高強(qiáng)耐水土壤固化劑工程應(yīng)用研究

呂桂軍，楊春景，宋春峰

（1.黃河水利職業(yè)技術(shù)學(xué)院，河南 開封 475004；2.小流域水利河南省高校工程技術(shù)研究中心,河南 開封 475004；3. 開封第一黃河河務(wù)局，河南 開封 475001）

0 引言

國內(nèi)多年來使用較多的固土、防滲材料有石灰、水泥、混凝土、土工膜料等。 水泥土是由水泥、土和水（或加入一定比例外加劑）按一定的比例混合而成的固結(jié)體，它有相當(dāng)?shù)膹?qiáng)度和耐水性，同時(shí)又具有費(fèi)用低、施工方便等優(yōu)越性，在地基處理、坡面加固、渠道防滲等工程領(lǐng)域中得到了廣泛應(yīng)用。 但其收縮大、易開裂、成本高，且與周圍土壤變形協(xié)調(diào)性差。 石灰土強(qiáng)度低，耐水性差；混凝土強(qiáng)度、耐水性和抗?jié)B性能都很好，但造價(jià)高、防凍脹能力差，在寒冷和炎熱地區(qū)會(huì)形成裂縫，降低使用年限；防滲膜料容易老化變質(zhì)和被植物刺穿，壽命較短，且由于和土體的摩擦力小，埋沒后容易發(fā)生滑坡現(xiàn)象，老化后的膜料不易處理，還會(huì)形成白色污染，不利于環(huán)境保護(hù)。 因此，人們急需找到一種質(zhì)優(yōu)、價(jià)廉、性能好的新型建筑材料，來替代上述建筑材料。

高強(qiáng)耐水土壤固化劑 （High Strength & Water Stability Earth Consolidator，簡稱HEC）是近年來出現(xiàn)的一種新型高強(qiáng)度、高耐水土體固結(jié)劑。 它是一種以工業(yè)廢渣為主要原料的高科技建筑材料，具有早期強(qiáng)度高、后期強(qiáng)度穩(wěn)定、水穩(wěn)性好、耐久性高等特點(diǎn)，可有效地與含泥石屑、風(fēng)化沙、沙質(zhì)土、黏土等固結(jié)形成固化體。 目前，HEC 固化劑在土木工程、水利工程和環(huán)保工程中獲得了廣泛應(yīng)用，已用在建筑基礎(chǔ)施工、公路建設(shè)、堤壩工程、井下作業(yè)、防塵固沙等多個(gè)領(lǐng)域[1～2]。 為了探明HEC 固化劑的材料性質(zhì)、固土特點(diǎn)及其工程經(jīng)濟(jì)性，我們對(duì)HEC 固化土壤的效果和水泥固化土壤的效果進(jìn)行了對(duì)比試驗(yàn)，以期為今后工程施工提供借鑒。

1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.1 供試固化劑

供試HEC 固化劑采用河南省鞏義市海威建材公司生產(chǎn)的高強(qiáng)度高耐水土體固結(jié)劑。 該固結(jié)劑為灰色粉末狀固體，密度為2.80～2.90 g/cm3，細(xì)度為350～480 m2/kg，訂購價(jià)格不370 元/t。 水泥采用強(qiáng)度等級(jí)為42.5 的普通硅酸鹽水泥，訂購價(jià)格280 元/t。

1.2 供試土樣

試驗(yàn)采用沙質(zhì)土。 用比重瓶法測定的該土樣比重為2.65，每100 g 土中含沙29.35 g。

1.3 試驗(yàn)方法

1.3.1 試件制備方法

（1）測定固化土制備時(shí)最優(yōu)含水量的試件為圓柱體試件（高13cm，直徑10cm）。該試件土料分3 層壓實(shí)，采用機(jī)械擊實(shí)，總擊數(shù)25 擊，周擊數(shù)7 擊，裝料擊實(shí)系數(shù)為最大干密度的0.95 倍。

（2）測定固化土抗壓強(qiáng)度的試件為立方體試件（10 cm×10cm×10cm）。 該試件分3 層裝料，采用人工擊實(shí)法，每層30 擊，擊實(shí)系數(shù)為最大干密度的0.95 倍。

1.3.2 試件養(yǎng)護(hù)方法

成型后的試件在養(yǎng)護(hù)室中養(yǎng)護(hù)，溫度保持在20±2℃，濕度在90%以上，養(yǎng)護(hù)時(shí)間分別為3 d、7 d、14 d、28 d。

1.3.3 試件抗壓強(qiáng)度測定方法

根據(jù)《無機(jī)結(jié)合料穩(wěn)定料試驗(yàn)規(guī)程》（JTJ057-94）試驗(yàn)操作方法[3]，將養(yǎng)護(hù)后的試件置于壓力機(jī)上下機(jī)頭之間，以1mm/min 的下壓速度加壓至試件破壞，記錄破壞荷載，即為試件抗壓強(qiáng)度。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 擊實(shí)試驗(yàn)

擊實(shí)試驗(yàn)是用重錘錘擊、使裝料密度增加的一種試驗(yàn)方法。 土在一定的擊實(shí)效應(yīng)下，如果含水量不同，則所得的密度也不相同。 能使土壤達(dá)到最大干密度的含水量稱為最優(yōu)含水量，其相應(yīng)的干密度稱為最大干密度[4]。 因?yàn)楣袒寥赖拿芏群屯寥拦袒瘎┰谕馏w中的均勻性對(duì)試件強(qiáng)度的形成具有非常重要的作用，用同一錘擊能量擊實(shí)不同配比的各組待測定土樣，確定出做試塊時(shí)達(dá)到最大干密度和最優(yōu)含水量時(shí)的用水量，是保證固化土壤能夠發(fā)揮最大強(qiáng)度的一種必要、有效的手段[5]。 擊實(shí)試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表1 所示。 通過擊實(shí)試驗(yàn)，測得水泥土最優(yōu)含水量在14%～15%之間，最大干密度在1.76～1.78 g/cm3之間。

表1 擊實(shí)試驗(yàn)數(shù)據(jù)表Table 1 Compaction test data

2.2 HEC固化劑摻量和土料含水率對(duì)試件抗壓強(qiáng)度的影響

為了研究固化劑摻量和土料含水量對(duì)試件抗壓強(qiáng)度的影響，對(duì)擊實(shí)試驗(yàn)的圓柱體試件進(jìn)行了抗壓強(qiáng)度測定，測得其28d 的抗壓強(qiáng)度 （如表2 所示）。

表2 固化土無側(cè)限抗壓強(qiáng)度值 /MpaTable 2 Solidified soil unconfined anti-compression strength values (Unit: Mpa)

經(jīng)過對(duì)表2 進(jìn)行無重復(fù)雙因素方差分析得知，固化劑摻量和土料含水量對(duì)試件抗壓強(qiáng)度都有決定性影響。 （1）同一含水率條件下，試件強(qiáng)度隨固化劑摻量的增加而增加。 （2）在相同固化劑摻量條件下，必然存在一個(gè)最優(yōu)土料含水率，使得試件抗壓強(qiáng)度達(dá)到最大。 土料含水率大于或小于土料最優(yōu)含水率時(shí)，試件抗壓強(qiáng)度都會(huì)減小。

2.3 不同種類固化劑的摻量和養(yǎng)護(hù)時(shí)間對(duì)試件抗壓強(qiáng)度的影響

不同種類固化劑摻量和養(yǎng)護(hù)時(shí)間的立方體試件抗壓強(qiáng)度值如表3 和圖1 所示。 由表3 和圖1 可以得出以下結(jié)論：（1）在相同固化劑摻量條件下，試件強(qiáng)度隨養(yǎng)護(hù)時(shí)間的增加而增加。 （2）在相同養(yǎng)護(hù)時(shí)間內(nèi)，固化劑摻量大的試件的抗壓強(qiáng)度增加幅度大于固化劑摻量小的試件。 這一現(xiàn)象可以從圖1 中直觀顯現(xiàn)出來。 圖中，在相同固化劑條件摻量下，兩曲線的縱坐標(biāo)差值隨著固化劑摻量的增大而增大。這一點(diǎn)也說明固化劑的固土效果非常顯著。 （3）在相同摻量條件下，水泥固化劑試件的抗壓強(qiáng)度遠(yuǎn)小于HEC 固化劑試件的抗壓強(qiáng)度。 這說明，HEC 固化劑的固土效果優(yōu)于水泥固化劑。 （4）隨著固化劑摻量的增加，HEC 固化劑試件的強(qiáng)度增加幅度大于水泥固化劑試件的強(qiáng)度增加幅度，這一點(diǎn)可以由表4中的強(qiáng)度比看出。 隨著固化劑摻量的增加，水泥的強(qiáng)度比呈減小的趨勢(shì)。

表3 不同固化劑摻量和養(yǎng)護(hù)時(shí)間立方體試件的抗壓強(qiáng)度值Table 3 Cube specimen anti-compression strength values of different firming agents content and conserving time (Unit: Mpa)

圖1 .固化劑摻量與試件抗壓強(qiáng)度關(guān)系曲線Fig.1 Curves of the solidify agent content and the specimen anti-compression strength

3 工程經(jīng)濟(jì)性分析

任何一種材料的推廣都應(yīng)在經(jīng)濟(jì)上具有可行性，因此有必要對(duì)HEC 固化劑和水泥固化劑的經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行比較。本試驗(yàn)所用HEC 固化劑的訂購價(jià)格為370 元/t，水泥的訂購價(jià)格為280 元/t，以每元購得的固化劑量加入土中形成的抗壓強(qiáng)度（MPa/元）為指標(biāo)，以28d 固化土抗壓強(qiáng)度為標(biāo)準(zhǔn)值，對(duì)兩種固化劑不同摻量情況下的工程經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行了比較，結(jié)果如表4 所示。

由表4 可以看出，在HEC 和水泥兩種固化劑不同摻量情況下，都有HEC 固化劑的工程經(jīng)濟(jì)性優(yōu)于水泥固化劑的工程經(jīng)濟(jì)性。

4 結(jié)語

通過以上試驗(yàn)研究與分析，可得到以下主要結(jié)論：（1）在同一含水率條件下，試件強(qiáng)度隨固化劑摻量的增加而增加。 （2）在相同固化劑摻量條件下，存在一個(gè)最優(yōu)土料含水率，使得固化土抗壓強(qiáng)度達(dá)到最大，土料含水率大于或小于這一最優(yōu)土料含水率，固化土抗壓強(qiáng)度都會(huì)減小。 （3）在相同固化劑摻量條件下，試件強(qiáng)度隨養(yǎng)護(hù)時(shí)間的延長而增加。 在相同養(yǎng)護(hù)時(shí)間內(nèi)，固化劑摻量大的試件的抗壓強(qiáng)度增加幅度大于固化劑摻量小的試件。 （4）HEC 固化土的工程經(jīng)濟(jì)性和力學(xué)性能優(yōu)于水泥固化土的工程經(jīng)濟(jì)性和力學(xué)性能。 可見，HEC 土壤固化劑具有良好的性能價(jià)格比，相信在未來的工程領(lǐng)域中，土壤固化劑將會(huì)發(fā)揮巨大的作用，具有廣闊的工程應(yīng)用前景。

表4 水泥和HEC固化劑的工程經(jīng)濟(jì)性對(duì)比（MPa/元）Table 4 Cement and HEC solidify agent engineering economy comparison (Unit: Mpa/元)

[1] 蘇群，徐淵博，張復(fù)實(shí). 國際以及國內(nèi)土壤固化劑的研究現(xiàn)狀和前景展望[J]. 黑龍江工程學(xué)院學(xué)報(bào)，2005，19（3）：1-4.

[2] 樊恒輝，高建恩，吳普特. 土壤固化劑研究現(xiàn)狀與展望[J].西北農(nóng)林科技大學(xué)學(xué)報(bào)，2006，34（2）：141-146.

[3] 姚賢良，程云生. 土壤物理學(xué)[M]. 北京： 農(nóng)業(yè)出版社，1986：306-308.

[4] JTJ057-94，無機(jī)結(jié)合料穩(wěn)定料試驗(yàn)規(guī)程[S].

[5] 楊熙章. 土工實(shí)驗(yàn)與原理[M]. 上海：同濟(jì)大學(xué)出版社，2003.