盐溶液浸泡养护固化土的耐久性分析

任瑞平，刘世皎，樊恒辉，史 祥，贺智强

（1.杨凌职业技术学院 交通与测绘工程学院，陕西 杨凌712100；2.西北工业大学，陕西 西安710072；3.西北农林科技大学，陕西 杨凌712100）

土壤固化剂是一种能够在常温下加固土体的新型材料，其以节能环保、性能优异而备受人们的关注，已应用在建筑地基、路基、渠道工程以及水土保持等工程领域中。对土壤固化剂的研究主要集中于固化土的力学性能、变形性能，而在工程实践中发现固化土的耐久性是其推广应用的瓶颈。尤其在寒冷的北方地区，设计使用年限为20a的固化土工程往往经过5～8a就会破坏。目前，国外研究者［1－6］多是以干湿循环、冻融循环后试件抗压强度的损失、质量的损失、变形量及表面的破坏程度来评估固化土的耐久性，也有研究同时考虑了其它的因素，如疲劳荷载等［7］。

在国内，多数关于固化土耐久性的研究只是考虑单方面的因素，一些研究只考虑冻融循环因素［8－10］，一些只考虑干湿循环因素［11－12］，还有一些只对固化土进行抗渗试验［13－14］。在提高固化土耐久性方面，国内外均有许多尝试，如添加纤维［15］、使用不同的压实方法［16］、增加固化剂掺量或延长养护龄期［17］等。但目前固化土的耐久性问题仍没有得到很好的解决。固化土形成强度的一系列反应都是在一定的环境下进行的，故固化土所处的环境对固化土的强度及耐久性的形成起决定性的作用。本研究基于这一思路提出用盐溶液养护固化土，通过创造一个不同于传统方式的养护环境，以期能够提高固化土的耐久性，延长使用年限。

1 材料与方法

1.1 试验材料

试验用土为陕西省杨凌示范区的黄土，取土深度为5～6m，其基本物理性质指标详见表1。各物理性质均依据《土工试验方法标准》［18］测定。试验前将土料风干、碾散、过5mm筛。

表1 杨凌黄土的物理性质指标

试验用水泥为冀东水泥股份有限公司生产的普通硅酸盐水泥（P.O.42.5）。水泥添加量以每千克干土中加入的水泥质量计，试验中水泥的掺量为0.08 kg／kg。浸泡养护所用盐溶液有饱和石灰水，硅酸钠、硫酸钠和氢氧化钠的混合溶液（下文称“混合溶液”），混合溶液中硅酸钠为0.4mol／L、氢氧化钠为0.2 mol／L、硫酸钠为0.04mol／L。

1.2 试验方案

试验中所用试块的制作均为同一标准，均按掺水泥后击实试验所得最大干密度制作。将制好的试件分为4组，分别为混合溶液浸泡组、饱和石灰水浸泡组、水浸泡组和标准养护组。其中水浸泡组与标准养护组为对照组。每组进行5项试验，分别是7和28d龄期无侧限抗压试验、干湿循环试验、冻融循环试验及扫描电子显微镜（SEM）试验。每项试验做6次平行试验。

1.3 试验方法

1.3.1 试块制备及养护 参照《公路工程无机结合料稳定材料试验规程》［19］制块。试块为直径（50mm）×高（50mm）的圆柱体，用千斤顶静压成型。养护分为标准养护与浸泡养护。标准养护是将试件在温度（20±2）℃，相对湿度大于95%的养护条件下养护。浸泡养护是将试块标准养护3d，然后浸入配制好的溶液里养护，温度（20±2）℃。标准养护的试块在龄期的最后1d将试件浸泡在水中，水面高出试件顶部约2.5cm。浸泡24h后，将试件从水中取出进行试验，浸泡养护的试块龄期结束后直接进行试验。

1.3.2 无侧限抗压试验 无侧限抗压强度试验采用河南恒瑞金试验机有限公司生产的WDW—100微机控制电子万能试验机测定。试验参照《公路工程无机结合料稳定材料试验规程》。

1.3.3 干湿循环试验 将龄期为7d的试件分为两组，一组继续养护至28d；另一组在70℃的烘箱里烘24h，然后在水浴槽中放置24h，温度设为（22±1）℃。此过程为一个干湿循环过程，即2d一个干湿循环。28d时正好10次干湿循环。对比标准养护和干湿循环后试件的抗压强度。根据强度的变化评估固化土抗干湿循能力。

1.3.4 冻融循环试验 将试件养护至28d龄期。然后将试件分为两组，其中一组为对照组，进行无侧限抗压试验，另外一组进行冻融循环试验。一次冻融循环包括在－18℃下冻结16h，然后在（20±1）℃的融解水槽中融化8h，保证水面高出试块2cm。冻融循环10次后进行无侧限抗压强度试验。根据试块的强度损失评估固化土的抗冻融循环能力。

1.3.5 微观结构 采用型号J-5 800扫描电子显微镜（scanning electron microscope，SEM），对28d龄期固化土的微观结构进行观察。

2 结果分析

2.1 无侧限抗压强度试验

7d养护龄期与28d养护龄期的无侧限抗压试验结果详见表2—3。由表2—3可以看出，两种盐溶液浸泡提高了固化土强度，提高最多的是28d龄期下的混合溶液养护，其与标准养护相比提高了70%，与水中养护相比提高了40%。在同一养护龄期下，混合溶液养护对强度的提高效果大于饱和石灰水养护。同一养护方式下，28d龄期强度提高的效果比7 d龄期的更明显。如混合溶液养护7d后，强度比标准养护提高58%，而养护28d后强度提高70%。盐溶液养护的强度比水中养护高，证明了盐溶液中的化学物质对固化土强度的增长贡献明显。

表2 养护7d固化土无侧限抗压强度

2.2 干湿循环试验

干湿循环后无侧限抗压强度的变化情况详见表4。由表4可以看出，各养护方式下固化土试块的强度经过10次干湿循环后均增高。干湿循环后混合溶液与饱和石灰水养护试块的强度明显比水中养护和标准养护试块的强度高，如混合溶液养护试块比标准养护试块的强度高出41%。其原因在于混合溶液与饱和石灰水养护的环境有利于固化土内部生成更多的水化胶结物质。这些胶结物增大了土团粒间的黏聚力，使固化土可以更有效地抵抗干湿循环产生的内应力。胶结物质同时填充了团粒间的空隙使水分在干湿循环过程中不易进入固化土内部，从而有效地降低了固化土内部因干湿不均匀产生的内应力。

表3 养护28d固化土无侧限抗压强度

表4 干湿循环后土体强度变化

2.3 冻融循环试验

2.3.1 无侧限抗压强度 经过10次冻融循环后固化土的抗压强度变化情况详见表5。由表5可以看出，冻融循环后混合溶液养护与饱和石灰水养护试验土块的强度损失均小于水中养护与标准养护的试验土块。且冻融循环后混合溶液与饱和石灰水养护试验土块的强度显著大于水中养护与标准养护试验土块的强度。

冻融循环的破坏主要是由于颗粒间水分结冰膨胀而产生的冻胀应力造成的，这种冻胀应力破坏颗粒间的胶结，当胶结力小于冻胀应力固化土便被冻坏。而混合溶液养护与饱和石灰水养护使固化土内部生成更多胶结物质，这些胶结物质增加土团粒间的黏聚力，从而使固化土抵抗冻胀应力的能力增强。胶结物质同时填充了颗粒间空隙，使进入固化土内部的水分减少，产生的冻胀应力也随之减小。

表5 冻融循环前后土体抗压强度变化

2.3.2 冻融循环后试块的外观特征 图1为各养护方式下的试块经冻融循环后的外观特征。由图1可以看出，混合溶液与饱和石灰水养护试块经冻融循环后表面仍然保存完整，边角无破损现象。但是水中养护试块表面冻坏明显，并产生了较明显裂缝。标准养护受冻破坏最严重。试块冻融循环后外观的情况与上述试块强度的变化相一致，即强度损失越小试块表面越完好，而强度损失越大试块表面冻坏越严重。

图1 冻融循环后各养护方式下的试块

2.4 扫描电子显微镜（SEM）试验

各养护方式下试块的扫描电子显微镜图片如图2所示。从图2可以看出，混合溶液养护试块生成的水化物最多，纤维状结晶向外延伸，产生分叉，且相互连接形成空间蜂窝状结构，针状结晶穿插于蜂窝状结构中。

土颗粒完全被水化凝胶物质包裹，看不到土颗粒的形状、轮廓；饱和石灰水中养护的试块，其水化产物较多，呈团粒状结构。团粒之间针状结晶物较多，纵横交错，将团粒牢固粘结在一起形成了整体；水中养护的试样以团粒结构为主，伴有小颗粒，间隙较明显；标准养护试块的内部，小颗粒多，大团粒少，间隙大。在颗粒、团粒表面虽有水化物生成，但由于生成的量少，不能有效地将土颗粒连接成整体。分析表明，盐溶液养护使固化土生成更多更致密的凝胶体，进而降低了固化土的孔隙率，减少了固化土的大孔隙。由于固化土的强度、耐久性随孔隙率降低、孔径减小、胶结力增大而提高，因此从微观结构角度出发，混合溶液养护与饱和石灰水养护可以提高固化土的强度与耐久性。

图2 不同养护方式下固化土的SEM图像

3 结论

（1）混合溶液养护与饱和石灰水养护均可提高固化土的强度、抗干湿循环以及抗冻融循环的耐久性。

（2）混合溶液养护对强度和耐久性的提高优于饱和石灰水养护。在实际工程中应综合考虑各方面因素，使养护成本与效果最经济。

（3）从微观结构图中可以看出，混合溶液与饱和石灰水养护使固化土生成了更多更致密的凝胶物质，增加了黏聚力，降低了孔隙率，减少了大孔隙。

（4）混合溶液与饱和石灰水养护对固化土的强度与耐久性的提高切实有效，有必要结合工程实践做进一步的试验研究。

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