聚合物水泥加固红层泥岩性能研究

钱普舟， 曹青霞， 魏定邦， 王海林， 李 庆

(1.甘肃省交通规划勘察设计院有限责任公司， 甘肃 兰州 730030； 2.甘肃畅陇公路养护技术研究院有限公司， 甘肃 兰州 730030； 3.中铁二十局集团 第六工程有限公司， 陕西 西安 710016)

聚合物水泥加固红层泥岩性能研究

钱普舟1，2， 曹青霞1，2， 魏定邦1，2， 王海林1，2， 李 庆3

(1.甘肃省交通规划勘察设计院有限责任公司， 甘肃 兰州 730030； 2.甘肃畅陇公路养护技术研究院有限公司， 甘肃 兰州 730030； 3.中铁二十局集团 第六工程有限公司， 陕西 西安 710016)

红层泥岩具有遇水体积膨胀，失水崩解的工程特性，这给红层泥岩路段路基的稳定性造成很大的影响。论文研发了一种抗水性聚合物水泥基土壤加固剂，主要由胶乳及碱激发剂组成。经加固红层泥岩的7 d无侧限抗压强度可达到2.0 MPa，吸水率降低到0.5%以下，且加固土的抗水性和耐疲劳性能均高于传统的水泥加固土。同时，论文借助X射线扫描仪(XRD)及电子扫描电镜(SEM)，从微观角度对红层泥岩加固机理进行了研究。

红层泥岩； 土壤加固剂； 聚合物水泥； X射线扫描仪

0 前言

红层中的泥岩具有透水性弱、亲水性强，遇水易软化、塑变、抗风化能力弱、易崩解等特性。特别是遇水后岩体及结构面抗剪强度大幅度降低，且具有遇水膨胀、失水崩解的工程特性，工程中常用加固方法解决工程泥岩遇水崩解给路基带来的危害[6]。最早人们认识到植物纤维和姜石可改善土壤的工程特性，后来随着建筑业的发展，石灰、水泥被证明对土壤具有很好的加固效果。但在工程实践中证明，石灰土、水泥土的早期强度低、干缩大、易开裂、耐水性差，并且其性能受土质的影响大[7]。因此，本文在进行大量室内试验的基础上，研发了一种聚合物水泥基土壤加固剂[8]，改善了单纯水泥加固土的缺点，使加固土试件吸水率降低到0.5%以下，7 d无侧限抗压强度达到2.5 MPa，28 d无侧限抗压强度达到7.2 MPa，具有优异的抗水性和耐疲劳性能。

1 试验材料及方案

1.1 试验材料

水泥：甘肃京兰水泥有限公司生产，P.O42.5。

聚合物水泥基土壤固化剂：自主研发。

红层泥岩：兰海高速(甘肃兰州—青海海石湾)沉降地段钻心取样得到。

1.2 试验仪器

扫描电子显微镜(SEM)：型号SU3500，日立高新公司生产，分辨率7～800 000倍，二次电子图象分辨率3.0 nm/30 kV；7.0 nm/3 kV，如图1(a)所示。

X射线衍射仪(XRD)：型号Dmax2200PC，日本理学公司生产，Cu靶，Kαl，射线管功率2.0 kW，扫描范围：3～146°，分析软件：Jade6.5，如图1(b)所示。

(a) 扫描电子显微镜

(b) X射线衍射仪

1.3 试验方案

1.3.1 成型方式

① 将聚合物水泥土壤加固剂按比例称好后，在水泥净浆搅拌机上搅拌成浆体，按试验要求比例称好备用； ②将提前按最佳含水率焖好的原样土称好备用； ③将土壤加固剂浆体倒入备好的原样土中，手拌均匀； ④按试验要求压实度计算好土样质量，分三层装于Φ50 mm×50 mm的磨具中； ⑤将装好土样的模具置于万能试验机上，采用无机结合料成型方式静压成型； ⑥待试样压好2 h后，在脱模机上脱模，得到试验试样如图2所示。

图2 静压成型50 mm×Φ50 mm试样Figure 2 Pressing 50 mm×50 mm diameter specimen

1.3.2 无侧限抗压强度

按《公路工程无机结合料稳定材料试验规程》JTJ 057(T0805)进行。

1.3.3 耐水性

将成型试件置于湿度90%，温度20±2 ℃标准养护箱养护6 d后，置于20±2 ℃的水中养护至规定的龄期，进行力学性能测试。

1.3.4 耐疲劳性能

在规定应力作用下，重复加载1万次后试件的累计变形及试件破坏无侧限抗压强度。

2 试验结果及分析

2.1 加固土无侧限抗压强度及吸水率

加固土作为道路路基材料，主要承受来自路面和路基传递下来的荷载，其力学性能是评价路基稳定性的关键因素之一。同时，红层泥岩路基很容易受到水的侵入后出现崩解、失去强度的现象。因此，加固土的无侧限抗压强度和耐水性，是加固土需要研究的重要因素。本文研究了不同胶乳掺量、不同碱激发剂掺量对加固土试件7 d无侧限抗压强度和吸水率的影响，试验结果见图3，图4所示。

由图3，图4可见：

① 随胶乳掺量的增大，加固土的7 d无侧限抗压强度呈现先增大后减小的趋势，试件的吸水率呈现先降低后增加的趋势。当胶乳掺量为水泥掺量的4.5%时，试件7 d无侧限抗压强度达到2.54 MPa，吸水率降低到0.46%。

② 随碱激发剂掺量的增加，试件7 d无侧限抗压强度呈现先增大后趋于稳定，吸水率表现为先降低后增大，当碱激发剂掺量为土的0.015%时，无侧限抗压强度达到2.65 MPa，吸水率降到最低。

图3 胶乳掺量对强度及吸水率的影响Figure 3 The influence of latex content

图4 碱激发剂掺量对强度及吸水率的影响Figure 4 Effect of alkali activator dosage

③ 试件的抗压强度与吸水率具有很好的相关性，试件吸水率越小，抗压强度越高。

加固土的强度与试件压实度及土壤固化剂掺量具有密切的关系，本文对不同压实度(85%、90%、95%)及不同土壤固化剂掺量(8%、10%)下加固土的无侧限抗压强度及吸水率进行了研究，试验结果见图5，图6所示。

图5 压实度对抗压强度及吸水率的影响Figure 5 Effect of degree of compaction

图6 固化剂掺量对抗压强度及吸水率的影响Figure 6 The effect of the amount of the curing agent

由图5，图6可见：

① 随着试件压实度的增大，试件的无侧限抗压强度呈上升趋势，试件吸水率显著下降，当试件压实度为95%时，试件的压实度为2.25 MPa，试件吸水率为2.7%，相比85%的压实度，强度增长了1.25 MPa，试件吸水率降低6.13%。因此，加固土的压实度对强度具有显著的影响。

② 随着土壤固化剂掺量的增加，试件7 d的无侧限抗压强度从8%掺量的1.6 MPa增加到10%掺量时的2.6 MPa，吸水率从4.39%下降到0.46%。

为了研究加固土的耐水性能，本文将不同固化剂掺量下加固土试件标养28 d的无侧限抗压强度和浸水28 d的无侧限抗压强度进行了对比，试验结果见图7所示。

图7 不同固化剂掺量加固土在浸水前后强度变化Figure 7 The change of the strength of soil in different curing agent in the soil before and after soaking

由图8可见：随着土壤固化剂掺量的增加，加固土试件7 d和28 d的无侧限抗压强度均增加，当掺量达到10%时，固化土标养28 d强度由8%时的5.0 MPa增加到7.2 MPa，浸水28 d的无侧限抗压强度由8%时的3.8 MPa增加到5.5 MPa。当固化剂掺量为8%和10%时，加固土浸水后28 d后的无侧限抗压强度均比标养28 d的强度降低了24%。

2.2 加固土耐疲劳性

兰海高速原路面为沥青混凝土路面，上面层为4 cm中粒式沥青混凝土，中面层5 cm为中粒式沥青混凝，下面层为6 cm粗粒式沥青混凝土，基层为30 cm为水泥稳定碎石，底基层为20 cm水泥石灰稳定土(见图8)。

图8 兰海高速原路面结构示意图Figure 8 Schematic diagram of the high-speed original pavement structure of lanhai

为了研究加固土的耐疲劳性，本文在兰海高速原路面结构的基础上，通过Bisar3.0计算不同轴载作用对加固土基的疲劳应力。在3标准轴载、4倍标准轴载、5倍标准轴载、6倍标准轴载作用下产生的疲劳应力分别为30、40、50、60 kPa，面层、基层及底基层对土基产生的静载为16 kPa。因此，本文选择的加载应力为动载与静载之和，分别为50、60、70、 80 kPa。不同加载应力下抗水性聚合物水泥土壤固化剂加固土累计加载1万次的微应变变化过程曲线分别如图9、图10所示。图11为不同加载应力重复加载1万次后试件的28 d无侧限抗压强度对比。

由图9～图11可见：

① 抗水性聚合物水泥加固土在50、60、 70 kPa下均表现出明显的弹性恢复过程，当加载应力为80 kPa时，应力-应变曲线变化无规律性。经测定不同应力(分别为50、60、70、 80 kPa)加载1万次后四组试件的28 d无侧限抗压强度，发现50～70 kPa加载应力下，试件强度呈增长趋势；但是在70～80 kPa下，试件强度呈下降趋势。说明试件在50～70 kPa的加载应力状态下，处于孔隙进一步压密，致使试件强度增大；但是，当超过70 kPa后，试件在重复加载作用下发生疲劳破坏，导致试件强度降低。

图9 不同加载应力下聚合物水泥加固土的重复加载试验结果Figure 9 The result of the repeated loading test under stress

图10 50 kPa下纯水泥加固土的重复加载试验结果Figure 10 The results of the repeated loading test under 50 kPa

图11 重复加载1万次后试件的28 d无侧限抗压强度Figure 11 The unconfined compressive strength of the 28 d

② 对比50 kPa下聚合物水泥加固土和纯水泥加固土的应力-应变曲线，发现聚合物水泥表现出明显的弹性恢复过程，但是纯水泥加固土的恢复过程表现并不明显。且在同一加载应力下，纯水泥加固土产生的微应变相比聚合物水泥加固土增加3倍，聚合物水泥表现出更好的抗疲劳性能。

2.3 加固土微观性能评价

2.3.1 X射线扫描仪(XRD)

当加固土试样达到28 d龄期时，将进行抗压强度试验后的加固土样品研磨通过0.075 mm方孔筛，称取5 g加固土粉末，将其填装在有开槽的平整玻璃板上，施加一定压力使样品黏牢。采用Dmax2200PC衍射分析仪进行加固土的物相分析，测试采用连续扫描测量法，扫描的起始角为0°，终止角为70°，扫描速度为0.020/s。XRD物相采用JADE5.0 软件进行分析，根据衍射峰的高度估计出各衍射线的相对强度，用尝试法和初步估计的方法找到可能的物相，同时根据水泥土试样的实际成份进行推断。图12为红层泥岩原状土的XRD图谱，图13为原土、水泥加固土及8%聚合物水泥加固土的XRD图谱对比，图15为不同聚合物水泥固化剂掺量(8%、10%、12%)下加固土的XRD图谱。

图12 红层泥岩原状土XRD图谱Figure 12 XRD map of the undisturbed soil of red mudstone

图13 原土、水泥加固土及聚合物水泥加固土的XRD图谱Figure 13 XRD map of the original soil and stabilized soil

图14 不同聚合物水泥固化剂加固土的XRD图谱Figure 14 XRD map of the polymer cement stabilized soil

由图12可见：红层泥岩的主要矿物组分为57%的石英和19%的CaCO3，及少量的块磷铝矿、伊利石和蒙脱石组成。红层泥岩分别经过纯水泥和聚合物水泥加固加固处理后，产生不同的矿物成分。

如图13所示：水泥加固土的主要成分为74%的块磷铝矿，并含有一定量的长石、斜块灰石、云母和水合石英；聚合物水泥加固土的主要成分为61%石英和23%CaCO3，及少量的云母和蛇纹石。可见，水泥加固土和聚合物水泥加固土生成的不同的矿物组分，表现出不同力学性能。

如图14可见：不同聚合物水泥土壤固化剂的XRD图谱一致，只是峰的强度有所不同，说明仅改变土壤固化剂的掺量，不会影响加固土的矿物组成，仅改变了矿物组分之间的比例大小。

2.3.2 扫描电子显微镜(SEM，见图15，图16)

图15为原样土、纯水泥加固土、不同掺量聚合物水泥加固土在500倍数下的SEM图像。相比原样土，纯水泥加固土及聚合物加固土的空隙率减少，结构致密。相比纯水泥加固土，聚合物水泥加固土表现为结构更加致密，土颗粒之间相互胶结，尤其是当掺量增大到10%时，结构非常致密，在500倍数下看不到空隙。该现象解释了聚合物水泥加固土具有优异耐水性的原因。

(a) 原样土

(b) 10%纯水泥加固土

(c) 8%聚合物水泥加固土

(d) 10%聚合物水泥加固土

Figure 15 Different reinforcement soil and the original soil microstructure image(×500)

图16为原样土、纯水泥加固土和聚合物水泥加固土在5 000倍数下的SEM图谱。可见，原样土由片状结构组成，结构之间松散；纯水泥加固土生成针状结晶体；聚合物水泥加固土则生成“片状-镶嵌-胶结”结构，空隙较小。该图像解释了聚合物水泥在应力重复加载作用下表现为弹性恢复，而纯水泥加固土确表现为相对刚性变形的原因。

(a) 原样土

(b) 纯水泥加固土(c) 聚合物水泥加固土

Figure 16 Different reinforcement soil and the original soil microstructure image(×5000)

3 结语

论文对聚合物水泥基土壤固化剂加固红层泥岩的无侧限抗压强度、耐水性及耐疲劳性进行了研究，并借助X射线扫描仪(XRD)和扫描电子显微镜(SEM)对加固土的微观性能进行了分析，取得如下研究成果：

① 加固土的无侧限抗压强度与吸水率呈相反变化关系。当胶乳掺量为水泥掺量的4.5%，碱激发剂掺量为土的0.015%时，试件7 d无侧限抗压强度达到2.54 MPa，吸水率降低到0.46%。

② 压实度及土壤固化剂掺量对加固土的强度及吸水率有直接的影响。加固土的无侧限抗压强度随压实度及土壤固化剂掺量的增加而增加，吸水率则相反。当土壤加固剂的掺量达到10%时，固化土标养28 d强度为7.2 MPa，浸水28 d的无侧限抗压强度降低至5.5 MPa，降低了24%。

③ 加固土的耐疲劳性与加载应力具有直接关系。聚合物水泥表现出明显的弹性恢复过程，但是纯水泥加固土的恢复过程表现并不明显。聚合物水泥加固土产生的微应变相比纯水泥加固土增加3倍，表现出优异的抗疲劳性能。

④ 土样的XRD图谱显示，红层泥岩的主要矿物组分为57%的石英和19%的CaCO3，及少量的块磷铝矿、伊利石和蒙脱石组成。水泥加固土的主要成分为74%的块磷铝矿，并含有一定量的长石、斜块灰石、云母和水合石英；聚合物水泥加固土的主要成分为61%石英和23%CaCO3，及少量的云母和蛇纹石。水泥加固土和聚合物水泥加固土生成的不同的矿物组分，表现出不同力学性能。

⑤ SEM图显示，相比原样土，纯水泥加固土及聚合物加固土的空隙率减少，结构致密。相比纯水泥加固土，聚合物水泥加固土表现为结构更加致密。

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Based on the Spectrum Analysis of the SBS Modified Asphalt Regeneration Mechanism Research

QIAN Puzhou1，2， CAO Qingxia1，2， WEI Dingbang1，2， WANG Hailin1，2， LI Qing3

(1.Gansu Provincial Communications Planning Survey and Design Institute， Lanzhou， Gansu 730030， China； 2.Gansu Chang long Highway Maintenance Technology Institute Co.， Ltd， Lanzhou， Gansu 730030， China； 3.The 6thEngineering Co.Ltd.， China Railway 20thBureau Group， Xi’an， Shanxi 710016， China)

The red mudstone has water volume expansion，engineering disintegration characteristics，have great influence on the stability of red mudstone subgrade.The paper developed a water resistance polymer cement soil reinforcement agent，by strengthening the red mudstone of the 7 d unconfined compressive strength to reach 2.0 MPa，water absorption rate is reduced to less than 0.5%，and the reinforced soil water resistance and fatigue resistance were higher than that of traditional cement and lime stabilized soil.At the same time，with the aid of X ray scanner(XRD)and scanning electron microscopy(SEM)，were studied on red mudstone reinforcement mechanism from microcosmic angle.

rad mudstone; soil reinforcement; polymer cement; X ray scanner

2015 — 08 — 24

甘肃省交通运输厅科研项目重大专项(1302GKDA009)

钱普舟(1973 — )，男，甘肃庆阳人，高级工程师，从事公路设计与研究工作。

U 416.26

A

1674 — 0610(2016)06 — 0194 — 05