胡安棟，符 勇

(河南理工大學(xué) 資源環(huán)境學(xué)院，河南 焦作 454000)

中國(guó)黃土主要分布在陜西、青海、甘肅、寧夏及內(nèi)蒙古等西北部地區(qū)，由于其形成的特殊環(huán)境條件，使得黃土具有易崩解、易侵蝕、抗水性能差、多具濕陷性等工程地質(zhì)特性，無(wú)法滿足高速公路、鐵路路基和水利類等較大型工程建設(shè)要求。因此，對(duì)黃土進(jìn)行改性，使天然素黃土的強(qiáng)度和水穩(wěn)性能等得以強(qiáng)化，具有重要意義。

常用的土壤加固方法包括機(jī)械加固法、熱處理加固法、化學(xué)加固法、瀝青加固法、加筋加固法、注漿加固法和生物酶固化劑加固法等?；瘜W(xué)改性黃土是通過(guò)在黃土中加入化學(xué)固化材料來(lái)改善黃土的工程地質(zhì)特性，使其改性后的黃土能夠滿足實(shí)際工程要求的一種技術(shù)手段?；瘜W(xué)固化材料又被稱為土壤固化劑，已有很長(zhǎng)的應(yīng)用歷史，在工程應(yīng)用中水泥類土壤固化劑是出現(xiàn)最早的，緊隨其后石灰、粉煤灰、有機(jī)高分子材料及其組合產(chǎn)品相繼問(wèn)世。當(dāng)土壤固化劑摻入到土中并進(jìn)行拌合時(shí)，土和不同類型的固化劑之間會(huì)發(fā)生諸如土粒孔隙充填、水解水化、離子交換、絮凝、碳酸化、結(jié)晶和解離等物理化學(xué)反應(yīng)，對(duì)土體進(jìn)行固化改性。

我國(guó)對(duì)固化劑改性土體的研究處于起步階段，一些學(xué)者先后進(jìn)行了不同固化劑改性不同種類土體效果的試驗(yàn)研究，探討固化劑改性土體物化性質(zhì)的作用機(jī)制和影響因素，取得了一些結(jié)果。梁波等[1-4]分別就粉煤灰、鋼渣、石灰等改性黃土的水穩(wěn)定性進(jìn)行研究；張偉鋒等[5-6]開展了以 HEC 固化劑加固黃土的試驗(yàn)研究；魏公權(quán)[7]采用添加土壤固化劑方法提高黃土的強(qiáng)度、水穩(wěn)定性及滲透性等，對(duì)比了素黃土、石灰加固土和復(fù)合加固土的性能，認(rèn)為固化劑能大幅提升黃土的力學(xué)性能；王銀梅等[8-10]對(duì)新型高分子材料 SH 固化黃土和沙土進(jìn)行了試驗(yàn)，研究表明 SH 可以大幅度提高土體的工程性質(zhì)；徐鵬飛等[11]采用新型高分子材料 SH 固化黃土就凍融循環(huán)對(duì)固化黃土抗壓與抗剪強(qiáng)度的影響開展室內(nèi)模擬研究，發(fā)現(xiàn) SH 摻量越高，黃土強(qiáng)度提升越大，經(jīng)凍融循環(huán)后強(qiáng)度損失率越小，質(zhì)量損失率越低，試樣完整性越好；王建良等[12-13]分別就水泥加固黃土和石灰加固黃土開展凍融循環(huán)特性研究。但已有的黃土固化對(duì)固化后黃土的力學(xué)性能提升有限只能滿足特定條件下一般的工程建設(shè)需要。

通過(guò)采用 G2 黃土固化材料，針對(duì)固化劑的不同摻量對(duì)黃河中上游流域的黃土樣本進(jìn)行室內(nèi)試驗(yàn)，通過(guò)分析固化后黃土的靜水崩解和吸水率、浸水強(qiáng)度以及抗凍融性能來(lái)了解該固化劑改性黃土的性能效果，為土壤固化劑在黃土地區(qū)渠道、邊坡、土壩護(hù)坡等水利工程建設(shè)提供技術(shù)支撐。

1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)所用黃土取自山西省吉縣，黃土的物理力學(xué)性質(zhì)見(jiàn)表 1。試驗(yàn)所用黃土固化材料為黃河水利委員會(huì)研發(fā)的礦粉基膠凝材料——G2 固化劑，固化劑外觀形態(tài)如圖1所示。

表1 黃土的物理力學(xué)性質(zhì)Tab.1 Physical and mechanical properties of loess

圖1 試驗(yàn)所用黃土、G2固化劑Fig.1 Loess and G2 curing agent used in the test

1.2 試驗(yàn)儀器、試件制備與養(yǎng)護(hù)

試驗(yàn)儀器主要有WEW-100液壓萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)和DWR-II全自動(dòng)低溫凍融循環(huán)試驗(yàn)箱。試驗(yàn)所采用固化劑和細(xì)砂的摻量均為所占干土質(zhì)量的百分比。改性黃土按照設(shè)計(jì)摻量并以1.69 g/cm3的干密度和17.2%的含水率，在邊長(zhǎng)為70.7 mm的立方體模具中手工壓實(shí)制備。試件脫模后用塑料袋密封并置于20 ℃和98%濕度左右的環(huán)境中養(yǎng)護(hù)，養(yǎng)護(hù)齡期分別為7、14、28 d。

1.3 浸水崩解與吸水率對(duì)改性黃土無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度影響試驗(yàn)

將制備好摻量為11%、25%、43%、46%+8%細(xì)砂和50%+17%細(xì)砂的改良黃土立方體試件，在養(yǎng)護(hù)箱中養(yǎng)護(hù)至7 d。將試件放入水中，水面應(yīng)高于試件表面3～5 cm，觀察其崩解特征，記錄不同時(shí)間段上的崩解特性。

將制備好摻量為11%、25%、43%的改良黃土在養(yǎng)護(hù)箱中養(yǎng)護(hù)至14 d后，從塑料袋中取出稱重后放在裝有水的負(fù)壓裝置中，分別在負(fù)壓狀態(tài)下吸水1、2、4 h后取出試件并擦干表面水分稱重后進(jìn)行無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度測(cè)試。

1.4 浸水強(qiáng)度試驗(yàn)

浸水強(qiáng)度試驗(yàn)的目的是了解G2固化劑改性黃土吸水后的強(qiáng)度變化。將制備好的摻量為11%、25%、43%、46%+8%細(xì)砂和50%+17%細(xì)砂的改性黃土試件分為2組，1組在6、13和27 d的齡期時(shí)從塑料袋中取出，浸沒(méi)于水中24 h后，從水中取出擦干試件表面水分并測(cè)無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度，另1組在7、14、28 d的齡期后直接進(jìn)行無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度測(cè)試。

1.5 凍融循環(huán)試驗(yàn)

此次試驗(yàn)參照《公路工程巖石試驗(yàn)規(guī)程》(JTGE41—2005)采用慢凍法，將制備好的43%、46%+8%細(xì)砂和50%+17%細(xì)砂的改性黃土試件養(yǎng)護(hù)至60 d。先將試件放入室溫的水中浸泡3 d，然后將試件從水中取出并擦干表面水分后，放入凍融循環(huán)機(jī)中自5～35次開始進(jìn)行凍融循環(huán)。一次凍融循環(huán)過(guò)程為在-20 ℃下冷凍4 h，20 ℃的條件下融解4 h。凍融循環(huán)間隔為5次，每循環(huán)5次后取出試件并觀察表面狀態(tài)后進(jìn)行無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)。

2 結(jié)果與分析

2.1 改性黃土靜浸水狀態(tài)與吸水率對(duì)強(qiáng)度的影響

將素黃土試件完全浸沒(méi)于靜水中，試件在10 min內(nèi)完全崩解。養(yǎng)護(hù)至齡期為7 d的11%、25%、43%、46%+8%細(xì)砂和50%+17%細(xì)砂的改性黃土試件浸水初期冒出少量氣泡，30 min后試件基本無(wú)變化，連續(xù)5 d對(duì)試件表面進(jìn)行觀察并稱量試件浸水后質(zhì)量。連續(xù)浸泡28 d后試件仍保持完整。

G2固化后的黃土試件吸水率試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表2。

由表2可以得出，G2改良黃土第1天吸水率較高，雖然隨著齡期的增長(zhǎng)吸水率也在增長(zhǎng)，但是增長(zhǎng)率逐漸減小。隨著固化劑摻量的增加，改性黃土的吸水率也隨之增大，但隨著細(xì)砂和固化劑摻量同時(shí)增加，改性黃土的吸水率卻略有下降。改性黃土試件在負(fù)壓狀態(tài)下吸水率與強(qiáng)度的關(guān)系如圖2所示。

從圖2可知，隨著負(fù)壓狀態(tài)的時(shí)間增加，改性黃土的吸水率逐漸增大但趨于平緩。隨著吸水率的增加改性黃土的14 d強(qiáng)度隨之降低，固化劑摻量的越高，雖隨著吸水率的增大，但強(qiáng)度的下降速率逐漸減小，這說(shuō)明隨著固化劑的增加，增強(qiáng)了改性黃土的憎水性。這是由于改性黃土體系內(nèi)水化硅酸鈣和硅膠等所構(gòu)成無(wú)機(jī)膠凝水化網(wǎng)絡(luò)的抗水性以及改性黃土中的有害孔的減少，同時(shí)降低改性黃土的親水性，使改性黃土內(nèi)的毛細(xì)管壁上形成憎水層，使毛細(xì)管吸附作用減弱，從而降低了改性黃土的吸水性。

2.2 浸水后無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)

G2固化劑改性黃土強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果如圖3、圖4所示。

圖3 改性土強(qiáng)度與齡期的關(guān)系Fig.3 Relationship between strength and age of modified soil

圖4 不同摻量不同齡期下的G2改性黃土的浸水前后的強(qiáng)度和軟化系數(shù)的關(guān)系Fig.4 Relationship between strength and softening coefficient of G2 modified loess with different content and age

從圖3、圖4可以看出，G2改性黃土試件隨著齡期的不斷增長(zhǎng)，強(qiáng)度也隨之增長(zhǎng)，但是增長(zhǎng)速率逐漸放緩。結(jié)合3個(gè)齡期階段的結(jié)果可以得出，G2改性黃土在浸水后強(qiáng)度急劇降低，但仍能保持較好的結(jié)構(gòu)形態(tài)穩(wěn)定性，其原因是氫鍵的作用和不溶于水的鈣質(zhì)聚集體，形成新的CSH凝膠體，從而加強(qiáng)了土體內(nèi)部結(jié)構(gòu)，增加了土體的水穩(wěn)定性能。改性黃土隨著固化劑和細(xì)砂摻量的增加，抗壓強(qiáng)度也隨之增加，軟化系數(shù)幾乎都大于0.8且隨著齡期的增長(zhǎng)而增大，浸水后強(qiáng)度損失率隨著齡期的增長(zhǎng)和摻量的增加也逐漸減小，說(shuō)明G2具有很好的水穩(wěn)性。

2.3 凍融循環(huán)模擬試驗(yàn)

43%、46%+8%細(xì)砂和 50%+17%細(xì)砂的改性黃土試件的抗凍融試驗(yàn)結(jié)果如圖5所示。

圖5 凍融循環(huán)次數(shù)與無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度的關(guān)系Fig.5 Relationship between the number of freeze-thaw cycles and unconfined compressive strength

從圖5可以看出，隨著凍融次數(shù)增加，固化劑固化黃土的強(qiáng)度損失增大。46%+8%細(xì)砂和50%+17%細(xì)砂摻量的試件，歷經(jīng)35次凍融循環(huán)后，雖較未經(jīng)歷凍融的強(qiáng)度都有所下降，但強(qiáng)度損失均低于 25%。43%摻量的改性黃土歷經(jīng)35次凍融循環(huán)后強(qiáng)度損失超過(guò)25%，但在歷經(jīng)30次循環(huán)時(shí)強(qiáng)度損失為 21.8%。隨著摻量的增加，改性黃土的抗凍性能也隨之得到增強(qiáng)。其原因是凍融循環(huán)對(duì)改性土內(nèi)部結(jié)構(gòu)的影響主要集中在增大內(nèi)部孔隙率和破壞土顆粒膠結(jié)2個(gè)方面，因?yàn)楦男渣S土中無(wú)機(jī)膠凝材料水化網(wǎng)絡(luò)的抗水性以及膠凝材料包裹土顆粒的作用，減少了改性黃土凍融過(guò)程中水—冰相變所增大的土中孔隙率對(duì)內(nèi)部結(jié)構(gòu)的破壞，從而大幅提高了改性黃土的抗凍性。

2.4 固化劑固化機(jī)理

3 結(jié)語(yǔ)

(1)固化劑提高了改性黃土的水穩(wěn)定性。G2固化劑對(duì)黃土進(jìn)行改性后遇水不發(fā)生崩解現(xiàn)象。G2改性黃土浸泡28 d仍然完好，耐水性得到增強(qiáng)。

(2)G2改性黃土的強(qiáng)度隨著吸水率的增加，強(qiáng)度也隨之降低但提高摻量能夠改善這種現(xiàn)象。

(3)摻量為43%、46%+8%細(xì)砂和50%+17%細(xì)砂的改性黃土具有較高的強(qiáng)度，浸水后強(qiáng)度明顯降低，軟化系數(shù)都在0.8以上。

(4)G2改性黃土的強(qiáng)度隨著摻量和齡期的增加而增大，但隨著齡期的逐漸增長(zhǎng)，強(qiáng)度的增長(zhǎng)速率逐漸放緩。

(5)隨著凍融次數(shù)的增加，G2改性黃土的抗壓強(qiáng)度逐漸降低，G2摻量越大，強(qiáng)度損失越小。43%摻量以上的G2固化劑的改性黃土最少可以抵抗30次凍融循環(huán)。