一種固化劑對灌區壤土固化效果的試驗研究

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(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； 3.河南建筑職業技術學院，鄭州 450064)

目前，渠道襯砌常用的防滲材料多為灰土、水泥土、瀝青混凝土、混凝土、砌石和膜料等[1]。其中，混凝土類防滲材料以其防滲性能好、抗沖刷和耐久性能強、能夠適應不同地形條件的優點，得到廣泛的應用[2]。但混凝土的變形能力差，易產生凍脹和溫度裂縫，混凝土襯砌破壞后維修困難、造價高等缺點突出[3]。尤其在一些砂石料資源匱乏的地區，如何既能合理利用當地材料，又能降低襯砌材料的工程造價一直是專家和學者們不斷探索的問題。

20世紀70年代以來，土壤固化劑[4]的發展在不斷地解決這個問題。相關研究[5]證明，固化土28 d的無側限抗壓強度達到3～20 MPa，滲透系數低至10-6～10-8cm/s，這些均滿足并超過了《渠道防滲工程技術規范》(SL18-2004)中對水泥土的技術要求。地質聚合物[6-7]是固化劑的一種，它類似堅硬的石材。這種人造石材[8-9]具有天然巖石一樣的硬度、耐久性和熱穩定性，可以將粉煤灰、煤矸石、礦渣、鋼渣等工業廢料重新利用或再處理，具有固化速度快、早期強度高、固結時間長等優點，能夠就地取材、節省施工時間、降低工程造價。

氯硫聚合物粉狀固化劑是鄭州天罡實業有限公司生產的一種固化劑，固結后具有高強、高耐水性[10]。在固化過程中充分發揮氯鹽與硫酸鹽的雙重激發作用，將氯硫聚合物與渠道內原狀土攪拌形成一種高強膠凝材料，使土壤固化并應用于渠道襯砌中。本文針對氯硫聚合物固化劑固化焦作市廣利灌區壤土進行研究，以充分發揮固化劑就地取材和降低造價的作用。首先，通過室內試驗研究該材料在不同配合比及不同齡期條件下的抗壓、抗折強度；其次，研究該材料在不同水灰比及不同齡期條件下的抗壓、抗折強度；最后，通過和干硬性水泥土進行對比，分析氯硫聚合物固化劑的經濟性，為土壤固化劑在渠道襯砌中的應用提供參考。

1 材料和方法

1.1 材 料

試驗材料：砂子(采用標準砂)；焦作市廣利灌區壤土，試驗測得其液限WL=32%，塑限WP=17.25%，塑性指數IP=14.75，標準擊實試驗得出的素土最大干密度為1.663 g/cm3，最優含水率19.2%；鄭州天罡實業有限公司生產的氯硫聚合物粉狀固化劑；水為飲用水。

1.2 方 法

根據《水泥膠砂試驗規程》，采用水泥膠砂制樣方法，根據預定材料的比例確定固化劑、土、砂的用量，具體試驗過程參考相關文獻[10]和規范。根據《渠道防滲工程技術規范》(SL18-2004)，干硬性水泥土作為渠道襯砌材料，其抗壓強度允許最小值中規定的最大值為4.5 MPa。通過試驗，將灌區壤土摻入氯硫聚合物固化劑，對比分析其強度是否滿足要求。通過含水量和固化劑用量兩種不同條件的控制，分析試件的抗折和抗壓強度。

2 試驗結果與分析

2.1 試驗結果

選取焦作市廣利渠壤土為試驗用土，選取水摻量和固化劑摻量為試驗因素。其中，水摻量用水灰比表示，即水灰比=水的質量∶(固化劑的質量+土的質量)∶標準砂的質量；固化劑摻量用配合比表示，即配合比=固化劑的質量∶土的質量∶標準砂的質量?？箟簭姸群涂拐蹚姸葹榕袛嘀笜?，分別比較試件7、28和56 d的強度變化情況，以研究其變化規律。

試驗分3批進行：①第一批試驗：水灰比0.3，配合比分別為1∶2、1∶1、2∶1、3∶1、6∶1以及加標準砂后1∶1∶1、2∶1∶1共7組；②第二批試驗：在第一批試驗的基礎上，改變水灰比，即水灰比0.35，配合比分別為1∶2、1∶1、2∶1、3∶1、6∶1及加標準砂后1∶1∶1、2∶1∶1共7組；③第三批試驗：考慮純固化劑的抗壓強度，即水灰比0.4，配合比分別為1∶2、1∶1、2∶1、3∶1、6∶1、1∶0(純固化劑)及加標準砂1∶1∶1、2∶1∶1共8組。試驗結果見表1。

2.2 固化劑摻量對固化土強度的影響

當水灰比分別為0.3、0.35、0.4時，在不同配合比條件下，固化劑摻量不同時各齡期的強度曲線見圖1。圖1中每個圖的折線是配合比為2∶1、1∶1、2∶1、3∶1、6∶1時的強度連線；線段為考慮摻入標準砂，固化劑配合比為1∶1∶1、2∶1∶1時的強度連線。干硬性水泥土作為渠道襯砌材料，其抗壓強度允許最小值中規定的最大值為4.5MPa，這個值在抗壓強度曲線圖中用虛線表示。

表1 廣利灌區壤土強度結果

圖1 抗折抗壓強度曲線

由圖1可得如下結論：

1) 在相同水灰比條件下，固化劑摻量越大固化土的抗壓抗折強度越高；在相同配合比條件下，固化土的養護時間越長，抗壓抗折強度越高。

2) 在水灰比為0.3的條件下，固化土的抗壓強度明顯高于干硬性水泥土；圖1(a)中，固化劑摻量最少時(即配合比為1∶2和1∶1∶1)，加固土7 d齡期的最小抗壓強度值為9.9和10.5 MPa，是干硬性水泥土作為渠道襯砌材料的抗壓強度允許最小值中規定的最大值4.5 MPa的2倍以上。

3) 在實際工程中，必須考慮經濟性，盡量使固化劑的摻量最少，且滿足強度要求。

2.3 水灰比對固化土強度的影響

當養護齡期分別為7、28和56 d時，在不同水灰比條件下的強度曲線見圖2。同樣干硬性水泥土作為渠道襯砌材料，其抗壓強度允許最小值中規定的最大值為4.5MPa，這個值在抗壓強度曲線圖中用虛線表示。

圖2 抗壓抗折強度曲線

由圖2可得出如下結論：

1) 在一定的養護齡期下，隨著水灰比的增加，固化土的抗壓抗折強度逐漸降低。因此，為了獲得較高的強度，應盡可能降低固化土的水灰比。

2) 由圖2(a)可知，當水灰比增加到0.35、固化土配合比為1∶2時，7 d齡期的抗壓強度值迅速降低至小于干硬性水泥土的范圍內；當水灰比為0.4時，配合比為1∶2和1∶1∶1的固化土，7 d齡期的抗壓強度均小于干硬性水泥土的值。

3) 由圖2(b)和圖2(c)可知，隨著養護齡期的增加，固化土28和56 d的抗壓強度均明顯高于干硬性水泥土的值。

綜上所述，既能滿足強度要求又考慮到經濟性，由廣利渠壤土的室內固化試驗可得，氯硫聚合物固化廣利渠壤土可選擇以下幾組比例：

①配合比為1∶2，水灰比為0.3

②配合比為1∶1，水灰比為0.3，0.35，0.4

③配合比為1∶1∶1，水灰比為0.3，0.35

④配合比為2∶1∶1，水灰比為0.3，0.35

其中，第①組和第③組所用固化劑最少，也最節省造價。

3 經濟性分析

現將配合比1∶1∶1、水灰比0.3的材料和水泥土各取單位體積(1 m3)，砂為標準砂，對其造價進行經濟性分析。結果見表2。

由表2可知，雖然氯硫聚合物固化劑的價格高于干硬性水泥土，但由于固化劑與自然土體的黏結能力強，28 d固化土的強度大于相應齡期水泥土的強度。因而，其產投比大于水泥土的產投比。由此可見，采用氯硫聚合物固化劑是可行的，也是經濟合理的。

表2 氯硫聚合物固化土與水泥土單位體積造價比較

注：表2中產投比=抗壓強度/造價。

4 結 語

本文針對氯硫聚合物固化劑對焦作市廣利渠壤土的固化效果進行研究。通過室內試驗，分析不同配合比和水灰比條件下固化土的抗壓和抗折強度。參照規范規定的干硬性水泥土在季節性輸水的最小抗壓強度值，得出廣利渠壤土使用氯硫聚合物固化劑固化時的幾組較好的配比，其結果與黃泛區沙土的室內固化實驗[10]具有一致性。同時通過和相同條件下水泥土的造價進行對比，對其經濟性進行了分析。結果顯示，采用該種固化劑是經濟合理的，為廣利渠壤土使用氯硫聚合物固化劑固化，并在渠道襯砌中的推廣應用提供了科學數據。