土壤固化剂处治热带土壤的最佳掺量值。Bhaskar[3]利用回归分析、神经网络、有限元分析等方法探究发现Tex120-E与Tex121-E固化剂对以高岭石、伊利石为主要成分的低液限类土壤的固化效果较佳。Petry和Katz[4-5]对液态离子固化剂加固土的固化效果和工程应用进行了探索，对其作用机理进行了阐述。杨青[6]等人通过等离子体发射光谱、扫描电镜、X 射线衍射、BET测试等系列物化及微观试验，探究了浙中地区红黏土固化前后微观结构特征的变化规律。崔德山[7]对离子土壤固化剂加固红黏土前后的结合水进行了定量化研究，阐述了离子土壤固化剂减少结合水的作用机理。卢雪松[8-10]研究了离子土壤固化剂对武汉红黏土的作用机理，得出离子土壤固化剂能够提升红黏土的 7 d 无侧限抗压强度。项伟和徐海清等人[11-12]发现离子土壤固化剂能使滑带土黏聚力提高，性能得到改善。王尚等人[13]通过离子土壤固化剂加固粉砂土、黄土和粉质亚黏土的室内试验，分析了离子土壤固化剂对土的抗压强度和抗折强度的改良效果。Venkata[14]通过研究发现离子土壤固化剂能极大减少膨胀土的线性收缩和自由膨胀，但其对土体的无侧限抗压强度提升有限，约为30%。Argu[15]研究发现SA-44/LS-40固化剂与石灰混合形成酸碱固化剂后能最大限度地提升红色黏土的CBR值。Chawa[16]通过基本物性参数和无侧限抗压强度等指标，最终证明酸碱固化剂共同作用能提升土体的无侧限抗压强度，减小膨胀和收缩性。汪益敏和张丽娟等人[17-18]研究发现离子土壤固化剂粉土质砂和砂质低液限粉土性能提升有限，需掺入少量水泥和石灰形成酸碱固化土以提高加固土的早期强度、抗变形能力和抗渗能力。耿佚君[19]通过抗压强度和抗剪强度两个指标及物理参数，确定了EN-1固化剂的最佳配比，探究了掺入EN-1和水泥石灰的酸碱固化土的抗压强度变化规律。上述研究表明，离子土壤固化剂能够提升不同土质的力学性能，但对不同土质的固化效果存在差异，且对提升土体的强度效果作用有限，作为筑路材料尚需加入传统的石灰水泥等碱性固化剂共同激发。然而，酸碱固化剂共存条件下，酸碱固化剂本身也发生一定反应，使固化土内部结构变化极为复杂，涉及物理、化学等诸多反应，至今对其力学强度行为的研究仍不够深入。

基于此，本人在分析基质土物性参数及酸碱固化剂固化机理的基础上，设计不同配合比的固化土混合料，通过室内宏微观系列试验，探讨离子土壤固化剂对于红黏土的固化机理，分析压实度和龄期条件对固化土混合料抗压强度、劈裂强度和冻融强度的影响规律，进而揭示酸碱固化剂共存条件下固化土混合料力学性能的特征行为。研究成果以期为离子土壤固化剂在道路工程中的合理使用提供技术支撑。

1材料基本参数

1.1基质土物性参数

试验选用的基质土为由页岩分化而形成的红黏土，基本物性参数测试结果见表1。由此可知，该基质土为低液限黏土。

表1　基质土基本物性参数指标

1.2离子土壤固化剂基本物化参数

试验选取美国某公司生产的液态离子型土壤固化剂，基本物性参数见表2，由此可知，该液态离子型固化剂呈强酸性。

表2　离子土壤固化剂基本物性参数指标

2离子土壤固化剂最佳掺量确定

2.1塑性指数测试

将离子固化剂与水按比例稀释后，按固化剂占干土质量的0.010%，0.012%，0.014%，0.016%，0.018%和0.020%等6种工况条件，均匀地掺入到红黏土中，拌和均匀后，在松散状态下密封闷料24 h，通过液塑限联合测定仪，测定其界限含水率，不同离子固化剂掺入条件下塑性指数测试结果，见图1。

图1　不同固化剂掺入量的塑性指数Fig.1　Plasticity index vs. stabilizer content

由此可知：(1)红黏土加入离子土壤固化剂后，其塑性指数有所降低，表明土颗粒变大，比表面积减小，结构更加密实，当离子土壤固化剂占干土质量的比例为0.014%时，塑性指数下降最为明显，与基质土相比降低了10.8%；(2)固化剂的掺量并非越高越好，当离子土壤固化剂掺入量超过0.014%时，随着离子土壤固化剂掺入量的增加，塑性指数又有所提高。

2.2抗压强度测试

在基质红黏土中分别掺入干土质量百分比为0，0.010%，0.012%，0.014%，0.016%和0.018%的离子土壤固化剂，按比例组数制备压实度分别为96%和98%的试件并测定试件7 d无侧限抗压强度，测试结果，见表3和图2。

由测试结果可知，(1)掺入离子固化剂后，试件7 d无侧限抗压强度均有明显提高，表明离子固化剂对红黏土起到了固化效果，且98%压实度的强度明显高于96%压实度，压实度增加，固化效果越明显，同时随着离子固化剂掺量的增加其强度先增加后减小；(2)当离子固化剂掺入量为0.014%时，平均压实度条件下试件抗压强度达到最大值1.67 MPa，比基质红黏土的强度提高了20.14%，进而表明0.014%为该工况条件下离子固化剂的最佳掺量；(3)虽然掺入离子固化剂后固化土强度得到了提高，但仍旧没有达到重中交通以上路面基层或底基层材料的强度要求(基层要求≥3.0 MPa；底基层要求≥2.0 MPa)，因此，当离子土壤固化剂固化土混合料用于路面基层或底基层结构时，尚需掺入一定量的水泥和石灰，以进一步提高其抗压强度。

表3　7 d无侧限抗压强度

图2　固化剂掺量与7 d无侧限抗压强度测试Fig.2　Stabilizer content vs. 7 d unconfined compressive strength

3酸碱固化剂固化机理分析

3.1酸性离子土壤固化剂的固化机理

离子土壤固化剂具有独特的分子结构，由“亲水头”和“疏水尾”所构成。“亲水头”为磺酸有机化合物(RSO3H)，能产生一个与黏土颗粒表面金属阳离子相结合的[SO3]2-离子，使其吸附在黏土矿物表面。“疏水尾”由一个碳及氢原子所组成，连着“亲水头”，并在黏土颗粒表面形成油性层，阻止水分进入体系，同时对土颗粒表面上的水进行排挤，以减小土颗粒表面结合水膜厚度，增大颗粒间引力，使颗粒之间排列更紧密，孔隙减少，逐步形成更大的团聚体，结构更加密实，如图3所示。

图3　离子土壤固化剂与黏土颗粒作用示意图Fig.3　Schematic diagram of reaction of ionic soil stabilizer and clay particals

为了进一步证实离子固化剂的固化作用，采用日本日立S-4800扫描电子显微镜对基质红黏土以及0.014%固化剂掺量的离子固化土样品，分析进行倍数为15 000倍的电镜扫描试验，测试结果如图4所示。由此可见:(1)基质红黏土微观结构形态以粒团体点-面、边-面形式接触的堆叠结构呈现，伴随有架空结构，很少见到紊流结构和絮凝结构，孔隙较发达；(2)掺入离子固化剂后，固化土结构形态以面-面形式接触的团聚体结构或堆叠结构为主，孔隙大大减小，结构单元体表面胶结物胶结特征明显，结构变得更加紧密。

图4　固化土微观结构形态Fig.4　Microstructural morphology of stablized soil

3.2石灰水泥碱性固化剂的固化机理

试验选取二等熟石灰和325号硅酸盐水泥作为碱性固化剂，促进红黏土性能提升。熟石灰在混合料中主要发生结晶反应、碳酸化反应和火山灰反应。在结晶反应中，石灰吸收水分形成含水晶格[Ca(OH)2·nH2O]，所形成的晶体相互结合，并与土粒结合形成共晶体，把土粒胶结成整体；在碳酸化反应中，石灰与空气中的二氧化碳发生反应，生成的碳酸物质(CaCO3),对土的胶结作用使土体得到加固；在火山灰反应中，生成含水的硅酸钙和铝酸钙等胶结物，这些胶结物逐渐由胶凝状态向晶体状态转化，使抗压强度提高。水泥在混合料中主要发生水化反应、火山灰反应和碳酸化反应。水化反应生成Ca(OH)2保证水泥土中水化生成致密的凝胶，土体孔隙率明显减小，内部结构的密实度增加，无侧限抗压强度迅速提升；火山灰反应和碳酸化反应进程缓慢，对土后期强度增长贡献较大。

4不同配比固化土混合料溶液pH值分析

选取4组典型配合比混合料(①与②、③与④、⑤与⑥、⑦与⑧)，编号方式如表4所示。通过静压法制成压实度为98%，φ50 mm×50 mm的圆柱形试件。经过24 h标准养生后，取试件内部中心位置10 g土体破碎研磨，加50 mL蒸馏水振荡，静置后取上层清液测定其pH值，以探究不同配合比混合料试件内部酸碱特性，测试结果如表5所示。

表4　混合料编号

表5　混合料溶液pH值

由测试结果可知，(1)混合料①清液H+浓度大于OH-，pH值为5.69，故基质红黏土为酸性土质；(2)离子固化剂呈强酸性，基质红黏土中掺入0.014%离子土壤固化剂后，H+浓度上升，混合料②清液pH值进一步降低；(3)石灰和水泥均为碱性材料，混合料③和⑤清液OH-浓度大于H+，清液呈碱性，混合料④和⑤清液pH值虽有减小，但仍呈碱性；(4)混合料⑦中石灰和水泥掺量分别为3%和5%，其清液pH值达到碱性最大值(pH=8.45)，当掺入0.014%离子土壤固化剂后，由于H+的增加，其清液pH值减小至8.01。分析可知，酸碱固化剂共存条件下，离子土壤固化剂电离的H+与石灰水泥电离的OH-将发生酸碱中和反应，消耗混合料中的OH-，表现为混合料清液pH值下降，反应过程如下所示。

(1)

(2)

(3)

5无侧限抗压强度分析

5.17 d无侧限抗压强度

选取3组配合比混合料(③与④,⑤与⑥,⑦与⑧)，制成压实度为98%，φ50 mm×50 mm的圆柱形试件，7 d标准养生后进行无测试抗压强度测试，测试结果如图5所示。由此可知，混合料③,⑤,⑦的7 d无侧限抗压强度分别小于混合料④,⑥,⑧，即掺入离子固化剂的石灰固化土、水泥固化土和水泥石灰固化土7 d无侧限抗压强度，大于未掺入离子土壤固化剂的石灰土、水泥土和石灰水泥土。由分析可知，离子固化剂与土壤矿物颗粒发生离子交换反应，并在土颗粒表面形成油性层，减小结合水膜厚度，土体结构更加密实，混合料7 d无侧限抗压强度均有不同程度的提升。

图5　混合料7 d无侧限抗压强度Fig.5　Analysis diagram of 7 d unconfined compressive strengthes of mixtures

5.2不同压实度无侧限抗压强度

选取3组典型配合比混合料(③与④、⑤与⑥、⑦与⑧)，形成压实度分别为90%, 92%, 94%, 96%, 98%的试件，标准养生后进行7 d抗压强度测试，测试结果如图6所示。

图6　不同压实度混合料7 d无侧限抗压强度Fig.6　Analysis diagram of 7 d unconfined compressive strengthes of mixtures with different compact degrees

由此可知，(1)随压实度的不断增大，3组混合料的7 d无侧限抗压强度均有明显提升；(2)低压实度(90%, 92%和94%)条件下，掺入离子固化剂混合料的抗压强度小于未掺入该固化剂的混合料(除混合料③和④以外)，而当压实度提高至96%及以上时，呈现相反趋势，表明离子固化剂固化效果的发挥，对于压实度依赖性较高，需达到压实度96%及以上；(3)混合料③和④在各压实度(90%, 92%, 94%, 96%和98%)条件下，掺入离子固化剂混合料的抗压强度均大于未掺入该固化剂的混合料，表明较高石灰的掺入量(≥5%)，降低了离子固化剂固化土对于压实度的依赖性，保证了固化作用在较低压实度条件下得以充分发挥。

腰椎管狭窄症作为脊柱外科临床工作的重要组成部分，不可避免的伴有腰部疼痛。当前对于腰痛的诊断仅仅依靠临床诊断显得尤为不足，MRI检查为我们提供了很好的诊断方法。

5.3不同龄期无侧限抗压强度

选取3组混合料(③与④,⑤与⑥,⑦与⑧)，制成压实度为98%，φ50 mm×50 mm的圆柱形试件，进行龄期分别为7, 28, 60, 90 d和180 d的无侧限抗压强度测试，测试结果如图7～图10所示。

(1)石灰土与石灰固化土

由图7可知，龄期为7，28 d和60 d时，混合料④的无侧限抗压强度大于混合料③，而当龄期超过60 d之后，混合料③的无侧限抗压强度反大于混合料④。

图7　不同龄期混合料③与④无侧限抗压强度Fig.7　Unconfined compressive strengths of mixture ③ and mixture ④ with different curing time

(2)水泥土与水泥固化土

由图8可知，龄期为7，28 d和60 d时，混合料⑥的无侧限抗压强度大于混合料⑤，而当龄期超过60 d之后，混合料⑤的无侧限抗压强度反大于混合料⑥。

图8　不同龄期混合料⑤与⑥无侧限抗压强度Fig.8　Unconfined compressive strengths of mixture ⑤ and mixture ⑥ with different curing time

(3)石灰水泥土与石灰水泥固化土

由图9可知，各龄期条件下，混合料⑦与⑧的无侧限抗压强度远大于上述各混合料；龄期为7 d和28 d时，混合料⑧的无侧限抗压强度大于混合料⑦；而当龄期超过28 d之后，混合料⑧无侧限抗压强度小于混合料⑦。

图9　不同龄期混合料⑦与⑧无侧限抗压强度Fig.9　Unconfined compressive strengths of mixture ⑦ and mixture ⑧ with different curing time

图10　固化土性能优势体现期Fig.10　Performance advantage emboding periods of stabilized soil

产生上述现象的主要原因在于随着龄期的增加，土体内水分浸润作用进一步体现，酸性离子土壤固化剂解离出的H+与碱性固化剂电解出的OH-发生了中和反应，破坏了石灰水泥作用发挥所需的碱性环境，加之离子土壤固化剂通过“亲水头”和“疏水尾”在土颗粒表面包裹了一层油性膜，外部H2O和CO2无法进入，进而抑制了后期石灰水泥碳酸化、火山灰及水化反应的进程，故酸碱固化剂共存的强度叠加优势存在一定的时间阈值，超出该时间阈值，虽然酸碱固化土强度持续提升，但其强度却小于不加入离子固化剂的碱性固化土。上述研究成果表明离子固化剂能够弥补传统石灰水泥碱性固化剂提升早期强度缓慢的不足，但从酸碱固化土长期强度体现的规律来看，酸性离子固化剂的添加无益于石灰水泥碱性固化剂固化效果的发挥。

6跨优势体现期的固化土路用性能分析

6.1冻融稳定性分析

选取98%压实度下3组混合料(③与④,⑤与⑥,⑦与⑧)进行冻融试验，以28 d和90 d龄期标准养生后固化土经过5次冻融循环后的抗压强度损失指标BDR表征其抗冻性，其值越大表明其抗冻性能越稳定，如式(8)所示。试验结果如表6和图11所示。

BDR=RDC/Rc×100，

(8)

式中，BDR为5次冻融循环后试件的抗压强度损失；RDC为5次冻融循环后试件的抗压强度；Rc为未冻融对比试件的抗压强度。

表6　不同龄期固化土混合料的冻融稳定性

图11　不同龄期固化土混合料的冻融稳定性对比Fig.11　Comparison of freeze-thaw performance of stabilized soil mixtures with different curing time

由测试结果可知，(1)3组混合料试件在经历5次冻融循环后，其稳定性均受到影响，抗压强度值降低；(2)28 d和90 d龄期条件下，离子固化剂的掺入能改善传统石灰水泥碱性混合料的抗冻性能，使得酸碱固化剂混合料④,⑥,⑧的BDR值大于碱性混合料③,⑤,⑦的BDR值；(3)28 d龄期条件下，离子固化剂对各组碱性混合料抗冻性能的提升幅度较大，相比而言90 d龄期条件下提升幅度较小。综上所述，在优势体现期内离子固化剂对于混合料的抗冻性能提升效果尤为显著。

6.2劈裂强度分析

选取98%压实度下3组混合料(③与④、⑤与⑥、⑦与⑧)，进行标准养生28 d和90 d的劈裂强度试验，试验结果如图12和图13所示。

图12　不同配合比混合料28 d劈裂强度Fig.12　Analysis diagram of 28 d indirect tensile strengths of different mixtures

图13　不同配合比混合料90 d劈裂强度Fig.13　Analysis diagram of 90 d indirect tensile strengths of different mixtures

由测试结果可知，(1)养生龄期28 d时，酸碱固化剂共存的混合料④，⑥，⑧劈裂强度分别大于对应只掺入石灰水泥的碱性混合料③，⑤，⑦的劈裂强度，龄期90 d时出现相反规律；(2)优势体现期内，离子固化剂能显著提高各组碱性混合料的间接抗拉性能，超出优势体现期后，离子固化剂的掺入无益于其间接抗拉性能的发挥。

7结论

(1)离子固化剂对红黏土的固化作用存在最佳掺量0.014%，此时固化土的塑性指数降低，抗压强度最大。

(2)离子固化剂独特的分子结构能够减小双电层结合水膜厚度，微观形态中黏土矿物颗粒以面-面形式接触的团聚体结构或堆叠结构为主，孔隙大大减小，颗粒表面胶结物胶结特征明显，结构变得更加紧密。

(3)酸碱固化剂共存条件下，破坏了石灰水泥作用发挥所需的碱性环境，加之离子土壤固化剂在土颗粒表面形成油性膜，外部H2O和CO2无法进入，进而抑制了后期石灰水泥碳酸化、火山灰及水化反应的进程，固化土强度存在叠加效应的优势体现期。该时期内，酸碱固化土各性能均强于水泥石灰碱性混合料土，超过该时期后，水泥石灰碱性混合料性能超越酸碱固化土。

(4)液态离子型土壤固化剂作为一种新型优质筑路材料，具有固化作用发挥时间短的优势，与传统碱性固化剂共同作用后，优势体现期内综合效益最佳，弥补了传统石灰水泥碱性固化剂提升早期强度缓慢的不足，为有快速通车需求的公路工程建设提供了技术支撑，但从酸碱固化土长期强度体现的规律来看，酸性离子固化剂的添加无益于石灰水泥碱性固化剂固化效果的发挥。

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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

基金项目：国家自然科学基金项目(51408550)；浙江省自然科学基金项目(LQ14E080006)；浙江新苗人才计划项目(2015R404053)

作者简介：杨青(1981-)，女，浙江金华人，博士.(yangq@zjnu.cn)

doi:10.3969/j.issn.1002-0268.2016.06.008

中图分类号：U416.223

文献标识码：A

文章编号：1002-0268(2016)06-0046-08