2.2.1 3种不同固化剂固土强度
以12%掺量为例,研究3种不同固化剂N-MBER,MBER和32.5号水泥对黄土抗压强度的影响,在相同试验条件下进行制样并进行同期养护,养护到期后分别将3种固化剂重构土体N-SS(纳米固化土)、SS(普通固化土)和CM(水泥土)进行无侧限抗压强度试验,结果见图6。
由图6可知,在相同掺量(12%)下,3种固化剂重构土体中N-SS各龄期无侧限抗压强度最高,分别为2.75,3.33,4.77 MPa,高于SS的10%~13%,高于CM的20%~40%。上述结果表明:N-MBER重构土体的强度优于MBER和32.5号水泥。由此可见,N-MBER是一种对黄土力学性能提升更显著的固化剂材料,其固化效果优于普通固化土和32.5号水泥土。
2.2.2 吸水率、干密度与固化土强度关系
由于吸水率和干密度对与常规水泥基类固化土的强度变化密切相关[17-18],因此结合3种不同固化剂重构土体的无侧限抗压强度结果,以12%固化剂掺量为例,对3种重构土体在不同养护龄期的吸水率和干密度进行分析,给出不同固化土试件无侧限抗压强度和吸水率及干密度的关系。图7为3种固化剂重构土体无侧限抗压强度和吸水率的关系,由图7可知,CM各龄期的吸水率为1%~6%,SS各龄期吸水率为3%~6%,而N-SS的吸水率可达4%~6%,说明在重构土体的水化过程中N-SS整体吸水率更高,而随着吸水率WA的增加,土体无侧限抗压强度E1逐渐增大,故而N-SS的抗压强度高于SS和CM。
图8为3种固化剂重构土体无侧限抗压强度和干密度的关系,由图8可知,随着干密度的增大,SS和CM重构土体的抗压强度逐渐增大,90 d养护龄期内抗压强度的最大值对应的干密度为1.71~1.72 g/cm3,相比之下N-SS重构土体各龄期的干密度更趋近于最大干密度,故而N-SS的抗压强度在各龄期都表现更好。
2.2.3 不同固化土颗粒组成及微观结构
为了定量分析不同土壤固化剂对黄土的固结效果,利用马尔文激光粒度仪分别对养护7,28,90 d的N-SS,SS和CM试件进行颗粒粒径分析,通过对比不同固化土颗粒粒径的分布规律,对3种不同固化土的微观结构进行表征。不同龄期、不同掺量的3种固化土颗粒粒径分布见图9。
图9A—C分别为不同重构土体在各个龄期下的颗粒粒径分布图,其中N-SS重构土体在各龄期和掺量下,其粒径分布规律基本一致。12%掺量下的N-SS重构土体在各龄期的平均粒径均为最小,分别为34.75,32.11,38.83 μm,比同掺量的SS和CM重构土体小30%~60%,颗粒粒径数据见表4。表4为马尔文激光法测得的固化土颗粒单位质量表面积和中值粒径,由表4还可看到,在7,28,90 d的养护龄期下,各组次的重构土体中12%掺量下的N-SS比表面积最大,分别达到0.561,0.582,0.462 cm2/g,比同掺量的SS和CM为30%~40%。根据土体颗粒级配分布原理[19-20],土体颗粒比表面积越大,表明颗粒尺寸越小、土体单元结构越复杂,同时土体颗粒的中值粒径也是表征颗粒尺寸的重要参数,中值粒径越小说明整体颗粒越细,均匀度越好。
在对上述3种固化剂重构土体颗粒粒径分析的基础上,采用Tyler[21]、杨培岭[22]等提出的土壤粒径分形维数D的模型,分别计算N-SS,SS和CM在7,28,90 d龄期下的土壤粒径分形维数。分形维数D的计算模型基本形式见公式(4)。
式中:d^-i为两筛分粒级第di和第di+1的平均值(di>di+1,i=1,2,3,…); d^-max为固化土颗粒的最大直径; M(δ<d^-i)表示粒径小于d^-i的体积分数; M0为固化土颗粒总体积。分别以lg(d^-i)/(d^-max),lg(M(δ<d^-i))/(M0)为横、纵坐标作双对数曲线,将各组次粒径分布数据用线性回归拟合成一条直线并计算其斜率3-D,即可求得不同固化土颗粒的分形维数D值,计算结果见表5。
由表5可知,3种重构土体在7,28,90 d养护龄期时,其颗粒的分形维数D分布在2.52~2.64,其中12%掺量下的N-SS各龄期下的分形维数均大于其他组次,分别为2.631 9,2.635 5,2.585 2,比同掺量下的SS体大0.03~0.06,比同掺量下的CM大0.05~0.06。