固化土滲透性能試驗研究

常晶明

（1.太原理工大學，山西 太原 030024；2.山西省水利建筑工程局，山西 太原 030006）

1 前言

土壤固化劑（以下簡稱“固化劑”）是一種性能優(yōu)異的復合材料，具有就地取材、施工簡單、作用廣泛、節(jié)約資源、施工快捷和節(jié)省投資等優(yōu)點。固化土的固化強度可根據摻入比進行調整，以滿足不同工程要求。土壤固化劑廣泛應用于交通工程、土木建筑、環(huán)境保護、農田水利工程、固化處理各種污泥（包括含有廢油、油泥、重金屬、有機物的淤泥）等工程領域[1，2，3]。

土壤固化劑在工程中應用較多，而對其理論方面的研究相對較少。在過去的研究中，主要是針對某個具體工程，根據工程要求，在確定的配合比情況下做一些試驗，但對同一種土體，配合比發(fā)生變化時沒有進行詳細的研究或做的較少。本試驗較詳細地研究了粉土、粉砂、細砂在土壤固化劑不同摻入比或干重度情況下固化后的滲透特性[4，5]，以期為水利工程防滲提供技術依據。

2 固化土固化機理

土壤中添加土壤固化劑攪拌均勻后，在成型壓力作用下土體顆粒緊密接觸。在土壤顆粒附近，固化劑水化生成水化硅酸鈣、沸石、方鈉石及硅酸等，使黏土顆粒表面形成凝結硬化殼。固化劑的激活組分以不同方式滲入顆粒內部，并與黏土礦物發(fā)生物理化學作用，形成水鋁酸鹽、水硅酸鹽等膠結物質，使黏土顆粒表面產生不可逆凝結硬化。固化后的黏土具有水穩(wěn)性和強度穩(wěn)定性。

極性水分子和OH-進入黏土顆粒內部空穴，使土體分散，表面積增加。這些被分散的黏土顆粒表面一般帶有負電荷，其動電電位增大，固化土中固化劑的組分可替換土體中凝聚能力低的離子，降低電位，促使黏土顆粒凝聚，同時電解質濃度增加，膠粒雙電層減薄，有利于顆粒凝聚。

分散土體系的主要結構連接是靠礦物與膠結物質界面上的化學力來實現的，層狀硅酸鹽自身建立空間網狀結構。固化土中的固化劑主要水化產物以及其與黏土礦物反應的生成物，均屬上述膠結物質之一，能夠牢固地膠結分散的土壤顆粒，增加和加固這種網狀結構，使之成為一個具有較高強度和穩(wěn)定性的硬化整體。

3 試樣制備與試驗方法

3.1 土樣選取

在水利工程中，可能遇到不同類型的土體，本次試驗以粉土、粉砂、細砂作為固化土的土樣。

3.2 試樣制備

土樣取回后，將土樣中的雜草、樹葉、草根等雜物篩除干凈，測出其含水量，密閉放置。試樣制備時，根據不同的配合比將土料、土壤固化劑及粉煤灰摻和攪拌均勻，最后加入所需的用水量（含水量控制在最優(yōu)含水量左右）。滲透試樣在滲透環(huán)刀中擠壓成型。

3.3 試樣養(yǎng)護

試樣擠壓成型后，放入保濕器中進行保溫保濕養(yǎng)護。養(yǎng)護期間定時在試樣表面撒水直至規(guī)定齡期后進行試驗。

4 固化土滲透性能試驗

4.1 擊實試驗

由于國內目前尚無固化土擊實試驗標準，故本次試驗參照水利部SL237-011-1999“土工實驗規(guī)程”進行。采用輕型擊實儀確定固化土混合料的最大干密度和最優(yōu)含水量。不同土樣擊實試驗結果見表1。

表1 不同土樣擊實試驗結果

4.2 固化土滲透試驗

本次滲透試驗采用南55型滲透儀，操作步驟按照水利部SL237-011-1999“土工實驗規(guī)程”中的方法進行。

土體和固化劑固化后，生成水鋁酸鹽，含水硅酸鹽等膠凝物質，使土顆粒表面產生不可逆凝結硬化。導致固化后土顆粒狀態(tài)與原始狀態(tài)不一致，其滲透特性會發(fā)生變化。

各類固化土滲透系數與齡期及摻入比的關系分別見表2、表3和表4。

表2 粉土試驗結果

表3 粉砂試驗結果

表4 細砂試驗結果

5 實際工程應用

太原市森林公園是太原市環(huán)城水系的一部分，2003年建成使用。該工程使用了土工膜、漿砌石、混凝土、固化劑等防滲材料，根據水利工程定額對各種防滲材料進行分析比較，固化土比預制混凝土板、現澆混凝土防滲成本降低約40%，比漿砌石降低約30%，比使用土工膜降低20%。使用至今，固化土各力學性能能夠滿足工程需要。固化土可就地取材，不需從別處運來土、砂、石等建筑材料，也不破壞生態(tài)環(huán)境，具有明顯的經濟效益和社會效益。

6 結語

通過對固化土滲透特性能的試驗，并對其結果進行分析和硬化機理進行探討后，得出如下結論：

第一，固化土的滲透系數與齡期關系明顯。隨著齡期的增長，滲透系數明顯變小。

第二，在同一齡期下，滲透系數隨固化劑摻入比的變化顯著，摻入比愈大，滲透系數愈小，反之，滲透系數愈大。

第三，試驗得到的固化土滲透系數試驗數據可為實際工程提供依據。該試驗數據已在太原市森林公園人工湖尾水渠工程得到實踐檢驗。

第四，固化劑在固化時所用的土料、砂、石等建筑材料可就地取材，既保護環(huán)境，又降低成本。

第五，試驗中還用中砂進行試驗，所得結果與本文試驗所取土樣有相同規(guī)律。

［1］梁文全，何真，李亞杰.土壤固化劑的性能及固化機理的研究[J].武漢水利大學電力學報，1995，28（6）：675-679.

［2］張海燕，張傳森，李元婷.采用土壤固化劑改善渠道基土性能初探[J].水利與建筑工程學報，2003，1（2）：38-40.

［3］張海燕，韓蘇建，李元婷.土壤固化劑用于渠道防滲工程初探[J].水土保持通報，2004，1（1）：40-42.

［4］段海龍，呂靖.土壤固化劑無側限抗壓強度試驗研究[J].應用化工，2002，31（2）：39-40.

［5］董邑寧，張青娥.固化土強度特性試驗研究[J].科技通報，2003，19（6）：477-480.