一种自修复固化土的抗拉强度试验

钱晓彤， 陈 庚*， 李 锋

(1.河海大学岩土力学与堤坝工程教育部重点实验室， 南京 210098； 2.苏交科集团有限公司， 南京 210098)

软土固化技术是目前应用广泛的弃土资源化利用技术，通过将软土与一定配比的固化剂混合搅拌，提升软土的强度和耐久性，用作路基填料等工程用土需求。软土力学特性的提升取决于固化剂的种类，水泥是使用最为广泛的无机固化剂。很多学者针对水泥土的力学特性开展了各项研究。汤怡新等[1]发现水泥固化土的抗压强度主要取决于水泥用量, 其次是原料土的含水量；马卉等[2]发现水泥的掺入可以有效提高冻土的力学参数；Consoli等[3]考虑3种不同孔隙率和7种水泥含量的情况下，进行了1%～12%的劈裂拉伸试验和无侧限压缩试验，证明孔隙率作为控制水泥土抗拉与抗压强度参数极为有效；Cai等[4]分析了水泥土的掺比、养护龄期、含水率、土体等因素对水泥土抗压强度的影响。

在一定的掺量和养护龄期下，水泥固化土有较高的抗压强度，但是其抗拉强度较低，干缩、温缩条件下易产生裂缝[5-6]。张通等[7]选用MBER土壤固化剂进行试验，发现固化土的劈裂强度总体上高于水泥土；戴文亭等[8]通过在水泥土中添加剑麻纤维来提升固化土的劈裂抗拉强度；Hejazi等[9]总结分析了聚丙烯纤维可用于提升固化土的抗拉性能。综上所述，提升水泥土抗拉强度的方法很多，但是裂缝状态下实现抗拉强度的自修复还少有人研究。强度自修复技术目前多运用于砂浆和混凝土等领域[10-13]，因此研究水泥固化土在裂缝状态下抗拉强度的自修复具有很大的工程实践意义。

现以一种强度自修复有机固化剂为主要原料，配合水泥固化土体，用固化土的劈裂强度(间接抗拉强度)来判断自修复固化剂对水泥土的加固性能，研究不同浸水时间、养护龄期下固化土的强度变化特性；对比水泥固化土和自修复固化土劈裂破坏后的强度自修复情况。采用扫描电镜试验(scanning electron microscope, SEM)对自修复固化土进行微观试验研究，探讨其固化机理。

1 试验材料

试验用土为低液限黏土，取自江苏省南京市，基本物理性质指标如表1所示。选取的自修复有机固化剂由江苏路液新材料有限公司提供，呈深黄色透明液体状(图1)，可以与水以任意比例互溶，其具体组成成分如表2所示，各项物理指标如表3所示。无机固化剂选取由诸城市杨春水泥有限公司生产的普通硅酸盐水泥(图2)，标号42.5。

表1 试验用土的基本物理性质指标

图1 自修复固化剂Fig.1 Road liquid material

表2 自修复固化剂的组成成分

表3 自修复固化剂的基本物理性质指标

图2 水泥干粉Fig.2 Dry cement powder

2 试验方案及步骤

采用自修复固化剂-水泥组成的复合材料联合固化黏土，将天然含水率下的黏土在室外风干晾晒，直到其含水率降低至最优含水率以下。水泥按干土质量比掺入，掺量为4%，自修复固化剂根据应用说明，按体积比掺入，掺量为0.3 L/m3，另做一组4%水泥掺量固化土作为对照组，同时研究不同养护龄期、浸水时间下水泥土与自修复固化土的强度变化。劈裂试件的制作、养生和测试均按照《公路工程无机结合料稳定材料试验规程》(JTJ E51—2009)进行。测试过程如图3所示。劈裂强度试验方案如表4所示。

图3 劈裂强度测试过程Fig.3 Testing process of splitting strength

表4 劈裂强度试验方案

劈裂强度自修复测试方法：水泥土的应力-应变曲线由线性上升段(弹性变形)、非线性上升段(塑性变形)和陡降段(完全破坏)组成，峰值应力的30%～40%后即进入塑性破坏阶段[14]，土体内部开始出现微裂缝损伤。为了避免产生贯通的大裂缝，综合考虑本实验的固化剂掺量，在试验过程中选择劈裂强度峰值应力的80%进行加载，研究自修复固化土产生微裂缝之后的强度恢复能力。

采取“养护—初加载80%—卸载—自修复养护—再加载”的方式。自修复类材料的修复效果与其掺量和裂缝宽度有关[15]，因此先测量3个平行试样的劈裂强度，以该强度的80%对剩余三个平行试样进行初加载，随即卸载。将3个初加载试样放入标准养护箱进行自修复养护，待养护至指定龄期后取出，测量劈裂强度。固化剂选择4%水泥、4%水泥+0.1 L/m3自修复固化剂、4%水泥+0.2 L/m3自修复固化剂、4%水泥+0.3 L/m3自修复固化剂进行对比分析。自修复劈裂强度试验方案如表5所示。

表5 自修复劈裂强度试验方案

3 试验结果与分析

3.1 劈裂强度

固化土的劈裂强度一定程度上反映其在竖向荷载下抵抗裂缝的能力。4%水泥、4%水泥+0.3 L/m3自修复固化剂的两种固化土在浸水0、24、48 h条件下劈裂强度与养护龄期的关系如图4所示。

图4 不同养护龄期下固化土的劈裂强度Fig.4 Splitting strength of solidified soil at different curing ages

由图4可知，劈裂强度的增长阶段主要在3～7 d。浸水24 h情况下，水泥土养护7 d时的劈裂强度比3 d时的劈裂强度高25.9%，继续养护至28 d后的劈裂强度比7 d时仅提高了1.6%；同浸水条件下自修复固化土养护7 d时的劈裂强度比3 d时的劈裂强度高8.8%，继续养护至28 d后的劈裂强度比7 d时仅提高了3.7%。浸水0 h和浸水48 h情况下的水泥土与自修复固化土的劈裂强度增长趋势也类似，整体表现为先快后慢，而增长速度的时间转折点为7 d。由此可看出，7 d之前是水泥土和自修复固化土劈裂强度发展的主要时期，继续养护劈裂强度也有所增长，但增长速度都有不同程度的减缓。

由图4还可明显看出，自修复固化剂的加入大幅度提高了试件的劈裂强度。浸水24 h情况下，养护龄期3 d时，加入自修复固化剂后的劈裂强度较水泥土提高了27.1%，几乎等于水泥土养护7 d的强度；养护龄期7、14、28 d时，加自修复固化剂之后的劈裂强度较水泥土都有不同程度的提升，分别提高了9.8%、8.5%、12.1%。自修复固化剂的加入为固化土额外提供了抵抗拉应力的能力，进一步加强了土体内部的黏结力，在外力作用下，自修复固化土的间接抗拉强度较水泥土大幅增强。

不同浸水时间下固化土的劈裂强度如图5所示。由图5可以明显看出，浸水时间对水泥土和自修复固化土的劈裂强度都有一定影响，具体表现为随着浸水时间的增长，两种固化土的劈裂强度呈现出不同程度的下降，这与张俊等[16]的水泥基类固化土的劈裂试验结论相同。对于水泥土，在养护3 d时，0～24 h浸水期间强度下降缓慢(强度下降14.24%)，24～48 h浸水期间强度大幅度下降(强度下降41.31%)，该阶段试件内部水泥水化反应还处于初期阶段，水化产物C-S-H生成数量有限，因而土颗粒之间的胶结作用很弱，内部存在大量孔隙，浸水之后水分进入孔隙，土颗粒之间由于水的渗透力大于胶结力而逐渐瓦解，导致劈裂强度急剧下降。养护7 d之后，浸水时间虽然对水泥土的劈裂强度仍有所影响，但强度下降趋势明显变缓，原因是水泥水化反应已基本完成，土颗粒之间通过水化硅酸钙(C-S-H)已形成较强的黏结力，同时土体内部孔隙由于填充了大量的水化产物导致孔隙率大幅度降低，因而降低了浸水对强度的影响程度。

图5 不同浸水时间下固化土的劈裂强度Fig.5 Splitting strength of solidified soil under different soaking time

由图5可看出，自修复固化剂的加入显著提升了固化土的水稳特性。养护3 d时浸水0～24 h，自修复固化土的劈裂强度仅下降5.50%，浸水24～48 h，自修复固化土的劈裂强度仅下降4.1%，远低于水泥土强度的下降程度(14.24%和41.31%)，充分体现浸水条件下自修复固化剂对水泥土前期的补强作用。由图5还可看出，养护7 d之后，浸水时间对自修复固化土的劈裂强度影响较水泥土要小得多，表现为强度变化曲线更为平缓。除此之外，相同浸水时间下自修复固化剂的加入也大幅度提升了试件的劈裂强度。养护14 d时，浸水0、24、48 h的自修复固化土的劈裂强度较水泥土分别提升了8.25%、5.84%和9.80%；养护28 d时，浸水0、24、48 h的自修复固化土的劈裂强度较水泥土分别提升了7.89%、10.77%和13.14%。在同一养护龄期下，随着浸水时间的延长，自修复固化土较水泥土的劈裂强度的提升幅度逐渐变大，体现出自修复固化土良好的水稳特性。

3.2 自修复劈裂强度

3种自修复固化土和水泥土在不同养护时间下破坏后的劈裂强度自修复情况如图6所示。由图6可看出，3种破坏情况下自修复固化土的劈裂强度修复情况均优于水泥土，且恢复效果随自修复固化剂掺量的增加而增加。养护3 d后破坏，0.1、0.2、0.3 L/m3掺量下的固化土自修复28 d后的劈裂强度比水泥土分别提高了8.24%、18.89%和20.25%；同条件下养护14 d后破坏，固化土自修复28 d后的强度比水泥土分别提高了12.65%、24.74%和25.86%。当土体内部受荷载作用出现了微裂缝和局部损伤时，水泥土自身具备一定的自修复功能，即重塑固化土的强度增长[17]。自修复固化剂可以提供一部分额外的强度补偿，加大固化土劈裂强度的恢复程度。

图6 不同养护时间破坏后的自修复劈裂强度Fig.6 Self repairing splitting strength after different initial curing time

由3种养护破坏时间下的强度恢复图像均可看出，固化土的自修复劈裂强度在初期(破坏后自修复0～3 d)增长速度较快，中期(破坏后自修复3～14 d)强度增长速度有所下降，但仍保持一定速率的线性增长，后期(破坏后自修复14～28 d)强度已无明显增长。说明破坏后的0～14 d为固化土劈裂强度恢复的主要时期，在该期间水泥和自修复固化剂共同作用，促进固化土的强度恢复。图7为不同养护时间下破坏后的28 d自修复劈裂强度。可以看出，4种固化土的最终劈裂强度均随养护时间的延长而减小。养护3 d后破坏，此时水化反应还处于初期阶段[18]，破坏后随着水化反应的继续进行，大量的胶凝物质(C-S-H)生成，配合自修复固化剂共同作用，填充和黏结裂缝，从而起到强度提升效果。而在养护14 d后破坏，水泥的水化反应已进入迟缓期，在自修复时期能提供的胶凝物质有限，此时水泥土的强度主要来源于固化土团间的摩擦和咬合作用，而自修复固化土的强度来源于土颗粒之间的摩擦以及自修复固化剂的胶结，在宏观上则表现为后者在破坏后28 d的自修复劈裂强度远大于前者，体现出即便在较长的养护时间下破坏，自修复固化土仍具备较高的强度恢复能力。

图7 不同养护时间下破坏后的自修复劈裂强度(自修复28 d)Fig.7 Self repairing splitting strength after failure under different curing time (self repairing 28 days)

4 微观机理分析

固化土的宏观力学特性在很大程度上受到其微观结构的影响和控制。本研究对固化后的黏土进行扫描电子显微镜(SEM)试验，得到土样的微观照片对其微观结构进行分析，进一步分析固化土物理力学性质变化的机理。两种固化土的扫描电镜图如图8所示。图8(a)为4%水泥固化土的SEM图，图8(b)为4%水泥+0.3 L/m3自修复固化土的SEM图。从图8可见，养护7 d之后两类固化土SEM图中均存在大量的纤维状物质联结着土颗粒，在土骨架内部形成交叉贯穿的空间网络结构。从图8(a)可以看出，仅添加4%水泥时，养护7 d后的试样多为棱状小颗粒物聚集而成，试样内部已产生部分水化硅酸钙凝胶黏结土颗粒，但是颗粒间的孔隙仍清晰可见，颗粒与颗粒之间比较松散。从图8(b)可以看出，添加自修复固化剂之后的固化土，多为圆状大颗粒聚集而成，粒与粒之间孔隙明显减小，大孔隙被胶结填充。水泥与自修复固化剂生成的胶结物质相互搭接，形成了强度更高、孔隙率更小的交互空间结构。

图8 龄期为7 d的两种固化土的SEM图Fig.8 SEM images of two solidified soils aged 7 days

4%水泥+0.3 L/m3自修复固化土在养护7 d破坏，自修复前后的SEM图像如图9所示。可以发现，在固化土自修复7 d之后，土颗粒较之前结合地更加紧密，土颗粒之间的孔隙较自修复前显著变小，土颗粒由松散状态向团聚状结构、网状结构发展，孔隙充填、胶结的程度增加。分析原因是自修复固化剂中含有大量富含活性物质的微胶囊，当硬化后的土体受到应力开裂时，裂纹尖端的微胶囊在集中应力的作用下破裂，修复剂流出，在毛细作用下渗入土体的裂纹中，渗入裂纹中的修复剂与分散在土体材料中的固化剂相遇，抑制裂纹继续扩展，达到恢复甚至提高固化土强度的效果。7 d的自修复时间提高了土颗粒的胶结紧密程度，产生更多的胶凝物质填充破坏产生的微裂缝，在裂缝之间起桥接作用，继续为固化土提供强度。

图9 4%水泥+0.3 L/m3自修复固化土修复前后的SEM图Fig.9 SEM images of 4% cement+0.3 L/m3 self repairing solidified soil before and after repair

5 结论

通过劈裂强度试验探讨了自修复固化土的劈裂强度及破坏后的劈裂强度自修复效果，研究了水泥土与自修复固化土的水稳特性；采取“养护—加载80%—卸载—自修复养护—再加载”的方式，研究了不同自修复固化剂掺量、养护时间和自修复时间对固化土自修复效果的影响，并采用扫描电镜试验对自修复固化土进行了微观研究，得到以下结论。

(1)自修复固化剂的加入显著提升了水泥土的劈裂强度，劈裂强度的增长阶段主要在3～7 d，之后强度增长缓慢。浸水时间对自修复固化土的影响显著低于水泥土，体现出自修复固化土良好的水稳特性。

(2)养护时间越长，劈裂强度自修复效果越低。养护3 d和7 d后破坏，水泥土和自修复固化土均具备一定的劈裂强度自修复能力，养护14 d后破坏，自修复效果大部分来源于自修复固化剂，且自修复强度随自修复固化剂掺量的增加而增加。

(3)电镜扫描试验结果显示，自修复固化土多为圆状大颗粒聚集而成，孔隙较水泥土明显减小。破坏自修复7 d之后，由于微胶囊作用，土颗粒由松散状态向团聚状、网状结构发展，孔隙充填、胶结的程度增加，强度得到大幅度提升。