TG固化剂水泥石灰稳定土强度及微观结构和固化机理的分析

杨 林，匡以寿

(东北林业大学 土木工程学院，哈尔滨 150040)

我国传统的公路路面基层多采用石灰稳定类材料、水泥稳定类材料以及石灰粉煤灰稳定类材料等[1-3]，这些传统的材料大都为天然材料，需要进行大量的生产和开采，这不仅浪费资源和能源，还破坏植被和生态环境。在平原地区，常规的筑路材料严重匮乏，均需外购，材料的外购及远距离

运输，直接导致了工程造价的高居不下，严重制约了当地公路的建设发展。在长期的土壤固化过程中，人们逐渐意识到采用传统的石灰、水泥、粉煤灰等土壤固化材料，存在着明显不足，满足不了工程建设发展的需要[4]。鉴于此，国内外专家研发了一系列新型土质固化剂[5-6]。新型土质固化剂加固土不仅具有较高的强度，同时也具有较强的水稳定性和抗冻性。新型土质固化剂的应用对解决上述问题起到了很好的效果，它最大的特点就是可以就地取材，方便施工，解决了缺砂少石等常规建筑材料地区公路建设周期长、造价高等问题，节约了资源和能源。

本文对TG固化剂、水泥、石灰稳定土的强度进行了正交试验分析，并对配合比进行了优化，得到了最优配合比。同时对最优配合比方案进行了微观结构的观察，并分析了其固化机理。

1 原材料性质

土的工程性质：试验所用土样取自建虎高速，其土颗粒通过率及工程性质见表1和表2。

表1 土颗粒的通过率

表2 土的工程性质

石灰化学成分：试验采用的石灰是玉泉生产的钙质消石灰，依据《公路工程无机结合料稳定材料试验规程》(JTG E51-2009)，测定其有效钙镁含量为61.4％，为二级消石灰。

水泥主要技术指标：试验采用的水泥为42.5普通硅酸盐水泥，按照《公路工程水泥及水泥混凝土试验规程》(JTG E3O一2005)的规定，对试验所用水泥的主要技术指标进行了测定，结果见表3。

表3 水泥的主要技术指标

TG液体土质固化剂：TG液体土质固化剂是我国自主研制的一种新型固化剂，是一种呈深褐色、易溶于水的有机高分子物质，pH值小于1.0，密度为1.3～1.35 g/cm3。使用时需要将TG液体土质固化剂浓缩液稀释，释比例为1∶100。

2 正交试验及分析

2.1 正交试验设计

影响因素的确定：在试验当中，采用的是TG液体土质固化剂、水泥和石灰三种固化材料的复合稳定土，稳定土的强度、微观结构及其胶结固化主要是三种固化材料的作用，因此，将三种固化材料作为影响因素进行考察。

因素水平的确定：各种固化材料的因素水平是在考虑经济的基础上并根据相关的一些工程经验确定的。TG液体土质固化剂：根据固化剂价格，及其生产单位提供的土质固化剂掺配剂量的经济有效范围，确定其剂量为0.015％、0.02％和0.025％；石灰：根据相关工程的使用经验，确定其剂量为2％、4％、6％；水泥：根据相关工程的使用经验及其价格，确定其剂量为0％、2％、4％。见表4。

表4 正交试验因素水平表

故选用L9(34)正交表，其中C列为误差试验列(即空列)。

2.2 正交试验结果及其分析

根据正交因素水平表即可得到正交试验方案，见表5，得到正交试验方案后，根据正交试验方案的安排，对稳定土进行击实和7 d无侧限抗压强度试验，确定各种配比的最大干密度、最佳含水率和7 d的无侧限抗压强度，结果见表6，并对试验结果进行极差和方差分析，结果见表7和表8。

表5 正交试验方案

表6 正交试验结果

表7 正交试验检差分析

表8 正交试验结果

从极差、方差分析中可以看出，TG固化剂、石灰和水泥均是影响稳定土7 d无侧限抗压强度的显著性因素，可靠度达到95％，其中，对强度影响的主次顺序依次为：D(水泥)→A(TG固化剂)→B(石灰)。

3 稳定土配合比的优化

从正交试验的分析中可以看出，当TG固化剂、石灰、水泥3种固化材料的用量分别为0.025％、6％、4％时，稳定土的7d无侧限抗压强度达到最大。但其造价过高，不够经济。在保证稳定土强度的基础上，本着尽量降低工程造价的原则，对各方面因素进行综合分析、对比，最终拟定TG固化剂∶石灰∶水泥为0.02％∶4％∶4％为最优配比。

对拟定的最优配比方案进行击实和无侧限抗压强度试验，以检验其路用性能。试验结果如下：最大干密度为1.91 g/cm3，最佳含水率为11.9％，7 d无侧限抗压强度为2.23 MPa，满足强度要求。

4 最优配比方案微观结构及固化机理分析

确定最优配比后，按照最优配比方案进行制件并养生，然后通过扫描电镜观察其微观结构并分析其固化机理。

石灰对土矿物固化作用：石灰加入到土颗粒中后，土孔隙溶液中Ca2+离子浓度会大幅度增加，由于Ca2+离子具有很强的置换能力，因此Ca2+离子会置换出土颗粒表面吸附的水合Na+离子，此置换过程可以降低土颗粒水膜的厚度，有利于土颗粒之间形成较强的连结[7-8]。另一方面石灰与土矿物发生化学反应，生成新的物质，并形成一定的网络骨架结构，这对土的水稳定性有较好的强化作用。但是石灰与土之间的化学反应较为单一的，连接力不强，形成的网络骨架结构易受到外界环境的破坏。

水泥对土矿物的固化作用：水泥加入到土中后，与土中水分接触，发生水化反应，水泥的水化产物主要有C-S-H、C-A-H凝胶和C-H板状晶体等，这些水化物能够迅速溶于水。水化物中的Ca2+离子与土颗粒表面吸附的阳离子发生交换作用，使土颗粒改性和团粒化，而且由于水泥水化物产生的凝胶粒子的比表面积比原来水泥颗粒的比表面积大得多，因而会产生很大的表面能，具有强烈的吸附作用，使已经较大的水泥土团粒进一步的结合，形成更大的土团粒结构，起到网络骨架作用，从而改善土的稳定性，提高土的强度和耐久性[9-10]。

TG固化剂对土矿物的固化作用：TG固化剂属于电离子溶液类固化剂，加水稀释后，会产生强大的离子作用，使溶液呈高导电性，与土壤混合后，将与土壤颗粒表面吸附的活性阳离子进行强烈的交换作用[11]，并破坏土壤颗粒表面的双电层结构，减弱土壤颗粒表面与水的化学作用力，并且从根本上改变土壤颗粒的表面性质，使其趋于憎水性，从而释放出束缚在吸附层和扩散层内的结合水，使其转化为自由水排出，使土易于压实，形成结构稳定的整体板块，改良土壤的物理、力学性能。

当3种固化材料同时加入到土中时，3种固化材料与土发生作用，并且三者之间相互作用、相互促进，形成致密的、稳定的、高强度的、耐久的、胶凝状的结构，从而改善土的物理、力学性能，提高土的强度。如图1所示。

图1 TG固化水泥石灰剂稳定土微观结构

当只加入石灰和水泥而不加TG固化剂时，石灰、水泥与土发生作用，二者之间也相互作用，形成团状骨架大颗粒结构，有一定的强度和稳定性，但结构不够致密，不能形成胶凝状结构。如图2所示。

图2 水泥石灰稳定土微观结构

5 结 论

通过对TG固化剂水泥、石灰稳定土的综合分析，得到以下结论。

(1)TG固化剂、石灰和水泥均是影响稳定土7 d无侧限抗压强度的显著性因素，可靠度达到95％。

(2)在保证强度并考虑经济的前提下，稳定土的最优配比为TG固化剂∶石灰∶水泥为0.02％∶4％∶4％。

(3)最优配比下的稳定土不仅满足路用性能要求，同时能够降低工程造价，节约资源。

(4)从稳定土的微观结构及固化机理的分析、对比中可以看出，同时加入3种固化材料到土中时，土体的固化效果比较好，能够形成致密、稳定、高强的胶凝结构，从整体上改善了土体的物理、力学性能；只加入水泥和石灰时，虽然能够形成团状骨架大颗粒，有一定强度和稳定性，但结构不够致密，不能形成胶凝状结构。

【参 考 文 献】

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