EN-1固化剂加固黄土的工程特性及其影响因素
               张丽萍,张兴昌 ,孙强
(1·西北农林科技大学资源环境学院,712100,陕西杨凌;2.烟台南山学院食品与营养保健学院,265706,山东烟台; 3·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,712100,陕西杨凌; 4·烟台市水利建筑勘察设计院, 264001,山东烟台)
摘要　通过击实试验、直剪试验和渗透试验研究EN-1固化剂掺量、养护龄期、压实度和含水率因素对固化土强度 和渗透特性的影响。结果表明:EN-1固化剂可显著增大土壤干密度,提高土壤抗剪强度和抗渗性,改善黄土的工程 性能;随着固化剂掺量、养护龄期和压实度增大,固化土的抗剪强度指标内摩擦角和凝聚力呈上升趋势,渗透系数 呈下降趋势;随着含水率的增大,内摩擦角和凝聚力呈下降趋势。在工程实践中,建议EN-1固化剂加固黄土的适 宜掺量选择0·01%,养护龄期需要7 d以上,压实度至少控制在0·95以上,含水率略低于最优含水率。
关键词　固化剂;黄土;抗剪强度;渗透性;影响因素 
土壤固化剂是一种性能优良的土工复合材料, 由多种无机和有机材料配制而成,在常温下与土壤 发生一系列物理化学反应,可胶结土粒和填充土壤 空隙,从而大大改善土壤的强度、耐久性等工程性 质。国外固化剂技术的工程应用已经相当普遍,在 日本、美国、加拿大、澳大利亚、南非和欧洲都有很成 熟的固化剂研究应用机构和公司,研究的对象不仅 包括水泥和石灰各种添加剂[1-2]、废弃物的再利 用[3]、新型土壤固化剂[4],还包括菌类加固技术[5]。 我国20世纪80年代开始引进这项技术,目前已有 近50家机构和公司在进行开发应用,并通过室内试 验和实际工程应用取得了一些进展,获得了良好的 效益。由于土壤固化剂适用范围广、性能稳定、价格 低廉、施工及维修方便,除了在交通道路、环保工程、 水土保持等领域有广泛的应用外,还可大量用于水 利工程中的护坡、防渗、集流面。韩苏建等[6]从强 度、抗渗和水稳性方面阐述了SR固化土在渠道防 渗中应用的可行性;苏嵌森[7]对固化后的膨胀土进 行了物理力学性质试验,并用固化土修建土工格栅 加筋土坡来治理滑坡取得了成功;吴普特等[8]、冯浩 等[9]、高建恩等[10]、樊恒辉等[11-12]将固化剂应用于 集流面,得出固化剂集流面的集流效率可以达到 78%以上,且建造成本低于混凝土集流面的结论。 杜应吉等[13]对黄土地区WH型土壤固化剂的抗渗、 抗冻、击实和无侧限抗压强度等物理力学性能进行 了试验,得出WH土壤固化剂能使黄土的抗冻和抗 渗性得到较大提高,可用于黄土渠基和土质集雨面 的防渗加固处理等结论。王银梅等[14]研制了SH高 分子固化剂,并在SH固化黄土强度试验研究基础 上,探讨了其加固黄土的作用机制;王生俊等[15]对 LD系列岩土胶结剂固化黄土的工程性质及其影响 固化黄土的主要因素进行了试验研究及分析,认为 LD胶结剂固化黄土的物理、力学、水理、抗冻等方面 的性能都有大幅度的提高,可用于加固黄土地基和 路基。总的来说,我国对土壤固化剂和固化技术的 研究尚处于起步阶段,尤其是对于固化剂加固土体 的作用机制及其对土体加固效果的影响因素研究甚 少。笔者以杨凌黄土为固结对象,采用抗剪强度及 抗渗性作为反映指标,对影响固化土强度的掺量、龄 期、压实度及含水率4个主要因素进行研究,探讨土 壤固化剂加固黄土的效果及其影响因素,以期为实 际工程正确使用土壤固化剂提供理论指导。
1　材料与方法
1·1　试验材料
试验选用黄土取自陕西杨凌,取土深度范围为 10~100 cm,属粉质黏土。试验前将土样混匀风干, 过5mm(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。
固化剂采用美国C.S.S技术公司生产的路邦

离子土壤固化剂EN-1,属于酸基化合物,是一种浓 缩状态下无挥发性、有强烈刺激性酸味、不燃烧、有 腐蚀性、溶于水的酱黑色液体,一经稀释,则是无毒、 无公害、无污染、不破坏生态环境的高分子复合材 料。硫酸含量>1%,表面活性剂含量6%,沸点282 ℃,密度1·709 g/cm3,25℃时相对密度为1·70,pH 值1·05,挥发率<1%。
1·2　试验方法
1·2·1　击实试验　确定固化土混合料的最优含水 率(Wop)和最大干密度(ρdmax),采用轻型击实试验 仪,击实功约为592·2 kJ/m3,分3层击实,每层25 击。以含水率为横坐标,干密度为纵坐标,绘制含水 率—干密度曲线,曲线峰值点对应的横纵坐标分别 为最优含水率和最大干密度。
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,计算干土质量,称取相应比例的固化 剂,按试验设计的含水率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 样称质量后,在室内自然环境中静置养护(环境温度 为18~22℃,湿度为40%~60%)。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%。 以相应的素土(不掺加固化剂)作为对照。
1·2·3　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GB/T 50123—1999《土工试验方法标准》进行。 1·2·4　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GB/T50123—1999进行。
1·3　试验设计
试验考虑固化剂掺量(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)和含水率(Wop-4、Wop-2、Wop、Wop+2)4个 因素,各因素水平数为4~5个,每个处理3组重复。 当掺量和养护龄期为变量时,含水率和压实度为定 量,分别为Wop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Wop;当含水率为 变量时,掺量、养护龄期和压实度分别为0·1%、7 d 和0·90。
2　试验结果及分析
2·1　击实试验
加入不同比例的EN-1土壤固化剂的击实曲线 如图1所示。

击实试验结果表明,在轻型击实条件下,素土的 最优含水率为18·9%,各掺量固化土的最优含水率 较素土变化不大,几乎相等;素土的最大干密度为 1·68 g/cm3,各掺量固化土的最大干密度在1·69~ 1·71 g/cm3之间,较素土有明显的增长,增长的幅度 在0·65%~1·49%之间。随着固化剂掺量由0·01% 增加到0·10%,固化土的ρdmax逐渐增大,当掺量增 加到1·50%时,ρdmax有所降低,说明固化土的ρdmax 随固化剂掺量的增加并不是无限增长,而是趋于一 个定值。EN-1土壤固化剂用水稀释后,产生强大的 离子作用,使溶液呈高导电性,与土壤混合后,将与 土壤颗粒表面吸附的活性阳离子进行强烈交换,促 使土壤扩散层厚度减薄,电位势下降,土颗粒之间的 排斥能降低,联结加强,使固化土的ρdmax相比素土 有所提高。固化剂在黄土中浓度越高,对黄土的胶 结能力越强,在相同的击实功能下,颗粒之间更容易 靠拢,土样越密实,干密度越大;而土中孔隙越小,存 在的水分就少,Wop越小。当土壤中固化剂掺量增 大到一定比例时,ρdmax趋于一个定值。
2·2　直剪试验
2·2·1　EN-1固化剂掺量和龄期对土壤抗剪强度指 标的影响　对不同掺量和龄期的固化土、素土的抗 剪强度进行测定,得出抗剪强度2个重要参数——— 凝聚力C和内摩擦角φ的变化趋势,见图2。加入 EN-1土壤固化剂后,固化土的内摩擦角和凝聚力较 素土明显提高,特别是凝聚力,提高的幅度达到了 16·1%~91·4%,内摩擦角提高了4·0%~12·8%。 养护龄期一定,固化剂掺量不同的试样,加入固 化剂比例越高,凝聚力和内摩擦角相应地越大。以 养护7 d为例,固化土在掺量为0·01%、0·05%、 0·10%和0·15%时,内摩擦角比素土提高了5·9%、 6·6%、9·0%和9·2%,凝聚力提高了39·7%、 48·9%、56·7%和58·4%;4个掺量的内摩擦角和凝 聚力与素土相比,差异达到了极显著水平(用DPS 分析软件进行多重比较),而4个掺量的内摩擦角和 凝聚力之间差异不显著,说明黄土中加入EN-1固化 剂后,在养护龄期一定的情况下,不论掺量的多少, 均能有效提高土壤的抗剪强度。

固化剂掺量一定,随着养护龄期的延长,固化土 的凝聚力和内摩擦角呈递增的趋势。以0·1%掺量 为例,固化土在养护1d、4d、7d和15d时,内摩擦角 比素土提高了5·3%、7·0%、9·0%和11·8%,凝聚力 比素土提高了22·3%、26·5%、56·7%和88·0%,尤 其是养护7 d和15 d时,各掺量固化土的内摩擦角 和凝聚力远大于养护1 d和4 d的,且差异达到极显 著水平。
黄土中加入EN-1固化剂后,养护龄期越长,掺 量越大,固化剂与土壤颗粒反应的越充分,促使颗粒 间的联结力增强,土体越密实,土体骨架更坚硬,相 应地加固土体承受外荷载的能力增强,抵抗变形和 破坏的能力提高,因而凝聚力和内摩擦角增大。其 中,养护龄期对固化土抗剪强度的影响明显大于掺 量的影响,在一定的范围内,抗剪强度随着固化剂掺 量的增加而增大,但固化剂的有效利用率随着固化 剂掺量的增加而减小,因此,从经济的角度和固化剂 的有效利用率考虑,建议固化剂适宜掺量为 0·01%,养护龄期至少7 d以上。
2·2·2　压实度和含水率对固化土抗剪强度的影响 
对不同压实度、不同含水率的试件进行直剪试验, 得出压实度、含水率与内摩擦角、凝聚力的关系图, 见图3和图4。
固化剂掺量、养护龄期及含水率一定时,随着压

实度的增加,固化土的内摩擦角和凝聚力随之增大 (图3),其中,凝聚力增加的幅度远大于内摩擦角, 且二者在压实度由90%增加到95%时,提高的幅度 最大,说明增大压实度,有助于提高固化土的抗剪强 度。黄土中加入EN-1固化剂后,如果不经过压实, 即使加入固化剂的量再多,强度也依然较低,只有将 固化土夯压密实,使黄土颗粒之间空隙减少,紧密联 结,才能保证固化剂与黄土充分反应,使其具有较高 的抗剪强度。压实度越小,试样相对来说较为疏 松,颗粒之间结合不紧密,从而使抗剪强度指标值 增加较缓慢;随着压实度的增大,颗粒之间逐渐结合 紧密,试样逐渐变得密实,土壤颗粒间的摩擦力逐 渐增大,外力克服颗粒间的摩擦力所要做的功将迅 速增大,从而抗剪强度指标增加较快。在实际施工 过程中,应尽可能增加固化土的干密度,建议压实度 至少控制在0·95以上。
当固化剂掺量、养护龄期、压实度一定时,含水 率对固化黄土的抗剪强度亦有显著影响。主要表现 在固化土的凝聚力和内摩擦角随含水率的增大而显 著减小上,其中,内摩擦角减小的幅度小于凝聚力。 含水率增大,土颗粒周围的水膜厚度增大,对土颗粒 的黏结力减小,土颗粒之间的相互移动较为容易,摩 擦力降低,原始凝聚力和内摩擦角也相应降低,同 时,固化土含水率增大时,水分对胶结物质产生了胶 溶作用和水分楔入作用,导致固化土的加固凝聚力 减弱甚至丧失,从而导致土壤抗剪强度降低。可见, 在最优含水率时,固化土的抗剪强度不一定最大,但 是,由于含水率低于最优含水率时,分子间的电场力 阻碍了土颗粒的相互靠近,影响了土的压实密度,要 想达到同样的干密度,就需要较大的击实功能,因而 也影响了土的强度;含水率高于最优含水率时,孔压 及多余水分会在土颗粒周围形成较厚的水化膜,使 颗粒间的联结强度降低,亦会影响土的压实密度:因 此,实践中应严格控制含水率,考虑到压实效果,建 议固化土的含水率略低于最优含水率(为最优含水 率的95%左右)。
2·3　渗透试验
2·3·1　EN-1固化剂掺量和养护龄期对固化土渗透 系数的影响　由渗透试验结果(表2)可以看出:素 土压实后渗透系数为1·85×10-5~2·03×10-5,属 于中等透水层,掺入EN-1固化剂后,无论加入比例 的多少和试样养护时间的长短,土样的渗透系数均 明显减小。
养护龄期一定,随着EN-1掺量的增加,固化土 的渗透系数呈递减趋势,以养护7 d为例,各掺量固 化土渗透系数与素土相比,降低的比例分别为 0·01% ( 62·3%) < 0·05% ( 63·86%) < 0·1% (68·4%)< 0·15%(69·6%)。各掺量的渗透系数与 素土相比差异达到极显著水平(P<0·01),但是,4 个掺量之间差异不显著,说明掺入EN-1固化剂后, 掺入比为0·01%时,对土的固化作用基本已经完全 发挥,土的结构也趋于稳定,掺入比再有增加对土的 渗透性的影响不大。
掺量一定,随养护龄期的增加,固化土的渗透系

数下降进一步加快。以掺入比0·1%为例,4个养护 龄期固化土的渗透系数与素土相比,降低的比例为 养护1 d(12·2%)<养护4 d(47·0%)<养护7 d (68·4%)<养护15 d(83·3%),尤其在养护7和15 d 时,4个掺量固化土渗透系数的值达到了10-6cm/s, 较素土减少了一个数量级,大大提高了黄土的抗渗 性能,且与1、4 d养护龄期固化土的渗透系数之间 差异极显著,说明养护龄期越长,固化剂胶结作用发 挥越充分,土壤强度越大,使土样中渗透路径减少, 渗透系数降低,抗渗性能得以改善,因此,要想达到 很好的抗渗效果,应尽可能地延长固化土养护龄期, 至少要在7 d以上。
2·3·2　压实度对固化土渗透系数的影响　从图5 可以看到,随着固化土压实度(η)的增大,渗透系数 (k)逐渐减小。压实度从0·8增加到0·9时,固化土 渗透系数随压实度增大降低的幅度较大,由7·86× 10-5降低到9·81×10-6,减小了将近一个数量级;压 实度从0·9增加到1·0时,渗透系数由9·81×10-6 降低到5·10×10-6,降低幅度较小,因此,工程实际 应用时,为保证加固土的渗透系数较低,压实度至少 要达到0·95以上。根据对实验结果的分析,可以用 幂函数关系拟合渗透系数与压实度的关系式为

3　结论与讨论
1)与素土相比,EN-1固化土的最优含水率变化 不大,最大干密度明显增大。EN-1固化土的内摩擦 角和凝聚力显著增大,渗透系数显著减小,说明加入 固化剂后,能有效提高黄土的抗剪强度及抗渗性。 2)随着掺量的增加和养护龄期的延长,固化土 的凝聚力和内摩擦角呈递增的趋势,渗透系数呈递 减的趋势,其中,养护龄期对固化土抗剪强度及渗透 系数的影响较大,掺量影响较小。因此,在实际工程 中,应尽可能地延长固化土的养护龄期,至少要在7 d以上,固化剂的适宜掺量为0·01%。
3)随着压实度的增加,固化土的内摩擦角和凝 聚力显著增大,渗透系数显著减小;随着含水率的增 加,固化土的内摩擦角和凝聚力显著减小。在施工 过程中,建议应尽可能增加固化土的压实度,至少控 制在0·95以上,固化土的含水率略低于最优含 水率。
由于所做试验有限,EN-1土壤固化剂加固黄土 的其他力学特性以及最佳养护时间、最佳配合比等 影响因素需进一步进行研究。
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