劉 歡,陳 庚,陳榮偉,錢(qián)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(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,南京 210098;2.浙江公路水運(yùn)工程咨詢有限責(zé)任公司,杭州 310000)
廢棄軟土開(kāi)挖后沒(méi)有合適的處置方法,外運(yùn)成本高、難度大,而將其固結(jié)硬化后用作路基填料,既實(shí)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(duì)環(huán)境保護(hù)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(wú)機(jī)固化劑[2-3],水泥固化土的抗壓強(qiáng)度較高,但其抵抗拉裂能力低,對(duì)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(qiáng)度低、以及對(duì)干縮、溫縮裂縫抵抗能力弱的缺陷[6-8],也為無(wú)機(jī)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(guó)內(nèi)外學(xué)者在苯丙乳液改性水泥砂漿方面已展開(kāi)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(qiáng)度,形成的網(wǎng)狀薄膜可以彌合裂縫和細(xì)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(shí),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(qiáng)度提升,抗壓強(qiáng)度下降,對(duì)砂漿的改性效果優(yōu)于氯丁乳液.劉斯鳳等[11]對(duì)醋酸乙烯-乙烯共聚物改性水泥砂漿的前期收縮變形進(jìn)行了相關(guān)試驗(yàn)研究,發(fā)現(xiàn)改性砂漿早期的收縮應(yīng)力增長(zhǎng)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(shù)脂)聚合物與碎石土材料混合,解決其開(kāi)裂問(wèn)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(wú)機(jī)固化土的改良方面的研究鮮有報(bào)道,故還需加強(qiáng)苯丙乳液對(duì)軟土固化性能提升及其微觀機(jī)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(guò)抗壓強(qiáng)度、劈裂強(qiáng)度、干縮、核磁共振等系列試驗(yàn),開(kāi)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(jī)理.
試驗(yàn)所用土樣為水洗高嶺土,其基本物理指標(biāo)見(jiàn)表1.高嶺土各項(xiàng)化學(xué)成分及其相應(yīng)含量通過(guò)X射線熒光光譜分析(XRF)測(cè)得(見(jiàn)表2).試驗(yàn)所用硅酸鹽水泥級(jí)別為P.O 42.5,苯丙乳液為RS-64型苯丙乳液(各項(xiàng)性能指標(biāo)見(jiàn)表3).試驗(yàn)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(jìn)高分子聚合物的塑性流動(dòng)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(guò)程中易產(chǎn)生泡沫,從而對(duì)其最終的強(qiáng)度產(chǎn)生影響[13-14],試驗(yàn)所用消泡劑為磷酸三丁酯(TBP).
表1 試驗(yàn)所用高嶺土物理性質(zhì)指標(biāo)Tab.1 Physical properties of kaolin used in the test
表2 試驗(yàn)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(xiàng)性能指標(biāo)Tab.3 Performance indexes of RS-64 styrene acrylic emulsion
將在最優(yōu)含水率下悶料24 h的軟黏土與設(shè)計(jì)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(wú)側(cè)限抗壓和劈裂強(qiáng)度試驗(yàn).試樣脫模后保存于溫度(20±2)℃、濕度95%±2%的養(yǎng)護(hù)箱內(nèi),每組試樣制備3個(gè)平行試樣.借助模具制備50 mm×50 mm×200 mm的梁型試樣進(jìn)行干縮試驗(yàn)測(cè)試.
無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度和劈裂強(qiáng)度試驗(yàn)研究SAE摻量和養(yǎng)護(hù)齡期對(duì)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(hù)齡期為3、7、14、28、60 d,干縮和溫縮試件的養(yǎng)護(hù)齡期為7 d.
核磁共振測(cè)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(jìn)行(如圖1所示).利用核磁共振進(jìn)行巖土內(nèi)的孔隙分析,主要依據(jù)孔隙水的弛豫時(shí)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(shí)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(jìn)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(shí)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(duì)固化土內(nèi)部孔隙進(jìn)行分析.
各齡期下SAE改良固化土的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度(UCS)與SAE摻量之間的關(guān)系如圖2.養(yǎng)護(hù)3 d和7 d時(shí),固化土的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度隨SAE摻量的增加呈現(xiàn)波動(dòng)變化;養(yǎng)護(hù)14 d及以上,固化土的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度隨著SAE摻量的增加呈先上升后降低趨勢(shì).
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(dāng)養(yǎng)護(hù)齡期≤7 d時(shí),摻入0.4%摻量的SAE會(huì)使固化土的強(qiáng)度產(chǎn)生一定程度的降低[17].初步分析是由于SAE對(duì)水泥水化反應(yīng)的抑制作用.硅酸鹽水泥的水化過(guò)程一般可分為5個(gè)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(qiáng)度降低的力學(xué)特性.當(dāng)SAE摻量增大到0.8%或1.2%,固化土強(qiáng)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(dāng)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(shí)水泥水化反應(yīng)也滯緩得更加嚴(yán)重.此時(shí),聚合物薄膜的柔性抗壓能力已經(jīng)不能夠填補(bǔ)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(qiáng)度直線下降.
當(dāng)養(yǎng)護(hù)齡期≥14 d時(shí),摻入0.4%摻量的SAE與水泥固化土相比已無(wú)明顯強(qiáng)度削弱,此時(shí)前期被抑制的水化反應(yīng)逐漸開(kāi)始釋放.此時(shí)固化土的抗壓強(qiáng)度隨SAE摻量呈駝峰趨勢(shì),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(qiáng)度的提升主要在14 d之后,在SAE最佳摻量下固化土養(yǎng)護(hù)14、28、60 d的峰值強(qiáng)度分別為829、903、919 kPa,較水泥固化土相對(duì)應(yīng)齡期的強(qiáng)度分別提升了6.1%、8.4%和5.8%.養(yǎng)護(hù)14 d以上時(shí),高摻量的SAE仍然會(huì)導(dǎo)致固化土抗壓強(qiáng)度的降低,原因認(rèn)為是SAE的加入會(huì)引入大量氣泡,試驗(yàn)中加入的消泡劑為定量,并不能消除所有的氣泡.當(dāng)SAE摻量過(guò)高時(shí),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(qiáng)度呈現(xiàn)下降趨勢(shì).
各齡期下SAE改良固化土的劈裂強(qiáng)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(qiáng)度隨養(yǎng)護(hù)齡期和SAE摻量的增加而增大.當(dāng)養(yǎng)護(hù)齡期為3 d和7 d時(shí),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(yuǎn)超過(guò)水泥的水化產(chǎn)物.在受到劈裂荷載時(shí),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(yuǎn)大于前者,在宏觀上則體現(xiàn)為水泥固化土的劈裂強(qiáng)度隨SAE摻量的增加而線性增長(zhǎng).SAE摻量為2.0%時(shí),齡期3 d和7 d的改良固化土劈裂強(qiáng)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(qiáng)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(dāng)養(yǎng)護(hù)齡期大于1 d時(shí),固化土的劈裂強(qiáng)度變化整體趨勢(shì)與低齡期的相同,在SAE摻量為0.4%時(shí),劈裂強(qiáng)度的增長(zhǎng)幅度最大.繼續(xù)增加SAE摻量,固化土的劈裂強(qiáng)度呈線性增長(zhǎng),但是增速變緩.
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(yàn)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(shì)大致相同,隨著時(shí)間增長(zhǎng),在剛開(kāi)始的2 d內(nèi),干縮應(yīng)變先是呈反向增長(zhǎng)(及發(fā)生膨脹),然后開(kāi)始正向快速增長(zhǎng),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(dāng)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(shí)水分流失導(dǎo)致土體收縮應(yīng)變快速增長(zhǎng).最終生成相當(dāng)量的水化產(chǎn)物和聚合物薄膜,填充水分流動(dòng)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(xiàng)重要指標(biāo).圖5為不同SAE摻量下固化土試件在干縮試驗(yàn)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(shí),11 d之前對(duì)固化土的干縮系數(shù)并無(wú)改良效果,在28 d時(shí)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(wú)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(shí),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(shí)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(shí),干縮系數(shù)又有一定程度的降低.
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(hù)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(gè)尺寸范圍內(nèi),且主峰孔徑占絕對(duì)優(yōu)勢(shì).養(yǎng)護(hù)3 d時(shí),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?yàn)榍捌谒磻?yīng)被抑制,SAE改良固化土沒(méi)有相當(dāng)量的膠凝物質(zhì)填充孔隙.同時(shí)由于是濕養(yǎng)護(hù),試件水分耗散小,聚合物成膜進(jìn)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(hù)7 d時(shí),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(shí)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(jī)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(hù)14 d時(shí),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(jī)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?yàn)榇髶搅縎AE對(duì)水泥水化反應(yīng)的滯緩效果更為嚴(yán)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(hù)28 d時(shí),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(shí)明顯下降,說(shuō)明這一階段反應(yīng)產(chǎn)物主要是對(duì)大孔隙進(jìn)行填充,同時(shí)這兩類固化土主峰峰值較14 d有所增加,表明無(wú)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(jī)膜層,在填充大孔隙的同時(shí)都會(huì)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(duì)大孔隙填充效果最優(yōu),對(duì)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(duì)不同土類橫向弛豫率ρ的取值,對(duì)比本試驗(yàn)試樣的土性,取ρ=3.0 μm/ms,將試樣的T2弛豫時(shí)間轉(zhuǎn)化為孔徑分布.不同SAE摻量固化土在各養(yǎng)護(hù)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(hù)3 d和7 d時(shí),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(jī)質(zhì)膜發(fā)展緩慢.在養(yǎng)護(hù)14 d時(shí),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(shí)間段內(nèi)孔隙結(jié)構(gòu)中大孔隙逐漸向小孔隙進(jìn)行轉(zhuǎn)變.此時(shí)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(jī)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(hù)28 d時(shí),三類固化土的孔隙結(jié)構(gòu)得到了進(jìn)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(dá)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(duì)孔隙進(jìn)行填充.對(duì)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(duì)于大孔隙所占比例,前者明顯高于后者.表明在28 d齡期,過(guò)高的SAE摻量并不能很好地改善固化土的孔隙結(jié)構(gòu).
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(guò)改變配比及養(yǎng)護(hù)齡期等因素,探明SAE對(duì)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(dòng)機(jī)制.主要結(jié)論如下:
1)當(dāng)養(yǎng)護(hù)齡期小于等于7 d時(shí),SAE改良固化土的抗壓強(qiáng)度隨SAE摻量的增加,呈波動(dòng)性變化,且均低于水泥固化土;當(dāng)養(yǎng)護(hù)齡期大于等于14 d時(shí),固化土的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度與SAE摻量的關(guān)系呈駝峰型,在0.8%~1.2%時(shí)達(dá)到峰值,但是強(qiáng)度提升效果有限,且固化周期較長(zhǎng).
2)SAE改良固化土內(nèi)交聯(lián)的聚合物薄膜具有很強(qiáng)的抗拉裂能力,因此無(wú)論是在低齡期還是高齡期下,固化土的劈裂強(qiáng)度均隨SAE摻量的增加而增大,但是增長(zhǎng)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(shì)大致相同,都經(jīng)歷了負(fù)增長(zhǎng)期、加速增長(zhǎng)期和穩(wěn)定期三個(gè)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(guò)低場(chǎng)核磁共振(NMR)試驗(yàn),發(fā)現(xiàn)養(yǎng)護(hù)7 d之前,因?yàn)樗磻?yīng)和成膜進(jìn)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(hù)28 d時(shí),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.