晁 軍

(中鐵十六局集團(tuán)第三工程有限公司 浙江湖州 313000)

1 緒論

公路建設(shè)過程常遇到大量不滿足施工要求的土體，特別是在沿河沿海地區(qū)多為高含水率、高壓縮性和低承載力的淤泥[1]。處置這類軟弱土體的傳統(tǒng)方法為原位開挖后，置換優(yōu)質(zhì)的砂、石材料，但置換法其經(jīng)濟(jì)性和環(huán)保性較差。在公路建設(shè)中常采用水泥、石灰等無機(jī)固化劑改良廢棄土體后直接用于路基填筑[2]。無機(jī)類固化土具有較高的強(qiáng)度和承載力，但在使用過程中也暴露了其抵抗拉裂能力低、易產(chǎn)生干縮及溫縮裂縫等問題[3]。這些問題后期修復(fù)難、成本高，有必要在回填初期即對(duì)填料土進(jìn)行改良。

高分子聚合物作為一種新型添加劑，具有較高柔韌性和良好的耐久性，能改善無機(jī)類材料的上述缺陷。況棟梁等[4]利用醋酸乙烯-乙烯共聚物乳液對(duì)砂漿進(jìn)行改性處理，發(fā)現(xiàn)較改性前脆性降低，可有效減少干縮裂紋的形成。姚鑫航[5]將高分子吸水樹脂聚合物與碎石土材料混合，形成柔性路基層，可顯著降低干縮系數(shù)和溫縮系數(shù)。柴壽喜等[6]利用高分子材料SH固土劑改良濱海鹽漬土，依靠其絡(luò)合作用使土體轉(zhuǎn)化為一個(gè)網(wǎng)絡(luò)狀的凝膠體，大幅提高了固化土抗壓和抗拉強(qiáng)度。上述研究表明，高分子固化劑在土體內(nèi)部形成的網(wǎng)狀凝膠能有效改善無機(jī)類固化土的抗拉裂性能，減少干縮、溫縮裂縫，但尚未建立確定高分子改良土中有機(jī)和無機(jī)固化劑摻量的計(jì)算方法。目前的水泥固化土結(jié)構(gòu)模型主要由土顆粒、水泥漿膜和填充孔隙的水泥漿三部分組成。但這種模型并不適用于存在多種固化劑的高分子改良土。

為明確高分子改良土中固化劑的最優(yōu)摻量，在前人研究基礎(chǔ)上建立高分子改良土內(nèi)部結(jié)構(gòu)模型，推導(dǎo)計(jì)算高分子與無機(jī)固化劑的臨界摻量，并通過室內(nèi)試驗(yàn)驗(yàn)證其準(zhǔn)確性。

2 高分子改良土結(jié)構(gòu)模型及固化劑理論用量推導(dǎo)

2.1 高分子改良土結(jié)構(gòu)模型

黏性土顆粒一般以多個(gè)黏土顆粒相互聚集形成的土團(tuán)粒形式存在，固化劑加入土體之后，反應(yīng)產(chǎn)物先包裹土團(tuán)粒，然后對(duì)土團(tuán)粒之間的孔隙進(jìn)行填充。根據(jù)文獻(xiàn)[7-9]，本文假定原狀黏土顆粒和團(tuán)聚而成的土團(tuán)粒均為球形，有機(jī)和無機(jī)固化劑在土團(tuán)粒外圍形成雙膜層結(jié)構(gòu)(無機(jī)水化膜與高分子有機(jī)膜如圖1所示)，在該模型中高分子改良土主要由土顆粒、無機(jī)水化膜、高分子有機(jī)膜和孔隙四部分組成。

圖1 高分子改良土結(jié)構(gòu)模型

2.2 高分子改良土堆積密度計(jì)算

根據(jù)建立的高分子改良土結(jié)構(gòu)模型，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)由包裹著雙層膜的土團(tuán)粒堆積而成，構(gòu)成一種“顆粒堆積”體系。理想球狀顆粒體系中相互接觸的堆積密度可由下式計(jì)算[10]:

式中:ρi為i粒徑組充分堆積情況下的體系堆積密度；m為顆粒體系中粒徑組數(shù)目；αi為第i粒徑組的等粒徑堆積密度；ηi為第i粒徑組所占體積百分比；g(i，k)為其他粒徑組對(duì)i粒徑組產(chǎn)生的壁壘效應(yīng)；f(i，k)為其他粒徑組對(duì)i粒徑組產(chǎn)生的疏松效應(yīng)。

原狀土、無機(jī)固化土及高分子改良土的i粒徑組團(tuán)粒個(gè)數(shù)mi、平均尺寸di、所占體積百分比ηi及等粒徑堆積密度αi如表1所示。假設(shè)無機(jī)水化膜厚度為h2，高分子有機(jī)膜厚度為h3。

表1 高分子改良土各結(jié)構(gòu)參數(shù)

2.2.1 d1i、d2i、d3i之間的關(guān)系

假設(shè)有機(jī)與無機(jī)固化劑在土團(tuán)粒外圍形成雙膜層結(jié)構(gòu)，則d1i、d2i、d3i之間滿足下列關(guān)系:

2.2.2 η1i、η2i、η3i之間的關(guān)系

為便于分析，取單位固體體積進(jìn)行計(jì)算，則i粒徑組所占體積百分比ηi即為團(tuán)粒體積Vi。原狀土團(tuán)粒中，i粒徑組單個(gè)土團(tuán)粒表面積為s1i，體積為v1i；無機(jī)固化土中，i粒徑組單個(gè)土團(tuán)粒表面積為s2i，體積為v2i；高分子改良土中，i粒徑組單個(gè)土團(tuán)粒表面積為s3i，體積為v3i。

其中，i粒徑組無機(jī)水化膜體積v′2i、無機(jī)固化土團(tuán)粒總體積V2i、原狀土中η1i與無機(jī)固化土中η2i的關(guān)系已由文獻(xiàn)[7]推導(dǎo)得出:

水泥土中i粒徑組單個(gè)團(tuán)粒表面積s2i、體積v2i和團(tuán)粒個(gè)數(shù)m2i為:

則水泥土i粒徑組團(tuán)粒總表面積S2i為:

由于高分子有機(jī)膜厚度小于土團(tuán)粒粒徑，在高分子改良土中，i粒徑組表面高分子有機(jī)膜體積v′3i可近似計(jì)算為:

高分子改良土中i粒徑組團(tuán)粒總體積V3i為:

則高分子改良土中η3i為:

將式(8)代入式(15)即可得到高分子改良土中η3i與原狀土中η1i的關(guān)系式:

式(16)中無機(jī)水化膜厚度h2、高分子有機(jī)膜厚度h3、原狀土i粒徑組尺寸d1i及其體積占比η1i均可由相關(guān)試驗(yàn)測(cè)得。

2.2.3 α1i、α2i、α3i之間的關(guān)系

高分子改良土和原狀固化土中，土團(tuán)粒形狀均假設(shè)為球體，其等粒徑堆積密度僅與團(tuán)粒形狀有關(guān)，而與團(tuán)粒尺寸無關(guān)，所以取α1i＝α2i＝α3i＝0.56[11]。

2.2.4 f(i，k)和 g(i，k)計(jì)算式

f(i，k)和g(i，k)由下式算得:

2.3 高分子改良土中包裹土團(tuán)粒固化劑理論摻量計(jì)算

在高分子改良土內(nèi)部，單位固體體積下，i粒徑組團(tuán)粒體積百分比η3i即為固體團(tuán)粒體積V3i，則i粒徑組內(nèi)部團(tuán)粒個(gè)數(shù)m3i及單個(gè)團(tuán)粒表面高分子有機(jī)膜體積分別為:

將式(4)和式(5)代入式(19)和式(20)，得到高分子有機(jī)土單位固體體積內(nèi)i粒徑組表面高分子有機(jī)膜體積為:

則高分子改良土中單位固體體積內(nèi)高分子有機(jī)膜總體積為:

單位固體體積內(nèi)無機(jī)水化膜體積可由式(23)求得[17]:

則高分子改良土中單位固體體積內(nèi)的土團(tuán)粒體積為:

高分子改良土中包裹土團(tuán)粒時(shí)的無機(jī)固化劑摻量a無機(jī)與有機(jī)固化劑摻量a高分子分別為:

式中:ρ無機(jī)為無機(jī)固化劑密度；ρ高分子為高分子固化劑密度；G土為土粒相對(duì)密度；ω為土含水率。

綜上所述，高分子改良土包裹土顆粒所需的各類固化劑理論摻量計(jì)算流程如圖2所示。

圖2 高分子改良土各固化劑理論摻量計(jì)算流程

2.4 高分子改良土孔隙填充固化劑理論摻量計(jì)算

為計(jì)算高分子改良土內(nèi)部孔隙被完全填充所需的各類固化劑理論摻量，可通過式(27)計(jì)算高分子改良土內(nèi)部孔隙率n:

式中:n2為水泥水化膜填充的孔隙占比；n3為高分子有機(jī)膜填充的孔隙占比。

假設(shè)土體孔隙完全被無機(jī)水化膜和高分子有機(jī)膜填充，定義參數(shù)λ為水泥水化膜填充孔隙占總孔隙百分比，則兩類填充物質(zhì)填充的孔隙占比n2、n3分別為:

高分子改良土單位體積內(nèi)孔隙填充無機(jī)固化劑用量Q2和高分子固化劑用量Q3分別為:

將式(28)代入式(29)，可得高分子改良土體內(nèi)孔隙被完全填充時(shí)對(duì)應(yīng)的無機(jī)固化劑摻量a′無機(jī)和高分子固化劑摻量a′高分子分別為:

3 高分子改良土固化劑理論用量驗(yàn)證

以劉歡等[12]進(jìn)行的高分子改良土試驗(yàn)為例，其無機(jī)和高分子固化劑分別為水泥和苯丙乳液(SAE)，水泥摻量均為4%，SAE摻量為0.8% ～2.0%?？紤]水泥采用干粉形式加入，水泥水化膜厚度h2取23 μm。高分子有機(jī)膜厚度h3采用Image J對(duì)SEM圖進(jìn)行比例尺換算測(cè)量，取25 μm。水泥密度ρ無機(jī)取 3.04 g/cm3，苯丙乳液密度ρ高分子取 1.06 g/cm3，原狀土比重G土取2.67 g/cm3。根據(jù)本文方法計(jì)算高分子改良土中土團(tuán)粒被無機(jī)水化膜和高分子有機(jī)膜完全包裹時(shí)的堆積密度ρ、水泥摻量a無機(jī)及SAE摻量a高分子，如表2所示。

表2 高分子改良土中水泥與SAE摻量理論計(jì)算值

由表2可知，當(dāng)摻入3.26%的水泥和0.98%的SAE時(shí)，高分子改良土內(nèi)部的無機(jī)水化膜與高分子有機(jī)膜可完全包裹土團(tuán)粒。試驗(yàn)中的4%水泥摻量超過了完全包裹土團(tuán)粒所需要的水泥摻量，即4%水泥形成的水化膜一部分對(duì)土團(tuán)粒進(jìn)行包裹，另一部分對(duì)土團(tuán)粒間的孔隙進(jìn)行填充。通過式(28)可以推算水泥水化膜填充孔隙占總孔隙百分比λ＝52.8%?？紤]試驗(yàn)制樣過程中對(duì)固化土存在壓實(shí)行為，試樣的實(shí)際堆積密度ρ偏大，因此λ值也應(yīng)比理論值大，即4%水泥摻量下，水泥水化膜填充孔隙占總孔隙百分比λ大于52.8%。將λ代入式(30)可得到SAE填充孔隙所需摻量a′高分子為2.8%。

根據(jù)圖3無側(cè)限抗壓強(qiáng)度(UCS)測(cè)試結(jié)果可知，在水泥摻量為4%的情況下，摻入0.8% ～1.2%的SAE更利于提高試樣的抗壓強(qiáng)度，該結(jié)果與本文計(jì)算的0.98%SAE理論摻量值一致。0.4%和0.8%的SAE摻量均低于a高分子(0.98%)，這兩類摻量所形成的有機(jī)膜僅對(duì)土團(tuán)粒產(chǎn)生包裹作用，而在包裹的土團(tuán)粒之間并未進(jìn)行填充，其抗壓性能隨包裹程度(SAE摻量)的增加而提升。當(dāng)SAE摻量提高至1.2%、1.6%和2.0%時(shí)，超過a高分子的部分將形成高分子有機(jī)膜對(duì)土團(tuán)粒間孔隙進(jìn)行填充，從而在土團(tuán)粒之間以及土團(tuán)粒與水化膜之間產(chǎn)生潤滑效果，削弱了土團(tuán)粒之間的嚙合作用，使其在壓力作用下更易錯(cuò)位滑動(dòng)，導(dǎo)致高分子改良土抗壓強(qiáng)度降低。此外，過量生成的高分子有機(jī)膜會(huì)包裹未反應(yīng)的水泥顆粒，從而抑制水泥水化膜的生成，高分子有機(jī)膜的柔性抗壓能力不能夠填補(bǔ)水泥水化膜的剛性抗壓能力，從而導(dǎo)致強(qiáng)度降低[12]，表現(xiàn)出無側(cè)限抗壓強(qiáng)度隨有機(jī)固化劑的增加呈先增大后減小的趨勢(shì)。

圖3 不同SAE摻量下高分子改良土無側(cè)限抗壓強(qiáng)度

定義包裹土團(tuán)粒的水泥摻量與SAE摻量之比為β(β＝a無機(jī)/a高分子)，填充團(tuán)粒間孔隙的水泥摻量與SAE摻量之比為β′。根據(jù)包裹與填充的固化劑摻量來確定β與β′，以60 d齡期的改良土為例，各參數(shù)計(jì)算值見表3。由表3可知，β值隨SAE摻量增加而減小，并逐漸趨于定值；而當(dāng)SAE超過a無機(jī)后，β′值隨SAE的增加而逐漸減小，強(qiáng)度也隨之降低。當(dāng)β′顯著低于β時(shí)，孔隙間無機(jī)水化膜與SAE有機(jī)膜體量之比低于土團(tuán)粒外圍包裹的兩者體量之比，此時(shí)改良土強(qiáng)度降低明顯。

表3 不同SAE摻量下的β與β′

4 結(jié)論

本文在建立高分子改良土結(jié)構(gòu)模型的基礎(chǔ)上，推導(dǎo)高分子和無機(jī)固化劑理論摻量，并通過試驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了該模型的有效性，主要得到以下結(jié)論:

(1)建立由土顆粒、無機(jī)水化膜、高分子有機(jī)膜和孔隙四部分組成的高分子改良土結(jié)構(gòu)模型。

(2)4%水泥摻量下，計(jì)算出完全包裹土團(tuán)粒的高分子固化劑理論摻量為0.98%，與試驗(yàn)結(jié)果0.8%～1.2%的SAE最優(yōu)摻量一致。

(3)當(dāng)高分子固化劑摻量小于a高分子時(shí)，高分子有機(jī)膜能促進(jìn)改良土的抗壓強(qiáng)度增長；當(dāng)高分子固化劑摻量超過a高分子時(shí)，改良土由半剛性向柔性轉(zhuǎn)變，且削弱土顆粒間的嚙合作用，導(dǎo)致其抗壓強(qiáng)度降低。