一種固化劑對黃泛區(qū)沙土固化效果的試驗研究

李世偉，史新偉，高貝貝

(1.河南省水利科學研究院，鄭州 450003； 2.河南省水利工程安全技術(shù)重點實驗室，鄭州 450003)

目前，我國正處于建設(shè)和諧社會的關(guān)鍵階段，在生產(chǎn)和生活中更加注重合理利用資源和改善環(huán)境。土壤在地球上大范圍存在，但其作為一種松散的顆粒裝物質(zhì)，如何更好地利用和發(fā)揮其在工程中的工作性能一直是專家學者們研究的課題。河南位于黃河中下游，歷史上黃河多次泛濫，尤其是抗日戰(zhàn)爭中一次人為炸毀花園口黃河大堤造成的黃河泛濫[1]，導(dǎo)致河水所到之處沉積留下的泥沙讓周圍的生存環(huán)境變得十分惡劣。目前，在河南境內(nèi)仍然存在著大范圍的黃泛區(qū)沙土[2]。如何合理利用黃泛區(qū)沙土，一直是學者們研究的重要課題，而土壤固化劑的研究自引入以來，就受到眾多學者的關(guān)注。

土壤固化劑[3]作為一種新型的節(jié)能環(huán)保材料，是由多種有機和無機材料結(jié)合形成的。它和土壤顆?；旌虾?，在一定的外部條件下能發(fā)生一系列的物理和化學作用，使土壤顆粒間的孔隙被膠凝材料填充，從而達到加固土壤的目的。傳統(tǒng)的土壤固化劑有水泥土、灰土和二灰土等，但它們對塑性指數(shù)高的有機土、鹽漬土、黏土等土壤加固的效果不太理想，受干縮和溫度的影響較大，早期強度較低，且容易開裂[4-5]。這就迫使人們尋找出新型固化效果更好的土壤固化劑材料。由于市場的需求不斷增大，在許多國家成立了專門生產(chǎn)固化劑的企業(yè)，期間也產(chǎn)生了許多新型的固化劑材料。例如[6]美國的Soilrock、EN-1和帕爾瑪固化酶；日本的Aught-set系列土壤固化劑；澳大利亞的奇極土體固化劑CCSS；南非的ISS電離子土體強化劑等。結(jié)合我國土壤性質(zhì)，在借鑒國外經(jīng)驗的基礎(chǔ)上，國內(nèi)的許多學者針對土壤固化劑也進行了相關(guān)研究。梁文泉等[7]研究的GA新型土壤固化劑可以固化黏土、粉砂和淤泥，也可以替代水泥，用來拌制砂漿和混凝土。黃新等[8]研制的CG固化劑可以加固淤泥、泥炭和一般軟黏土。尚路等[9]針對廣西大部分地區(qū)的膨脹土，研制出的CHF土壤固化劑可以降低土壤的自由膨脹率。目前，國內(nèi)研制出的土壤固化劑有許多已投入使用，如NCS系列、HS系列、DLL、EN-1、硫酸鹽系列和Aught-Set系列等。雖然我國在土壤固化劑研究方面已取得了顯著的效果，但和國外相比仍然存在一定差距。

根據(jù)國際領(lǐng)先的聚合物技術(shù)，鄭州天罡實業(yè)有限公司生產(chǎn)出一種高強、高耐水土體固結(jié)劑——氯硫聚合物粉狀固化劑。利用氯鹽與硫酸鹽的雙重激發(fā)作用，將粉煤灰、礦渣粉和赤泥等工業(yè)廢物轉(zhuǎn)化為高強膠凝材料，可以用于無鋼筋銹蝕之憂的注漿工程、壩基工程等水利工程中。氯硫聚合物(Clorine-Surlphate Polymer)是申請者在研發(fā)中提出的新概念，該項技術(shù)已成功地應(yīng)用于義煤集團云頂?shù)V的注漿充填工程中。針對河南境內(nèi)存在的大范圍黃泛區(qū)沙土，本文利用氯硫聚合物固化劑固化黃泛區(qū)沙土，并通過室內(nèi)抗壓抗折強度試驗，研究氯硫聚合物固化劑對黃泛區(qū)沙土的固化效果。

1 材料和方法

1.1 試驗材料

試驗材料包括：砂子(采用標準砂)；黃泛區(qū)沙土，經(jīng)試驗測得其液限WL=27.2%，塑限WP=21.5%，塑性指數(shù)IP=5.7，標準擊實后測得素土最大干密度為1.472 g/cm3，最優(yōu)含水率18.2%；固化劑采用鄭州天罡實業(yè)有限公司生產(chǎn)的高強、高耐水土體固結(jié)劑氯硫聚合物粉狀固化劑，其凝結(jié)時間、安定性等技術(shù)性質(zhì)均符合現(xiàn)行國家標準的規(guī)定；水為飲用水。

1.2 試驗方法

根據(jù)預(yù)定的材料比例確定固化劑、土、砂用量，按照《水泥膠砂試驗規(guī)程》的要求，采用水泥膠砂制樣方法，使用JJ-5型水泥膠砂攪拌機進行攪拌將混合料裝入試模。放入密閉的養(yǎng)護箱24 h后進行脫模，試件從試模內(nèi)脫出后，繼續(xù)放到密封的濕氣箱內(nèi)進行保溫保濕養(yǎng)生。整個養(yǎng)生期間的溫度嚴格控制在 20℃±1℃，養(yǎng)生齡期到規(guī)定齡期。試件養(yǎng)護一定齡期后，對其進行抗折抗壓抗強度試驗?？拐蹚姸仍囼灆C應(yīng)符合JC/T 724-2005的要求，抗壓強度試驗機及機用夾具滿足《水泥膠砂試驗規(guī)程》中4.2.7和4.2.8的規(guī)定。之后，為了判斷該固化土的強度大小，參考《渠道防滲工程技術(shù)規(guī)范》(SL 18-2004)渠道襯砌對水泥土抗壓強度允許最小值表格中的最大值(即干硬性水泥土在季節(jié)性輸水的28 d抗壓強度：4.5 MPa)。通過對比，分析將黃泛區(qū)沙土摻入氯硫聚合物固化劑后，用于渠道防滲襯砌工程中強度是否滿足要求。

2 試驗結(jié)果與分析

2.1 試驗結(jié)果

選取黃泛區(qū)沙土為試驗用土，試驗分3批進行。表1給出3批試驗在水含量(用水灰比表示，即水與固化劑加土的質(zhì)量和之比或水與固化劑加土、標準砂表示)和固化劑摻量(用配合比表示，即固化劑與土的質(zhì)量比或固化劑與土和標準砂的質(zhì)量比)不同時，試件7、28和56 d的抗折、抗壓強度試驗結(jié)果。

表1 黃泛區(qū)沙土強度結(jié)果

2.2 配合比對固化土強度的影響

不同配合比條件下，各齡期的抗折強度和抗壓強度曲線見圖1。圖1中分3組，各組水灰比分別為0.3、0.35、0.4。每個圖中都有3條較長的折線和3條較短的線段，折線為固化劑配合比為1∶1、2∶1、3∶1時的強度連線；線段為摻入標準砂后，固化劑配合比為1∶1∶1、2∶1∶1時的強度連線。為了和干硬性水泥土進行對比，在抗壓強度曲線圖中用虛線標出干硬性水泥土在季節(jié)性輸水的抗壓強度最小值。

由圖1可得出如下結(jié)論：

1) 當水灰比為一定量時，固化土的抗壓抗折強度隨固化劑摻量的增加而提高；在相同配合比條件下，養(yǎng)護時間越長固化土的抗壓抗折強度越高。

2) 當水灰比為0.3時，摻入固化劑后，固化土各齡期的抗壓強度明顯比干硬性水泥土的高很多；圖1(a)中加固土7 d齡期的最小抗壓強度值(即配合比為：1∶1∶1時)為11.8 MPa，是干硬性水泥土在季節(jié)性輸水時抗壓強度最小值的2倍還要多。

3) 當水灰比為0.3和0.35時，由配合比為2∶1∶1和1∶1的值(即固化劑摻量相同)可知，加標準砂試件的抗壓和抗折強度比不加標準砂的高。

4) 考慮到經(jīng)濟性，在實際工程中會選擇固化劑摻量最少，仍能滿足強度要求的配合比。

圖1 固化土摻量不同時各齡期的抗折抗壓強度曲線圖

2.3 水灰比對固化土強度的影響

固化土不同水灰比條件下，養(yǎng)護齡期分別為7、28和56 d的抗壓抗折強度曲線見圖2。同樣，為了與干硬性水泥土進行對比，在抗壓強度曲線圖中用虛線標出干硬性水泥土在季節(jié)性輸水的抗壓強度最小值。

圖2 固化土水灰比不同時各配合比條件下的抗壓抗折強度曲線

由圖2可得出如下結(jié)論：

1) 當養(yǎng)護齡期一定時，固化土的抗壓抗折強度隨水灰比的增加而降低。因此，在工程實踐中應(yīng)合理降低固化土的水灰比。

2) 由圖2(a)可知，在養(yǎng)護齡期為7d時，隨著水灰比的增加，固化劑摻量最少時(配合比為1∶1∶1)的加固土的抗壓強度值迅速降低到小于干硬性水泥土的范圍內(nèi)。

3) 由圖2(b)、圖2(c)可知，隨著養(yǎng)護時間的增加，所有配比的加固土28和56 d齡期的抗壓強度均明顯高于干硬性水泥土。

綜上所述，考慮經(jīng)濟性，由黃泛區(qū)沙土的室內(nèi)固化試驗可得，氯硫聚合物固化黃泛區(qū)沙土可選擇以下幾組比例：

1) 配合比為1∶1，水灰比為0.3、0.35、0.4。

2) 配合比為1∶1∶1，水灰比為0.3。

3) 配合比為2∶1∶1，水灰比為0.3、0.35。

其中，第(2)組所用固化劑摻量最少，也最經(jīng)濟。

3 結(jié) 語

本文通過室內(nèi)試驗，針對河南境內(nèi)存在著的大范圍的黃泛區(qū)沙土，研究了配合比和水灰比對固化土抗壓抗折強度的影響。通過分析氯硫聚合物固化后的黃泛區(qū)沙土不同齡期的強度曲線，并與規(guī)范規(guī)定的干硬性水泥土在季節(jié)性輸水28 d抗壓強度的允許最小值進行對比，同時考慮經(jīng)濟性，最終給出氯硫聚合物固化劑固化黃泛區(qū)沙土的幾組較好的配合比和水灰比，為氯硫聚合物固化劑在工程中的應(yīng)用提供參考。