EFS 土壤固化劑穩(wěn)定改性生土房建性能試驗(yàn)研究

吳曉君 鄭家榕 張凌霄 王俊杰 武 祺 張玲玲

（西南科技大學(xué)土木工程與建筑學(xué)院，四川 綿陽(yáng) 621010）

生土因其不需要復(fù)雜處理，在過(guò)去被廣泛利用。而隨著時(shí)代的發(fā)展，生土因其耐水性差、強(qiáng)度低，故其使用發(fā)展受到很大限制，其在房建中逐漸被混凝土、砌體、鋼材替代。而如今，在碳中和、碳達(dá)峰、綠色可持續(xù)發(fā)展的大背景下，建筑垃圾污染的不斷加劇，使天然具備綠色環(huán)保性質(zhì)的生土材料再一次進(jìn)入了人們的視野。為此，如何改良生土材料原有特性，使其耐水特性以及承載能力得以提高，已經(jīng)成為解決生土建筑發(fā)展受阻的首要問(wèn)題。

生土材料的改性包括物理改性和化學(xué)改性兩種方式[1]。物理改性通常是根據(jù)土體的性質(zhì)、結(jié)構(gòu)組成等，摻入級(jí)配骨料、纖維狀材料等，通過(guò)控制生土材料的含水率，改善其壓實(shí)性能，從而提高生土材料的承載能力，但因基體與增強(qiáng)體之間并未產(chǎn)生新物質(zhì)，在微觀上呈分開狀態(tài)，為此，通常其各項(xiàng)性能只會(huì)在原有材料承載范圍內(nèi)變化，改性幅度有限?；瘜W(xué)改性則是在生土材料中摻加膠凝材料、活性混合材料等改性添加劑，使得生土（基體）與水泥（增強(qiáng)體）之間產(chǎn)生界面層，將生土與水泥緊密粘結(jié)，不僅能改善改性生土的力學(xué)性能，且重組結(jié)構(gòu)的水穩(wěn)定性得到很大提高，各項(xiàng)性能指標(biāo)均超出原生土材料。

四川省綿陽(yáng)市屬北亞熱帶山地濕潤(rùn)季風(fēng)氣候區(qū)，年均降水量826～1417 毫米，降水充沛，對(duì)建筑材料的耐水性能要求較高。經(jīng)調(diào)研發(fā)現(xiàn)，該地區(qū)生土建筑改性大多以傳統(tǒng)膠凝材料水泥、石灰為主，且摻量從5%～22%不等，摻量較高，對(duì)環(huán)境影響較大。本文以綿陽(yáng)某生土建筑為例，在確保改性生土性能滿足要求的基礎(chǔ)上，通過(guò)試驗(yàn)測(cè)試與理論分析相結(jié)合的方法，通過(guò)加入綠色環(huán)保的土壤固化劑EFS，激發(fā)水泥的水化反應(yīng)，提高改性土性能，降低水泥用量，減少對(duì)環(huán)境的污染。

1 試驗(yàn)概況

1.1 原材料

試驗(yàn)用土取自綿陽(yáng)某現(xiàn)場(chǎng)，土樣呈紅棕色，以粉質(zhì)黏土為主，夾雜少量強(qiáng)風(fēng)化泥巖塊石，可塑性好，各項(xiàng)指標(biāo)如表1 所示。

表1 土樣性能指標(biāo)

1.2 試件配合比方案

根據(jù)CJJ/T 286-2018《土壤固化劑應(yīng)用技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》有關(guān)要求以及材料的界面理論設(shè)計(jì)12 種改性土配合比，研究EFS 與水泥對(duì)生土的改性作用，配合比如表1 所示。A 組試件為素土試件; B 組試件為0.01%EFS，水泥含量分別為3%，4%，5%，6%; C 組試件為0.015%EFS，水泥含量分別為3%，4%，5%，6%。d 組試件為0.02%EFS，水泥含量分別為3%，4%，5%，6%。試件分為13 組，每組制作8 個(gè)試件，共計(jì)104 個(gè)試件，各配合比如表2 所示。

表2 固化土配合比 kg·m-3

在進(jìn)行實(shí)驗(yàn)之前先將生土去除巖石、樹根后進(jìn)行破碎，然后將材料按配合比混合并攪拌均勻。參照《土工試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》 中擊實(shí)試驗(yàn)，將處理好的生土在Φ100mm×100mm 的圓柱形模具中分三層夯實(shí)，為了確保接觸界面的強(qiáng)度，每層擊好后，將接觸面做“刮毛”處理。制件完成后將試樣用塑料薄膜覆蓋，并標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)7d、28d，后測(cè)試其無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度以及水穩(wěn)定性。

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 變形性能

素土試件共3 個(gè)，破壞過(guò)程及破壞形態(tài)相似，現(xiàn)以A-2 試件為例描述其現(xiàn)象和破壞過(guò)程。[5]當(dāng)荷載為破壞荷載的50%時(shí)，試件中上部出現(xiàn)第一條裂縫，隨著荷載的增加，裂縫不斷增多，且裂隙發(fā)展方向與壓力方向平行(圖1(a))，繼續(xù)加載，試件出現(xiàn)45°方向貫通裂縫，試件完全破壞。

圖1 素土試件破壞狀態(tài)

摻EFS 固化劑與水泥的試件破壞過(guò)程及破壞形態(tài)相似。與素土試件相比，其裂縫出現(xiàn)的的荷載略高,剪切角增大。隨著荷載增加，裂縫上下延伸，同時(shí)出現(xiàn)多條較短的橫向裂縫和斜裂縫(圖2(a))，隨著荷載的增加，試件表面開始掉渣、剝落，主要?jiǎng)兟?、掉渣與裂縫主要集中在試件的上部(圖2(b))，試件破壞后呈細(xì)腰狀態(tài)(圖2(c))，兩頭大中間小。產(chǎn)生此現(xiàn)象是因?yàn)镋FS 與水泥共同作用把土顆粒膠結(jié)在一起，試塊的整體性較好，其塑性破壞特征有所減弱。

圖2 改性試件破壞狀態(tài)

2.2 無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度

為了研究其強(qiáng)度特性，選用HYE-300 型微機(jī)電液伺服壓力試驗(yàn)機(jī)，對(duì)試件進(jìn)行無(wú)側(cè)限抗壓試驗(yàn)，并記錄試件破壞壓力P，使用下式指標(biāo)表示改性后生土性能。如下式所示所示。Rc 為試件無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度(MPa);P 為試件破壞時(shí)的最大壓力(N);A 為試件截面面積(mm2);RC0.95為試件95%保證率的強(qiáng)度代表值(N);RC為試件無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度平均值(N);S 為標(biāo)準(zhǔn)差;Cv 為變異系數(shù)(%)。

試件7d 無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度計(jì)算結(jié)果如圖表1 所示。由圖3 可知，D4 組試件7d 無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度較大，離散性較??；A 組試件7d 無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度小，離散性較大;C1，C2 離散型偏大。隨著水泥用量的增大，試件7d 無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度逐漸增大;我國(guó)目前規(guī)范尚且不成熟，本文借鑒了美國(guó)的《新墨西哥州土坯與夯土建筑規(guī)范》，要求7d的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度不小于1.38Mpa，可知B2,B3,B4,C3,C4,D3,D4 組試件均滿足該要求，其中D4 組試件7d 無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度較高，95%保證率的強(qiáng)度代表值較規(guī)范限值1.38MPa 高75%。

圖3 EFS 摻量和水泥摻量對(duì)7d 無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度的影響

試件28d 無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度計(jì)算結(jié)果如圖4 所示，摻EFS 為0.015%的C 組試件的離散型偏大，隨著水泥摻量的加大，試件28d 的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度逐漸增大，《新墨西哥州土坯與夯土建筑規(guī)范》規(guī)定，28d 無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度不小于2.07Mpa，可知B2,B3,B4,C2,C3,C4,D4 均滿足強(qiáng)度要求，其中C3 組強(qiáng)度最高，高出規(guī)范規(guī)定高34.7%。

圖4 EFS 摻量和水泥摻量對(duì)28d 無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度的影響

水泥在與生土在EFS 土壤固化劑的作用下，顆粒之間或內(nèi)部發(fā)生交聯(lián)，且EFS 土壤固化劑改變了土顆粒物理結(jié)構(gòu)，增強(qiáng)了土體穩(wěn)定性、整體性，使得土體抗壓強(qiáng)度提高。[3]當(dāng)EFS 摻量低而水泥摻量高時(shí)，試件抗壓強(qiáng)度隨著水泥摻量增加而增強(qiáng)，如B 組所示。EFS 摻量較高而水泥摻量較低時(shí)，由于其催化效果顯著，水泥與土體結(jié)合不均勻，使得土顆粒未被完全包裹，且水泥在土顆粒表面結(jié)合厚度不均勻，使得C 組離散型偏大，但隨著水泥摻量的增加，土顆粒包裹性有所增強(qiáng)。當(dāng)EFS 摻量高，而水泥摻量較低時(shí)，如D 組。在EFS 催化下，水泥并未均勻與土體混合，而是形成單獨(dú)的水泥顆粒，類似于摻入石子，導(dǎo)致水泥與土體膠結(jié)差，使其抗壓強(qiáng)度反而較低。

2.3 水穩(wěn)定性

為測(cè)試改性后土的耐水性能，進(jìn)行水穩(wěn)定性試驗(yàn)。耐水性采用水穩(wěn)定性系數(shù)進(jìn)行評(píng)定。[4]試件在經(jīng)過(guò)標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)6d 后稱重，然后泡水1d，泡水結(jié)束后擦干試件表面水分，并再次稱重，通過(guò)測(cè)試其泡水后質(zhì)量吸水率來(lái)判斷其耐水性。觀察發(fā)現(xiàn)，經(jīng)1d 泡水后，試件除了表面泛白，并無(wú)其他明顯現(xiàn)象，泛白是因?yàn)楦男陨猎陴B(yǎng)護(hù)過(guò)程中會(huì)不斷析出水分（這點(diǎn)在正常養(yǎng)護(hù)后，薄膜上有一層水分可以體現(xiàn)），改性生土中的可溶性堿隨著水分遷移到生土表面，從試驗(yàn)結(jié)果來(lái)看，該現(xiàn)象不會(huì)影響土體的的結(jié)構(gòu)與性能。試件水穩(wěn)定性指標(biāo)根據(jù)《新墨西哥州土坯與夯土建筑規(guī)范》，要求平均質(zhì)量吸水率低于2.5%。水穩(wěn)定性試驗(yàn)結(jié)果如圖5 所示。由圖5 可知，B1、D4 試件水穩(wěn)定性較差，其余試件水穩(wěn)定性系數(shù)在1 附近, 高出規(guī)范限值。這是因?yàn)榧尤隕FS 土壤固化劑后，其與土顆粒發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，將土顆粒由親水性變?yōu)樵魉裕柚顾诌M(jìn)入的同時(shí)排出水分，且可以對(duì)水泥進(jìn)行催化，使固化土耐水性得到提高。

圖5 不同EFS 與水泥摻量對(duì)改性生土水穩(wěn)定性的影響

3 結(jié)論

3.1 C3 組試件(5%水泥+0.015%EFS 土壤固化劑)抗壓性能最好，滿足新墨西哥州土坯與夯土建筑規(guī)范7d，28d 無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度要求，95%保證率的強(qiáng)度代表值較規(guī)范限值1.38MPa 高。

3.2 B2、B3、B4、C3、C4、D4 滿 足新墨西哥州土坯與夯土建筑規(guī)范7d無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度要求，當(dāng)EFS 摻量較高而水泥摻量較低時(shí)，由于其催化效果顯著，水泥與土體結(jié)合不均勻，使得土顆粒未被完全包裹，且水泥在土顆粒表面結(jié)合厚度不均勻，使得試件離散性大，強(qiáng)度反而較低。

3.3 將試件泡入水中，其表層會(huì)發(fā)生泛堿，但其內(nèi)部仍然保持穩(wěn)定，其強(qiáng)度不僅沒(méi)有低于未泡水試件，反而有所提高。除B1、D4 試件水穩(wěn)定性較差，其余試件水穩(wěn)定性系數(shù)均大于1，所有試件的重量增量（即平均質(zhì)量吸水率）均滿足規(guī)范要求，具有良好的水穩(wěn)定性。

3.4 EFS 土壤固化劑可促進(jìn)水泥與土顆粒膠結(jié)成整體，提高生土的耐水性、強(qiáng)度，從而提高房建方面的應(yīng)用性能。