納米固化劑配比設計及固土力學性能研究

王立鵬， 王金昌

（浙江大學交通工程研究所，杭州 310030）

0 引言

杭州地區軟土具有天然含水量高、壓縮性高、承載力低的特點［1］，給工程施工造成了不利的影響，因此將浙江省地區的軟土進行固化處理，可以在提升軟土地基路用性能的同時，提高道路路基結構的均勻性，緩解道路不均勻沉降的問題。

現有的研究發現粉煤灰和脫硫石膏與水泥、基土經過一系列物理化學反應后，能夠生成膠體填充在土體縫隙中，進而顯著提高固化土的物理力學性能［2-5］，但工程實踐表明，此類水泥固化土存在早期強度不高的問題，選擇適宜的外加劑改善固化土性能是解決這些問題的重要途徑。

納米材料能夠在保證固化土力學性能的基礎上，提高固棄物的利用率。同時由于高嶺土的標準化以及成分的相似性，其可作為一種代替黏土的試驗材料來進行模擬［6］，為此文中將以高嶺土為代表，研究濱海地區軟土固化劑配比和固化劑摻量對固化土路用性能指標的影響規律，為固化土的應用提供參考建議。

1 試驗材料及試樣制備

1.1 試驗材料

試驗用土選用標準高嶺土進行試驗，取土后按照規范要求進行了液塑限試驗、標準固結試驗和擊實試驗等，測定其物理指標如表1所示，土樣電鏡微觀樣貌如圖1所示。

圖1 高嶺土微觀形貌

表1 試驗土物理性質指標

水泥選用P·O42.5普通硅酸鹽水泥，指標符合GB 175-2007評定所測項目，具體指標見下表2，其他工業廢渣外加劑粉煤灰選用F類II級灰，其化學成分主要是Al2O3和SiO2，微觀形態呈現均勻球形顆粒狀，石膏選用脫硫石膏，其主要成分為SO3和CaO，微觀形態為不均勻多面體形狀。

表2 水泥物理性質指標

研究所用納米碳酸鈣，材料多呈現聚集態，整體表現為絮狀，顆粒尺寸在60nm左右。所購納米碳酸鈣純度達到了98%以上，比表面積比普通輕質碳酸鈣大8倍以上，同時表面經過活化處理，活性度達到99%以上，為實驗室級高純度、高活性納米材料。

1.2 試樣制備

根據《公路工程無機結合料穩定材料試驗規程》［7］選取尺寸（直徑×高）50mm×50mm的試模進行試驗，試件制備前一天將試驗基土、粉煤灰、脫硫石膏進行充分混合，放入塑料袋中悶料備用；在試件成型前1h內，在混合料中加入各摻量預定數量的水泥、納米碳酸鈣和水，使混合料達到最佳含水量，試模壓入過程采用靜力壓實法，試件在脫模機上進行脫模后，立即放到塑料袋中進行封閉，并用潮濕的毛巾覆蓋，移放到標準養護室進行試件養護。

2 配比試驗及結果分析

2.1 正交分析試驗

為方便研究固化劑中不同外加劑對試件性能的影響效果，利用正交性選擇均勻分散、能代表因素水平作用的點進行試驗，通過正交試驗可以較為全面地獲取因素水平對無側限抗壓強度的影響，同時合理減少試驗次數［8］。

由于固化土中水泥的水化反應對固化土強度提升起到主要作用，而粉煤灰和脫硫石膏主要起到促進水化作用的進行，納米碳酸鈣用量較小同時作為誘導早期水化進程的成核位點，故利用正交試驗對固化劑配合比進行設計時，選擇水泥含量（X）、粉煤灰與脫硫石膏比例（Y）和納米碳酸鈣與水泥比例（Z）三個因素對試件無側限抗壓強度的影響，每個因素分別設置三個水平，故采取L9（34）正交表，通過三個因素的不同比例水平正交獲取9個配合比，具體的固化劑配合比正交設計表如表3所示。表3中均表示質量比，其中水泥含量為水泥與總固化劑之比。

表3 固化劑配合比正交試驗表

根據規范設置無側限抗壓強度試驗，每個配合比設置6個平行試驗，以獲取固化土試件3d和7d的測試結果，其變異系數均在規范要求的范圍內，計算平行試件的無側限抗壓強度值見表4，通過分析固化土7d無側限抗壓強度實驗結果可得到正交試驗極差分析結果，見表5。

表4 固化劑配合比設計無側限抗壓強度值 MPa

表5 固化劑配合比設計極差分析結果

根據極差分析結果可知，水泥含量對固化土試件7d無側限抗壓強度影響最大，納米碳酸鈣與水泥的比例其次。當水泥含量越高時，試件內的水化反應更劇烈。將生成更多的凝聚物，增大土體間的黏結力，而納米碳酸鈣的超細微和高流動性，填充了早期固化土土顆粒間的空隙，對固化土試件早期強度的提升有一定影響。

2.2 單摻試驗

通過正交試驗的分析結果，粉煤灰與脫硫石膏比例對強度影響結果較小，故可以取試驗最優值，固定比例系數為0.2。首先控制水泥摻量不變，納米碳酸鈣與水泥的比例由0.02變化為0.05，獲取固化土試件7d的測試結果，其變異系數均在規范要求的范圍內，具體強度指標見圖2。

圖2 控制變量試驗7d無側限強度值（納米碳酸鈣）

7d無側限抗壓強度值隨著比例的增大呈現先增大后減小的趨勢，范圍值在0.563～0.627之間，約在納米碳酸鈣含量位于1%～2%區間內達到最大值。分析是因為納米碳酸鈣具備超細微和高流動性的特點，在材料內部能夠起到空隙填充的作用，同時也能作為成核位點促進早期水化反應，但隨著納米碳酸鈣含量的增加，空隙填充作用達到臨界值，同時納米碳酸鈣疏水性使得其對分散性產生了抑制作用［9］，納米碳酸鈣的選用存在一個最優值，最終確定納米碳酸鈣與水泥的比例為0.3。

隨后控制其他因素比例不變，將水泥摻量由0.5變化到1，考慮經濟性和適用條件，選擇最優配合比，具體強度指標見圖3。

圖3 控制變量試驗7d無側限強度值（水泥）

7d無側限抗壓強度值值同樣隨著比例的增大呈現先增大后減小的趨勢，7d無側限抗壓強度范圍值在0.52～0.57之間，約在納米碳酸鈣含量位于0.6區間內達到最大值，分析原因隨著水泥摻量的增加，固化土中因水化反應而生成的水化產物增加，進而引起固化土強度的增長，但隨著水泥摻量的增加，固化劑中粉煤灰、石膏等材料含量減小，對水化反應的促進作用減弱，水化反應進行不充分，導致固化土的早期強度不高。結合正交試驗和控制變量試驗的試驗結果，最終確定固化劑最優配合比，固化劑各組分質量比為水泥：粉煤灰：脫硫石膏：納米碳酸鈣=300：32：159：9。

3 力學試驗及結果分析

3.1 無側限抗壓試驗

為研究摻量和水泥齡期對固土無側限抗壓強度的影響，設置摻量梯度為6%、10%、14%和18%，分別在標準養護條件下養生7d、14d和28d的試件取出后，在DTS-30多功能試驗機上進行抗壓測試，根據規范要求，選擇測試速度為1mm/min，無側限抗壓強度試驗結果見圖4。

圖4 無側限抗壓強度與固化劑摻量關系

隨著固化劑摻量的增加，固化土無側限抗壓強度隨之增大。對于7d無側限抗壓強度，10%、14%和18%固化劑摻量下的無側限抗壓強度分別為6%固化劑摻量的1.23倍、1.46倍和1.68倍；對于14d無側限抗壓強度，10%、14%和18%固化劑摻量下的無側限抗壓強度分別為6%固化劑摻量的1.27倍、1.45倍和1.73倍；對于28d無側限抗壓強度，10%、14%和18%固化劑摻量下的無側限抗壓強度分別為6%固化劑摻量的1.36倍、1.53倍和1.87倍；由此可知，當固化劑摻量增加時，固化土無側限抗壓強度發展速度也在加快。

隨著養護齡期的增加，不同配比無側限抗壓強度也在增加。其中14d無側限抗壓強度約為7d抗壓強度的1.04～1.08倍，28d無側限抗壓強度約為7d抗壓強度的1.07～1.20倍，根據結果可以看出來，納米固化土抗壓強度前期增長程度要遠大于后期增長的，7d無側限抗壓強度能夠達到28d無側限抗壓強度的85%左右。固化土養護齡期越長，固化劑中以水泥為主的水化反應越充分，從而表現出更大的無側限抗壓強度，通過分析強度結果可知，隨著養護齡期的增加，固化土無側限抗壓強度發展速度變慢。

3.2 間接拉伸強度試驗

為了獲得不同齡期和不同固化劑摻量下固化土的抗拉強度，根據規范要求，為了固定試件，試驗按照規范要求選取間接拉伸試驗夾具，其他試驗方法與無側限抗壓試驗相同。

根據間接抗拉試驗的試驗結果，固化土間接抗拉強度隨固化劑摻量的增加而增大，以28d間接抗拉強度為例，固化劑摻量由6%變化為18%時，強度由0.07MPa增長到0.128MPa，10%、14%和18%固化劑摻量下的間接抗拉強度分別為6%固化劑摻量的1.37倍、1.47倍和1.82倍；同時隨著養護齡期的增加，固化土的間接抗拉強度也在增加，其中14d間接抗拉強度約為7d抗拉強度的1.09～1.25倍，28d間接抗拉強度約為7d抗拉強度的1.27～1.43倍。分析原因，生成的水化產物不但使得固化土土壤顆粒間隙減小、密實度增加，而且水化產物本身的機械咬合作用也對固化土試件的間接拉伸強度起到重要影響。

3.3 強度對比分析

通過統計不同固化劑摻量和不同齡期的無側限壓縮強度fc及間接拉伸強度ft可以得到兩者的數據對比如表5所示。

表5 無側限抗壓強度與間接抗拉強度對比

為了更便于研究固化土無側限抗壓強度與間接拉伸強度之間的關系，文中給出了兩者的擬合曲線和對應的曲線參數，如圖5所示。

圖5 間接拉伸強度與固化劑摻量關系

圖5 無側限抗壓強度與間接拉伸強度關系

根據曲線可知，固化土無側限抗壓強度基本與間接拉伸強度保持正比例關系，故可以采用正比例函數進行擬合，擬合公式如式1，其中t為線性擬合參數。

擬合得到各齡期無側限抗壓強度與間接拉伸強度參數如表6所示，其中R2表示相關系數，其越接近1，說明擬合效果越好。

從表6線性關系來看，不同齡期下的試件均滿足，無側限抗壓強度值越大對應的間接拉伸強度值越大的規律，當固化土齡期由7d增大到28d，線性關系斜率值在0.136～0.148之間變化。這是由于固化劑中水泥發生水化反應生成的C-S-H凝膠結構為強度較大的網狀結構，隨著水化反應的進行，水化產物對試件的壓縮、拉伸強度均有明顯提升，但由于固化土受壓時壓力主要由膠凝結構和土顆粒共同承擔，而受拉強度基本由膠凝結構提供，因此抗拉強度仍遠小于抗壓強度，但與軟土相比已有較大提升。

表6 無側限抗壓強度與間接拉伸強度關系曲線參數

4 結語

文中以水泥作為主固化劑，以納米碳酸鈣和其他固棄物作為外加劑，進行了固化土的固化劑配合比設計，獲取最優配合比后，研究了不同固化劑摻量和不同齡期下固土的無側限抗壓強度和間接拉伸強度值，并分析了兩者關系并進行了擬合。

（1） 對納米固化劑進行配方設計，通過正交試驗和單摻試驗最終確定固化劑最優配合比，固化劑各組分質量比為水泥：粉煤灰：脫硫石膏：納米碳酸鈣=300：32：159：9。

（2） 隨著摻量和齡期的增加，固化土無側限抗壓強度和間接拉伸強度隨之增大，納米固化土強度前期增長程度要遠大于后期增長程度，7d無側限抗壓強度能夠達到28d無側限抗壓強度的85%左右。

（3） 固化土無側限抗壓強度基本與間接拉伸強度保持正比例關系，從線性關系來看，不同齡期下的試件均滿足，無側限抗壓強度值越大對應的間接拉伸強度值越大的規律，線性關系斜率值在0.136～0.148左右。