不同固化劑對砂質泥巖固化效果的對比試驗研究

吳 丹，何 鑫(西南科技大學土木工程與建筑學院，四川綿陽 621000)

不同固化劑對砂質泥巖固化效果的對比試驗研究

吳 丹，何 鑫
(西南科技大學土木工程與建筑學院，四川綿陽 621000)

通過在砂性泥巖中分別摻入無機固化劑、有機固化劑、無機有機混合固化劑，研究了不同固化劑對砂性泥巖的固化效果。試驗結果表明：僅摻入有機固化劑的固化土水穩(wěn)性差，摻入無機固化劑后，固化土水穩(wěn)性增強；有機固化劑-乙5+3 %水泥固化土的水穩(wěn)性及強度最好，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；抗壓強度；水穩(wěn)定性；對比試驗

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)濟及環(huán)境效益，國內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。20世紀70年代起美國等國家就對土壤固化劑進行了研究并廣泛應用于道路、水利工程、環(huán)境保護等各個工程領域。20世紀90年代, 我國開始引進和研制土壤固化劑，也取得了一些進展，但針對砂質泥巖土壤研究較少，因此本文對不同固化劑對砂質泥巖的加固效果進行對比研究。

1 固化劑的分類

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

無機固化劑，一般由水泥、石灰、各類礦渣、煤矸石等單獨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混合反應形成具有較高的早期強度、耐水性的膠合體，但該膠合體易受時間及周圍環(huán)境影響，老化趨勢明顯，后期強度及耐水性均會隨時間下降。

生物酶類固化劑有輕微的發(fā)酵味，是有機物質發(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度、耐水性提高，對環(huán)境無副作用。

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

2 試驗材料及方法

2.1 試驗用土

本試驗所用的土樣取自四川廣元市旺蒼縣某公路的砂質泥巖。粉質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。對土樣進行顆粒分析試驗，其試驗結果如表1所示。

表1 土樣篩分實驗結果

2.2 土壤固化材料

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

其中有機固化劑由西南科技大學研發(fā)，由黏土疏水、排氣液體(Ⅰ號、Ⅱ號)和減水增實粉體(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、密實化即石化的自然進程，達到活化處理黏土，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 實驗方法

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

將攪拌均勻的固化劑、土、水混合物倒入模具內，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(試件含水率由擊實試驗結果確定，密度為95 %最大干密度)。試件制成后，密封放入標準養(yǎng)護室內(養(yǎng)護條件為溫度 20 ℃±3 ℃，相對濕度不小于95 %)，養(yǎng)護至相應齡期。養(yǎng)護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，對試件稱重并進行無側限抗壓強度試驗。

3 試驗結果與分析

3.1 擊實試驗

擊實試驗結果如表2所示，結果表明：素土中加入無機固化劑后，最佳含水率和最大干密度隨之提高；摻入有機固化劑對土的最佳含水率和最大干密度的影響不明顯，與僅摻加有機固化劑的土樣相比，有機固化劑試件混合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 室內擊實試驗結果匯總

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

圖1 固化劑對固化土土壓實特性影響

3.2 無側限抗壓強度

圖2為不同固化劑和養(yǎng)護齡期對固化土無側限抗壓強度(qu)的影響。固化土無側限抗壓強度隨養(yǎng)護齡期的增加而增長。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，與素土qu(5.90 kPa)相比，固化土qu有所增長，但有機固化劑-甲5、有機固化劑-甲5+3 %水泥和有機固化劑-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，土體qu均有較大幅度增長，摻入有機固化劑-乙5+3 %水泥的固化土qu(330.20 kPa)最大；60 d齡期時，各固化劑固化土qu較28 d齡期時無明顯增長，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)護齡期對固化土強度的影響

3.3 水穩(wěn)性

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

圖3 泡水后試件無側限抗壓強度

4 結論

通過對4種固化劑9種固化土的室內試驗得出各種固化土的物理力學性質，可以得出：

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

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

(3)綜合考慮施工質量和經(jīng)濟性，建議現(xiàn)場施工時，保證拌和時間、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度，確保固化土施工質量。

[1] 吳淑芳, 吳普特, 馮浩.高分子聚合物對土壤物理性質的影響研究[J].水土保持通報，2003, 23(1): 42-45.

[2] 汪益敏, 張麗娟, 蘇衛(wèi)國, 等.ISS加固土的試驗研究[J].公路，2001(7): 39-43.

[3] 雷雯，項偉.EN-1離子土壤固化劑對滑坡滑帶土擾動樣的改性機理研究[J].長江科學院院報，2014, 31(1): 47-51.

[4] 潘湘輝, 桂嵐, 李躍軍.不同土壤固化劑對土質固化性能影響的對比試驗研究[J].公路工程, 2014，39(1): 59-62.

臨時道路中竹筋加筋土路基的承載機理研究(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