一種固化劑對黃泛區沙土固化效果的試驗研究

李世偉，史新偉，高貝貝

(1.河南省水利科學研究院，鄭州 450003； 2.河南省水利工程安全技術重點實驗室，鄭州 450003)

目前，我國正處于建設和諧社會的關鍵階段，在生產和生活中更加注重合理利用資源和改善環境。土壤在地球上大范圍存在，但其作為一種松散的顆粒裝物質，如何更好地利用和發揮其在工程中的工作性能一直是專家學者們研究的課題。河南位于黃河中下游，歷史上黃河多次泛濫，尤其是抗日戰爭中一次人為炸毀花園口黃河大堤造成的黃河泛濫[1]，導致河水所到之處沉積留下的泥沙讓周圍的生存環境變得十分惡劣。目前，在河南境內仍然存在著大范圍的黃泛區沙土[2]。如何合理利用黃泛區沙土，一直是學者們研究的重要課題，而土壤固化劑的研究自引入以來，就受到眾多學者的關注。

土壤固化劑[3]作為一種新型的節能環保材料，是由多種有機和無機材料結合形成的。它和土壤顆粒混合后，在一定的外部條件下能發生一系列的物理和化學作用，使土壤顆粒間的孔隙被膠凝材料填充，從而達到加固土壤的目的。傳統的土壤固化劑有水泥土、灰土和二灰土等，但它們對塑性指數高的有機土、鹽漬土、黏土等土壤加固的效果不太理想，受干縮和溫度的影響較大，早期強度較低，且容易開裂[4-5]。這就迫使人們尋找出新型固化效果更好的土壤固化劑材料。由于市場的需求不斷增大，在許多國家成立了專門生產固化劑的企業，期間也產生了許多新型的固化劑材料。例如[6]美國的Soilrock、EN-1和帕爾瑪固化酶；日本的Aught-set系列土壤固化劑；澳大利亞的奇極土體固化劑CCSS；南非的ISS電離子土體強化劑等。結合我國土壤性質，在借鑒國外經驗的基礎上，國內的許多學者針對土壤固化劑也進行了相關研究。梁文泉等[7]研究的GA新型土壤固化劑可以固化黏土、粉砂和淤泥，也可以替代水泥，用來拌制砂漿和混凝土。黃新等[8]研制的CG固化劑可以加固淤泥、泥炭和一般軟黏土。尚路等[9]針對廣西大部分地區的膨脹土，研制出的CHF土壤固化劑可以降低土壤的自由膨脹率。目前，國內研制出的土壤固化劑有許多已投入使用，如NCS系列、HS系列、DLL、EN-1、硫酸鹽系列和Aught-Set系列等。雖然我國在土壤固化劑研究方面已取得了顯著的效果，但和國外相比仍然存在一定差距。

根據國際領先的聚合物技術，鄭州天罡實業有限公司生產出一種高強、高耐水土體固結劑——氯硫聚合物粉狀固化劑。利用氯鹽與硫酸鹽的雙重激發作用，將粉煤灰、礦渣粉和赤泥等工業廢物轉化為高強膠凝材料，可以用于無鋼筋銹蝕之憂的注漿工程、壩基工程等水利工程中。氯硫聚合物(Clorine-Surlphate Polymer)是申請者在研發中提出的新概念，該項技術已成功地應用于義煤集團云頂礦的注漿充填工程中。針對河南境內存在的大范圍黃泛區沙土，本文利用氯硫聚合物固化劑固化黃泛區沙土，并通過室內抗壓抗折強度試驗，研究氯硫聚合物固化劑對黃泛區沙土的固化效果。

1 材料和方法

1.1 試驗材料

試驗材料包括：砂子(采用標準砂)；黃泛區沙土，經試驗測得其液限WL=27.2%，塑限WP=21.5%，塑性指數IP=5.7，標準擊實后測得素土最大干密度為1.472 g/cm3，最優含水率18.2%；固化劑采用鄭州天罡實業有限公司生產的高強、高耐水土體固結劑氯硫聚合物粉狀固化劑，其凝結時間、安定性等技術性質均符合現行國家標準的規定；水為飲用水。

1.2 試驗方法

根據預定的材料比例確定固化劑、土、砂用量，按照《水泥膠砂試驗規程》的要求，采用水泥膠砂制樣方法，使用JJ-5型水泥膠砂攪拌機進行攪拌將混合料裝入試模。放入密閉的養護箱24 h后進行脫模，試件從試模內脫出后，繼續放到密封的濕氣箱內進行保溫保濕養生。整個養生期間的溫度嚴格控制在 20℃±1℃，養生齡期到規定齡期。試件養護一定齡期后，對其進行抗折抗壓抗強度試驗。抗折強度試驗機應符合JC/T 724-2005的要求，抗壓強度試驗機及機用夾具滿足《水泥膠砂試驗規程》中4.2.7和4.2.8的規定。之后，為了判斷該固化土的強度大小，參考《渠道防滲工程技術規范》(SL 18-2004)渠道襯砌對水泥土抗壓強度允許最小值表格中的最大值(即干硬性水泥土在季節性輸水的28 d抗壓強度：4.5 MPa)。通過對比，分析將黃泛區沙土摻入氯硫聚合物固化劑后，用于渠道防滲襯砌工程中強度是否滿足要求。

2 試驗結果與分析

2.1 試驗結果

選取黃泛區沙土為試驗用土，試驗分3批進行。表1給出3批試驗在水含量(用水灰比表示，即水與固化劑加土的質量和之比或水與固化劑加土、標準砂表示)和固化劑摻量(用配合比表示，即固化劑與土的質量比或固化劑與土和標準砂的質量比)不同時，試件7、28和56 d的抗折、抗壓強度試驗結果。

表1 黃泛區沙土強度結果

2.2 配合比對固化土強度的影響

不同配合比條件下，各齡期的抗折強度和抗壓強度曲線見圖1。圖1中分3組，各組水灰比分別為0.3、0.35、0.4。每個圖中都有3條較長的折線和3條較短的線段，折線為固化劑配合比為1∶1、2∶1、3∶1時的強度連線；線段為摻入標準砂后，固化劑配合比為1∶1∶1、2∶1∶1時的強度連線。為了和干硬性水泥土進行對比，在抗壓強度曲線圖中用虛線標出干硬性水泥土在季節性輸水的抗壓強度最小值。

由圖1可得出如下結論：

1) 當水灰比為一定量時，固化土的抗壓抗折強度隨固化劑摻量的增加而提高；在相同配合比條件下，養護時間越長固化土的抗壓抗折強度越高。

2) 當水灰比為0.3時，摻入固化劑后，固化土各齡期的抗壓強度明顯比干硬性水泥土的高很多；圖1(a)中加固土7 d齡期的最小抗壓強度值(即配合比為：1∶1∶1時)為11.8 MPa，是干硬性水泥土在季節性輸水時抗壓強度最小值的2倍還要多。

3) 當水灰比為0.3和0.35時，由配合比為2∶1∶1和1∶1的值(即固化劑摻量相同)可知，加標準砂試件的抗壓和抗折強度比不加標準砂的高。

4) 考慮到經濟性，在實際工程中會選擇固化劑摻量最少，仍能滿足強度要求的配合比。

圖1 固化土摻量不同時各齡期的抗折抗壓強度曲線圖

2.3 水灰比對固化土強度的影響

固化土不同水灰比條件下，養護齡期分別為7、28和56 d的抗壓抗折強度曲線見圖2。同樣，為了與干硬性水泥土進行對比，在抗壓強度曲線圖中用虛線標出干硬性水泥土在季節性輸水的抗壓強度最小值。

圖2 固化土水灰比不同時各配合比條件下的抗壓抗折強度曲線

由圖2可得出如下結論：

1) 當養護齡期一定時，固化土的抗壓抗折強度隨水灰比的增加而降低。因此，在工程實踐中應合理降低固化土的水灰比。

2) 由圖2(a)可知，在養護齡期為7d時，隨著水灰比的增加，固化劑摻量最少時(配合比為1∶1∶1)的加固土的抗壓強度值迅速降低到小于干硬性水泥土的范圍內。

3) 由圖2(b)、圖2(c)可知，隨著養護時間的增加，所有配比的加固土28和56 d齡期的抗壓強度均明顯高于干硬性水泥土。

綜上所述，考慮經濟性，由黃泛區沙土的室內固化試驗可得，氯硫聚合物固化黃泛區沙土可選擇以下幾組比例：

1) 配合比為1∶1，水灰比為0.3、0.35、0.4。

2) 配合比為1∶1∶1，水灰比為0.3。

3) 配合比為2∶1∶1，水灰比為0.3、0.35。

其中，第(2)組所用固化劑摻量最少，也最經濟。

3 結 語

本文通過室內試驗，針對河南境內存在著的大范圍的黃泛區沙土，研究了配合比和水灰比對固化土抗壓抗折強度的影響。通過分析氯硫聚合物固化后的黃泛區沙土不同齡期的強度曲線，并與規范規定的干硬性水泥土在季節性輸水28 d抗壓強度的允許最小值進行對比，同時考慮經濟性，最終給出氯硫聚合物固化劑固化黃泛區沙土的幾組較好的配合比和水灰比，為氯硫聚合物固化劑在工程中的應用提供參考。