郭　梅1　姜仁安1　高延文2　王轶东3

(1:吉林交通职业技术学院,长春　130012;　2:吉林粮食集团房地产开发有限公司,长春　130051; 3:吉林省交通厅机关服务中心,长春　130000)

摘要:对液体固化剂在石灰类复合固结土中的作用进行实验研究,通过岩相分析、扫描电镜、X射线衍射分析、热重 和热差分析等测试方法,对按不同配合比混合成型的试件进行研究.通过不同试件的性能对比,确定石灰类复合固 结土的固结机理.

关键词:固化剂;石灰;基层;实验

中图分类号:TU41　文献标识码:A　文章编号:1009-1288(2008)03-0064-03

随着国民经济的快速发展,我国的道路建设规模日益扩大,交通成为推动经济发展的重要动力之一,因 此,建设既经济又耐久的高质量道路已成为当前道路专家追求的目标.新型土质固化剂应用于道路工程,提 高道路的路基、路面的内在质量,在一些发达国家已探索多年.土质固化剂作为一种新型土体加固材料,在 美、日及欧洲等国家得到广泛应用,被日本称为21世纪的土工新材料.它不仅适用范围广、性能稳定、价格低 廉,而且施工及维修都很方便,非常适合目前国内市场的需要,近年来受到了国内土木工程领域的普遍关 注[1-5].为了进一步明确土质固化剂的固化机理,笔者针对石灰类复合固结土的性能进行了试验研究.

1　实验

1·1　试验原材料

(1)土质固化剂(液体).由多种表面活性剂、酸基化合物及土质预聚体(WS)组成的、能够与土颗粒发生 化学交联作用的土质固化剂.主要由磺酸、有机酸、酸基化合物、防腐剂和土壤聚合物预聚体等化学成分组 成.

(2)石灰.

(3)粘土.其中的主要矿物为:高岭石(含铁,约45%)、石英(约30%)、长石(约15%)、水云母、CaCO3、 绿泥石及其它少量杂质矿物等(共约10%).

1·2　试件制备

将各种材料按不同配比(见表1)混合成型,养生期为7d,14d,28d,所有试体到养生期浸水1d,经50℃烘 干8h后置于干燥器中备用.

1·3　试验测试方法

采用岩相分析、扫描电镜、X射线衍射分析、热重和差热分析等测试方法对成型的试体进行研究,分析试 体的主要矿物含量的变化、晶体形貌的变化、微观结构的变化等,通过不同试件之间的比较,确定掺入土质固 化剂的石灰混合土固化机理.

2　土质固化剂对石灰混合土性能的影响

2·1　对粘土浸水的影响

1#试体是直接用水拌合粘土成型的,试体养生到期后,放入水中浸水24h.在水中,已成型的试体一放入 水中立即开始坍塌,不论养生期长与短,试体浸水坍塌的速度不变,说明水对粘土的作用与养生期无关.2# 试体采用土质固化剂水溶液拌合粘土成型的,将养生后的试体放入水中浸水24h.试体放入水中也立即开始 坍塌,但坍塌的速度较1#慢,塌落的颗粒呈细小团聚状,团聚的颗粒也较1#大.

上述实验现象说明,成型的粘土试体放入水中,水分子立即进入粘土矿物的层间,从而矿物层间距离增 大,层间作用力降低.随着水分子进一步向粘土试体内部扩散,试体就表现为从外到内的逐步坍塌.虽然两组 试体浸水后都发生坍塌现象,但坍塌的速度及塌落时团聚的颗粒大小不一样.这也就表明,土质固化剂能够 增强粘土矿物颗粒间的作用力.

2·2　对粘土矿物的影响

对不同配比的试体进行显微镜观察,其岩相分析结果见表2.

岩相分析结果表明,土质固化剂具有较强的酸性,对粘土矿物有轻微的侵蚀作用(2#,3#,5#试体),但 这种腐蚀现象没有在成型工具上发生,因此,土质固化剂还具有一定的缓蚀作用,这就有利于保护施工设备.

2·3　石灰混合土中Ca(OH)2,CaCO3的变化

3#,5#试体浸水24h后,表面有白色Ca(OH)2析出,但较4#少,且都随龄期的增加而略有减少.这是因 为石灰与固化剂以及粘土矿物都发生了化学反应,从而降低了它在试体中的含量.对5#试体养生7d,14d和 28d的试体分别进行X射线衍射分析,未能找到Ca(OH)2特征峰,这是由于样品中掺入的CaO较少,因此 CaO水化生成Ca(OH)2的相对含量很低,所以其衍射强度也很低.

对不同配比的试体做热重、差热分析,各个试体都含有一定量的强结合水、结晶水和碳酸盐见表3.对比 结果发现,所有加入石灰的试体中碳酸盐的含量都较高.这是因为石灰水化生成Ca(OH)2,Ca(OH)2在养生过程中生成了CaCO3.5#试体碳酸盐的含量表明,到了后期(28d),试体中碳酸盐的含量基本趋于稳定,因 此,养生28d后的试体中反应渐趋缓慢,最佳石灰剂量也趋于稳定.

2·4　X射线衍射分析

采用X射线衍射分析(XRD)对1#和2#试体 进行测定.结果表明,粘土主要矿物的含量有显著 的变化(见图1).当土质固化剂与2#试体中粘土 矿物作用时,粘土矿物的衍射峰低于1#试体,这是因为土质固化剂对粘土矿物晶体表面有侵蚀作用,造成矿物含量降低,这与岩相分析结果相一致.4与 5#试体各个龄期的X射线衍射分析显示,与1#,2#试体相比,矿物的相对含量有了更明显的变化,这说明, 土质固化剂与石灰、粘土的混合土相互作用,各组分间发生了显著的化学反应(参见图2),这种化学反应形 成了新的强化学键,这对增加混合土的强度是有益的.随着这种化学反应的进一步进行,固化剂混合土试体 的强度也会进一步提高.固化剂稳定土强度结果证实:(1)加了土质固化剂的试体的强度比单纯混合土的强 度高;(2)土质固化剂的试体的强度随着龄期的增长而增大.

3　结论

土质固化剂对土质的固化效果是一种综合行为,既有物理吸附和缠绕,又有化学反应,它对混合土质产 生的固化效果很有效.土质固化剂加入到石灰、粘土的混合土中的固化机理主要体现在以下几个方面:

(1)土质固化剂对粘土矿物产生侵蚀,造成矿物晶体表面缺陷,促进了石灰中与有晶格缺陷的矿物发生 化学反应.反应生成的物质依附在原晶体表面上生长,吸收原晶体的成份,形成共用边界,共用边界逐渐增多 并形成网络骨架结构.

(2)在碱性石灰以及固化剂自身引发剂的作用下,固化剂中的有机单体聚合成高聚物分子链,吸附在粘 土矿物的表面或缠绕在矿物的周围.被侵蚀的粗糙的粘土矿物表面也易于吸附和缠绕.

(3)在土质固化剂与石灰的共同作用下,混合土能够形成较致密的、水稳的、较高强度的和较稳定的网 络骨架结构.

通过以上研究证明,土质固化剂对石灰类复合固结土具有较好的固化作用.试验通过与不加固化剂结构 的比较证明:加固化剂的结构在浸水性试验中坍塌速度较慢,粘土颗粒间作用力增强;通过岩相分析表明,加 固化剂后可生成更稳定的网络骨架;通过强度试验证明,加入固化剂后试件强度比单纯混合土强度高.所以, 固化剂提高了土基的质量,使原有的石灰混合土的性能得以改善,固化效果稳定有效.

参　考　文　献

[1]　彭　波,李文瑛,戴经梁·液体固化剂加固土的研究〔J〕·西安公路交通大学学报,2001,21(1):15-18.

[2]　刘凤梧,董峰亮,李栋梁·土壤固化剂在道路基层中的应用〔J〕·市政技术,2003,21(5):308-309.

[3]　李翠华,张　路,詹长久·固化剂对土的性能影响的实验研究〔J〕·武汉大学学报(工学版),2003,16(4):92-94.

[4]　陈　胜,王　琦,岳云龙,隋　肃,吴　波·新型土壤固化剂的研究〔J〕·济南大学学报(自然科学版),2006,20(1):12-15.

[5]　黄维蓉,刘大超·QJ型土壤固化剂稳定土物理力学性能研究〔J〕·重庆交通学院学报,2003,22(3):63-67.