2种离子固化剂改善黄土抗剪强度和抗渗性的研究
                               1.张丽萍   2.张兴昌   3.孙强
(1.西北农林科技大学资源环境学院,陕西杨凌712100;2.中国科学院水利部水土保持研究所, 水利部水土保持生态工程技术研究中心,陕西杨凌712100;3.烟台市水利建筑勘察设计院,山东烟台264001)
    摘要：为了探讨CONAID和LUKANG 2种离子固化剂的固土性能及其影响因素,对不同固化剂掺量、养护龄期、压实度和含水率的固化黄土进行了直剪试验和渗透试验。研究结果表明:随着固化剂掺量、养护龄期和压实度增大,2种固化土的内摩擦角和黏聚力呈上升趋势,渗透系数呈下降趋势,且规律比较接近。其中LUKANG固化剂对黄土抗剪强度和抗渗性的改善效果优于CONAID固化剂。建议在施工过程中选用LUKANG固化剂,掺量宜取 0.01%。为了达到更好的抗剪和抗渗效果,应尽量延长固化土的养护龄期,增加压实度。
    关键词：土壤固化剂  抗剪强度  抗渗性
    中图分类号：TU 432　文献标识码：A
    土壤固化剂是用于改善土的物理、力学性质以适应工程技术要求的新型化学材料,可就地加固土壤,增强土壤的抗压强度和抗渗透能力,具有使用范围广、性能稳定、价格低廉、施工方便等特点,已广泛用于渠道防渗[1]、护坡护岸[2]、水利建筑[3] 及道路路基[4-7]等方面。固化剂的种类可分为无机类[8]、有机 类[9-10]、工业废渣类[11]以及新型土壤固化剂类[12-13]。种类不同,其固化土壤的作用机理也不一样。传统固化剂如水泥和石 灰,是利用固化剂水化形成的水化产物胶结土粒,达到固化土壤的目的;离子型固化剂则是利用电离子交换,改变土壤中水 分和土颗粒离子特性,破坏土壤孔隙结构,使土壤易于压实,从 而达到固化土壤的目的。近年来,随着国外土壤固化剂被引入中国,结合中国土类特点,国内一些单位也开始了固化剂的改 性及本土化的研究和探索,研制和开发了一系列土壤固化材料,使之由简单、单一的无机结合材料发展成复杂、综合的多种 类型化学物质,用于加固各种土类,并取得了一定的成 果[14-15]。但到目前为止,在实际应用上国内还处在起步阶段。本文以杨凌黄土为固结对象,通过对其掺配不同比例的CON- AID和LUKANG土壤固化剂的直剪试验及渗透试验,探究这 2种固化剂对黄土抗剪强度及抗渗性能的改善效果及其影响因素,优选出适合黄土的固化剂,并对其在工程实践中的应用提供理论指导。
    1　材料与方法
    1.1　试验材料
    试验选用黄土取自陕西杨陵,属粉质粘土。试验前将土样混匀风干,过5 mm (击实实验)和2 mm(直剪和渗透实验)筛备用,其物理性质指标见表1。
    土壤固化剂选用康耐CONAID和路康LUKANG 2种液体固化剂,是高分子聚合成的化学混合物,由多种活性剂和稳 定剂组成,通过与粘土的一系列物理化学及表面化学作用,改变土颗粒的表面特征和性质,减薄土颗粒的双电层,充分增加土颗粒间的电性作用力,依靠其自身性能的改变来达到加固土的目的。其基本性质见表2。

    1.2　试验设计与方法
    1.2.1　试验设计
    试验设计固化剂掺量(0.01%、0.05%、0.10%、0.15%)、 养护龄期(1 d、4 d、7 d、15 d)、压实度(压实度=制样密度/最大 干密度)(0.80、0.85、0.90、0.95、1.00)3个因素。当掺量和养 护龄期为变量时,含水率和压实度为最优含水率18.9和0.95; 压实度为变量时,掺量、养护龄期和含水率分别为0.1%、7 d和 18.9。
    1.2.2　制样及养护
    称取一定量的风干备用土料,测其含水率,计算干土重量, 称取相应比例的固化剂,按素土的最优含水率(18.9%)加水搅 拌并和土料充分混合,静置于密闭容器中待含水均匀后测定含 水率,按预定的干密度制样。计算称取对应制样环刀容积的试 验土料(直剪试验环刀容积为60 cm3,渗透试验环刀容积为 120 cm3),用千斤顶静压成型。成型试样称重后在室内自然环 境中静置养护。制样密度、含水率与试验设计之差值不超过 0.02 g/cm3与0.5%,以素土(不掺加固化剂)作为对照。
    1.2.3　试验方法
    直剪试验采用应变控制式直剪仪进行快剪试验,施加垂直 压力分别为100、200、300、400 kPa,剪切速度控制在6 r/min, 试验方法按照《土工试验方法标准》(GB/T50123-1999)进行。 渗透试验采用南55型渗透仪,用变水头方法测定其渗透系数。 测定前用真空饱和法将试样充分饱和,试验方法按照《土工试 验方法标准》(GB/T50123-1999)进行。
    2　试验结果及分析
    2.1　固化剂掺量和养护龄期对土壤抗剪强度的影响 从表3可以得出,加入固化剂后,2种固化土的内摩擦角和 黏聚力较素土显著提高且差异显著,CONAID固化土内摩擦角 提高了0.2%~4.9%,黏聚力提高了12.9%~67.3%;LU- KANG固化土内摩擦角提高了1.2%~7.9%,黏聚力提高了 16.1%~84.9%,提高的幅度均大于CONAID固化土,表明经 过改良的LUKANG固化剂在提高土壤强度上优于CONAID 固化剂。
CONAID固化土在掺量为0.01%~0.1%时,内摩擦角和 黏聚力随掺量的增加而增大,当掺量继续增加到0.15%时,内 摩擦角和黏聚力呈现稳定或减小的趋势。表明黄土中加入 CONAID固化剂的比例并不是越高越好,它有个最佳配合比, 掺入比过量反而会降低土壤强度,使得固化剂的有效利用率降 低。LUKANG固化土的内摩擦角和粘聚力随着固化剂掺量的 增加呈现递增趋势。2种固化土各掺量间的内摩擦角和黏聚力 差异不显著。随着龄期的增长,2种固化土的内摩擦角和黏聚 力也随之增大,养护7 d和15 d时固化土的内摩擦角和黏聚力 远大于养护1 d和4 d且差异显著,表明养护龄期对固化土内 摩擦角和黏聚力的影响大于掺量。
    CONAID和LUKANG对黄土的固结作用具有双重性:第 1,通过离子交换作用,排斥水对黏土的吸附能力,改变土壤的 物理性能,使土壤由亲水性转变为憎水性,减少黄土黏粒的含水易感性和水对土壤强度的影响,达到持久稳定土壤、提高土 壤强度的目的;第2,通过与土壤长期的化学反应,土壤表面产 生不可逆凝结硬化,使土层越来越坚硬,抗剪强度增大。在实 际工程应用中,应尽可能地延长养护时间,龄期越长,固化剂与 土壤反应越充分,颗粒间的联结力越强,土体骨架越坚硬,固化 土抵抗变形和破坏的能力越高,即使固化剂掺量较小,仍能有 效地提高固化土的抗剪强度。

    2.2　压实度对固化土抗剪强度的影响
    对不同压实度CONAID、LUKANG固化土进行直剪试验, 结果见图1。

    2种固化土的内摩擦角和黏聚力随着压实度的增加均呈现 先迅速递增,最后趋于恒定的趋势,CONAID固化土内摩擦角 增加了11.5%,黏聚力增加了174.1%;LUKANG固化土内摩 擦角增加了5.2%,黏聚力增加了169.2%。LUKANG固化土 的内摩擦角和黏聚力在各压实度下均大于CONAID固化土, 但增加的幅度小于CONAID,表明增加压实度有利于固化土强 度的提高,且对CONAID固化土的影响大于LUKANG固化 土。增加固化黄土的压实度,有效地减少了土颗粒间的空隙, 使得固化剂与黄土的反应更加充分,具有较高的强度。在实际 施工过程中,为了使固化黄土具有较高的抗剪强度,应保证固 化土达到一定的压实度。
    2.3　固化剂掺量和龄期对固化土渗透系数的影响
    由渗透试验结果表4可以看出:掺入CONAID和LU- KANG固化剂后,渗透系数较素土(1.85×10-5~2.03×10-5) 均明显减小。2种固化土的渗透系数随着固化剂掺量的增加总体呈递减趋势,LUKANG固化土渗透系数降低的幅度大 CONAID固化土,表明LUKANG固化剂对黄土抗渗性的改善性能优于CONAID。相同的掺量下,随着龄期的增加,固化土的渗透系数下降进一步加快,2种固化土在养护7 d和15 d时, 即使在固化剂掺量较小的情况下,固化土渗透系数亦有很大的降低,甚至达到了10-6cm/s,比素土小了一个数量级,说明龄期对固化土渗透性的影响高于掺量对其的影响。龄期越长,固化剂胶结作用发挥越充分,固化土渗透系数越小,黄土的抗渗性能越强。
                  
    2.4　压实度对固化土渗透系数的影响
    由图2可以得出,随着2种固化土压实度η的增大,渗透系数K逐渐减小。压实度从0.8增加到0.95时,固化土渗透系数随压实度增大降低的幅度较大,CONAID固化土由1.4× 10-4降低至7.7×10-6, LUKANG固化土由9.7×10-5降低 到5.7×10-6,减小了将近2个数量级;压实度从0.95增加到 1.0时,2种固化土渗透系数降低幅度较小,并趋向恒定。实际工程应用时,增加压实度是降低固化土渗透系数的有效途径。
            
    3　结　论
    添加CONAID和LUKANG 2种离子固化剂后,能有效地 提高黄土的抗剪强度,使得固化土的内摩擦角和黏聚力较素土有显著的提高,其中内摩擦角提高的幅度较小,黏聚力较素土 提高的幅度较大。固化剂对黄土的抗渗性也有很好的改善作 用,2种固化土的渗透系数较素土均有明显的降低,且LU- KANG固化剂对黄土抗剪强度和抗渗性的改良效果优于CONAID固化剂。固化剂的掺量、养护龄期以及压实度都是影响固化土抗剪强度和抗渗性的重要因素。随着固化剂掺量的 增加、固化土龄期的延长和压实度的增大,固化土的黏聚力和内摩擦角呈递增的趋势,渗透系数呈递减的趋势。因此在实际 应用中,为了使固化土满足工程要求,具有良好的抗剪强度和抗渗性,应该尽可能地延长固化土的养护龄期,增加压实度。 虽然固化土的强度随固化剂掺量的增加而增大,但是固化剂的有效利用率却减小了,而且大掺量会超过经济限度,建议CON- AID和LUKANG的适宜掺量为0.01%。本次CONAID和 LUKANG固化剂对黄土的改性试验仅仅是个开始,从初步试验结果看,已显示出固化剂的效果,至于这2种固化剂对其他土质的改良效果,固化土其他力学特性的研究以及固化剂合理添加量等方面还需做大量的尝试和研究工作,才能更好地应用于工程实践。
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