HG無機/有機復(fù)合土壤固結(jié)材料的應(yīng)用研究

袁 軍， 鄭 敏，徐 軍， 馮錦鋒， 候安新

(1.武漢工程大學(xué)湖北省新型反應(yīng)器與綠色化學(xué)工藝重點實驗室，湖北 武漢 430074；2.武漢大學(xué)化學(xué)與分子科學(xué)學(xué)院，湖北 武漢 430072)

0 引 言

深層攪拌、高壓旋噴、水泥拌合土等軟土地基加固方法，一般是以水泥等作為固化劑，利用水泥與軟黏土之間發(fā)生的一系列物理、物理化學(xué)、化學(xué)反應(yīng)，使軟黏土硬結(jié)為具有一定強度和水穩(wěn)定性的水泥固化土[1].水泥的加固效果隨土質(zhì)條件的變化差異很大，在某些土質(zhì)中，用水泥作固化劑難以滿足工程需求.

地下淤泥質(zhì)軟土強度低、壓縮性大、滲透性小，鑒于淤泥質(zhì)軟土地基承載力低、地基變形大、壓縮性大、透水性差，不易滿足水工建筑物地基設(shè)計要求，同時變形穩(wěn)定歷時較長等特點[2]，迫切需要開發(fā)適用于淤泥質(zhì)軟土地基的高效固化劑.但目前國內(nèi)還沒有一種固化劑廣泛應(yīng)用于淤泥質(zhì)軟土地基的處理.

HG無機/有機復(fù)合土壤固結(jié)材料(以下簡稱HG)是一種主要應(yīng)用于淤泥質(zhì)軟土地基處理的固化劑，作為添加劑與水泥復(fù)配后進行地基加固處理，在不增加工程造價前提下能大幅度提高水泥土攪拌樁的樁身強度、抗?jié)B透性、抗剪強度等多項力學(xué)性能指標(biāo)，同時能降低水泥的用量，降低水泥漿的粘度以便于輸送.還可應(yīng)用到引排水工程、邊坡堤堰、淤泥處理、蓄水工程等領(lǐng)域.HG以價格低廉、原料易得、環(huán)境有好的有機高分子為主要原料，再輔配無機復(fù)合激發(fā)劑，將無機物與有機物混合復(fù)配，使兩類化合物強強聯(lián)合產(chǎn)生協(xié)同效應(yīng)，形成一種新型復(fù)合土壤固結(jié)材料.

1 實驗部分

1.1 實驗材料

土樣：試驗用土取自武漢市金銀潭地鐵工地地下14 m淤泥質(zhì)粘土，土粒密度為1.79 g/cm3，液限44.5% (質(zhì)量分數(shù))，塑限25.8%(質(zhì)量分數(shù))，塑性指數(shù)為18.1%(質(zhì)量分數(shù))，液性指數(shù)為1.12.

固化材料：HG，粉狀固體，武漢恒高科技工程有限公司生產(chǎn)；水泥，325號普通硅酸鹽水泥，華新水泥股份有限公司生產(chǎn).

1.2 測試及其方法

本試驗均按照《公路工程無機結(jié)合料穩(wěn)定材料試驗規(guī)程》(JTJ057-94)[3]、《土工試驗方法標(biāo)準》(GB/T50123-1999)[4]及《公路路面基層施工技術(shù)規(guī)范》(JTJ034-2000)[5]進行.

試樣制備：按標(biāo)準制備一系列添加不同水泥量以及不同HG-水泥復(fù)配比例的水泥土試樣，將試樣在標(biāo)準養(yǎng)護條件下養(yǎng)護7，14，28 d后進行試驗.

擊實試驗：試驗采用DJ系列標(biāo)準電動擊實儀.擊實分3層裝土，每層擊實數(shù)為40.

無側(cè)限抗壓強度試驗：試驗采用YE-30型液壓式壓力試驗機.養(yǎng)護期的最后一天將試件浸泡在水中，水面高出試件頂部約2.5 cm.將浸水24 h的試樣從水中取出，用軟布吸去表面可見自由水，進行無側(cè)限抗壓強度試驗.

粘度試驗：試驗采用ZMN-2型馬氏漏斗粘度計.在恒溫20 ℃條件下， 將適量用凈漿攪拌機攪拌均勻的水泥漿倒人Marsh筒內(nèi)，測定水泥漿從下部料嘴流出500 mL所用的時間，記為Marsh時間.

直接剪切試驗：試驗采用EDJ-l型雙速電動等應(yīng)變直剪儀快剪方法.試樣規(guī)格為φ61.8 mm×20 mm，試驗控制條件為剪切過程不排水和剪切速率為2.4 mm/min，對每組試樣分別施加不同垂直壓力100、200、300、400 kPa進行試驗.

滲透試驗：試驗采用QY1-2型滲壓儀，按變水頭滲透試驗方法進行.試樣規(guī)格為φ61.8 mm×40 mm，試樣在標(biāo)準條件下養(yǎng)護6 d，采用抽氣水頭飽和法對試樣進行飽和后進行試驗.

2 結(jié)果與討論

2.1 最大干密度和最優(yōu)含水量

選取復(fù)配后的HG-水泥混合料(以下簡稱HG復(fù)配料)與土樣以及純水泥與土樣質(zhì)量配合比均為20∶80的兩組配方進行比較，根據(jù)擊實試驗得出最大干密度和最優(yōu)含水量，試驗結(jié)果如表所示.

表1 最大干密度和最優(yōu)含水量

由表1可知，在固化材料(指添加到土樣中的水泥或HG復(fù)配料，以下同)與土樣質(zhì)量配合比相同的情況下，HG復(fù)配料固化土試樣的最大干密度大于純水泥土試樣，最優(yōu)含水量小于純水泥土試樣.說明較之純水泥，摻入HG的試樣在較低含水量下就可擊實到較大干密度.

2.2 HG與水泥最佳復(fù)配比例的確定

為了確定HG與水泥復(fù)配加固土?xí)r兩者的最佳配比，HG-水泥復(fù)配比例分別采用1%、1.2%、1.5%、1.8%和2%，HG復(fù)配料與土樣的質(zhì)量配合比為20：80，得到5組水泥土試樣.試樣7 d無側(cè)限抗壓強度如圖1所示.

從圖1可知，水泥土試樣的無側(cè)限抗壓強度隨HG復(fù)配料中HG含量的增加而增大，當(dāng)HG-水泥復(fù)配比例大于1.5%后，增大幅度有所減少；同時考慮到水泥土攪拌樁強度的要求及經(jīng)濟因素；確定HG復(fù)配料中HG-水泥最佳復(fù)配比例為1.5%.

2.3 HG對水泥漿的降粘作用

保持水泥漿的水灰比為0.45不變，添加不同比例的HG，用Marsh筒法[6]測定出不同HG添加量時水泥漿的Marsh時間，以此來表征其流動性能.Marsh時間越短，漿體的流動性能就越好.測試結(jié)果如圖2所示.

圖1 HG復(fù)配料中不同HG質(zhì)量分數(shù)固化土的強度曲線

由圖2可知，隨著HG添加量的增加，水泥漿的Marsh時間明顯縮短，表明HG對水泥漿的降粘效果非常明顯.

圖2 添加不同比例的HG時水泥漿的Marsh時間

2.4 不同水灰比時Marsh粘度比較

改變水泥漿的水灰比，添加1.5%HG與不添加時水泥漿的Marsh時間如圖3所示.

圖3 不同水灰比時添加與不添加HG時水泥漿的Marsh時間比較

試驗結(jié)果表明，不添加HG的水泥漿在水灰比小于0.48時，在Marsh筒內(nèi)流速相當(dāng)緩慢，幾乎無法測出試驗數(shù)據(jù).而添加1.5%HG后的水泥漿在水灰比為0.43時可以測出Marsh時間，且和水灰比為0.5的純水泥漿相當(dāng).因此可見，HG材料對水泥漿的降粘作用明顯.因此，在實際操作過程中可以大大降低水泥漿的水灰比，而不影響水泥漿的輸送性能.另外，水灰比的減小，可以減少土壤中的總游離水含量，有利于固結(jié)材料對本身游離水含量較高的淤泥質(zhì)土固結(jié)，增加土壤固結(jié)強度.

2.5 不同水泥添加量對地下土無側(cè)限抗壓強度的影響

表2為10組不同固化材料添加量時水泥土試樣的無側(cè)限抗壓強度測試結(jié)果，試驗中HG復(fù)配料中HG-水泥為最佳復(fù)配比例1.5%.其中1#和2#、3#和4#、6#和7#及8#和9#為固化材料與土樣具有相同質(zhì)量配合比的的水泥土試樣.

表2 不同配比的水泥土試樣的無側(cè)限抗壓強度比較

由表2可知，添加HG的水泥土試樣的7、14和28 d的無側(cè)限抗壓強度都遠大于相同固化材料添加量的水泥土試樣.比較2#和3#、4#和5#、7#和8#及9#和10#可知，HG復(fù)配料水泥土試樣在水泥用量少約25%的情況下，無側(cè)限抗壓強度仍高于純水泥土試樣.而且隨著養(yǎng)護齢期的增長，添加HG的試樣強度增加幅度較大.

2.6 抗剪強度

選擇2.5中2#和3#水泥土試樣，測試其在不同條件下的抗剪強度，粘聚力c和內(nèi)摩擦角φ如表3所示.

表3 添加與不添加HG的水泥土抗剪強度比較

由表3可知，對于粘聚力c，養(yǎng)護6 d時最高，浸水后明顯降低，降幅超過50%，3#試樣的粘聚力明顯比2#試樣高；對于內(nèi)摩擦角φ，浸水后2#試樣和3#均增加，3#試樣增加的幅度更大，在相同試驗條件下，3#試樣的內(nèi)摩擦角較2#試樣高.由此可知，添加HG之后的水泥土試樣在水泥用量少約25%的情況下，粘聚力和內(nèi)摩擦角均大于純水泥土試樣.

2.7 滲透性

選擇2.5中水泥土試樣2#和3#，測定其豎向滲透系數(shù)，結(jié)果如表4所示.

表4 豎向滲透系數(shù)

由表4的結(jié)果可知，二者的數(shù)值處于同一數(shù)量級，3#試樣滲透系數(shù)小于2#試樣.由此可知，HG復(fù)配料水泥土試樣在水泥用量少約25%的情況下，較純水泥土試樣有更好的抗?jié)B透性.

3 結(jié) 語

a.HG的使用能有效提高水泥對地下14 m淤泥質(zhì)土的無側(cè)限抗壓強度、抗剪強度及抗?jié)B透性.

b.添加HG降低了水泥漿的粘度，改善了流動性能，便于輸送.

c.添加HG能減少工程中水泥的用量，有利于環(huán)境保護和降低成本，具有良好的經(jīng)濟效益.

參考文獻：

[1]地基處理手冊編寫委員會.地基處理手冊[M]．2版．北京：中國建筑工業(yè)出版社，2000.

[2]羅偉科．淺談淤泥質(zhì)軟土地基礎(chǔ)處理[J]．中國科技博覽，2009(9)：11.

[3]中華人民共和國交通部.JTJ057-94公路工程無機結(jié)合料穩(wěn)定材料試驗規(guī)程[s].北京：人民交通出版社，1994.

[4]中華人民共和國水利部.GB/T50123-1999土工試驗方法標(biāo)準[s].北京：中國計劃出版社，1999.

[5]中華人民共和國交通部.JTJ034-2000公路路面基層施工技術(shù)規(guī)范[s].北京：中國財經(jīng)出版社，2000.

[6]肖忠明，郭俊萍，席勁松，等.Marsh筒法和凈漿流動度法用于水泥與減水劑適應(yīng)性測試的比較[J].水泥，2006(8)：1-4.