沈陽地區(qū)風積砂固化技術(shù)的研究

張 平，丁 毅，吳 昊

（沈陽大學a.建筑工程學院；b.理學院，遼寧沈陽 110044）

沈陽地區(qū)風積砂固化技術(shù)的研究

張 平a，丁 毅b，吳 昊a

（沈陽大學a.建筑工程學院；b.理學院，遼寧沈陽 110044）

為了研究沈陽地區(qū)風積砂的固化技術(shù)，根據(jù)固化劑的成分和特性，結(jié)合該地區(qū)風積砂的組成及性質(zhì)，按不同劑量進行不同固化劑、不同土質(zhì)固化試驗.實驗結(jié)果表明：固化土的無側(cè)限抗壓強度一般隨固化劑劑量的增加而提高，但當劑量較小或較大時，會出現(xiàn)負增長；隨成型間隔時間的增長而下降；隨齡期的增長而增長.沈陽新民大趙屯粉土質(zhì)砂采用ZR固化劑，摻入質(zhì)量分數(shù)為11%；遼中大堤路含細粒土砂采用SY固化劑，摻入質(zhì)量分數(shù)為11%，固化效果最佳.將固化土用于村鎮(zhèn)公路的面層，并鋪設(shè)試驗路面長5.6km，檢驗效果良好.

風積砂；土壤固化劑；無側(cè)限抗壓強度；劑量

河石、碎石是良好的筑路材料，但隨著道路交通和城市建設(shè)的發(fā)展，傳統(tǒng)的開山采石、挖河取砂方法，不僅使有限的資源減少，更對生態(tài)環(huán)境造成嚴重破壞.如何解決大量建筑材料需求與保護環(huán)境、降低成本之間的矛盾，是我們需要探討的一個課題.沈陽地區(qū)周邊存在大量風積砂，在天然狀態(tài)下，風積砂松散、抗剪強度低，一般不能直接作為筑路材料.近年來，土壤固化在道路建設(shè)中是采用最多也是最經(jīng)濟實用的一門技術(shù)，但大多數(shù)情況都是將固化土用于道路的基層和底基層［1-2］.本文主要是研究利用土壤固化技術(shù)改變沈陽地區(qū)風積砂土的物理力學性能，就地取材將固化土應用于路面工程，通過大量室內(nèi)試驗找出了固化沈陽地區(qū)風積砂最有效的固化劑和摻配比，并將固化砂土鋪設(shè)試驗路面長5.6km，檢驗效果良好，不僅節(jié)約了資源，也降低了工程造價.

1 研究區(qū)風積砂的性質(zhì)［6］

由于受荒漠化侵蝕影響，沈陽市周邊地區(qū)地表覆蓋一層風積砂.在天然狀態(tài)下，該砂層無粘性、松散、透水性較好，從地表向下含水量逐漸增大.試驗土樣1號取自新民大趙屯、2號取自遼中縣蒲河大堤路，其物理、力學試驗指標見表1.

表1 試驗土樣的物理、力學性質(zhì)Table 1 The physical and mechanical properties of tested soil samples

2 固化原理與方法

土壤固化劑作為一種新材料興起于20世紀50年代，它是在常溫下改善和提高土壤工程性能的材料.土壤固化劑的固化機理基本上分為兩種類型，即膠凝填充型和水膜處治型.膠凝填充型是土壤固化劑與含水土壤混合后，發(fā)生一系列物理化學反應，形成大量富含結(jié)晶水的針狀結(jié)晶體，穿插在土壤顆?？障堕g形成強度骨架，同時硅酸鹽類水化物填充在土壤骨架之中，使固化的土壤進一步密實；水膜處治型是固化劑加入土壤中，溶液中的高價離子可以改變土壤顆粒表面電荷的特性，降低土壤顆粒間的排斥力，破壞土壤顆粒的吸附水膜，提高土壤顆粒間的吸附力，同時形成結(jié)晶鹽，在壓實的條件下綜合提高土壤的承載性能和抗?jié)B性能.

本文選取了7種固化劑來研究沈陽地區(qū)風化砂土的固化效果，這7種固化劑的基本組成、性能等相關(guān)參數(shù)如下：

（1）AP是一種由多種強離子組合而成的水溶劑，pH＝1～2，它與土壤混合后使土壤孔隙中所吸附的水離子變成可以被排出的自由水，極大地增強土壤的承載力和防滲性，改善土壤的濕脹干縮現(xiàn)象，對土壤具有永久性的強化作用.

（2）ZR是一種粘性液態(tài)酸基化合物，pH＝1～2，屬于一種內(nèi)浸性材料，它能將土壤中的礦物質(zhì)和土壤分子重新結(jié)晶，生成新的化學鍵，從而使土壤達到固化效果.

（3）YL主要成分（質(zhì)量分數(shù)）：磺酸85%，檸檬油8%，表面活性劑6%，防腐劑1%，pH＝1～2，它能將土壤中的礦物質(zhì)和土壤分子分解使其重新結(jié)晶，在石灰或水泥等的復合作用下將土的顆粒膠連包裹在一起，生成一種不溶于水的膠凝物質(zhì)，形成土壤固化層.

（4）C6是一種微黃色液體，pH＝3～4.促進土壤中的礦物成分與水泥及水加速反應，使其重新生成新的化學鍵.極強的活性和滲透性使水泥顆粒與土粒迅速變小，水泥網(wǎng)絡(luò)迅速增長，在水泥纖維網(wǎng)上凝聚著大量的鐵、鎂、鈣、鐵鋁鈣鹽類的絡(luò)合物，這些絡(luò)合物具有不水解、化學穩(wěn)定等優(yōu)點，經(jīng)碾壓，又增大了路基強度、耐水性和抗凍性.

（5）FS是由質(zhì)量分數(shù)為水泥99%＋FS元素1%（一種特殊的合成添加劑）混煉而成的混合物，此混合物排除了水泥的缺點，增加了細粒土的固化能力.

（6）SY是由水泥熟料、礦渣、粉煤灰等混煉而成的水硬性膠結(jié)料，能使土壤中大量形成針狀結(jié)晶體，并填充空隙形成強度骨架，在硅酸鹽水化反應作用下生成不可逆的膠凝物質(zhì)，經(jīng)碾壓提高土的強度和穩(wěn)定性，具有良好的環(huán)保和防腐性能.

（7）LD是一種無機水硬性膠凝材料，由水泥熟料和粉煤灰及激發(fā)劑等組成.常溫下直接膠結(jié)被固結(jié)材料顆粒，與此同時，其活性組分滲入被固結(jié)材料基本單元的相界面上，激發(fā)被固結(jié)材料中鋁硅酸鹽活性，利用多組分復合產(chǎn)生超疊加效應，使之形成牢固的多晶聚集體；水化產(chǎn)物將被固結(jié)材料基本單元粘結(jié)成為牢固的整體，實現(xiàn)從內(nèi)部到表面的整體固結(jié)作用［3］.

本文的研究方法是首先分析沈陽周邊地區(qū)風積砂的組成及物理化學性質(zhì)，根據(jù)以上幾種固化劑的成分、性能以及與該地區(qū)土質(zhì)的適應性，按不同劑量進行不同固化劑、不同土質(zhì)固化試驗.固體固化劑采用內(nèi)摻法計算，液體固化劑采用外摻法計算，并以廠家提供（摻配劑量不變）的要求辦理.液體原液需加水稀釋至1／100后使用.為了減少誤差和擴大測試樣本數(shù)量，結(jié)合實際情況，在同一種條件下制作3件相同的試件.試件在最佳含水率和最大干密度的條件下靜壓成型，脫模后裝入塑料袋中密封，置于標準養(yǎng)護室內(nèi)養(yǎng)生7d或28 d［4-5］.分析固化土的強度、耐磨性、抗壓回彈模量、抗彎拉（劈裂）強度、凍融性能、水穩(wěn)定性、收縮性能和抗凍性等技術(shù)參數(shù)，從中篩選出適合沈陽周邊地區(qū)風積砂和風化土的土壤固化劑和最佳摻配比.

3 結(jié)果與分析

3.1 不同固化劑和摻量對風積砂的固化效果

為了探討不同固化劑和摻量對固化效果的影響，選用新民大趙屯粘土質(zhì)砂和遼中大堤路含細粒土砂進行固化試驗.圖1、圖2為新民大趙屯粘土質(zhì)砂和遼中大堤路含細粒土砂采用不同固化劑固化后，7d和28d無側(cè)限抗壓強度與固化劑劑量之間的關(guān)系曲線.

圖1 新民大趙屯粉土質(zhì)砂固化土的強度與固化劑質(zhì)量分數(shù)之間的關(guān)系曲線Fig.1 Relationship curve between strength of solidified silt soil and dosage of solidified agent at Dazhao village in Xinmin

圖2 遼中大堤路含細粒土砂固化土的強度與固化劑質(zhì)量分數(shù)之間的關(guān)系曲線Fig.2 Relationship curve between strength of solidified silt soil and dosage of solidified agent at Dadi Road in Liaozhong

由試驗的結(jié)果和曲線可以看出：

（1）隨著固化劑劑量的增加，固化土的強度增加；

（2）當固化劑的劑量增加到一定量后，對于新民大趙屯粉土質(zhì)砂其固化效果明顯強于水泥加素土，其中ZR固化劑對該粉土質(zhì)砂固化效果最佳；

（3）遼中大堤路含細粒土砂固化土的強度與水泥加素土相比，除SY固化劑外，其他固化劑固化效果不顯著.

為了進一步探究固化劑摻量對抗壓強度的影響，加大固化劑劑量的范圍，選用沈陽地區(qū)粘土試樣，加入質(zhì)量分數(shù)為7%的水泥，并添加不同摻量的ZR固化劑，測其固化土抗壓強度，試驗結(jié)果如圖3所示.

試驗表明固化土的強度與劑量之間關(guān)系密切，當劑量較小或較大時，隨著劑量的增加強度出現(xiàn)了負增長的現(xiàn)象.液體固化劑對水泥的水化反應有阻礙作用，若想獲得理想的強度應通過試驗來決定摻量.劑量的多少根據(jù)土質(zhì)性質(zhì)而變，并應通過室內(nèi)試驗取得合理的數(shù)據(jù).

圖3 抗壓強度與固化劑摻量的關(guān)系曲線Fig.3 Relationship curve between compressive strength and dosage of solidified agent

3.2 成型時間對固化強度的影響

選用質(zhì)量分數(shù)為10%SCB-1固化劑固化中液限粘土，加水攪拌后間隔不同的時間制作試件.表2為不同成型時間試件抗壓強度（R7）試驗結(jié)果.

從表2可以看出，抗壓強度隨成型間隔時間的增長而下降.在時間間隔前6h內(nèi)抗壓強度降低幅度較大.因此，在實際施工時，應該使用拌和效率高的機械，并使拌和、整平、碾壓等工序緊密有序地相接，盡可能縮短從加水拌和到壓實的間隔時間，這一點對路拌法施工是尤為重要

的［7-8］.

表2 成型間隔時間與抗壓強度Table 2 Shaping interval time and compressive strength

3.3 固化土強度與齡期的關(guān)系

圖4為無側(cè)限抗壓強度與齡期關(guān)系曲線.固化土的無側(cè)限抗壓強度隨齡期的增長而增長，早期強度增長較快，在1～2個月之內(nèi)，抗壓強度與齡期之間近似為一種半對數(shù)的直線關(guān)系.同一種配合比在標準養(yǎng)生條件下，隨著齡期增加，抗壓強度逐漸提高，且延續(xù)時間很久.

圖4 無側(cè)限抗壓強度與養(yǎng)生時間的關(guān)系曲線Fig.4 Relationship curve between unconfined compressive strength and curing time

3.4 固化土強度與土質(zhì)的關(guān)系

原狀土的化學成分對固化土強度影響很大，固化土的強度與土質(zhì)有密切關(guān)系.表3為相同摻量LD固化劑對不同土質(zhì)的固化效果.

實驗證明：土中粗粒含量愈多，易于固化；當土中細粒和有機質(zhì)含量增加，固化效果降低.當土中有機質(zhì)、硫酸鹽的成分較多，阻礙水泥的水化反應或反應后體積膨脹，導致固化土強度的破壞，所以，有機質(zhì)含量超過一定量，不能用固化劑固化［9-10］.

通過試驗測試固化土的干縮系數(shù)小于0.000 10，具有很好的水穩(wěn)定性和較好抗凍裂效果.固化土經(jīng)過多次凍融，其剩余抗壓強度仍然較高，完全可以滿足路用性能要求.由于篇幅所限本文不再詳述.

2007年5月，在沈陽市三個區(qū)縣選擇有代表性的地區(qū)，修筑試驗路段20條（每條寬3～5m，長度200～300m），共長5.6km，約2 2400m2.在對試驗路進行取樣檢測、彎沉測定后，經(jīng)檢驗達到設(shè)計標準，效果良好.

表3 不同土質(zhì)固化效果的比較Table 3 Comparison of solidified effect of different soil

4 結(jié) 論

（1）不同土質(zhì)的風積砂，應通過試驗來選取固化劑的類型和摻量.通過研究找出了沈陽新民大趙屯粉土質(zhì)砂采用ZR固化劑，摻入質(zhì)量分數(shù)為11%；遼中大堤路含細粒土砂采用SY固化劑，摻入質(zhì)量分數(shù)為11%，固化效果最佳.并將固化砂土鋪設(shè)試驗路面長5.6km，經(jīng)檢驗效果良好，達到設(shè)計標準，驗證了結(jié)論的正確性.

（2）固化土的強度一般隨固化劑摻量的增加而提高，當摻量較小、較大時，隨著摻量的增加強度出現(xiàn)負增長.

（3）固化土的抗壓強度隨成型間隔時間的增長而下降，在時間間隔前6h內(nèi)抗壓強度降低幅度較大.固化土的無側(cè)限抗壓強度隨齡期的增長而增長，早期強度增長較快，近似為一種半對數(shù)的直線關(guān)系.

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Solidified Technology for Aeolian Sand in Shenyang

ZHANG Pinga，DING Yib，WU Haoa

（a.Architectural and Civil Engineering College；b.School of Natural Science，Shenyang University，Shenyang 110044，China）

The solidified technology used for aeolian sand in Shenyang area is studied.According to the composition and characteristics of solidified agent and combining composition and nature of aeolian sand，solidified tests have been done according to difference composition and quality.The conclusions are as follows：Unconfined compressive strength of stabilized soil generally increased with adding dosage of solidified agent.However，negative growth will emerge when smaller dosages and larger ones were used.The using dosage will decrease with the growth of forming intervals and increase with prolonging curing time.When ZR solidified agent was used at Dazhao village in Xinming in proportion with 11%and SY solidified agent at Dadi Road in Liaozhong 11%，the solidifying effect was optimal.When the stabilized soil was layered on the surface of the village road and the length of test road was 5.6km，the test results are good.

aeolian sand；soil solidified agent；unconfined compressive strength；dosage

U 414

A

1008-9225（2012）03-0082-05

2011-12-22

張 平（1963-），男，遼寧黑山人，沈陽大學副教授.

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