纳米固化剂配比设计及固土力学性能研究

王立鹏， 王金昌

（浙江大学交通工程研究所，杭州 310030）

0 引言

杭州地区软土具有天然含水量高、压缩性高、承载力低的特点［1］，给工程施工造成了不利的影响，因此将浙江省地区的软土进行固化处理，可以在提升软土地基路用性能的同时，提高道路路基结构的均匀性，缓解道路不均匀沉降的问题。

现有的研究发现粉煤灰和脱硫石膏与水泥、基土经过一系列物理化学反应后，能够生成胶体填充在土体缝隙中，进而显著提高固化土的物理力学性能［2-5］，但工程实践表明，此类水泥固化土存在早期强度不高的问题，选择适宜的外加剂改善固化土性能是解决这些问题的重要途径。

纳米材料能够在保证固化土力学性能的基础上，提高固弃物的利用率。同时由于高岭土的标准化以及成分的相似性，其可作为一种代替黏土的试验材料来进行模拟［6］，为此文中将以高岭土为代表，研究滨海地区软土固化剂配比和固化剂掺量对固化土路用性能指标的影响规律，为固化土的应用提供参考建议。

1 试验材料及试样制备

1.1 试验材料

试验用土选用标准高岭土进行试验，取土后按照规范要求进行了液塑限试验、标准固结试验和击实试验等，测定其物理指标如表1所示，土样电镜微观样貌如图1所示。

图1 高岭土微观形貌

表1 试验土物理性质指标

水泥选用P·O42.5普通硅酸盐水泥，指标符合GB 175-2007评定所测项目，具体指标见下表2，其他工业废渣外加剂粉煤灰选用F类II级灰，其化学成分主要是Al2O3和SiO2，微观形态呈现均匀球形颗粒状，石膏选用脱硫石膏，其主要成分为SO3和CaO，微观形态为不均匀多面体形状。

表2 水泥物理性质指标

研究所用纳米碳酸钙，材料多呈现聚集态，整体表现为絮状，颗粒尺寸在60nm左右。所购纳米碳酸钙纯度达到了98%以上，比表面积比普通轻质碳酸钙大8倍以上，同时表面经过活化处理，活性度达到99%以上，为实验室级高纯度、高活性纳米材料。

1.2 试样制备

根据《公路工程无机结合料稳定材料试验规程》［7］选取尺寸（直径×高）50mm×50mm的试模进行试验，试件制备前一天将试验基土、粉煤灰、脱硫石膏进行充分混合，放入塑料袋中闷料备用；在试件成型前1h内，在混合料中加入各掺量预定数量的水泥、纳米碳酸钙和水，使混合料达到最佳含水量，试模压入过程采用静力压实法，试件在脱模机上进行脱模后，立即放到塑料袋中进行封闭，并用潮湿的毛巾覆盖，移放到标准养护室进行试件养护。

2 配比试验及结果分析

2.1 正交分析试验

为方便研究固化剂中不同外加剂对试件性能的影响效果，利用正交性选择均匀分散、能代表因素水平作用的点进行试验，通过正交试验可以较为全面地获取因素水平对无侧限抗压强度的影响，同时合理减少试验次数［8］。

由于固化土中水泥的水化反应对固化土强度提升起到主要作用，而粉煤灰和脱硫石膏主要起到促进水化作用的进行，纳米碳酸钙用量较小同时作为诱导早期水化进程的成核位点，故利用正交试验对固化剂配合比进行设计时，选择水泥含量（X）、粉煤灰与脱硫石膏比例（Y）和纳米碳酸钙与水泥比例（Z）三个因素对试件无侧限抗压强度的影响，每个因素分别设置三个水平，故采取L9（34）正交表，通过三个因素的不同比例水平正交获取9个配合比，具体的固化剂配合比正交设计表如表3所示。表3中均表示质量比，其中水泥含量为水泥与总固化剂之比。

表3 固化剂配合比正交试验表

根据规范设置无侧限抗压强度试验，每个配合比设置6个平行试验，以获取固化土试件3d和7d的测试结果，其变异系数均在规范要求的范围内，计算平行试件的无侧限抗压强度值见表4，通过分析固化土7d无侧限抗压强度实验结果可得到正交试验极差分析结果，见表5。

表4 固化剂配合比设计无侧限抗压强度值 MPa

表5 固化剂配合比设计极差分析结果

根据极差分析结果可知，水泥含量对固化土试件7d无侧限抗压强度影响最大，纳米碳酸钙与水泥的比例其次。当水泥含量越高时，试件内的水化反应更剧烈。将生成更多的凝聚物，增大土体间的黏结力，而纳米碳酸钙的超细微和高流动性，填充了早期固化土土颗粒间的空隙，对固化土试件早期强度的提升有一定影响。

2.2 单掺试验

通过正交试验的分析结果，粉煤灰与脱硫石膏比例对强度影响结果较小，故可以取试验最优值，固定比例系数为0.2。首先控制水泥掺量不变，纳米碳酸钙与水泥的比例由0.02变化为0.05，获取固化土试件7d的测试结果，其变异系数均在规范要求的范围内，具体强度指标见图2。

图2 控制变量试验7d无侧限强度值（纳米碳酸钙）

7d无侧限抗压强度值随着比例的增大呈现先增大后减小的趋势，范围值在0.563～0.627之间，约在纳米碳酸钙含量位于1%～2%区间内达到最大值。分析是因为纳米碳酸钙具备超细微和高流动性的特点，在材料内部能够起到空隙填充的作用，同时也能作为成核位点促进早期水化反应，但随着纳米碳酸钙含量的增加，空隙填充作用达到临界值，同时纳米碳酸钙疏水性使得其对分散性产生了抑制作用［9］，纳米碳酸钙的选用存在一个最优值，最终确定纳米碳酸钙与水泥的比例为0.3。

随后控制其他因素比例不变，将水泥掺量由0.5变化到1，考虑经济性和适用条件，选择最优配合比，具体强度指标见图3。

图3 控制变量试验7d无侧限强度值（水泥）

7d无侧限抗压强度值值同样随着比例的增大呈现先增大后减小的趋势，7d无侧限抗压强度范围值在0.52～0.57之间，约在纳米碳酸钙含量位于0.6区间内达到最大值，分析原因随着水泥掺量的增加，固化土中因水化反应而生成的水化产物增加，进而引起固化土强度的增长，但随着水泥掺量的增加，固化剂中粉煤灰、石膏等材料含量减小，对水化反应的促进作用减弱，水化反应进行不充分，导致固化土的早期强度不高。结合正交试验和控制变量试验的试验结果，最终确定固化剂最优配合比，固化剂各组分质量比为水泥：粉煤灰：脱硫石膏：纳米碳酸钙=300：32：159：9。

3 力学试验及结果分析

3.1 无侧限抗压试验

为研究掺量和水泥龄期对固土无侧限抗压强度的影响，设置掺量梯度为6%、10%、14%和18%，分别在标准养护条件下养生7d、14d和28d的试件取出后，在DTS-30多功能试验机上进行抗压测试，根据规范要求，选择测试速度为1mm/min，无侧限抗压强度试验结果见图4。

图4 无侧限抗压强度与固化剂掺量关系

随着固化剂掺量的增加，固化土无侧限抗压强度随之增大。对于7d无侧限抗压强度，10%、14%和18%固化剂掺量下的无侧限抗压强度分别为6%固化剂掺量的1.23倍、1.46倍和1.68倍；对于14d无侧限抗压强度，10%、14%和18%固化剂掺量下的无侧限抗压强度分别为6%固化剂掺量的1.27倍、1.45倍和1.73倍；对于28d无侧限抗压强度，10%、14%和18%固化剂掺量下的无侧限抗压强度分别为6%固化剂掺量的1.36倍、1.53倍和1.87倍；由此可知，当固化剂掺量增加时，固化土无侧限抗压强度发展速度也在加快。

随着养护龄期的增加，不同配比无侧限抗压强度也在增加。其中14d无侧限抗压强度约为7d抗压强度的1.04～1.08倍，28d无侧限抗压强度约为7d抗压强度的1.07～1.20倍，根据结果可以看出来，纳米固化土抗压强度前期增长程度要远大于后期增长的，7d无侧限抗压强度能够达到28d无侧限抗压强度的85%左右。固化土养护龄期越长，固化剂中以水泥为主的水化反应越充分，从而表现出更大的无侧限抗压强度，通过分析强度结果可知，随着养护龄期的增加，固化土无侧限抗压强度发展速度变慢。

3.2 间接拉伸强度试验

为了获得不同龄期和不同固化剂掺量下固化土的抗拉强度，根据规范要求，为了固定试件，试验按照规范要求选取间接拉伸试验夹具，其他试验方法与无侧限抗压试验相同。

根据间接抗拉试验的试验结果，固化土间接抗拉强度随固化剂掺量的增加而增大，以28d间接抗拉强度为例，固化剂掺量由6%变化为18%时，强度由0.07MPa增长到0.128MPa，10%、14%和18%固化剂掺量下的间接抗拉强度分别为6%固化剂掺量的1.37倍、1.47倍和1.82倍；同时随着养护龄期的增加，固化土的间接抗拉强度也在增加，其中14d间接抗拉强度约为7d抗拉强度的1.09～1.25倍，28d间接抗拉强度约为7d抗拉强度的1.27～1.43倍。分析原因，生成的水化产物不但使得固化土土壤颗粒间隙减小、密实度增加，而且水化产物本身的机械咬合作用也对固化土试件的间接拉伸强度起到重要影响。

3.3 强度对比分析

通过统计不同固化剂掺量和不同龄期的无侧限压缩强度fc及间接拉伸强度ft可以得到两者的数据对比如表5所示。

表5 无侧限抗压强度与间接抗拉强度对比

为了更便于研究固化土无侧限抗压强度与间接拉伸强度之间的关系，文中给出了两者的拟合曲线和对应的曲线参数，如图5所示。

图5 间接拉伸强度与固化剂掺量关系

图5 无侧限抗压强度与间接拉伸强度关系

根据曲线可知，固化土无侧限抗压强度基本与间接拉伸强度保持正比例关系，故可以采用正比例函数进行拟合，拟合公式如式1，其中t为线性拟合参数。

拟合得到各龄期无侧限抗压强度与间接拉伸强度参数如表6所示，其中R2表示相关系数，其越接近1，说明拟合效果越好。

从表6线性关系来看，不同龄期下的试件均满足，无侧限抗压强度值越大对应的间接拉伸强度值越大的规律，当固化土龄期由7d增大到28d，线性关系斜率值在0.136～0.148之间变化。这是由于固化剂中水泥发生水化反应生成的C-S-H凝胶结构为强度较大的网状结构，随着水化反应的进行，水化产物对试件的压缩、拉伸强度均有明显提升，但由于固化土受压时压力主要由胶凝结构和土颗粒共同承担，而受拉强度基本由胶凝结构提供，因此抗拉强度仍远小于抗压强度，但与软土相比已有较大提升。

表6 无侧限抗压强度与间接拉伸强度关系曲线参数

4 结语

文中以水泥作为主固化剂，以纳米碳酸钙和其他固弃物作为外加剂，进行了固化土的固化剂配合比设计，获取最优配合比后，研究了不同固化剂掺量和不同龄期下固土的无侧限抗压强度和间接拉伸强度值，并分析了两者关系并进行了拟合。

（1） 对纳米固化剂进行配方设计，通过正交试验和单掺试验最终确定固化剂最优配合比，固化剂各组分质量比为水泥：粉煤灰：脱硫石膏：纳米碳酸钙=300：32：159：9。

（2） 随着掺量和龄期的增加，固化土无侧限抗压强度和间接拉伸强度随之增大，纳米固化土强度前期增长程度要远大于后期增长程度，7d无侧限抗压强度能够达到28d无侧限抗压强度的85%左右。

（3） 固化土无侧限抗压强度基本与间接拉伸强度保持正比例关系，从线性关系来看，不同龄期下的试件均满足，无侧限抗压强度值越大对应的间接拉伸强度值越大的规律，线性关系斜率值在0.136～0.148左右。