薛建荣　吕桂军

(黄河水利职业技术学院水利系,河南开封475001)

摘要：土壤固化技术从20世纪40年代开始蓬勃发展,至今已形成一门综合性的交叉学科。它涉及建筑基础、公路建设、堤坝工事、井下作业、垃圾填埋、防尘固沙等多种领域。通过采用控制土壤固化剂掺入量和土壤含水量的方法,对两种不同质地土壤的固化效果进行了研究。试验结果表明:随着固化剂掺量的增加,固化剂的固土效果越来越好;含水率对固化土强度有显著的影响,在固化剂掺量不变的条件下,必有一个最佳含水率使得试件的无侧限抗压强度最大。

关键词：土壤固化剂;固化效果;抗压强度;试验研究

中图分类号：TU41　　　文献标识码:A

目前国内外已应用的固化剂大致可以归为以下几类:①电离子类固化剂。它是一种高浓缩的溶液,主要由石油裂解产品加以磺化物配制而成,属液体状,如路可固(ROADGOOD)、沙特固(SSS)。②生物酶类固化剂。此类固化剂是由有机物质发酵而成的,属蛋白质多酶基产品,为液体状,如美国国际酶制品有限公司研制的“派酶大力浆”。③水化类固化剂。主要由石灰、铁粉、粘土、石膏、粉煤灰等加入不同化学激素,经过一定工艺加工而成,为固体颗粒状物质,如HEC土壤固化剂。土壤固化剂固土效果可以从多方面体现,如固化土的抗渗性、抗冻性、耐蚀性和抗压强度。由于抗压强度是固化剂固土效果的一个主要参数,故本文主要针对试件抗压强度,对室内高强高耐水土体固结剂HEC(High Strength&Water Stability Earth Consolidator)固化土壤的效果进行了试验,研究了固化剂掺量、土壤水分含量、土壤质地3种因素对土壤固化剂固土效果的影响,以供今后的固土工程施工借鉴。

1　试验设计

1.1　供试固化剂

采用河南省巩义市海威建材公司生产的HEC(High Strength&Water Stability Earth Consolidator)高强高耐水土体固结剂。

1.2　供试土样

试验采用砂性土和粘性土作为试验土样。用比重瓶法测定的砂性土比重为2.61,粘性土比重为2.76;用流塑限联合测定法测定的粘性土流限为35%,塑限19.25,塑性指数为15.75。

1.3　试验方法

1.3.1　试件制备方法

(1)击实试验采用机械击实,总击数25击,周击数7击,将土料分3层压实制成圆柱体试件(试件高13 cm,直径10 cm)。装料击实系数为最大干密度的0.95倍。

(2) 10 cm×10 cm×10 cm立方体试件采用人工击实,分3层装料,每层30击。装料击实系数为最大干密度的0.95倍。(由于采用人工击实试件,所以取用较小的击实系数,如采用机械制作试件,可以取用较大的击实系数,且所得试件的抗压强度还会有所提高)。

1.3.2　试件养护方法

成型后的试件在养护室中养护,温度保持在(20±2)℃,湿度在90%以上,养护时间为14、28 d。

1.3.3　试件抗压强度测定方法

根据《无机结合料稳定料试验规程》(JTJ057-94)试验操作方法[2],将养护后的试件置于压力机上下机头之间,以1 mm/min的下压速度加压至试件破坏,记录破坏荷载,即为试件抗压强度,单位为MPa。

2　试验结果与分析

2.1　击实试验

击实试验是用重锤锤击土料,以使土密度增加,土在一定的击实效应下,如果含水量不同,则所得的密度也不相同,能使土壤达到最大干密度所要求的含水量称为最优含水量,其相应的干密度称为最大干密度[2]。土料粉碎、拌和和击实过程是一种最简单、最基本的加固手段,但该过程是任何类型的土壤固化剂在固化土壤时都必需的,因为固化土壤的密度和土壤固化剂在土体中的均匀性,对试件强度的形成具有非常重要的作用。因此,用同一能量击实不同配比的各组测定土样,确定出做试块时达到最大干密度和最优含水量时的用水量,是保证固化土壤强度的一种必要的有效手段。击实试验数据如表1所示。

2.2　固化剂掺量和土料含水率对试件抗压强度影响

为了研究固化剂掺量和土料含水量对试件抗压强度的影响,对击实试验的圆柱体试件(高13 cm,直径10 cm)进行了抗压强度测定,测得其28 d的抗压强度如表2所示。

对表2进行无重复双因素方差分析,如表3所示。从表3可以看出,固化剂掺量和土料含水量对试件抗压强度都有决定性影响。由表2和表3可以得出如下结论:①同一含水率条件下,试件强度随固化剂掺量R增加而增加;②在相同固化剂掺量条件下,必然存在一个最优土料含水率使得试件抗压强度达到最大,土料含水率大于或小于这一最优土料含水率试件抗压强度都会减小。因此,在进行固土施工之前,按照工程要求选择合适的固化剂掺量和与之对应的最优含水量,是保证施工质量,节约经济成本的一项基本措施。

2.3　固化剂、土壤、养护时间对试件抗压强度的影响

不同固化剂掺量、土壤质地和养护时间的立方体试件抗压强度如表4所示。对表4进行双因素方差分析可知,固化剂掺量、土壤质地和养护时间对试件抗压强度都有显著影响。用图1对表4进行说明。

由表4和图1可以得出如下结论:①相同固化剂掺量条件下,试件强度随养护时间的延长都有不同程度的增加。②在相同养护时间内,固化剂掺量大的试件的抗压强度增加幅度大于固化剂掺量小的试件。比如,1∶4固化剂掺量的砂性土试件抗压强度在28 d龄期时达到5.50 MPa,比14 d龄期时的抗压强度提高了1.90 MPa,而1∶6固化剂掺量的砂性土试件抗压强度在28 d龄期时达到3.53 MPa,比14 d龄期时的抗压强度只提高了1.01 MPa。这一现象可以从图1中直观显现出来。图中有两种不同的土质,28 d龄期曲线位于14 d龄期曲线的上面,且相同固化剂掺量下,两曲线的纵坐标差值随着固化剂掺量的降低而减小。这一点也说明了固化剂的固土效果是非常显著的。③不同土质对试件强度的形成有显著影响,相同养护时间内粘性土试件的抗压强度大于砂性土。比如,1∶6固化剂掺量的砂性土试件抗压强度在28 d龄期时达到3.53 MPa,比14 d龄期时的抗压强度提高了0.99 MPa,而1∶6固化剂掺量的粘性土试件抗压强度在28 d龄期时则达到5.10 MPa,比14 d龄期时的抗压强度提高了2.03 MPa。这说明固化剂加固粘性土的效果要比砂性土好。工程施工时,在条件许可的条件下应尽量选择合适的土壤类型去加固,以便提高固化剂的固土效果。

3　结论与讨论

通过以上试验研究与分析可得出以下主要结论:①同一含水率条件下,试件强度随固化剂掺量的增加而增加。②在相同固化剂掺量条件下,必然存在一个最优土料含水率使得试件抗压强度达到最大,土料含水率大于或小于这一最优土料含水率试件抗压强度都会减小。③相同固化剂掺量条件下,试件强度随养护时间的延长都有不同程度的增加。在相同养护时间内,固化剂掺量大的试件的抗压强度增加幅度大于固化剂掺量小的试件。④不同土质对试件强度的形成有显著影响,固化剂掺量相同的试件在相同养护时间内,粘性土试件的抗压强度大于砂性土。

土壤固化剂具有良好的性能价格比,利用合适的土壤与固化剂的配比可以得到相应抗渗性能、抗冻性能和抗压强度的固化土,以便满足水利工程、道路工程、地基加固、环保工程、水土保持等多个领域的需要和要求。

参考文献:

[1]　姚贤良,程云生.土壤物理学.北京:农业出版社,1986.

[2]　无机结合料稳定料试验规程JTJ057-94.(编辑:刘忠清)