固化土滲透性能試驗研究

常晶明

（1.太原理工大學，山西 太原 030024；2.山西省水利建筑工程局，山西 太原 030006）

1 前言

土壤固化劑（以下簡稱“固化劑”）是一種性能優(yōu)異的復合材料，具有就地取材、施工簡單、作用廣泛、節(jié)約資源、施工快捷和節(jié)省投資等優(yōu)點。固化土的固化強度可根據(jù)摻入比進行調(diào)整，以滿足不同工程要求。土壤固化劑廣泛應用于交通工程、土木建筑、環(huán)境保護、農(nóng)田水利工程、固化處理各種污泥（包括含有廢油、油泥、重金屬、有機物的淤泥）等工程領(lǐng)域[1，2，3]。

土壤固化劑在工程中應用較多，而對其理論方面的研究相對較少。在過去的研究中，主要是針對某個具體工程，根據(jù)工程要求，在確定的配合比情況下做一些試驗，但對同一種土體，配合比發(fā)生變化時沒有進行詳細的研究或做的較少。本試驗較詳細地研究了粉土、粉砂、細砂在土壤固化劑不同摻入比或干重度情況下固化后的滲透特性[4，5]，以期為水利工程防滲提供技術(shù)依據(jù)。

2 固化土固化機理

土壤中添加土壤固化劑攪拌均勻后，在成型壓力作用下土體顆粒緊密接觸。在土壤顆粒附近，固化劑水化生成水化硅酸鈣、沸石、方鈉石及硅酸等，使黏土顆粒表面形成凝結(jié)硬化殼。固化劑的激活組分以不同方式滲入顆粒內(nèi)部，并與黏土礦物發(fā)生物理化學作用，形成水鋁酸鹽、水硅酸鹽等膠結(jié)物質(zhì)，使黏土顆粒表面產(chǎn)生不可逆凝結(jié)硬化。固化后的黏土具有水穩(wěn)性和強度穩(wěn)定性。

極性水分子和OH-進入黏土顆粒內(nèi)部空穴，使土體分散，表面積增加。這些被分散的黏土顆粒表面一般帶有負電荷，其動電電位增大，固化土中固化劑的組分可替換土體中凝聚能力低的離子，降低電位，促使黏土顆粒凝聚，同時電解質(zhì)濃度增加，膠粒雙電層減薄，有利于顆粒凝聚。

分散土體系的主要結(jié)構(gòu)連接是靠礦物與膠結(jié)物質(zhì)界面上的化學力來實現(xiàn)的，層狀硅酸鹽自身建立空間網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。固化土中的固化劑主要水化產(chǎn)物以及其與黏土礦物反應的生成物，均屬上述膠結(jié)物質(zhì)之一，能夠牢固地膠結(jié)分散的土壤顆粒，增加和加固這種網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，使之成為一個具有較高強度和穩(wěn)定性的硬化整體。

3 試樣制備與試驗方法

3.1 土樣選取

在水利工程中，可能遇到不同類型的土體，本次試驗以粉土、粉砂、細砂作為固化土的土樣。

3.2 試樣制備

土樣取回后，將土樣中的雜草、樹葉、草根等雜物篩除干凈，測出其含水量，密閉放置。試樣制備時，根據(jù)不同的配合比將土料、土壤固化劑及粉煤灰摻和攪拌均勻，最后加入所需的用水量（含水量控制在最優(yōu)含水量左右）。滲透試樣在滲透環(huán)刀中擠壓成型。

3.3 試樣養(yǎng)護

試樣擠壓成型后，放入保濕器中進行保溫保濕養(yǎng)護。養(yǎng)護期間定時在試樣表面撒水直至規(guī)定齡期后進行試驗。

4 固化土滲透性能試驗

4.1 擊實試驗

由于國內(nèi)目前尚無固化土擊實試驗標準，故本次試驗參照水利部SL237-011-1999“土工實驗規(guī)程”進行。采用輕型擊實儀確定固化土混合料的最大干密度和最優(yōu)含水量。不同土樣擊實試驗結(jié)果見表1。

表1 不同土樣擊實試驗結(jié)果

4.2 固化土滲透試驗

本次滲透試驗采用南55型滲透儀，操作步驟按照水利部SL237-011-1999“土工實驗規(guī)程”中的方法進行。

土體和固化劑固化后，生成水鋁酸鹽，含水硅酸鹽等膠凝物質(zhì)，使土顆粒表面產(chǎn)生不可逆凝結(jié)硬化。導致固化后土顆粒狀態(tài)與原始狀態(tài)不一致，其滲透特性會發(fā)生變化。

各類固化土滲透系數(shù)與齡期及摻入比的關(guān)系分別見表2、表3和表4。

表2 粉土試驗結(jié)果

表3 粉砂試驗結(jié)果

表4 細砂試驗結(jié)果

5 實際工程應用

太原市森林公園是太原市環(huán)城水系的一部分，2003年建成使用。該工程使用了土工膜、漿砌石、混凝土、固化劑等防滲材料，根據(jù)水利工程定額對各種防滲材料進行分析比較，固化土比預制混凝土板、現(xiàn)澆混凝土防滲成本降低約40%，比漿砌石降低約30%，比使用土工膜降低20%。使用至今，固化土各力學性能能夠滿足工程需要。固化土可就地取材，不需從別處運來土、砂、石等建筑材料，也不破壞生態(tài)環(huán)境，具有明顯的經(jīng)濟效益和社會效益。

6 結(jié)語

通過對固化土滲透特性能的試驗，并對其結(jié)果進行分析和硬化機理進行探討后，得出如下結(jié)論：

第一，固化土的滲透系數(shù)與齡期關(guān)系明顯。隨著齡期的增長，滲透系數(shù)明顯變小。

第二，在同一齡期下，滲透系數(shù)隨固化劑摻入比的變化顯著，摻入比愈大，滲透系數(shù)愈小，反之，滲透系數(shù)愈大。

第三，試驗得到的固化土滲透系數(shù)試驗數(shù)據(jù)可為實際工程提供依據(jù)。該試驗數(shù)據(jù)已在太原市森林公園人工湖尾水渠工程得到實踐檢驗。

第四，固化劑在固化時所用的土料、砂、石等建筑材料可就地取材，既保護環(huán)境，又降低成本。

第五，試驗中還用中砂進行試驗，所得結(jié)果與本文試驗所取土樣有相同規(guī)律。

［1］梁文全，何真，李亞杰.土壤固化劑的性能及固化機理的研究[J].武漢水利大學電力學報，1995，28（6）：675-679.

［2］張海燕，張傳森，李元婷.采用土壤固化劑改善渠道基土性能初探[J].水利與建筑工程學報，2003，1（2）：38-40.

［3］張海燕，韓蘇建，李元婷.土壤固化劑用于渠道防滲工程初探[J].水土保持通報，2004，1（1）：40-42.

［4］段海龍，呂靖.土壤固化劑無側(cè)限抗壓強度試驗研究[J].應用化工，2002，31（2）：39-40.

［5］董邑寧，張青娥.固化土強度特性試驗研究[J].科技通報，2003，19（6）：477-480.