不同固化劑對砂質(zhì)泥巖固化效果的對比試驗(yàn)研究

吳 丹，何 鑫(西南科技大學(xué)土木工程與建筑學(xué)院，四川綿陽 621000)

不同固化劑對砂質(zhì)泥巖固化效果的對比試驗(yàn)研究

吳 丹，何 鑫
(西南科技大學(xué)土木工程與建筑學(xué)院，四川綿陽 621000)

通過在砂性泥巖中分別摻入無機(jī)固化劑、有機(jī)固化劑、無機(jī)有機(jī)混合固化劑，研究了不同固化劑對砂性泥巖的固化效果。試驗(yàn)結(jié)果表明：僅摻入有機(jī)固化劑的固化土水穩(wěn)性差，摻入無機(jī)固化劑后，固化土水穩(wěn)性增強(qiáng)；有機(jī)固化劑-乙5+3 %水泥固化土的水穩(wěn)性及強(qiáng)度最好，其次分別是3 %水泥+3 %石灰固化土和3 %水泥固化土。

土壤固化劑；抗壓強(qiáng)度；水穩(wěn)定性；對比試驗(yàn)

為提高公路路基、邊坡及建筑物地基等土工工程的穩(wěn)定性，提高經(jīng)濟(jì)及環(huán)境效益，國內(nèi)外十分重視對土壤固化劑的研究。土壤固化劑具有提高土體承載能力、減小變形、防滲、防裂、增加穩(wěn)定性及對環(huán)境友好等優(yōu)點(diǎn)。20世紀(jì)70年代起美國等國家就對土壤固化劑進(jìn)行了研究并廣泛應(yīng)用于道路、水利工程、環(huán)境保護(hù)等各個(gè)工程領(lǐng)域。20世紀(jì)90年代, 我國開始引進(jìn)和研制土壤固化劑，也取得了一些進(jìn)展，但針對砂質(zhì)泥巖土壤研究較少，因此本文對不同固化劑對砂質(zhì)泥巖的加固效果進(jìn)行對比研究。

1 固化劑的分類

按照固化劑成分及固化機(jī)理，土壤固化劑可以分為無機(jī)固化劑、高分子類固化劑、生物酶類固化劑和有機(jī)類固化劑四類。

無機(jī)固化劑，一般由水泥、石灰、各類礦渣、煤矸石等單獨(dú)或按一定比例混合組成。

高分子類固化劑包括焦油、樹脂、瀝青、丙烯酸鈣和糖醛苯胺等，它與土壤中的礦物質(zhì)混合反應(yīng)形成具有較高的早期強(qiáng)度、耐水性的膠合體，但該膠合體易受時(shí)間及周圍環(huán)境影響，老化趨勢明顯，后期強(qiáng)度及耐水性均會(huì)隨時(shí)間下降。

生物酶類固化劑有輕微的發(fā)酵味，是有機(jī)物質(zhì)發(fā)酵而成，多為液態(tài)，且無毒、不燃燒。生物酶加固后土體密實(shí)度、耐水性提高，對環(huán)境無副作用。

有機(jī)類固化劑一般呈液態(tài)，摻入有機(jī)類固化劑后，使固化土變成“憎水性”，固化土經(jīng)壓實(shí)后，形成高度密實(shí)的土體結(jié)構(gòu)，土體承載能力穩(wěn)定性等性質(zhì)可得到大幅提高。

2 試驗(yàn)材料及方法

2.1 試驗(yàn)用土

本試驗(yàn)所用的土樣取自四川廣元市旺蒼縣某公路的砂質(zhì)泥巖。粉質(zhì)泥巖由微小礦物組成，用硬物擊打易裂成碎片，透水性很差，浸水后，泥巖易軟化，不利于工程使用。

根據(jù) JTG E40-2007《公路土工試驗(yàn)規(guī)程》測得土樣液限ωp=35 % , 塑限ωL=17 % , 塑性指數(shù)Ιp=18。對土樣進(jìn)行顆粒分析試驗(yàn)，其試驗(yàn)結(jié)果如表1所示。

表1 土樣篩分實(shí)驗(yàn)結(jié)果

2.2 土壤固化材料

本次試驗(yàn)采用4種土壤固化材料:有機(jī)固化劑-甲5(液體)、有機(jī)固化劑-乙5(液體)、32.5#普通硅酸鹽水泥和石灰。

其中有機(jī)固化劑由西南科技大學(xué)研發(fā)，由黏土疏水、排氣液體(Ⅰ號、Ⅱ號)和減水增實(shí)粉體(Ⅰ號、Ⅱ號、Ⅲ號)兩類、五種材料組成，可根據(jù)現(xiàn)場土壤具體情況，將液體和粉體組合使用或單獨(dú)使用。通過加入固化劑，可以加速所有種類黏性土體顆粒表面的去水、排氣、密實(shí)化即石化的自然進(jìn)程，達(dá)到活化處理黏土，破壞黏土顆粒的吸水性，增加抗水化性，加速土體石化的目的。

2.3 實(shí)驗(yàn)方法

取素土風(fēng)干后過篩(2 mm篩)，摻入固化劑分別為：有機(jī)固化劑-甲5；有機(jī)固化劑-乙5；3 %水泥；4 %石灰；3 %水泥+3 %石灰；有機(jī)固化劑-甲5+3 %水泥；有機(jī)固化劑-乙5+3 %水泥；有機(jī)固化劑-甲5+3 %石灰，有機(jī)固化劑-乙5+3 %石灰，添加劑摻量定義為無機(jī)固化劑質(zhì)量與干土質(zhì)量之比，有機(jī)固化劑-甲5和有機(jī)固化劑-乙5均按1∶50與水稀釋，稀釋后按相應(yīng)含水率摻入土壤。

將攪拌均勻的固化劑、土、水混合物倒入模具內(nèi)，采用液壓千斤頂靜壓法分層靜壓成型，削平試樣兩端并脫模，試樣直徑為4 cm，高為9 cm(試件含水率由擊實(shí)試驗(yàn)結(jié)果確定，密度為95 %最大干密度)。試件制成后，密封放入標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室內(nèi)(養(yǎng)護(hù)條件為溫度 20 ℃±3 ℃，相對濕度不小于95 %)，養(yǎng)護(hù)至相應(yīng)齡期。養(yǎng)護(hù)后將試件浸沒于水中靜置3 d后將試件取出，擦去表面多余水分，對試件稱重并進(jìn)行無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)。

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 擊實(shí)試驗(yàn)

擊實(shí)試驗(yàn)結(jié)果如表2所示，結(jié)果表明：素土中加入無機(jī)固化劑后，最佳含水率和最大干密度隨之提高；摻入有機(jī)固化劑對土的最佳含水率和最大干密度的影響不明顯，與僅摻加有機(jī)固化劑的土樣相比，有機(jī)固化劑試件混合3 %水泥后，最大干密度和最優(yōu)含水率分別提高7.7 %、6.8 %，混合3 %石灰后，最大干密度和最優(yōu)含水率分別提高17.4 %、16.5 %。

表2 室內(nèi)擊實(shí)試驗(yàn)結(jié)果匯總

以素土與有機(jī)固化劑-乙5+3 %水泥為例，如圖1所示，素土擊實(shí)曲線更為急陡，固化土的擊實(shí)曲線較為平緩，且其他固化土擊實(shí)曲線均比素土擊實(shí)曲線平緩。實(shí)際工程施工時(shí)，一般含水率取最有含水率±2 %進(jìn)行施工，擊實(shí)曲線越平緩，施工可選擇土壤夯實(shí)密度越多，更有利于工程建設(shè)的進(jìn)行。

圖1 固化劑對固化土土壓實(shí)特性影響

3.2 無側(cè)限抗壓強(qiáng)度

圖2為不同固化劑和養(yǎng)護(hù)齡期對固化土無側(cè)限抗壓強(qiáng)度(qu)的影響。固化土無側(cè)限抗壓強(qiáng)度隨養(yǎng)護(hù)齡期的增加而增長。圖2中可以看出，不同固化劑對土壤qu改變相差較大；3 d齡期時(shí)，與素土qu(5.90 kPa)相比，固化土qu有所增長，但有機(jī)固化劑-甲5、有機(jī)固化劑-甲5+3 %水泥和有機(jī)固化劑-甲5+3 %石灰所加固的土壤qu增長不明顯，摻入固化劑為3 %水泥、3 %水泥+3 %石灰和有機(jī)固化劑-乙5+3 %水泥的固化土qu增長明顯，其中固化劑為3 %水泥+3 %石灰的固化土qu(176 kPa)最大；28 d 齡期時(shí)，土體qu均有較大幅度增長，摻入有機(jī)固化劑-乙5+3 %水泥的固化土qu(330.20 kPa)最大；60 d齡期時(shí)，各固化劑固化土qu較28 d齡期時(shí)無明顯增長，qu趨于穩(wěn)定。7 d齡期前，3 %水泥+3 %石灰固化土qu最大，7 d齡期后，有機(jī)固化劑-乙5+3 %水泥固化土qu最大。

圖2 不同固化劑和養(yǎng)護(hù)齡期對固化土強(qiáng)度的影響

3.3 水穩(wěn)性

固化土養(yǎng)護(hù)3 d后，再泡水3 d，試件強(qiáng)度變化如圖3所示。從實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知：素土和加入有機(jī)固化劑的固化土水穩(wěn)性差，摻入無機(jī)固化劑后，固化土水穩(wěn)性較好，其中4 %石灰固化土強(qiáng)度變化最小，強(qiáng)度僅降低4.1 %，有機(jī)固化劑-乙5+3 %石灰固化土強(qiáng)度變化最大，強(qiáng)度降低55 %。

圖3 泡水后試件無側(cè)限抗壓強(qiáng)度

4 結(jié)論

通過對4種固化劑9種固化土的室內(nèi)試驗(yàn)得出各種固化土的物理力學(xué)性質(zhì)，可以得出：

(1)與素土qu(5.90 kPa)相比，摻入固化劑后，土體強(qiáng)度均有不同程度的增長，其中僅摻入有機(jī)固化劑的固化土水穩(wěn)性差，其他固化土水穩(wěn)性增強(qiáng)。綜合固化劑對砂質(zhì)泥巖改良效果，有機(jī)固化劑-乙5+3 %水泥固化土的水穩(wěn)性及強(qiáng)度最好，其次分別是3 %水泥+3 %石灰固化土和3 %水泥固化土。

(2)實(shí)際工程施工時(shí)，一般含水率取最有含水率±2 %進(jìn)行施工，與素土相比，固化土擊實(shí)曲線更平緩，施工時(shí)在相同壓實(shí)度要求下，含水量范圍更寬，越有利于施工。

(3)綜合考慮施工質(zhì)量和經(jīng)濟(jì)性，建議現(xiàn)場施工時(shí)，保證拌和時(shí)間、拌合次數(shù)及含水率，使固化土拌合均勻，盡量提高固化土的壓實(shí)度，確保固化土施工質(zhì)量。

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臨時(shí)道路中竹筋加筋土路基的承載機(jī)理研究(14zd1127)

吳丹(1992～)，女，碩士研究生，主要從事土體改良方面的研究。

U414.1

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[定稿日期]2016-07-11