丙烯酸镁/钙复合溶液固化黄土性能的研究

摘 """""要： 由于天然黄土具有易崩解、易侵蚀、抗水性能差、多具湿陷性等问题，无法满足施工要求。因此，对黄土进行改性，使天然素黄土达到施工标准。由于丙烯酸盐类溶液在进行固化的过程中会产生一系列的化学反应，从而形成不溶性的聚合物高分子化合物凝胶体，所以选择丙烯酸镁/钙混合溶液（简称丙烯酸盐混合溶液）作为黄土改性的固化剂。研究了不同比例丙烯酸盐混合溶液的制备、固化物的性能测试、丙烯酸盐混合溶液的比例对黄土固化物的吸水率和静水崩解的影响、黄土固化物的无侧限抗压强度测试、养护龄期对抗压强度的影响。实验结果表明：天然素黄土经丙烯酸盐混合溶液固化之后的耐水性和抗压强度得到了明显的改善，并且比例越大固化效果越好，耐水性越好；同时，在丙烯酸盐混合溶液比例为4∶1时，无侧限抗压强度达到最大；在养护龄期60 d时抗压强度达到最大。

关 "键 "词：黄土；固化剂；丙烯酸盐混合溶液

中图分类号：TU443 """"""""文献标志码： A """"文章编号： 1004-0935（2024）07-1000-05

土体固化材料作为一种新型的化学材料，用来改善土体物理力学性质，满足工程技术要求。根据物质组成特点，土的固化材料可分为无机固化剂、离子型固化剂、复合固化剂。

无机固化剂属于常规固化材料范畴，这种固化剂以水泥为主，还包括石灰、粉煤灰等。其中，水泥加固土体，国外已有近60年历史。在实际生活中，水泥已经得到了广泛使用。离子型固化剂是由几种强离子复合而成的化学物质，通常是液体。复合型固化剂就是利用2种或2种以上的化学物质，按照一定的配比进行复配而成，形成了新的固化材料，提高土体物理力学性质。其中，有机高分子材料固化剂为高分子合成制备固化材料，这种固化剂利用高分子链作用，使其强度得到提高。高分子材料固化土最突出的特点就是固化材料掺量小，固化后具有很高的强度，耐水性能优异，我国对高分子固化土体研究较少且不够系统。

本文采用丙烯酸（AA）、氧化镁（MgO）、氧化钙（CaO）经中和反应制得不同比例的丙烯酸镁/钙混合溶液（简称丙烯酸盐混合溶液），经氧化还原体系制备出具有一定强度、黏性与弹性的丙烯酸盐凝胶体，进而对黄土按照一定的比例进行固化，探讨丙烯酸混合盐溶液的固化时间及其固化物对pH的敏感性、丙烯酸盐混合溶液固化黄土的静水崩解实验、丙烯酸盐混合溶液比例对固化黄土吸水率和无侧限抗压强度的影响。

1 "实验部分

1.1主要原材料

主要原材料见表1。

研究所用黄土为低液限黄土，其粒度分析技术指标如表2所示，力学性能指标如表3所示。

1.2丙烯酸盐溶液制备

根据中和反应原理，将氧化钙、氧化镁分别溶于水，再加入丙烯酸发生中和反应，制得丙烯酸钙和丙烯酸镁溶液。反应方程式如下：

1.3 "丙烯酸盐溶液的制备

分别制备30%丙烯酸镁和丙烯酸钙溶液，按照1∶1、2∶1、3∶1、4∶1、5∶1进行混合，获得丙烯酸镁/钙复合盐溶液。

丙烯酸镁浆液的配制：向安装搅拌桨、温度计三口烧瓶内添加氧化镁粉末61.05"g和水533.90 g，打开搅拌器后氧化镁遇水无明显放热，所以在 ""30 ℃左右的情况下，就可以用恒压滴液漏斗滴丙烯酸（AA）211.90 g。

丙烯酸钙浆液的配制：向安装搅拌桨、温度计三口烧瓶内添加氧化钙粉末77.81"g和水536.24"g，把搅拌器打开，这时氧化钙遇水会发热，温度会显著上升到50 ℃左右，需要在降温到30 ℃左右的时用恒压滴液漏斗滴加丙烯酸（AA）211.90 g。将所得丙烯酸镁、丙烯酸钙溶液混合，得复合盐溶液。

1.4""丙烯酸盐溶液的固化

实验室准备A、B组分：A、B组分主剂采用体积比为1∶1的设计，A组分由主剂（30%丙烯酸盐单体溶液）、交联剂、还原剂、填料组成；B组分由主剂（30%丙烯酸盐单体溶液）、氧化剂组成；将A组分和B组分混合，搅拌均匀，固化。

1.5""固化黄土试样的制作

将黄土装入直径40 mm、高80 mm的圆柱形模具内，装上黄土以后，把准备好的5种不同配比的溶液，分别慢慢地倒在已灌满黄土的模具里，使得溶液完全渗透进入黄土颗粒之间，当溶液略微渗出黄土表面时，即可抹平试样表面，并在其表面包裹一层保鲜膜进行养护，到达养护龄期后拆下保鲜膜，取出样品，测试其性能。

使用直径40 mm、高80 mm模具制作，将试样置于室内风干，直至14 d为止。试样置于水中，水面要高于试样表面，观察崩解特征，记录各时段崩解特性。将做好的试样置于养护箱内养护。

1.6""性能测试

1.6.1""丙烯酸盐混合溶液的固化时间

在丙烯酸盐混合溶液中按比例添加氧化剂、还原剂进行混合后开始计时，发生自由基聚合反应使得浆液逐渐丧失流动性并具有一定强度后停止计时，即为浆液初凝时间。

1.6.2""丙烯酸盐固化物对pH的敏感性

将室温状态下的凝胶分别置于pH为7、9、11的溶液中，放置7"d测其质量，直至试样溶胀平衡后停止测量。溶胀度按公式（1）进行计算。

SR＝W_t－W_d/W_dchchechencheng×100％（1）

式中：W_t—溶胀后某时刻凝胶的质量，g；

W_d—完全干燥状态下凝胶质量，g。

1.6.3""丙烯酸盐黄土固化物吸水率和静水崩解实验

将配制好的5种不同比例固化黄土试样养护箱养护到14 d时，取下称重，置于清水中，放置"""""1～5 d后取下试样，擦干表面水分称重。

将配制的5种不同比例黄土固化物放入养护箱养护到7 d。将试样置于水中，水面要高出试样表面3～5 cm，观察试样崩解特征并记录在不同时间内崩解特性。

1.6.4""丙烯酸盐黄土固化物无侧限抗压强度测试

当试样达到测试所需龄期时，取试样置于无侧限压力机中，以约0.4 MPa·min^-1加载速度均匀地给试样施压，直至样品损坏，对实验数据进行记录。

2 nbsp;结果讨论与分析

2.1 "丙烯酸盐混合溶液的比例对固化时间的影响

为了研究不同比例的丙烯酸盐混合溶液对固化时间的影响，按5种比例制备的混合盐溶液，取每种比例溶液25"g，采用过硫酸铵-三乙醇胺体系进行固化研究，其中过硫酸铵、三乙醇胺质量分别为20%和5%，固化时间如图1所示。

由图1可以看出，随着丙烯酸盐混合溶液中丙烯酸镁含量的增多固化时间逐渐缩短。在金属活动顺序表中，Mg的金属活动性要弱于Ca，也就是说Ca离子越多反应越迅速，但实验结果显示丙烯酸钙含量越少反应速度越快。由此分析，在本次实验中丙烯酸镁溶液呈碱性，丙烯酸钙浆液呈弱酸性，丙烯酸钙会与氧化还原体系中的过硫酸铵（弱碱性）发生中和反应从而消耗部分氧化还原体系而导致丙烯酸盐溶液的固化时间与实际情况不符。混合盐溶液中丙烯酸镁浆液的含量越高，溶液的pH就越大，由此判断，过硫酸铵-三乙醇胺体系在碱性条件下更容易发生反应。

2.2 "丙烯酸盐混合溶液固化物对pH的敏感性

由于在实际的生活当中，碱性环境占大多数，施工条件不一样，使用环境不一样，pH均不同，丙烯酸盐固化物所显示出来的水稳性能在各种情况下是有一定区别的，所以将丙烯酸盐固化物放置在不同pH的环境下，测试不同pH条件下凝胶体吸水率（敏感性指标），结果见图2。

2.3 "丙烯酸盐混合溶液的比例对静水崩解的影响

本实验主要研究丙烯酸盐混合溶液的比例对黄土固化效果的影响，结果如表2所示。

由表2可以看出。将不加任何助剂的素黄土试样完全浸没于静水中，试样在30"min内完全崩解；养护至龄期为28"d的5种比例丙烯酸混合盐溶液的固化黄土的试样浸水初期冒出少量气泡，30"min后试样基本无变化，连续浸泡7、28 d后试样仍保持完整。

素黄土在浸水后30"min就完全崩解了，而使用丙烯酸盐混合溶液固化的黄土试样浸水较长时间后没有发生崩解现象，且随着丙烯酸盐混合溶液比例的升高，耐水效果越好。黄土浸水之后强度有所下降，但是仍然能够保持良好的结构形态稳定，这是由于氢键作用及难溶凝胶网状结构的影响，它和黄土互相连接成一体，使土体内部结构强化，水稳定性能提高，其空间结构如图3所示，表明丙烯酸盐混合液凝固后黄土耐水性显著提高。

2.4 "丙烯酸盐混合溶液的比例对黄土固化物吸水率的影响

由于黄土的天然特性，遇水易崩解，土体内部孔隙较多且分布不均匀，吸水后土体自重变大，当吸水量达到一定程度时易发生山体滑坡等自然灾害。所以对固化后黄土进行吸水率的研究是很有必要的。将5种丙烯酸盐黄土固化物置于水中，连续5"d称量试样浸水后质量。

由表3可以得出，固化黄土试样第1 d吸水率较高，尽管吸水率随龄期增加而增大，但增幅逐渐降低并趋平缓。黄土试样吸水率随丙烯酸盐混合溶液配比提高而提高。这是因为丙烯酸盐体系亲水基团含量越高，则解离出阴离子数量就越多，离子之间静电排斥程度也就越高，并最终使之凝胶体网络膨胀程度也就越强，凝胶体吸水率也就越高。丙烯酸镁的添加使凝胶体网络结构变大，进而使凝胶溶胀度提高，吸水率也就随之提高。

随着吸水率的增加改性黄土的强度随之降低，丙烯酸盐混合溶液比例越高，随着吸水率的增大，强度的下降速率逐渐减小，这说明随着丙烯酸盐混合溶液比例的增加，增强了固化黄土的憎水性。这是由于丙烯酸盐聚合成不溶于水的网状高分子凝胶体，土颗粒就被强度高、有塑性的链包围，形成一个空间网，这一结构可提高土颗粒间连接强度，使土体具有较高强度和变形率，同时改性黄土中的有害孔的减少，并且有机网状高分子凝胶体具有憎水作用，可减少水的渗出和渗入，有利于土的固化。

2.5 "丙烯酸盐混合溶液比例对固化黄土的无侧限抗压强度的影响

采用丙烯酸盐进行土固化时，丙烯酸盐混合溶液与引发剂一起加入土中，在土中进行聚合反应，经过链的引发增长等过程，使液状丙烯酸盐聚合成不溶于水的网状高分子凝胶体，土颗粒就被强度高、有塑性的链包围，这一结构可提高土颗粒间连结强度，使土体具有较高强度和变形率，表现为无侧限抗压强度、抗剪和抗折强度提高。另外，有机网状高分子凝胶体具有憎水作用，可减少水的渗出和渗入，有利于土的固化。无侧限抗压强度测试结果如图4所示。

由图4可知，混合盐溶液固化黄土无侧限抗压强度随着丙烯酸镁含量的增加而逐渐增大，当丙烯酸镁与丙烯酸钙比例为4∶1时其无侧限抗压强度达到最大，而当丙烯酸镁与丙烯酸钙比例为5∶1时，有较大的下降。当丙烯酸盐混合溶液比例为5∶1时固化黄土无侧限抗压强度理应继续增长，但通过观察内部固化情况分析，其下降原因是丙烯酸盐混合溶液发生自由基聚合反应速度过快，在氧化还原体系的种类和用量不变的情况下，丙烯酸镁含量越多，丙烯酸盐混合溶液的固化时间越短，混合盐溶液还未完全渗透黄土之间的空隙就已发生固化，部分黄土还处于素黄土的状态，导致整体无侧限抗压强度降低。

2.6 "养护龄期对固化黄土无侧限抗压强度的影响

为研究养护龄期对黄土固化物的影响，分别在7、14、28、45、60 d测试固化剂比例为3∶1的黄土固化物的无侧限抗压强度，结果如图5所示。

由图5可以看出，固化剂对土样的加固效果明显，能有效提高抗压强度。随着龄期的增长，抗压强度的增长幅度逐渐减小。60 d时的强度达到最大，基本可以认为是黄土固化物的最终强度，45 d的抗压强度可以达到最大强度的90%以上。因此，对于时间紧迫的实际工程，可以选择养护45 d，这对于加快施工进度、提高经济效益具有现实意义。

3 "结 论

1）丙烯酸盐溶液随着丙烯酸镁含量的提高，固化时间逐渐变短；凝胶体吸水率随丙烯酸镁含量升高而逐渐增大，最终趋于平衡。

2）经丙烯酸盐混合溶液固化后的黄土耐水性得到明显改善，且固化后的黄土吸水率随丙烯酸镁含量的升高而增大，但增长幅度逐渐减小趋于平衡；当丙烯酸盐混合溶液比例为4∶1（丙烯酸镁/钙）时其无侧限抗压强度达到最大；随着养护龄期的增长，黄土固化物的无侧限抗压强度逐渐增加，约在45"d时强度达到最大。

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Study on Solidification Property"of Loess with

Magnesium and Calcium Acrylate Composite Solution

CONG"Yulong

（College of Materials Science and Engineering， Shenyang Jianzhu University， Shenyang Liaoning 110168， China）

Abstract：""Because natural loess is easy to collapse， easy to erosion， poor water resistance， collapsibility and other problems， it cannot meet the requirements of construction. Therefore， the loess is modified to make the natural loess reach the construction standard."Because the acrylate solution will produce a series of chemical reactions in the process of curing， thus forming insoluble polymer gel， the magnesium/calcium acrylate mixed solution （hereinafter referred to as acrylate mixed solution） is selected as the curing agent for loess modification. In"this paper，"the preparation of acrylate mixed solution with different proportions， the performance test of the cured product， the influence of the proportion of acrylate mixed solution on the water absorption and hydrostatic disintegration of loess cured product， the unconfined compressive strength test of loess cured product and the influence of curing age on the compressive strength were studied. The experimental results showed that the water resistance and compressive strength of natural loess were obviously improved after curing with acrylic salt mixture solution， and the higher the proportion， the better the curing effect and water resistance. At the same time， the unconfined compressive strength reached"the maximum when the ratio of acrylic salt solution was"4∶1. The maximum compressive strength was"reached at 60 d"curing.

Key words：""Loess; Curing agent; Acrylates mixture