抗疏力固化剂改性黄土工程性质及其改性机制

第 36 卷 第 3 期
彭 宇等：抗疏力固化剂改性黄土工程性质及其改性机制
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particles coagulate with more adhering material. The volume of large，medium and small pores in loess soil are reduced slightly while the micro pores are increased obviously. The improvement mechanism of loess soil modified by consolid system is that the decrease of surface energy of loess soil enhances the water repellency and water-resisting property，the consolid system reinforces the bonding strength of the microstructure of soil particle skeleton，the weak swelling and pore filling effect of consolid system lead to good permeability of loess soil. Apart from improving the mechanical and hydraulic properties，the consolid system solve the problem of improving the water resistance property and keeping the good permeability of loess soil to some extent. Key words：soil mechanics；loess soil；consolid system；engineering properties；modified mechanism
收稿日期：2015–12–28；修回日期：2016–03–08 作者简介：彭 宇(1992–)，男，2014 年毕业于兰州大学地质工程专业，现为硕士研究生，主要从事土体加固方面的研究工作。E-mail：pengy14@。 通讯作者：张虎元(1963–)，博士，现任教授。E-mail：zhanghuyuan@ DOI：10.13722/ki.jrme.2015.1782
工简便、工效高、进度快、造价降低的优点[10-11]， 此外，抗疏力固化剂的经济优势还体现在施工及后 期维护上[12-15]。国内外对抗疏力固化剂改性黏土的 研究主要集中在：合理掺量[11-12]、最优含水率与最 大干密度[11，13]、液塑限[12，14]、养护时间[15-16]、无侧 限抗压强度及抗压回弹模量[13，17]、膨胀率与收缩 率[16，18]、CBR 值以及劈裂强度[18-19]，耐久性[20]等 方面，得出抗疏力改性黏土具有掺量小、早期强度 高、抗压回弹模量大、CBR 值以及劈裂强度均明显 提高、膨胀率减小、耐久性优于石灰改性黏土等一 系列较好的性能。基于抗疏力固化剂改性黏土良好 的工程性质，结合我国黄土广泛分布的国情，部分 研究者尝试将抗疏力固化剂引入中国黄土的加固 中[7，10，14，21]。黄土地区道路工程实践发现，道路行 车一年后完整性好于传统工艺，投资费用较传统工艺 低 20%左右[10]。在室内研究方面，抗疏力固化剂能 明显降低黄土干缩性、膨胀性，强度明显提高[10，14，21]， 并且，研究中欣喜的发现抗疏力固化剂改性黄土的 斥水性明显提高，而黄土本身良好的通透性又得以 保留[7]，即抗疏力固化剂有望在提高黄土强度、水 理性质的基础上，一定程度实现了黄土抗水性、阻 水性与保留通透性之间相统一。然而，抗疏力固化 剂改性黄土工程性质下的微观作用机制尚不明确。 本文在现有抗疏力固化剂改性黄土研究基础上，补 充部分工程性质试验，进一步开展微观研究，分析 加固黄土土颗粒表面能、矿物成分、孔隙充填情况、 微观结构的变化，探究抗疏力固化剂改性黄土的微 观作用机制。研究对抗疏力固化剂在黄土加固工程 中的应用具有一定参考价值。
第 36 卷 第 3 期 2017 年 3 月
岩石力学与工程学报 Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering
Vol.36 No.3 March，2017
抗疏力固化剂改性黄土工程性质及其改性机制
彭 宇 1，张虎元 1，2，林澄斌 1，王学文 1，杨 龙 1
抗疏力固化剂是为稳固土壤而开发的新型商用 固化材料，包括水剂 C444 以及粉剂 SD。该固化剂 来源于瑞士，配方保密，主要针对黏性土壤而研发， 可以加速黏性土壤的再石化进程[8]。抗疏力产品于 2000 年前后被引入我国，经国内多家单位检测确定 为环保产品[9]，改性土生态、环保功能良好，毁损 后重新拌合即可再次使用，用于道路工程上具有施
水理性质的基础上，还一定程度上解决了传统固化剂在提高阻水性的同时通透性降低的矛盾。
关键词：土力学；黄土；抗疏力固化剂；工Байду номын сангаас性质；改性机制
中图分类号：TU 411
文献标识码：A
文章编号：1000–6915(2017)03–0762–11
Engineering properties and improvement mechanism of loess soil modified by consolid system
分析土样土颗粒表面能、矿物成分、微观结构、孔隙充填情况以探究改性机制。试验结果表明：抗疏力固化剂改
性黄土强度、抗崩解性显著提高，渗透性略有降低。水滴入渗试验显示抗疏力改性黄土土颗粒表面自由能极大降
低，斥水性明显优于水泥、石灰改性土；不同抗疏力固化剂添量土样 X 衍射图谱中物象群峰基本相同；SEM 图
像显示随抗疏力固化剂掺量提高，黄土中粉土颗排列方式基本不变，细小黏附物发生凝聚，附着物略有增多；压
汞数据显示抗疏力改性黄土中大、中、小孔隙体积均略有减小，微孔隙明显增多。初步得出抗疏力改性黄土的机
制在于：降低土颗粒表面能以提高阻水、抗水性；抗疏力物质包裹土颗粒及细小黏土颗粒发生凝聚来连结土颗粒，
强化骨架颗粒连结强度；抗疏力材料膨胀挤密作用较弱，改性黄土通透性好。抗疏力固化剂在改善黄土力学性质、
2 试验材料及方法
2.1 试验材料 试验用土为兰州市皋兰山 Q3 黄土。基本物理参
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岩石力学与工程学报
2017 年
数见表 1。黏性土壤具有可石化的特征，抗疏力固 化剂不同于一般的化学反应剂和黏合剂，其在土壤 中的作用相当于催化剂或活化剂，能够促进黏性土 壤在高压和长时间作用下石化的倾向，加速土壤石 化进程[12]。抗疏力固化剂包括水剂 C444 以及粉剂 SD。水剂 C444 属于电离子溶液类固化剂，是一种 有机化学物质，略显酸性(pH = 6)，具有氨味，能破 坏黏性土壤细小颗粒附着的水膜，导致细小的颗粒 发生不可逆转的凝聚。粉剂 SD 属于高聚物类固化 剂，是一种有机粉末状化学物质，其成分具有脱水 收缩及长久保持作用，SD 覆盖在载体上，能进一 步增加对处理后土壤的保护，抵抗水的软化作用，并 增加土壤特殊的黏合特性[8，13]。试验所用水泥为强 度等级为 42.5 的普通硅酸盐水泥，石灰为 CaO 含 量≥98%的生石灰。
energy of soil particles is reduced greatly and the water repellency ability is obviously better than that of cement or lime modified loess soil. The phase peak groups are basically same in the X-ray diffraction patterns. The silt particle arrangement of loess soil remains unchanged with the increase of consolid system content，but the fine
1引言
黄土在我国分布广泛，具有大孔隙结构，颗粒 分布较均匀，常具有较强湿陷性，化学加固法是黄 土加固的重要方法[1-2]。传统化学固化材料(如：石 灰、水泥、粉煤灰、水玻璃等)在较好的改良土体的 力学性质、水理性质同时，往往填充挤密作用较强[3]， 通过阻断连通孔隙来提高阻水性的同时，土体内部 通透性也相应降低。由于掺量、施工工艺等原因， 传统固化剂生成物被动的封堵作用难以全部封闭土 体内部连通孔隙，土体内部仍然存在毛细吸水现象[4]， 而封堵作用在降低通透性的同时，易导致内部湿气 难以迅速排出，不利于维持黄土内部干燥状态。在 提高黄土强度、水理性质的基础上，往往难以实现 阻水性与保留通透性之间相统一。我国西北广泛分 布以黄土为本体的土遗址，采用传统固化材料修复 土遗址被动地以降低通透性来提高土体阻水性，并 不能有效阻挡遗址土吸收潮湿水汽，且内部通透性 降低导致雨季的潮湿水汽排出缓慢，可能引起遗址 内部潮湿劣化[5]；同时，通透性的降低潜在提高了 改性土的热传导能力[6]，导致改性土与内部未加固 土热传导变形的协调性变差。对于一般不长浸水的 黄土工程，在提高黄土强度、水理性质的基础上， 实现阻水性与保留通透性之间相统一也可以通过更 长时间维持黄土内部干燥状态，从而提高其使用性 能[7]。
PENG Yu1，ZHANG Huyuan1，2，LIN Chengbin1，WANG Xuewen1，YANG Long1
(1. School of Civil Engineering and Mechanics，Lanzhou University，Lanzhou，Gansu 730000，China；2. Key Laboratory of Mechanics on Disaster and Environment in Western China，Ministry of Education，Lanzhou University，Lanzhou，Gansu 730000，China)