早強(qiáng)型土壤固化劑加固土的性能及施工工藝

韋 華，陳迅捷，鄢 俊，賀永會(huì)

(南京水利科學(xué)研究院 水利部水工新材料工程技術(shù)研究中心，江蘇 南京 210029)

土壤固化技術(shù)經(jīng)過幾十年的發(fā)展，已經(jīng)成為一門綜合結(jié)構(gòu)力學(xué)、膠體化學(xué)、土壤化學(xué)等理論的交叉學(xué)科［1］.國內(nèi)外已有的工程實(shí)踐證明，土壤固化劑可大量應(yīng)用于水利、交通、港口、機(jī)場(chǎng)等基礎(chǔ)設(shè)施的建設(shè)［2－4］.目前土壤加固程序主要按以下步驟進(jìn)行:土體運(yùn)輸→攤鋪曬土→最優(yōu)含水率→倉面攤鋪→倉面機(jī)器攪碎→添加固化劑→機(jī)器碾壓→施工質(zhì)量檢查.當(dāng)前的土壤加固方法中最重要的一條是必須使土壤中的含水率達(dá)到最優(yōu)含水率，即在硬塑條件下進(jìn)行碾壓作業(yè).在硬塑條件下加固的土體不具有流動(dòng)性，且碾壓攤鋪等工序耗費(fèi)大量的人力物力，特別對(duì)于汛期搶險(xiǎn)工程，處于硬塑狀態(tài)的加固土及其施工方法不具有普遍適用性，受天氣、施工工具等諸多因素制約.

本文通過在黏土中摻入早強(qiáng)型土壤固化劑ES與普通型土壤固化劑OS，分析加固土體在較高含水率條件下(土體處于軟塑或流塑狀態(tài))抗壓強(qiáng)度、抗干濕循環(huán)性能隨養(yǎng)護(hù)齡期、含水率發(fā)展的規(guī)律，為土在軟塑或流塑狀態(tài)下加固提供理論依據(jù);根據(jù)高含水率加固土體的工作性和強(qiáng)度發(fā)展規(guī)律，開發(fā)研究高含水率土體快速施工工藝，為水利工程汛期搶險(xiǎn)堵漏提供科技支撐.

利用早強(qiáng)型土壤固化劑在高含水率條件下加固土具有施工方便、早期強(qiáng)度發(fā)展快速，耐久性較高的優(yōu)勢(shì)，可以在水利工程汛期搶險(xiǎn)堵漏中推廣使用，能夠達(dá)到快速施工，節(jié)約成本，降低勞動(dòng)強(qiáng)度的目的，具有重要的推廣價(jià)值和工程意義.

1 試驗(yàn)簡介

試驗(yàn)采用的固化劑分2種，一種為南京水利科學(xué)研究院自主研發(fā)的早強(qiáng)型固化劑ES，主要成分為硅酸鹽、鋁酸鹽、氧化鈣、氯化鈉等，是一種早強(qiáng)型、粉末狀、水化類固化劑，密度為2.92 g/cm3，比表面積390～420 m2/kg，凝結(jié)時(shí)間可根據(jù)工程需要進(jìn)行調(diào)整;另一種普通型固化劑OS，粉末狀、水化類土壤固化劑.采用的黏土為南京地區(qū)加固堤防常用土料，略顯黃色，在105℃烘箱中烘干至恒重后用于試驗(yàn).

將固化劑、黏土、水按一定的比例(具體比例見表1)放入機(jī)器中攪拌均勻后，制成40 mm×40 mm×160 mm的試件，試模表面鋪一層塑料薄膜，在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室(溫度(20±3)℃，相對(duì)濕度大于95%)內(nèi)養(yǎng)護(hù)1d后拆模，拆模后試件放入密封塑料薄膜內(nèi)，在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室內(nèi)養(yǎng)護(hù)到相應(yīng)齡期取出進(jìn)行抗壓強(qiáng)度、干濕循環(huán)試驗(yàn).

表1 摻固化劑ES和OS土體配合比(質(zhì)量比)Tab.1 The mix proportion of soil adding stabilizer ES and OS(Mass ratio)

2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 抗壓強(qiáng)度

試件在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室中養(yǎng)護(hù)到2，6，13和27 d后，把試件放水中養(yǎng)護(hù)24 h(水面高于試件頂面2 cm)，從水中取出后用抹布把表面水吸干，在精度為1 N的壓力機(jī)上測(cè)試試件的抗壓強(qiáng)度，結(jié)果見表2.

表2 摻固化劑土體固化后抗壓強(qiáng)度Tab.2 The compressive strength of soil adding stabilizer ES and OS MPa

從表2可見:固化土的抗壓強(qiáng)度隨著養(yǎng)護(hù)齡期的增加而增加;在相同養(yǎng)護(hù)齡期下，拌和時(shí)加水越多，抗壓強(qiáng)度越低;前3 d強(qiáng)度增加較快，最高可達(dá)28 d強(qiáng)度的62%.

當(dāng)水化類固化劑摻入土體后，固化劑、水、黏土發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，生成大量的CaO－Al2O3－H2O，C－S－H，3CaO·Al2O3·3CaSO4·32H2O，Ca(OH)2和CaCO3等不溶于水的穩(wěn)定的結(jié)晶礦物，增加了土壤內(nèi)部的結(jié)合力、密實(shí)度和強(qiáng)度，同時(shí)這些結(jié)晶礦物消除了土壤間隙，使固化的土壤具有早期強(qiáng)度、水穩(wěn)定性較高及長期強(qiáng)度持續(xù)增長的特點(diǎn)［5］.張麗蘋等的研究［6］認(rèn)為:水化反應(yīng)形成的結(jié)晶體使得材料體積增加，有效地填充土顆粒間的孔隙，提高了土的耐水性、抗?jié)B性.劉鐵宏等［7］認(rèn)為:水化類土壤固化劑與土壤混合后，將過多的游離水分在反應(yīng)中“奪取”，生成含32個(gè)結(jié)晶水的針狀結(jié)晶體3CaO·Al2O3·3CaSO4·32H2O，將土壤中大量的自由水以結(jié)晶水形式固定下來.因此，隨著養(yǎng)護(hù)時(shí)間的增加，固化劑、水、黏土間反應(yīng)越來越深入，土壤中的結(jié)晶礦物、結(jié)晶水增加，從而使土的抗壓強(qiáng)度增加;當(dāng)含水率增加后，土中自由水增加，土體強(qiáng)度降低，因此含水率越大，抗壓強(qiáng)度越低.攀恒輝等［8］也認(rèn)為，處于軟塑狀態(tài)的土體，抗壓強(qiáng)度隨著含水率的增加而降低.

從固化劑ES與固化劑OS對(duì)比來看，在相同配比、相同養(yǎng)護(hù)齡期時(shí)，在高含水率條件下，早強(qiáng)型固化劑ES的抗壓強(qiáng)度是普通型固化劑OS抗壓強(qiáng)度的2～4倍，說明摻早強(qiáng)型固化劑ES的土體即使在高含水率條件下，強(qiáng)度發(fā)展也較迅速.

2.2 干濕循環(huán)

試件在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室中養(yǎng)護(hù)到3，7和28 d后，把試件放干縮室(溫度(20±2)℃，相對(duì)濕度(60±5)%)養(yǎng)護(hù)1 d，取出試件放標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室水中浸泡2 d(水面高于試件頂面2 cm)，如此干濕循環(huán)5次，在壓力機(jī)上測(cè)試試件干濕循環(huán)后的抗壓強(qiáng)度，結(jié)果見表3.

表3 摻固化劑土體經(jīng)5次干濕循環(huán)后抗壓強(qiáng)度Tab.3 The compressive strength of soil adding stabilizer ES and OS after 5 dry-wet cycles MPa

從表3可見，摻固化劑ES土體在含水率較大時(shí)(如0.45)，經(jīng)5次干濕循環(huán)后，抗壓強(qiáng)度隨著標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)時(shí)間的增加而降低;在含水率為0.30，0.35和0.40時(shí)，標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)3，7和28 d后經(jīng)5次干濕循環(huán)，試件的抗壓強(qiáng)度不減反而增大;特別是標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)3和7 d后進(jìn)行干濕循環(huán)的試件，強(qiáng)度增加幅度較大.這主要由以下兩點(diǎn)引起:

(1)標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)3和7d后，再經(jīng)5次干濕循環(huán)，實(shí)際養(yǎng)護(hù)齡期增加了15 d，而從摻固化劑ES土體抗壓強(qiáng)度發(fā)展規(guī)律可知，在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)的前3 d，土體強(qiáng)度發(fā)展迅速，可達(dá)到28 d強(qiáng)度的62%左右，因此，雖然干濕循環(huán)對(duì)土體強(qiáng)度有一定的影響，但由于這段時(shí)間土體強(qiáng)度發(fā)展迅速，即使經(jīng)歷干濕循環(huán)，強(qiáng)度仍然增加;

(2)由于固化劑ES含有大量早強(qiáng)成份，固化土體在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)后，土體中生成大量起包裹及填充作用的結(jié)晶礦物，土體中可蒸發(fā)的游離水和開孔數(shù)量較少，而對(duì)于多孔材料，孔隙率越低，強(qiáng)度越高［9］，高強(qiáng)度、低孔隙率土體耐干濕循環(huán)性能較強(qiáng).

而摻固化劑OS土體經(jīng)5次干濕循環(huán)后，抗壓強(qiáng)度隨著標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)時(shí)間的增加而降低.分析其原因?yàn)?固化劑OS為普通水化類土壤固化劑，適合于低含水率時(shí)使用，在高含水率時(shí)，固化土體強(qiáng)度發(fā)展較慢，生成不溶于水的結(jié)晶礦物較少，土中的水大部份以游離水形式存在;當(dāng)土放在干燥環(huán)境中養(yǎng)護(hù)時(shí)，游離水蒸發(fā)，形成大量開孔，而再放水中養(yǎng)護(hù)時(shí)，開孔吸水，低強(qiáng)度土體被泡成松散漿體，如此干濕循環(huán)5次后，土體強(qiáng)度迅速降低.王建華等［10］認(rèn)為加固土體在經(jīng)歷干濕循環(huán)過程時(shí)，在其內(nèi)部發(fā)生干縮與濕脹變形，形成微裂縫，隨干濕循環(huán)次數(shù)的不斷增加，干縮與濕脹變形也將進(jìn)一步增大，導(dǎo)致微裂縫不斷擴(kuò)展，造成水泥改良土自身結(jié)構(gòu)破壞，從宏觀上就會(huì)使土強(qiáng)度逐漸衰化.特別是在標(biāo)準(zhǔn)條件下養(yǎng)護(hù)28 d后，固化劑的水化反應(yīng)已基本完成，加固土中孔隙率與孔的分部不再發(fā)生變化，在這種條件下每次干濕循環(huán)后加固土中開孔、連通孔、裂縫持續(xù)增加，松散漿體數(shù)量也增加，因此在5次干濕循環(huán)后，強(qiáng)度下降迅速，特別是水固比為0.45的土體，在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)28 d后再經(jīng)歷5次干濕循環(huán)，已不具有強(qiáng)度.

綜合比較可見，摻固化劑ES土體抗壓強(qiáng)度在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)后經(jīng)5次干濕循環(huán)，強(qiáng)度增加，而摻固化劑OS土體強(qiáng)度降低;在相同配比，相同養(yǎng)護(hù)齡期條件下，摻固化劑ES試件抗壓強(qiáng)度是摻固化劑OS抗壓強(qiáng)度的4～7倍.說明在高含水率條件下，摻早強(qiáng)型固化劑ES試件比摻普通型固化劑OS試件具有較強(qiáng)的抗干濕循環(huán)性能.

2.3 表觀質(zhì)量對(duì)比

摻固化劑ES與固化劑OS試件標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)28 d，經(jīng)5次干濕循環(huán)后表觀質(zhì)量對(duì)比見圖1.可見，摻固化劑OS土體經(jīng)干濕循環(huán)后，表面土體完全潰爛，字體已看不清楚，而摻固化劑ES土體經(jīng)干濕循環(huán)后，表面質(zhì)量無損壞，基本維持原樣.

圖1 摻固化劑ES與固化劑OS土體干濕循環(huán)后表觀質(zhì)量對(duì)比Fig.1 Soil surface quality comparison between adding stabilizer ES and stabilizer OS after dry-wet cycles

3 快速施工工藝

根據(jù)高含水率加固土體(土體處于軟塑或流塑狀態(tài))的工作性和強(qiáng)度發(fā)展規(guī)律，為了在水利工程搶險(xiǎn)堵漏中快速應(yīng)用，南京水利科學(xué)研究院相關(guān)研究人員總結(jié)了一整套完善的施工工藝.這種施工工藝能夠快速解決堤岸滲漏、管涌、邊坡失穩(wěn)等問題，主要設(shè)備有:強(qiáng)制式攪拌機(jī)和德國產(chǎn)螺桿泵.該螺桿泵可將漿體輸送到高0～8 m，水平距離0～100 m處;以及采用南京水利科學(xué)研究院研發(fā)的透水膜袋裝入流動(dòng)性漿體，通過漿體自身的壓力及螺桿泵的擠壓作用，可以把漿體中水?dāng)D壓出來，降低漿體含水率，加速漿體凝結(jié)硬化，提高硬化后強(qiáng)度和耐久性.

施工工藝為:(1)把土、水按一定比例倒入強(qiáng)制性攪拌機(jī)中攪動(dòng)2～3 min，把固化劑ES倒入攪拌后的泥漿中，再攪拌1～2 min;(2)把攪拌均勻的漿體放入螺桿泵輸送槽內(nèi)，啟動(dòng)螺桿泵;(3)用螺桿泵輸送漿體到指定的地點(diǎn)后，對(duì)出料端漿體進(jìn)行處理.

可根據(jù)工程需要，選用以下兩種方法對(duì)出料端漿體進(jìn)行處理:(1)用透水膜袋承接出料端漿體，利用漿體的自身重力和螺桿泵的擠壓作用，可以把漿體中的部分水?dāng)D壓出來，達(dá)到降低土中含水率的目的.土體的抗壓強(qiáng)度和耐久性隨著含水率的降低而增加，利用這種方法可縮短土體的凝結(jié)時(shí)間，提高土體的凝結(jié)硬化強(qiáng)度和耐久性;(2)出料端漿體也可直接攤鋪或灌注于施工部位.具體試驗(yàn)過程見圖2和3，試驗(yàn)中漿體配合比選用 ES－3.

圖2 螺桿泵輸送漿體Fig.2 Transporting soil paste by screw pump

圖3 承接漿體并擠壓漿體中水Fig.3 Receiving soil paste and extruding water from soil paste

試驗(yàn)結(jié)果表明:利用螺桿泵輸送流動(dòng)性的漿體方便可行;出料端用透水膜袋承接漿體，利用漿體自身的重力和螺桿泵的擠壓作用，可以把漿體中的部分水?dāng)D壓出來，降低了漿體中含水率，縮短了泥漿凝結(jié)硬化時(shí)間，提高了硬化漿體的強(qiáng)度和耐久性.

4 結(jié)語

通過對(duì)摻早強(qiáng)型土壤固化劑ES土體性能測(cè)試及快速施工工藝研究，得出如下結(jié)論:

(1)無論是摻早強(qiáng)型土壤固化劑ES還是摻普通型土壤固化劑OS土體，其抗壓強(qiáng)度隨著養(yǎng)護(hù)齡期的增加而增加，隨著含水率的增加而降低.

(2)經(jīng)5次干濕循環(huán)后，摻普通型土壤固化劑OS土體強(qiáng)度降低，試件表面已完全潰爛，抗干濕循環(huán)性能較差，而摻早強(qiáng)型土壤固化劑ES土體強(qiáng)度顯著增加，試件表面完好，具有較好的抗干濕循環(huán)性能.

(3)根據(jù)高含水率加固土體的工作性和強(qiáng)度發(fā)展規(guī)律，南京水利科學(xué)研究院開發(fā)出的一整套快速施工工藝方便可行，可應(yīng)用于水利工程搶險(xiǎn)堵漏中，能夠達(dá)到快速施工，節(jié)約成本，降低勞動(dòng)強(qiáng)度的目的，具有重要的推廣價(jià)值和工程意義.

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