抗疏力固化剂改性黄土的微细观特点及改性机理研究

王莉平, 韩领相, 朱英豪, 刘奉银

(1．西安理工大学 土木建筑工程学院,陕西 西安 710048;2.中冶集团武汉勘察研究院有限公司 成渝工程公司,四川 成都 610000)

我国黄土主要分布于西北部地区,其面积约6.4×105km2[1]。由于黄土独特的疏松多孔结构,使其具有密实度差、强度低、遇水湿陷、极易发生破坏等特点,给黄土地区诸多的工程建设及安全运营带来极大挑战,其中的关键问题之一是如何构建安全稳定的地基。黄土地基加固处理方法众多,使用改性材料(固化剂)加固黄土因其具有因地制宜、就地取材和施工简单等特点而得以广泛使用。抗疏力固化剂(consolid system)是一种专为土壤稳固作用而开发的新型固化材料,包括水剂CONSOLID444(C444)和粉剂SOLIDRY(SD),具有加速土壤再石化特性[2]。同时,相比传统改性材料,如石灰、水泥等,抗疏力固化剂一方面可以有效提升改性黄土的强度和水稳性[3],另一方面由于其独特的改性机理,使得抗疏力改性黄土的表面具有一定斥水性的同时,土体又保留一定的渗透性,使得改性黄土内部不易聚集水分[4]。此外,抗疏力固化剂产品具有生态友好性,不易产生污染,改性土毁损后重新拌合即可再次使用[2,5],正是这些特点使得抗疏力固化剂改性土的研究及工程实践越来越普遍。 S. Eren等[6]对意大利黏土中添加不同掺量的抗疏力固化剂,研究发现掺量达到2%时,改良土的力学性能效果最优,能够用作道路施工中的地基和基础材料。邹雁飞[7]在路基工程碎石、砂、黏土混合料改性研究中发现,混合料无侧限抗压强度、承载比CBR值明显提高。史晓强[8]分别对抗疏力固化剂改性黄土、改性红黏土及改性膨胀土进行了路用性能试验研究,结果表明抗疏力固化黄土效果最优,其次为红黏土,抗疏力固化膨胀土效果较差,但仍满足工程需求。刘俊[9]、Yang等[10]、杨永东等[11]及尹磊等[12]的研究表明抗疏力固化土的强度及水稳性与固化剂的添加量呈正相关,且抗疏力改性土的物理力学特性均优于石灰改性土,具有广阔的工程应用前景。张虎元等[3]对抗疏力固化剂改性黄土的试验研究表明,抗疏力固化剂的最佳配比在2.0%～2.5%之间,其改良效果介于水泥改性土和石灰改性土之间。彭宇等[13]对抗疏力固化剂改性黄土的机制进行了初步探索,认为抗疏力固化剂的添加降低了土颗粒表面能,从而提高了阻水和抗水性,且抗疏力物质包裹土颗粒及细小黏土颗粒发生凝聚来连结土颗粒,强化骨架颗粒连结强度,抗疏力材料膨胀挤密作用较弱,改性黄土通透性好。为提升现有抗疏力固化剂改性黄土的强度,田威等[14-15]在改性黄土中掺入石英粉,并进行了试验研究,结果表明在2%掺量抗疏力固化剂改良黄土中掺入10%的200目石英粉可以显著提高黄土的抗压强度。

综上,目前的研究主要集中在抗疏力固化剂改性黄土的宏观物理力学性质方面,微细观方面的改性机理常直接利用扫描电镜结果进行定性描述,缺乏对微细观方面的定量研究。纳米压痕技术是将特定形状的刚性压头压入被检测材料的表面,得到材料表面的载荷-位移曲线,由此可有效测量出材料在微/纳米尺度下的一些力学行为,如硬度、弹性模量、断裂韧性、应变硬化效应及蠕变行为等[16-18]。作为一项新兴的试验技术,起始于金属材料,目前逐渐进入岩石微观力学特性研究领域[19-21],但尚未见到改性土研究领域的应用。本文对不同掺量下的抗疏力固化剂改性黄土进行了纳米压痕试验和电镜扫描试验,基于试验结果对抗疏力固化剂改性黄土的微观特性及改性机理进行了分析,并提出了抗疏力固化剂改性黄土的最优掺量。

1 试验材料及试验方案

1.1 试验材料

试验黄土取自陕西省西安市白鹿原,属于Q3黄土。依照《土工试验方法标准》(GB/T 50123-2019)对所取黄土进行颗粒分析试验、击实试验、比重试验及液塑限试验。黄土的不均匀系数Cu=6.38>5且曲率系数Cc=2.02,介于1～3之间,表明所取黄土级配良好,其余基本物理指标如表1所示,根据《土的分类标准》(GB/T 50145-2007),试验黄土为粉质粘土。

抗疏力固化剂是瑞士CONSOLID公司所研发的土壤固化材料,试验所用抗疏力固化剂来自甘肃瑞斯抗疏力技术工程有限公司,包括粉剂SOLIDRY(简称SD)和水剂CONSOLID444(简称C444)。其中粉剂SD属于有机类改性材料,呈灰白色粉末状,有极强的斥水性,覆盖在土体表面可以加强对土体的保护。水剂C444属于电离子类固化剂,棕黄色,有些许异味,高温下易燃烧。

表1 黄土基本物理指标Tab.1 Basic physical indexes of loess

1.2 改性试样制备

所有制备试样干密度统一为1.62 g/cm3,含水率为21%。抗疏力固化剂包括粉剂与水剂,粉剂的掺量为试样中干土质量的百分比,水剂则依据抗疏力公司所建议的配比掺入,掺量均为粉剂掺量的1/20。为行文方便,之后所述的抗疏力固化剂掺量均指粉剂掺量。采用压样法制备Φ39.1 mm×80 mm的圆柱形土柱,将称好的湿土平均分5次倒入模具压实,各层土样倒入前需要对下层土样先进行刮毛处理,以保证层间接触良好,压样完成后置于保湿缸中养护。具体试样制备如表2所示,其中扫描电镜试验对应试样为4个,纳米压痕对应试样为10个,总计14个圆柱形试样。

表2 试样制备Tab.2 Specimen preparation

1.3 试验方案

1.3.1纳米压痕试验

纳米压痕试验所用仪器为安捷伦G200型纳米压痕仪,主要由试样台、压头、压杆、机架、电容传感器和加载线圈等组成。压头、压杆受到限制只能沿一维方向运动,加载线圈用于控制荷载,电容传感器则用来进行高分辨率的位移测量。仪器的压头采用玻式压头(Berkovich),即尖端为正三棱锥。纳米压痕仪的主要参数如表3所示。

利用小刀对制备好的圆柱形土柱试样初步切削成小块的立方体试样,由于纳米压痕试验对试样的平整度有极其严格的要求,需要将预制的试样使用不同型号的金相砂纸从低目数到高目数依次进行打磨,以保证试样表面的平整度。最终形成尺寸为10 mm×1 mm×5 mm的表面平整的长方体试样。

试验时压入深度统一选择3 μm,泊松比设置为0.30,加载速率设置为0.05 nm/s,卸载前荷载保持时间设置为10 s,卸载到最大荷载的10%处时维持10 s核对热漂移,热漂移限制速率设置为0.05 nm/s。选定7×7矩阵打点,每个试样打点49个,共计490个测点。

表3 G200型纳米压痕仪主要性能参数Tab.3 Peculiar features of G200 nanoindenter

1.3.2扫描电镜试验

扫描电镜试验所用仪器为日本生产的JSM-6700F型扫描电子显微镜,主要由电路系统和镜体等组成,试样为5 mm×5 mm×5 mm的立方体土块。制样时,为保证试样断面能够真实反映其结构特征,需将土样掰断,除断面外其他方向削平,然后对风干后的试样表面进行喷金处理,使土样获得良好的导电性,方便进行电镜扫描。

2 纳米压痕试验原理及参数计算

纳米压痕测试是指在选定的材料表面,将特定形状的刚性压头压入,利用高分辨的位移传感器采集被测材料表面的压深量,得到材料表面的荷载-位移(P-h)曲线,从而得到材料的微纳观力学性能。纳米压痕测试过程包括加载阶段、持荷阶段和卸载阶段。加载阶段可以看作是弹性变形与塑形变形的结合,持荷阶段是测量恒定加载力作用下的位移变化,而卸载阶段被认为是纯弹性变形的恢复过程。图1为压头压入试验前后压痕剖面示意,图2是纳米压痕测试中典型的荷载与位移曲线,其中,hmax为最大压痕深度,hf为完全卸载后的压痕深度,Pmax为打点过程中的最大荷载,S为接触刚度。

基于Hertz理论[22],假定材料表面光滑无摩擦,其压头压入深度远远小于材料的几何尺寸,从而得到荷载与压入深度的关系式:

(1)

式中:B、b、hf为最小二乘法拟合所得参数,h为接触位移。

根据卸载曲线的斜率,可得到材料的接触刚度S:

(2)

材料的压痕模量Er和压痕硬度H可通过下式得出:

(3)

压痕模量与材料弹性模量的关系可用下式表示:

(4)

式中:E和ν分别为测试材料的弹性模量和泊松比,E0和ν0分别为压头的弹性模量和泊松比。

由公式(3)求得压痕模量Er。压头的弹性模量E0为1 141 GPa,泊松比ν0为0.07,试样的泊松比ν为0.3。将以上参数代入公式(4),则可得到抗疏力固化剂改性黄土的微观弹性模量。

图1 压痕剖面示意图Fig.1 Schematic diagram of indentation section

图2 纳米压痕典型荷载-位移曲线[23]Fig.2 Typical load-displacement curve of nanoindentation

3 结果与分析

3.1 纳米压痕试验结果及分析

3.1.1荷载-位移曲线

荷载-位移曲线反映了试样在压头压入和卸载过程中荷载随压头位移的变化情况。图3为不同固化剂掺量的改性黄土试样上典型测点(典型测点是指其弹性模量最接近试样弹性模量平均值的测点)的荷载-位移曲线。

由图3可以看出:不同固化剂掺量及不同养护时间下,典型测点的荷载-位移曲线形式类似。加载阶段,随着荷载增加,压入位移迅速增加,荷载-位移曲线呈上凹型,测点处于压密阶段,之后位移增加减缓,荷载-位移曲线近似直线;持荷阶段,荷载不变,压入位移持续增加,荷载-位移曲线呈现为一段水平线;卸载阶段,出现弹性恢复现象,卸载后仍有残余变形。

图3 典型测点荷载-位移曲线图Fig.3 Load-displacement curves of typical measurement points

3.1.2试样微观弹性模量分布

土体属于多相体,压头压入土体时会由于各相成分的无序分布导致不同的测量结果,当测点足够多的情况下,可取测点弹性模量的平均值作为试样的微观弹性模量[24],并计算标准偏差,以此衡量纳米压痕试验结果的准确性。试验过程中,固化剂掺量为3%,养护时间为7 d的试样测点的成功率为73.5%,其余试样测点的成功率均高于80%,同时所有试样的标准偏差都较低,且10个试样均未出现纳米压痕仪停止工作的情况,说明所制试样表面平整度较高,满足试验要求。试验结果如表4所示。

根据试验结果绘制各试样的弹性模量分布云图与分布频率图,如图4所示,左侧为各测点在试样平面的弹性模量分布云图,右侧则为各试样的弹性模量在不同区间的分布频率统计。

表4 试样测点弹性模量汇总Tab.4 Summary of elasticity modulus of specimen measurement points

图4 试样弹性模量云图及分布频率图Fig.4 Cloud diagram of elastic modulus of specimen and distribution frequency diagram

对于相同固化剂掺量,不用养护时间的试样而言,如比较图4(a)与4(b)中的频率分布图,掺量1%(7 d)试样测点的弹性模量主要分布在1～6 GPa区间范围内,约占据了整体的80%,而当养护时间达到28 d时,1～6 GPa区间内的弹性模量分布频率较7 d时均有一定程度的下降,共占据整体的40%,6～9 GPa区间内的弹性模量分布频率则由10%增长至39%,同时对应10～13 GPa区间的弹性模量由10%增长至15%,弹性模量云图也证实了此种变化趋势:表征弹性模量在5～12 GPa内的绿色面积增多,而表征弹性模量小于5 GPa的蓝色面积减少。其余任一固化剂掺量下,不同养护时间的试样间均有类似规律;对于相同养护时间,不用固化剂掺量的试样而言,如比较图4(b)与4(c)中的频率分布图,当养护时间相同时,固化剂掺量由1%增长至5%时,试样中10～13 GPa区间的弹性模量分布发生显著增长,由10%增长至46%,此外,还出现了14～17 GPa区间的弹性模量分布。对于养护时间为28 d的试样,随着固化剂掺量的增加,均有类似规律。结合表3,值得注意的是,当养护时间均为7 d时,固化剂掺量由3%增加至4%、5%时,弹性模量的分布变化与以上不同。为了更清晰地表达出试样微观弹性模量与固化剂掺量之间的关系,绘制试样微观弹性模量与固化剂掺量的折线图,如图5所示。

由图5可以看出,对于养护时间为28 d的试样,试样微观弹性模量与固化剂掺量正相关,但当固化剂掺量大于3%之后,随着固化剂掺量的增加,弹性模量的增量减少,折线接近水平;对于养护时间为7 d的试样,以固化剂掺量3%为节点,当掺量小于等于3%时,弹性模量与固化剂掺量正相关,而当掺量大于3%时,弹性模量与固化剂掺量负相关。

图5 微观弹性模量和固化剂掺量关系图Fig.5 Relationship between micro modulus of elasticity and hardener dosing

3.2 扫描电镜试验结果及分析

3.2.1抗疏力固化剂改性黄土微细观结构

对抗疏力固化剂改性黄土和素黄土进行扫描电镜试验,观察试样的微细观结构,素黄土、固化剂掺量为2%和4%的试样在500倍数和2 000倍数下的图像如图6所示。可以看出,素黄土中颗粒多以不规则的粒状和片状存在,颗粒间以点接触为主,颗粒间存在较多孔隙,大小不一,分布散乱,连通性较好。加入抗疏力固化剂后,土体结构变得致密,孔隙面积明显减少,颗粒表面存在较多微粒,随着固化剂掺量的增加,颗粒间由点-点接触逐渐转变为面-面接触。

3.2.2孔隙定量分析

利用Image-Pro Plus(IPP) 6.0对试样500倍数下的扫描电镜图像进行二值化处理,并提取各试样对应的孔隙特征值,对试样的孔隙面积和直径分布进行定量分析。图7为处理后的二值化图像。

由于IPP 6.0软件所测量的结果单位均是像素值,因此在提取图像的特征值前需对图像进行空间校准。设置软件长度单位为microns,数值选取为10,调整工字条与扫描电镜图中的10 μm长度一致,最后对二值化图像上的孔隙进行计算。各试样孔隙面积如表5所示。

从表5可以看出当素黄土中掺入抗疏力固化剂后,黄土的孔隙总面积和平均面积均有明显下降,且下降幅度与固化剂掺量呈正相关。仅2%的掺量就可使试样中的孔隙总面积大幅下降,减少幅度达37%,孔隙平均面积则由16.61 μm2下降至5.29 μm2,减少幅度达68%,但当抗疏力固化剂含量由2%增长至3%、4%时,虽然试样中的孔隙总面积和孔隙平均面积也有明显减少,但减少幅度相对较低。说明少量添加抗疏力固化剂即可有效减少土体中的孔隙面积,提升土体密实度。

依据雷祥义[25]提出的黄土孔隙大小的分类标准(>32 μm,大孔隙;(8,32] μm,中孔隙;(2,8] μm,小孔隙;<2 μm,微孔隙),对IPP 6.0软件所获取的各个孔隙进行分类并计数,得到试样中各类孔隙个数及占比,如表6所示。

由表6可知,无论是素黄土还是改性黄土,孔隙占比排序从低到高均为大孔隙<中孔隙<小孔隙<微孔隙。对于改性黄土而言,随着固化剂掺量的增加,大、中、小孔隙占比下降,微孔隙占比则不断增加;大、中孔隙的个数都随着固化剂掺量的增加而减少,而小、微孔隙的个数则大致以固化剂掺量2%～3%为节点,呈现先增加后减小的趋势。

图6 试样扫描电镜图像Fig.6 SEM imagines of specimens

图7 试样扫描电镜图的二值化图像Fig.7 SEM images’ binarization images of samples

表5 孔隙个数及孔隙面积

表6 各类孔隙个数和占比Tab.6 Number and proportion of various pores

3.3 抗疏力固化剂改性机理及最佳掺量分析

抗疏力固化剂由粉剂SD和水剂C444组成,其中粉剂SD属于有机类改性材料,具有极强的斥水性,由此使得改性土体表面具有了良好的疏水性;纳米压痕试验的结果表明随着抗疏力固化剂掺量的增多,试样中属于高弹性模量区域的测点越来越多,试样的微观弹性模量越来越大,说明一方面有着新的更为坚硬的物质生成,另一方面试样越来越密实。根据相关研究,与素土相比,加入抗疏力固化剂后的改性土中检测出菱沸石晶体(Ca1.5((Al2SiO4)O12)Cl)的生成[15],菱沸石的硬度为4～5(干黄土的硬度一般在0.8～1.0),同时具有很好的离子交换性[26-27],可以与土颗粒双电层中的低价Na+、K+离子发生置换,减小电层厚度,提高颗粒间的吸附力,使土颗粒团聚;孔隙定量分析的结果也佐证了随着抗疏力固化剂掺量的增多,试样中的孔隙总面积和平均面积不断下降,试样整体的密实度不断提升。

由纳米压痕试验结果可知,以抗疏力固化剂掺量3%为节点,对于养护时间为7 d的试样,微观弹性模量呈现先增长再减少的趋势,对于养护时间为28 d的试样,微观弹性模量虽保持持续增长,但当掺量大于3%之后,增长幅度大大减少。由孔隙定量分析结果可知,以掺量2%～3%为节点,试样中的小、微孔隙个数呈现先增多后减小的趋势。综上,建议3%为抗疏力固化剂改性黄土的最佳掺量。此结果与张虎元提出的最佳配比2%～2.5%[3]的结果接近。

4 结 论

为从微细观角度理解抗疏力固化剂改性黄土的特点,本文对素黄土和不同掺量的抗疏力固化剂改性黄土进行了纳米压痕试验和SEM扫描电镜试验,对从试验结果得到的试样微观弹性模量和孔隙变化进行了定量分析,主要结论如下。

1) 对于相同固化剂掺量试样而言,随着养护时间的增加,试样中测点的弹性模量分布由较低的弹性模量区间向较高的弹性模量区间转移,试样的微观弹性模量与养护时间正相关;对于相同养护时间,不同固化剂掺量的试样而言,当养护时间为28 d时,试样中测点的弹性模量分布由较低的弹性模量区间向较高的弹性模量区间转移,试样的微观弹性模量与固化剂掺量正相关,当养护时间为7 d时,以掺量3%为节点,试样的微观弹性模量呈现先增加再减小的趋势。

2) 当素黄土中掺入抗疏力固化剂后,改性土的孔隙总面积和平均面积均有明显下降,与固化剂掺量负相关。仅2%的掺量就可使试样中的孔隙总面积较素黄土减少37%,孔隙平均面积则可减小68%;无论是素黄土还是改性黄土,孔隙占比排序从低到高均为大孔隙<中孔隙<小孔隙<微孔隙。对于改性黄土而言,随着固化剂掺量的增加,大、中、小孔隙占比下降,微孔隙占比则不断增加;大、中孔隙的个数都随着固化剂掺量的增加而减少,而小、微孔隙的个数则大致以固化剂掺量2%～3%为节点,呈现先增加后减小的趋势。

3) 随着抗疏力固化剂掺量的增加,试样的微观弹性模量呈现增长的趋势,同时结合孔隙定量分析的结果,说明随着固化剂掺量的增加,颗粒之间团聚效应更为显著,土样也更为密实。

4) 无论是试样的微观弹性模量,还是孔隙定量分析,均在掺量3%处呈现出明显的分界点,建议抗疏力固化剂改性黄土的最佳配比为3%,此结果也与前人的相关结论接近。

5) 纳米压痕测试技术目前已逐渐应用于岩石微观力学特性研究领域,但尚未见到在改性土中的应用。本文的研究说明对于改性土而言,纳米压痕测试技术仍然是适用的,相比传统力学指标测试而言,该技术可对微细观的力学特性给出定量描述,有助于从微细观层面理解固化土的改性机理。