一種軟土快速固化劑的研制

滕世明 沈正 鄭非凡 季雪瑩 徐小勇 姜非凡 許博浩

摘要：軟土地基的快速處理方法是加快道路施工進(jìn)程，保證施工質(zhì)量的有效措施。本研究針對(duì)南京河西地區(qū)軟土，力求尋找出一種高效經(jīng)濟(jì)的軟土固化劑。選擇傳統(tǒng)軟土主固化材料水泥與輔助固化材料電石渣、石膏、三乙醇胺、氫氧化鈉和聚丙烯纖維，通過(guò)組合配比對(duì)南京河西地區(qū)軟土分別進(jìn)行快速固化。基于無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)，確定不同材料組合及配比下淤泥質(zhì)軟土固化強(qiáng)度和特點(diǎn)。最終得出南京河西地區(qū)軟土固化材料最終配比為水泥摻入比9%，電石渣摻入比4%，石膏摻入比2%，氫氧化鈉摻入比2%。

關(guān)鍵詞：軟土；快速固化；抗壓強(qiáng)度；最佳配比

Title Experimental study on rapid stabilization of soft clay soils in Nanjing Hexi Area

Teng Shi-ming1，Shen Zheng1，Zheng Fei-fan1，Ji Xue-ying1，Xu Xiao-yong1，Jiang Fei-fan1

（1.School of Architecture Engineering， Nanjing Institute of Technology， Nanjing 211167， China）

Abstract：

Rapid treatment of soft soil foundation is one of maain methods to accelerate construction speed of roadways and guarantee construction quality. Based on the soft soil in Nanjing Hexi Area， this research aims to find a efficient and economic curing agent. Traditional main solidified materials （cement） and auxiliary materials （calcium carbide， gypsum， sodium hydroxide， triethanolmine and polypropylene fiber） are chosen to rapidly stabilizing the soft soils in Nanjing Hexi Area. Based on the results of unconfined compressive strength test， the strength and characteristics of soft soil solidified by the combination of different materials and mixture ratios are determined. The 9% cement， 4% calcium carbide， 2% gypsum and 2% sodium hydroxide 0.6% polypropylene fiber are the optimum mixture ratio for soft soil in Nanjing Hexi Area.

Keywords ： cement stabilized macadam；fine sand；alternative；mechanical properties；fatigue properties.

南京市河西地區(qū)位于長(zhǎng)江東側(cè)凸岸，區(qū)內(nèi)溝、塘等地表水系發(fā)達(dá)，地勢(shì)寬廣低平。從地貌單元上，河西地區(qū)屬于長(zhǎng)江漫灘區(qū)域，新近沉積的漫灘軟土極為軟弱，且分布極不均勻。在軟土地基上修建道路，采用的軟基處理方法是否恰當(dāng)合理，直接影響到道路工程的質(zhì)量以及使用功能。目前采用傳統(tǒng)軟基處理方法需要經(jīng)歷較長(zhǎng)時(shí)間，極大地延緩了工程的施工進(jìn)度。

工程實(shí)踐表明，對(duì)不同性質(zhì)的軟土在摻入水泥的基礎(chǔ)上，釆用不同比例的復(fù)合添加劑，可以大幅提升固化土的工程性質(zhì)，保護(hù)建筑物的安全，以滿(mǎn)足實(shí)際需求，優(yōu)化添加劑成份及復(fù)合比例，在一定程度上降低水泥用量，在滿(mǎn)足工程應(yīng)用的基礎(chǔ)上節(jié)約處理成本。

軟土地基的快速處理對(duì)提高市政工程建設(shè)效率，保障施工安全和施工質(zhì)量具有很高的應(yīng)用價(jià)值，研究應(yīng)用前景十分廣闊。

一、 研究?jī)?nèi)容

1. 軟土物理力學(xué)性質(zhì)試驗(yàn)，對(duì)軟土的結(jié)構(gòu)、成分進(jìn)行分析；

2. 研究影響軟土早期強(qiáng)度形成的原因；

3. 軟土與多種固化劑的固化試驗(yàn)；

4. 固化土無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)及固化劑研制；

5. 分析研制適合本地區(qū)軟土固化劑優(yōu)化處方。

二、 固化劑的選擇

本次試驗(yàn)中需要驗(yàn)證的固化劑成分初步確定為主劑水泥，輔助添加劑電石渣、石灰粉、石膏、三乙醇胺、氫氧化鈉、聚丙烯纖維。在上述成分中選擇固化效果最好的組合以及配比。

三、材料與方法

3.1實(shí)驗(yàn)材料

為保證試驗(yàn)效果，本試驗(yàn)軟土土樣取自南京河西地區(qū)典型土層，并保證其取土深度在5m左右，取土方式為勘探時(shí)所取出的原狀土樣。兩種主要固化材料水泥和電石渣分別取自江南水泥廠以及鎮(zhèn)江三興公司；石膏與三乙醇胺購(gòu)自建材商店。

3.2 試驗(yàn)方法

3.2.1 測(cè)定軟土的含水率

1.儀器設(shè)備

烘箱、分析天平：感量0.01克、烘土盒。

2.操作步驟

（1）選取有代表性的軟土樣（約30克），放入烘土盒內(nèi)，蓋好盒蓋，用分析天平稱(chēng)取烘土盒和軟土的總質(zhì)量，記為m1，烘土盒質(zhì)量記為m3；

（2）打開(kāi)烘土盒蓋，放入烘箱中，將烘箱溫度調(diào)至100-105℃，烘至恒重，之后取出烘土盒，加蓋后冷卻至常溫；

（3）稱(chēng)量烘土箱和烘干土總重，記為m2；

（4）計(jì)算含水率。

按下式計(jì)算含水率：

ρ=（m1-m2）/（m2-m3）

式中：（m1-m2）為式樣中所含水的質(zhì)量；（m2-m3）為式樣土的質(zhì)量。

3.2.2 無(wú)側(cè)限抗壓實(shí)驗(yàn)

1.試驗(yàn)原理

無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)是三軸試驗(yàn)的一個(gè)特例，即將土樣置于不受側(cè)向限制的條件下進(jìn)行的壓力試驗(yàn)，此時(shí)土樣所受的小主應(yīng)力為0，而大主應(yīng)力的極限值即為無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度。

2.儀器設(shè)備

（1）應(yīng)變控制式無(wú)側(cè)限壓縮儀：由測(cè)力計(jì)、加壓框架、升降設(shè)備組成；

（2）軸向位移計(jì)：量程10mm，分度值0.01mm的百分表；

（3）天平：稱(chēng)量500g，分度值0.1g 。

3.操作步驟

（1）原狀土試樣制備按三軸壓縮試驗(yàn)步驟進(jìn)行。試樣直徑為39.1mm，高度為80mm；

（2）將試樣兩端抹一薄層凡士林，在氣候干燥時(shí)，試樣周?chē)嘈枘ㄒ槐臃彩苛?，防止水分蒸發(fā)；

（3）將樣放在底座上，轉(zhuǎn)動(dòng)手輪，使底座緩慢上升，試樣與加壓板剛好接觸，將測(cè)力計(jì)讀數(shù)調(diào)整為零。根據(jù)試樣的軟硬程度選用不同量程的測(cè)力計(jì)；

（4）軸向應(yīng)變速度宜為每分鐘應(yīng)變1%～3%。轉(zhuǎn)動(dòng)手柄，使升降設(shè)備上升進(jìn)行試驗(yàn)，軸向應(yīng)變小于3%時(shí)，每隔0.5%應(yīng)變（或0.4mm）讀數(shù)一次軸向應(yīng)變等于、大3 %時(shí)，每隔1%應(yīng)變（或0.8mm）讀數(shù)一次。試驗(yàn)宜在8～10min內(nèi)完成；

（5）當(dāng)測(cè)力計(jì)讀數(shù)出現(xiàn)峰值時(shí)，繼續(xù)進(jìn)行3%～5%的應(yīng)變后停止試驗(yàn)；當(dāng)讀數(shù)無(wú)峰值時(shí)，試驗(yàn)應(yīng)進(jìn)行到應(yīng)變達(dá)20%為止。

四、試驗(yàn)結(jié)果及分析

4.1 河西軟土的力學(xué)性質(zhì)研究

本試驗(yàn)軟土的主要物理特性指標(biāo)、對(duì)不加固化劑的土樣進(jìn)行無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)的結(jié)果、不同含水率下的軟土無(wú)側(cè)限抗壓試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)下表4-1：

從圖中可以看出，含水率在30%到40%時(shí)，土的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度最高，隨著含水率繼續(xù)上升，土的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度明顯降低，因此取該軟土的天然含水率（40%）為試驗(yàn)用土含水率。

4.2 軟土固化劑配方的研制

4.2.1 選擇固化劑組成成分

首先對(duì)一些常用的主成分固化劑進(jìn)行單一固化材料試驗(yàn)，為輔助成分的固化材料的挑選提供參考依據(jù)。在本試驗(yàn)中，除了水泥與電石渣外，還挑選了環(huán)氧樹(shù)脂和鎮(zhèn)加固化劑進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn)，測(cè)定其不同齡期下（1d，3d，7d）的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度，從而保證固化劑主成分的固化效率為最優(yōu)，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)下圖4.3：

從圖中可以看出，水泥和電石渣的固化效果明顯高于其他兩種固化劑，因此本試驗(yàn)的固化劑主要材料確定為水泥和電石渣，而從3d和7d的固化效果來(lái)看，水泥固化的淤泥質(zhì)土的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度明顯優(yōu)于電石渣。因此可以看出，水泥在早期固化過(guò)程中占主導(dǎo)地位。進(jìn)一步進(jìn)行多種固化劑組合試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)下圖4.4：

從圖中可以看出，當(dāng)水泥與電石渣混合，再加入石膏作為輔助固化劑后，固化效果明顯好于兩種材料單獨(dú)做固化劑，再加入三乙醇胺并將電石渣替換為石灰粉作對(duì)比試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)下圖4.5：

從圖中看出，三乙醇胺作為常用的工業(yè)早強(qiáng)劑，加入后對(duì)水泥的早期強(qiáng)度有明顯提升，而當(dāng)將電石渣替換為石灰粉時(shí)，軟土的早期強(qiáng)度明顯降低，因此初步確定本試驗(yàn)固化劑的組成為水泥，電石渣，石膏，三乙醇胺。再在這四種固化劑成分中變化每種成分的比例，進(jìn)行初步的對(duì)比試驗(yàn)，觀察每種成分的變化對(duì)固化效果的影響。

從表中可以看出，水泥的含量與軟土的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度完全呈現(xiàn)正相關(guān)的關(guān)系，因此在之后的試驗(yàn)中可以適當(dāng)選擇增加水泥用量。而隨著電石渣含量的增加，軟土的7天內(nèi)無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度并沒(méi)有持續(xù)上升，而是在4%左右時(shí)達(dá)到了峰值，因此在之后的試驗(yàn)中，電石渣的含量可以控制在4%左右。三乙醇胺對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響不是很明顯，需要在之后的試驗(yàn)中繼續(xù)研究其最佳含量的范圍。

4.2.2 確定固化劑各成分比例

1.確定水泥含量

由以上試驗(yàn)可知，水泥作為軟土使用最廣泛的固化劑，對(duì)軟土的早期強(qiáng)度起到非常重要的主導(dǎo)地位，因此優(yōu)先確定水泥的最佳含量。為了反應(yīng)水泥的摻入量對(duì)軟土固化效果的影響，分別取水泥摻入量為3%，5%，7%，9%，12%，測(cè)量其不同齡期（1d，3d，7d）下的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)下圖4.9：

從圖中可以明顯看出，水泥含量和無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度成正相關(guān)關(guān)系，而當(dāng)水泥含量是9%和12%時(shí)，無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度的上升不是十分明顯。考慮到經(jīng)濟(jì)效應(yīng)，取水泥含量為9%為最佳含量。

2.確定石膏含量

摻入石膏后，會(huì)迅速產(chǎn)生膨脹性水化物鈣礬石，填充土粒之間的空隙從而迅速的提高軟土的早期強(qiáng)度。為了確定石膏的最佳含量，在9%水泥基礎(chǔ)上，添加不同含量石膏，確定兩種固化劑的最佳組成比例，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)下圖4.8：

從圖中可以看出，石膏的摻入對(duì)軟土的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度有一定的提升，但隨著石膏摻入量的變化，軟土的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度變化不明顯?？梢钥闯?，在一定范圍內(nèi)，隨著石膏含量的增加，軟土的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度也隨著提高，當(dāng)石膏含量在2%時(shí)，軟土的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度達(dá)到峰值，超過(guò)2%后，隨著石膏摻入量的增加，軟土的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度反而降低。說(shuō)明石膏含量超過(guò)一定數(shù)值后會(huì)產(chǎn)生過(guò)多的膨脹性物質(zhì)，對(duì)軟土的早期強(qiáng)度其反作用。綜上所述，本試驗(yàn)取石膏摻入量為2%為最佳摻入量。

3.確定電石渣含量

電石渣作為軟土固化劑，吸收了軟土中的大量水分，能夠快速提升軟土的早期強(qiáng)度。為了確定電石渣的摻入量，在水泥和石膏的基礎(chǔ)上，摻入2%，4%，6%，8%的電石渣，測(cè)定其在不同齡期下的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度，反應(yīng)電石渣含量對(duì)軟土早期強(qiáng)度的影響規(guī)律，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)下圖4.9：

從圖中可以看出，隨著齡期的增長(zhǎng)，加入電石渣后固化土的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度都不斷提升。而在同一齡期的對(duì)比中，當(dāng)電石渣摻量達(dá)到4%時(shí)，固化土的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度達(dá)到峰值，之后再增加電石渣含量，固化土的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度反而下降。因此得出電石渣的最佳含量取4%。根據(jù)上述現(xiàn)象分析，電石渣加入軟土中，會(huì)與軟土中的水發(fā)生反應(yīng)，生成大量氫氧化鈣，加強(qiáng)了土體顆粒之間的聯(lián)接，但是如果氫氧化鈣含量過(guò)多，就會(huì)產(chǎn)生膨脹作用，反而導(dǎo)致土體的強(qiáng)度降低。

4.早強(qiáng)劑的對(duì)比試驗(yàn)（三乙醇胺，氫氧化鈉，硫酸鈉）

為了保證早強(qiáng)劑的最優(yōu)選擇，本試驗(yàn)選取了另外兩種常用早強(qiáng)劑：氫氧化鈉和硫酸鈉，進(jìn)行與三乙醇胺的對(duì)比試驗(yàn)，分別測(cè)量不同齡期下加入這三種早強(qiáng)劑的固化土的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)下圖4.10：

圖4.10 三種早強(qiáng)劑對(duì)不同齡期下固化土無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度的影響

從圖中可以看出，加入硫酸鈉后固化土的早期強(qiáng)度反而沒(méi)有不加入早強(qiáng)劑時(shí)的早期強(qiáng)度高，因此硫酸鈉對(duì)固化土的早期強(qiáng)度形成有反作用。加入三乙醇胺后，固化土的1天強(qiáng)度有顯著提升，而3天和7天時(shí)的強(qiáng)度幾乎沒(méi)有變化。只有氫氧化鈉對(duì)固化土的早期強(qiáng)度，尤其是1天和3天的強(qiáng)度有非常明顯的提升作用，因此更改原配方，選擇氫氧化鈉取代三乙醇胺作為固化劑的成分之一。

5.聚丙烯纖維對(duì)固化效果的影響

試驗(yàn)表明，聚丙烯纖維能夠顯著提高固化土的力學(xué)性能和抗裂能力，因此本試驗(yàn)中嘗試在原因固化劑成分的基礎(chǔ)上加入聚丙烯纖維，測(cè)量其在不同齡期下的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度。由于試驗(yàn)時(shí)間原因，本試驗(yàn)與早強(qiáng)劑的對(duì)比試驗(yàn)同時(shí)進(jìn)行，因此早強(qiáng)劑的選擇仍然為三乙醇胺，但并不影響試驗(yàn)得出聚丙烯纖維對(duì)固化土早期強(qiáng)度形成的影響規(guī)律。試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)下圖4.11：

圖4.11電石渣摻入量對(duì)不同齡期下固化土無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度的影響

從圖中可以看出隨著聚丙烯纖維含量增加，固化土早期強(qiáng)度一開(kāi)始呈現(xiàn)上升趨勢(shì)，在含量為0.6%時(shí)達(dá)到峰值，隨后呈現(xiàn)下降趨勢(shì)。而當(dāng)聚丙烯纖維含量為0.3%和0.9%時(shí)，固化土早期強(qiáng)度反而不如不加聚丙烯纖維時(shí)的早期強(qiáng)度，因此確定聚丙烯纖維的含量為0.6%，此時(shí)對(duì)固化土的早期強(qiáng)度有明顯提升。

6.多種固化劑28天固化效果對(duì)比

在確定固化劑成分后，進(jìn)行28天固化試驗(yàn)，確定其最終的固化效果，觀察其無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度隨時(shí)間的變化情況。

同時(shí)用不同固化劑配方進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖4.12

圖4.12 28天固化效果對(duì)比圖

由圖中可以看出，前7天土樣的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度增強(qiáng)較為明顯，后期則較為平緩。因此可以看出，本配方的快速固化效果較為優(yōu)良。而通過(guò)與開(kāi)始暫定的水泥+碳化鈣+石膏+三乙醇胺的固化配方的28天強(qiáng)度對(duì)比發(fā)現(xiàn)改良后的配方固化效果全程優(yōu)于之前的配方，因此確定該配方為試驗(yàn)得出的最優(yōu)配方。

五、結(jié)論與建議

5.1 結(jié)論

（1）分別采用單摻水泥、單摻電石渣、單摻環(huán)氧樹(shù)脂、單摻鎮(zhèn)加固化劑、混摻水泥+石膏+電石渣、混摻水泥+石膏+電石渣+三乙醇胺、混摻水泥+石膏+石灰粉+三乙醇胺7種方式對(duì)南京河西地區(qū)軟土進(jìn)行快速固化試驗(yàn)，得出各種固化劑對(duì)軟土早起強(qiáng)度形成的影響，初步確定了軟土快速固化劑的組成成分；

（2）通過(guò)改變各種固化劑的摻入比例，分析了各種固化劑摻入量對(duì)軟土早起強(qiáng)度形成的影響，得出了水泥、電石渣、石膏、氫氧化鈉、聚丙烯纖維的最佳摻入量；

（3）得出了南京河西地區(qū)軟土的最優(yōu)快速固化方案，其組成成分為：主劑水泥摻量9%，外加劑電石渣4%，石膏2%，氫氧化鈉2%，聚丙烯纖維0.6%。

5.2 建議

由于實(shí)驗(yàn)條件和實(shí)驗(yàn)時(shí)間的限制，本實(shí)驗(yàn)還有很多不足之處，為了更加精確的確定固化劑的最優(yōu)配方，今后還需要在以下方面進(jìn)行研究：

（1）對(duì)氫氧化鈉的最佳摻入量進(jìn)行進(jìn)一步研究；

（2）嘗試使用不同的水泥進(jìn)行試驗(yàn)，得到更加全面的固化數(shù)據(jù)；

（3）進(jìn)一步縮小各種固化劑摻入量的范圍，力求使配方更加精確，如可進(jìn)行水泥摻入量為7%、8%、9%、10%的對(duì)比試驗(yàn)，進(jìn)一步確定水泥的最佳用量。

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