劉 歡，陳 庚，陳榮偉，錢曉彤，夏華盛

（1.河海大學(xué)巖土力學(xué)與堤壩工程教育部重點實驗室，南京 210098；2.浙江公路水運工程咨詢有限責(zé)任公司，杭州 310000）

廢棄軟土開挖后沒有合適的處置方法，外運成本高、難度大，而將其固結(jié)硬化后用作路基填料，既實現(xiàn)了廢棄軟土的資源化利用［1］，又解決了道路工程路基填料短缺的困難，對環(huán)境保護和生態(tài)文明建設(shè)具有重要意義.現(xiàn)行的軟土固化主要是基于水泥、石灰等無機固化劑［2-3］，水泥固化土的抗壓強度較高，但其抵抗拉裂能力低，對水分的耗散、溫度的變化尤為敏感，易產(chǎn)生干縮、溫縮裂縫［4-5］.

高分子聚合物可以改良水泥砂漿抗拉強度低、以及對干縮、溫縮裂縫抵抗能力弱的缺陷［6-8］，也為無機固化土的改良提供了借鑒.苯丙乳液又稱苯乙烯-丙烯酸酯乳液，作為一種高分子乳液聚合物，它的膠膜附著力好，有良好的耐水性和耐老化性能，目前國內(nèi)外學(xué)者在苯丙乳液改性水泥砂漿方面已展開了一些探索.Fan等［8］發(fā)現(xiàn)碳納米管和苯丙乳液（SAE）這兩種材料的混合添加顯著提高了水泥漿體的抗折強度，形成的網(wǎng)狀薄膜可以彌合裂縫和細化水泥漿體的孔隙；韓思聰?shù)龋?］發(fā)現(xiàn)水泥與苯丙乳液摻量之比（粉液比）為0.4時，苯丙乳液改性水泥復(fù)合材料有較好的變形能力和抵抗剪切荷載的能力.賀曉宇［10］在水泥砂漿中摻入不同比例的氯丁乳液和苯丙乳液，發(fā)現(xiàn)苯丙乳液摻入后，砂漿的抗折強度提升，抗壓強度下降，對砂漿的改性效果優(yōu)于氯丁乳液.劉斯鳳等［11］對醋酸乙烯-乙烯共聚物改性水泥砂漿的前期收縮變形進行了相關(guān)試驗研究，發(fā)現(xiàn)改性砂漿早期的收縮應(yīng)力增長緩慢，收縮應(yīng)變較未改性砂漿有一定程度減小.姚鑫航［12］將SRX（高分子樹脂）聚合物與碎石土材料混合，解決其開裂問題.上述研究表明，苯丙乳液在水泥砂漿的改性領(lǐng)域已取得了一些成果，但在無機固化土的改良方面的研究鮮有報道，故還需加強苯丙乳液對軟土固化性能提升及其微觀機制的探索.

本文以苯丙乳液（SAE）作為軟土外加劑配合水泥共同固化路基填料土，通過抗壓強度、劈裂強度、干縮、核磁共振等系列試驗，開展SAE協(xié)同水泥固化軟土的力學(xué)特性、變形特性的研究，并深入剖析SAE水泥固化土孔隙結(jié)構(gòu)的演變，揭示SAE固化作用的微觀機理.

1 試驗材料及方案

1.1 試驗材料

試驗所用土樣為水洗高嶺土，其基本物理指標見表1.高嶺土各項化學(xué)成分及其相應(yīng)含量通過X射線熒光光譜分析（XRF）測得（見表2）.試驗所用硅酸鹽水泥級別為P.O 42.5，苯丙乳液為RS-64型苯丙乳液（各項性能指標見表3）.試驗所用成膜助劑為十二碳醇酯（DN-12）環(huán)保涂料成膜助劑，能促進高分子聚合物的塑性流動和彈性變形，改善其聚結(jié)性能，是一種能在廣泛施工溫度內(nèi)成膜的物質(zhì).苯丙乳液在反應(yīng)成膜的過程中易產(chǎn)生泡沫，從而對其最終的強度產(chǎn)生影響［13-14］，試驗所用消泡劑為磷酸三丁酯（TBP）.

表1 試驗所用高嶺土物理性質(zhì)指標Tab.1 Physical properties of kaolin used in the test

表2 試驗所用高嶺土化學(xué)成分及含量Tab.2 Chemical compositions and contents of kaolin used in the experiment

表3 RS-64型苯丙乳液各項性能指標Tab.3 Performance indexes of RS-64 styrene acrylic emulsion

1.2 試樣制備

將在最優(yōu)含水率下悶料24 h的軟黏土與設(shè)計配比的水泥混合攪拌，然后將由SAE、成膜助劑DN-12和消泡劑TBP制成的SAE固化劑裝入噴壺，噴灑在土體表面.每次噴灑總量的1/3，拌和2 min，再繼續(xù)噴灑.按最大干密度將混合料分3層倒入試模中，并用靜壓法制得Φ50 mm×50 mm的固化土試樣用于無側(cè)限抗壓和劈裂強度試驗.試樣脫模后保存于溫度（20±2）℃、濕度95%±2%的養(yǎng)護箱內(nèi)，每組試樣制備3個平行試樣.借助模具制備50 mm×50 mm×200 mm的梁型試樣進行干縮試驗測試.

1.3 試驗方案

無側(cè)限抗壓強度和劈裂強度試驗研究SAE摻量和養(yǎng)護齡期對固化土力學(xué)特性的影響，設(shè)定SAE摻量分別為0.4%、0.8%、1.2%、1.6%、2.0%，水泥摻量為4.0%，成膜助劑摻量為2.0‰，消泡劑摻量為0.8‰，養(yǎng)護齡期為3、7、14、28、60 d，干縮和溫縮試件的養(yǎng)護齡期為7 d.

核磁共振測試采用紐邁科技有限公司生產(chǎn)的IPC-810B型核磁共振分析儀進行（如圖1所示）.利用核磁共振進行巖土內(nèi)的孔隙分析，主要依據(jù)孔隙水的弛豫時間T2與孔隙結(jié)構(gòu)之間的關(guān)系［15］：

圖1 核磁共振分析儀Fig.1 Nuclear magnetic resonance analyzer

其中：T2為孔隙水的弛豫時間；ρ為橫向弛豫率，取決于土的物理化學(xué)性質(zhì)；S為水分表面積（飽和樣則為孔隙表面積）；V為水分體積（飽和樣則為孔隙體積）.

假設(shè)土體結(jié)構(gòu)內(nèi)孔隙為球體，則可利用球的體積公式將上式進行轉(zhuǎn)換，得到T2與孔隙半徑R之間的關(guān)系［16］：

其中：T2為孔隙水的弛豫時間；ρ為橫向弛豫率；R為孔隙半徑.根據(jù)T2圖譜的峰值大小、峰值位置及峰面積等參數(shù)可以對固化土內(nèi)部孔隙進行分析.

2 結(jié)果分析與討論

2.1 無側(cè)限抗壓強度

各齡期下SAE改良固化土的無側(cè)限抗壓強度（UCS）與SAE摻量之間的關(guān)系如圖2.養(yǎng)護3 d和7 d時，固化土的無側(cè)限抗壓強度隨SAE摻量的增加呈現(xiàn)波動變化；養(yǎng)護14 d及以上，固化土的無側(cè)限抗壓強度隨著SAE摻量的增加呈先上升后降低趨勢.

圖2 固化土UCS與SAE摻量的關(guān)系曲線（水泥摻量4.0%）Fig.2 Relationship curves between UCS and SAE content of solidified soil（cement content 4.0%）

當養(yǎng)護齡期≤7 d時，摻入0.4%摻量的SAE會使固化土的強度產(chǎn)生一定程度的降低［17］.初步分析是由于SAE對水泥水化反應(yīng)的抑制作用.硅酸鹽水泥的水化過程一般可分為5個階段：初始期、誘導(dǎo)期、加速期、減速期和穩(wěn)定期［18］，在土顆粒中，SAE形成的乳膠形薄膜包裹住未反應(yīng)的水泥顆粒，阻礙其發(fā)生水化反應(yīng)，即延緩了水泥水化誘導(dǎo)期，從而導(dǎo)致?lián)饺?.4%的SAE反而使固化土呈現(xiàn)強度降低的力學(xué)特性.當SAE摻量增大到0.8%或1.2%，固化土強度有所上升，原因是SAE本身形成的聚合物薄膜聯(lián)合部分水化產(chǎn)物，已能承擔(dān)部分壓力.當SAE的摻量繼續(xù)增大，雖然聚合物薄膜的生成量增加，但與此同時水泥水化反應(yīng)也滯緩得更加嚴重.此時，聚合物薄膜的柔性抗壓能力已經(jīng)不能夠填補水化產(chǎn)物的剛性抗壓能力，從而導(dǎo)致SAE高摻量下的固化土強度直線下降.

當養(yǎng)護齡期≥14 d時，摻入0.4%摻量的SAE與水泥固化土相比已無明顯強度削弱，此時前期被抑制的水化反應(yīng)逐漸開始釋放.此時固化土的抗壓強度隨SAE摻量呈駝峰趨勢，SAE最佳摻量為0.8%～1.2%.SAE和水泥作為固化劑聯(lián)合使用，強度的提升主要在14 d之后，在SAE最佳摻量下固化土養(yǎng)護14、28、60 d的峰值強度分別為829、903、919 kPa，較水泥固化土相對應(yīng)齡期的強度分別提升了6.1%、8.4%和5.8%.養(yǎng)護14 d以上時，高摻量的SAE仍然會導(dǎo)致固化土抗壓強度的降低，原因認為是SAE的加入會引入大量氣泡，試驗中加入的消泡劑為定量，并不能消除所有的氣泡.當SAE摻量過高時，引入的多余氣泡影響了固化土內(nèi)部的孔隙結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致其抗壓強度呈現(xiàn)下降趨勢.

2.2 劈裂強度

各齡期下SAE改良固化土的劈裂強度與SAE摻量之間的關(guān)系如圖3所示.由圖中可知，固化土的劈裂強度隨養(yǎng)護齡期和SAE摻量的增加而增大.當養(yǎng)護齡期為3 d和7 d時，該階段水化反應(yīng)被抑制，但生成了交聯(lián)的聚合物薄膜，它所具備的抗拉裂能力遠超過水泥的水化產(chǎn)物.在受到劈裂荷載時，雖然是水化膠結(jié)產(chǎn)物與聚合物薄膜共同承擔(dān)荷載，但是后者的抵抗能力及承擔(dān)荷載遠大于前者，在宏觀上則體現(xiàn)為水泥固化土的劈裂強度隨SAE摻量的增加而線性增長.SAE摻量為2.0%時，齡期3 d和7 d的改良固化土劈裂強度分別為136 kPa和173 kPa，較改良前的水泥固化土分別提升了35.9%和58.4%.

圖3 固化土劈裂強度與SAE摻量的關(guān)系曲線（水泥摻量4.0%）Fig.3 Relationship curves between splitting strength of solidified soil and SAE content（cement content 4.0%）

當養(yǎng)護齡期大于1 d時，固化土的劈裂強度變化整體趨勢與低齡期的相同，在SAE摻量為0.4%時，劈裂強度的增長幅度最大.繼續(xù)增加SAE摻量，固化土的劈裂強度呈線性增長，但是增速變緩.

2.3 干縮試驗

2.3.1 干縮應(yīng)變

圖4為不同SAE摻量下固化土試件在干縮試驗期間的干縮應(yīng)變變化情況.圖中顯示六類固化土干縮應(yīng)變趨勢大致相同，隨著時間增長，在剛開始的2 d內(nèi)，干縮應(yīng)變先是呈反向增長（及發(fā)生膨脹），然后開始正向快速增長，17 d以后（SAE摻量≤1.6%）或22 d以后（SAE摻量=2.0%）干縮應(yīng)變逐漸趨于穩(wěn)定.發(fā)生膨脹的原因是水化反應(yīng)放出大量的水化熱，從而使固化土產(chǎn)生了一定的膨脹量，當水化反應(yīng)趨于穩(wěn)定，土體內(nèi)部仍然處于多孔形態(tài)，有較多貫通的水流孔道，此時水分流失導(dǎo)致土體收縮應(yīng)變快速增長.最終生成相當量的水化產(chǎn)物和聚合物薄膜，填充水分流動孔隙，聚合物薄膜承擔(dān)由表層水分蒸發(fā)引起的少量變形，干縮變形趨于穩(wěn)定.因此，SAE的加入能顯著減少固化土的干縮應(yīng)變.

圖4 不同SAE摻量下固化土的干縮應(yīng)變變化情況Fig.4 Variations of dry shrinkage strain of solidified soil with different SAE contents

2.3.2 干縮系數(shù)

干縮系數(shù)在數(shù)值上等于干縮應(yīng)變與失水率的比值，是反映固化土收縮變形情況的一項重要指標.圖5為不同SAE摻量下固化土試件在干縮試驗期間的干縮系數(shù)變化情況，可以發(fā)現(xiàn)SAE的加入顯著降低了固化土的干縮系數(shù)，SAE摻量為0.4%時，11 d之前對固化土的干縮系數(shù)并無改良效果，在28 d時較水泥固化土的干縮系數(shù)可以降低14.6%，推斷原因是11 d前0.4%摻量的SAE所生成的聚合物薄膜抵抗土體失水收縮變形的能力較弱，未能有效遏制干縮應(yīng)變的發(fā)展，導(dǎo)致干縮系數(shù)與水泥土無異.

圖5 不同SAE摻量下固化土的干縮系數(shù)變化情況Fig.5 Variations of drying shrinkage coefficients of solidified soil with different SAE contents

SAE摻量為0.8%、1.2%和1.6%時，能顯著提升固化土的抗干縮能力，在圖5中這三種摻量下的固化土干縮系數(shù)變化線幾乎重合，在28 d時較水泥固化土的干縮系數(shù)約降低29.3%；繼續(xù)增加SAE的摻量至2.0%時，干縮系數(shù)又有一定程度的降低.

2.4 低場核磁共振試驗分析

2.4.1T2圖譜分析

圖6為三類不同SAE摻量的改良固化土在不同的養(yǎng)護齡期均呈雙峰型，即左端的主峰和右端的次峰，表明結(jié)構(gòu)中的孔隙主要在兩個尺寸范圍內(nèi)，且主峰孔徑占絕對優(yōu)勢.養(yǎng)護3 d時，隨著SAE的摻入主峰和次峰的曲線向右偏移，且偏移程度隨SAE摻量的增加而增大.這是因為前期水化反應(yīng)被抑制，SAE改良固化土沒有相當量的膠凝物質(zhì)填充孔隙.同時由于是濕養(yǎng)護，試件水分耗散小，聚合物成膜進展緩慢，導(dǎo)致SAE改良固化土內(nèi)部大孔徑孔隙和小孔徑孔隙均增大.

圖6 不同摻量SAE改良固化土的弛豫曲線Fig.6 Relaxation curves of modified solidified soil with different SAE contents

養(yǎng)護7 d時，三類固化土峰值較3 d有大幅度降低，意味著孔隙體積縮小，孔隙率降低.可以發(fā)現(xiàn)0.8%摻量的SAE改良固化土與水泥固化土弛豫曲線幾乎重合，此時水化反應(yīng)雖然受到抑制，但SAE成膜已有一定發(fā)展.兩者的T2圖譜所反映的孔隙情況相近，但是填充物質(zhì)不同，水泥固化土內(nèi)部是由C—S—H等水化產(chǎn)物形成的半剛性網(wǎng)絡(luò)膜層，而SAE改良固化土內(nèi)部是有機膜參與的復(fù)合網(wǎng)絡(luò)膜層，前者力學(xué)特性主要表現(xiàn)為抗壓，后者為抗拉裂.

養(yǎng)護14 d時，三類固化土弛豫曲線主峰出現(xiàn)較大差異，0.8%摻量的SAE水泥固化土峰值最低，峰面積最小.原因是此前被抑制的水化反應(yīng)逐漸釋放，隨著水分耗散量的增加，迫使分布在膠凝物質(zhì)之間的聚合物顆粒聚集融合，加速有機膜層的生成，填充了固化土內(nèi)部孔隙.2.0%摻量下，T2圖譜的峰面積最大，孔隙體積率最大.一方面因為大摻量SAE對水泥水化反應(yīng)的滯緩效果更為嚴重，另一方面一定量的消泡劑不足以解決SAE的引氣特性，致使固化土增加大量小孔隙.

養(yǎng)護28 d時，水泥固化土和2.0%摻量的SAE改良固化土還存在明顯次峰，但峰值較14 d時明顯下降，說明這一階段反應(yīng)產(chǎn)物主要是對大孔隙進行填充，同時這兩類固化土主峰峰值較14 d有所增加，表明無論是C—S—H等水化產(chǎn)物還是SAE聚合物顆粒融合而成的有機膜層，在填充大孔隙的同時都會將大孔隙分割成若干小孔隙，從而增加了一定數(shù)量的小孔隙.0.8%摻量的T2圖譜中，幾乎已經(jīng)觀察不到次峰，因此0.8%摻量的SAE對大孔隙填充效果最優(yōu)，對固化土孔隙結(jié)構(gòu)的改良效果最明顯.

2.4.2 孔徑分布分析

參考鄧克俊和謝然紅［15］、Matteson等［19］和李彰明等［20］學(xué)者對不同土類橫向弛豫率ρ的取值，對比本試驗試樣的土性，取ρ=3.0 μm/ms，將試樣的T2弛豫時間轉(zhuǎn)化為孔徑分布.不同SAE摻量固化土在各養(yǎng)護齡期下的孔徑分布情況如圖7所示.參考李彰明等［15］將土中孔隙根據(jù)孔徑大小劃分為三類：小孔隙（R＜1 μm），中孔隙（1≤R＜20 μm）以及大孔隙（R≥20 μm）.

圖7 不同摻量SAE改良固化土的孔徑分布圖Fig.7 Pore size distributions of modified solidified soil with different SAE contents

可以發(fā)現(xiàn)，養(yǎng)護3 d和7 d時，三類固化土的孔徑主要集中在1～100 μm.較水泥固化土而言，摻加SAE的固化土1.0～10.0 μm范圍內(nèi)的孔隙比例減少，而10～100 μm的孔隙比例增加，即SAE的加入增加了大孔隙數(shù)量，原因是水化反應(yīng)被抑制和有機質(zhì)膜發(fā)展緩慢.在養(yǎng)護14 d時，可以觀察到SAE改良固化土較7 d而言，小孔隙占比有所上升，大孔隙占比顯著下降，表明在該時間段內(nèi)孔隙結(jié)構(gòu)中大孔隙逐漸向小孔隙進行轉(zhuǎn)變.此時2.0%摻量的SAE固化土整體孔徑分布與水泥固化土接近，前者孔隙填充物多為有機膜層，后者孔隙填充物主要以水化硅酸鈣和水化鋁酸鈣等水化產(chǎn)物為主.在養(yǎng)護28 d時，三類固化土的孔隙結(jié)構(gòu)得到了進一步的優(yōu)化，0.8%摻量下，固化土中半徑在1～100 μm之間孔隙占比高達99.8%.隨著結(jié)構(gòu)體系中的水分減少，SAE顆粒融合形成網(wǎng)狀膜層結(jié)構(gòu)對孔隙進行填充.對于中孔隙所占比例，2.0%摻量的SAE固化土顯著低于0.8%摻量的SAE固化土，而對于大孔隙所占比例，前者明顯高于后者.表明在28 d齡期，過高的SAE摻量并不能很好地改善固化土的孔隙結(jié)構(gòu).

3 結(jié)論

將苯丙乳液（SAE）作為軟土外加劑配合水泥共同固化路基填料土，通過改變配比及養(yǎng)護齡期等因素，探明SAE對水泥固化土力學(xué)特性和變形特性的影響及其微觀驅(qū)動機制.主要結(jié)論如下：

1）當養(yǎng)護齡期小于等于7 d時，SAE改良固化土的抗壓強度隨SAE摻量的增加，呈波動性變化，且均低于水泥固化土；當養(yǎng)護齡期大于等于14 d時，固化土的無側(cè)限抗壓強度與SAE摻量的關(guān)系呈駝峰型，在0.8%～1.2%時達到峰值，但是強度提升效果有限，且固化周期較長.

2）SAE改良固化土內(nèi)交聯(lián)的聚合物薄膜具有很強的抗拉裂能力，因此無論是在低齡期還是高齡期下，固化土的劈裂強度均隨SAE摻量的增加而增大，但是增長幅度略有差異.

3）SAE的加入使固化土有明顯的保水特性，固化土的干縮應(yīng)變和干縮系數(shù)的變化趨勢大致相同，都經(jīng)歷了負增長期、加速增長期和穩(wěn)定期三個階段，SAE的加入能顯著減少固化土的干縮應(yīng)變和干縮系數(shù).

4）通過低場核磁共振（NMR）試驗，發(fā)現(xiàn)養(yǎng)護7 d之前，因為水化反應(yīng)和成膜進程的滯緩，SAE改良固化土內(nèi)部各類孔隙均多于水泥固化土；養(yǎng)護28 d時，0.8%摻量的SAE固化土較水泥固化土而言，其孔隙結(jié)構(gòu)發(fā)生了顯著的優(yōu)化，且優(yōu)化效果優(yōu)于2.0%摻量的SAE固化土.