不同土壤固化劑對黏土固化性能試驗研究

姚愛超，柳久偉

（山東省交通科學研究院，山東 濟南 250031）

引言

現(xiàn)階段高速公路邊坡防護方式主要為應用人工種草護坡，但由于草籽播撒不均勻，草籽易被雨水沖走，種草成活率低等原因，往往達不到滿意的邊坡防護效果，而造成坡面沖溝，表土流失等邊坡病害，導致大量的邊坡病害整治、修復工程。漿砌片石骨架植草護坡，通常做成截水型漿砌片石骨架，能減輕坡面沖刷，保護草皮生長，但需要開采礦山，工程量較大。使用土壤固化劑能夠直接增強破面土體強度，防止水流沖刷造成的破壞，對周邊環(huán)境和植被無不良影響，能夠起到護坡、綠化、節(jié)約資源的目的［1-2］。

1 土壤固化劑分類及作用機理

土壤固化劑為摻入素土后，通過與素土、水、空氣的物理或化學反應，改善素土工程性能的材料。土壤固化劑根據(jù)其外觀形態(tài)，可以分為液體固化劑和粉狀固化劑；按照主要膠結(jié)料組份可以分為無機類、有機類、生物酶類固化劑、復合型固化劑等四類［3-4］。

土壤固化劑的作用機理可以概括為物理力學過程、化學過程和物理化學過程三大過程［5］。物理力學過程是土體強度形成最基本的加固手段，土體在外荷載作用下孔隙率會減小，密實度的增加會引起土體強度的增長，該過程是任何類型的土壤固化劑在固化土壤時都必需的，對強度的形成具有非常重要的作用?；瘜W過程是指土壤固化劑在與土壤相互作用的的過程中，其本身組分發(fā)生的化學反應、土體與土壤固化劑中的某些組分發(fā)生的反應等。物理化學過程主要指土壤顆粒與固化劑中各組分的吸附過程，包括物理吸附、化學吸附和物理化學吸附。以上這3 種過程并不是相互孤立的，而是相互聯(lián)系和相互促進的，化學過程和物理化學過程能使土體的力學性能、抗?jié)B性能、耐久性能等工程性能得以改善，而物理力學過程則是化學過程和物理化學過程更好地發(fā)揮作用的保證。

2 試驗原材料

2.1 試驗用土

土樣取自山東某改擴建高速公路的土質(zhì)邊坡部位，土樣顏色呈深黃色。通過顆粒篩分與塑性指標綜合判斷為低液限黏土。對土樣進行顆粒分析試驗，其試驗結(jié)果見表1，基本物理力學性質(zhì)指標見表2。

表1 土樣篩分試驗結(jié)果

表2 土樣的液塑限及塑性指數(shù)

2.2 土壤固化劑

選取韓國進口N-siol 土壤固化劑與國產(chǎn)GS 土壤固化劑對比評價對低液限黏土的固化性能，兩種固化劑均為不需要添加無機結(jié)合料即可發(fā)揮固化作用。韓國N-siol 土壤固化劑為淺灰色粉末，不溶于水，遇水分散呈絮狀物于燒杯底部。GS 土壤固化劑為淺白色粉末，不溶于水，遇水分散沉淀于燒杯底部。兩種土壤固化劑的作用機理基本相同，都可以概括為物理力學過程、化學過程和物理化學過程三大過程形成最終的固結(jié)強度。

3 試驗概述

3.1 試驗計劃

（1）固化性能評價方案：試驗采用山東某改擴建高速公路的土質(zhì)邊坡部位的土，進行擊實試驗確定最佳含水率與最大干密度，素土、GS 固化劑、N-soil固化劑按照確定的最佳含水率，96%壓實度標準成型無側(cè)限試件，分別測試7 d 浸水與非浸水無側(cè)限抗壓強度，其試驗計劃見表3。（2）環(huán)保性能評價方案：主要模擬自然條件下降雨對兩種固化劑成型后的樣品進行沖刷后析出形成析出液，然后對析出液進行相應指標的測試，判斷其對自然環(huán)境可能產(chǎn)生的影響及程度。

表3 土壤固化劑固化性能試驗方案

3.2 擊實試驗

對土樣進行擊實試驗，參照規(guī)范《公路土工實驗規(guī)范》（JTG E40—2007）的（T0121—2007）擊實試驗，試驗結(jié)果土的最佳含水率為11.72%，最大干密度為1.9 g/cm3。評價7 d 無側(cè)限抗壓強度，考慮到試驗參數(shù)對結(jié)果的影響，采用土的擊實結(jié)果作為兩種固化劑成型試件的標準參數(shù)，土樣擊實曲線見圖1。

圖1 土樣擊實曲線

3.3 固化劑固化性能試驗

3.3.1 成型試件

固化土試件的標準尺寸與成型方法尚無統(tǒng)一的標準，參照規(guī)范《公路工程無機結(jié)合料穩(wěn)定材料試驗規(guī)程》（JTG E51—2009）的（T0843—2009）無機結(jié)合料穩(wěn)定材料試件制作方法(圓柱形)進行。采用靜力壓實法制備試件，試件尺寸采取直徑50 mm與高度50 mm 的圓柱體試件，試件裝料質(zhì)量按96%的壓實度計算成型。

3.3.2 試件標準養(yǎng)生

（1）試件靜壓完畢從試模內(nèi)脫出，輕輕拖住試件底部將其平移取出，稱量質(zhì)量、測量高度，將試件裝入封口袋中密封好，按順序編好號放入恒溫恒濕標準養(yǎng)護箱養(yǎng)護。（2）標準養(yǎng)生的溫度為 20±2 ℃，濕度為≥95% 。試樣豎直放在鐵架或木架上，間距至少10 ～20 mm。試樣表面應覆蓋一層保鮮膜，避免凝結(jié)水滴直接滴落浸泡試件。（3）標準養(yǎng)生第6 d，將浸水試件取出，觀察試件的邊角有無磨損和缺塊，量測高和質(zhì)量，然后將試件浸泡于20±2 ℃水中，應使水面在試件頂上約2.5 cm，非浸水試件在標準養(yǎng)生箱養(yǎng)生至7 d 齡期。

3.3.3 無側(cè)限抗壓強度試驗

現(xiàn)階段還沒有專門針對土壤固化劑試驗的規(guī)范，參照規(guī)范《公路工程無機結(jié)合料穩(wěn)定材料試驗規(guī)程》（JTG E51—2009）的（T0805—1994）無機結(jié)合料穩(wěn)定材料無側(cè)限抗壓強度試驗方法，使用MTS E43.104電子萬能試驗機，試驗速度設置為1 mm/min，試樣的7 d 浸水無側(cè)限抗壓強度試驗結(jié)果見表4，7 d 非浸水無側(cè)限抗壓強度試驗結(jié)果見表5。

表4 7 d 浸水無側(cè)限抗壓強度

表5 7 d 非浸水無側(cè)限抗壓強度

GS 固化劑固化土壤的水穩(wěn)定性較差，但較素土水穩(wěn)定性有明顯提升，7 d 無側(cè)限抗壓強度為素土的1.4 倍，破壞變形曲線有明顯的峰值。N-soil 固化劑固化土壤的水穩(wěn)定性良好，7 d 無側(cè)限抗壓強度為素土的4 倍，為GS 固化劑的2.9 倍，對土壤固化效果較明顯，破壞變形曲線有明顯的峰值，力值曲線呈拋物線變化。

3.3.4 環(huán)保性能試驗

對兩種固化劑成型后的樣品進行沖刷后析出液進行色度、pH 值和重金屬離子含量測試，測試結(jié)果見表6。

表6 浸出液PH 值和色度測試值

兩種固化劑固化土壤浸出液都未檢測出重金屬離子含量，兩者pH 值相差不大，都成較強堿性，對周圍環(huán)境可能造成不利影響，兩者浸出液色度也相差不大，相對較混濁。

4 結(jié)語

（1）綜合顆粒篩分數(shù)據(jù)和液塑限數(shù)據(jù)判定試驗所用土樣為低液限黏土，7 d 無側(cè)限抗壓強度較低，泡水迅速分散，說明素土水穩(wěn)定性很差，不適合直接用于降雨較多的高邊坡路段。（2）N-soil 固化劑固化土壤的固化性能優(yōu)良，7 d 無側(cè)限抗壓強度能夠滿足高邊坡路段穩(wěn)定性要求，泡水1 d 完整性好抗水損害能力較強。N-soil 固化劑對于低液限黏土具有較好的固化作用。（3）兩種固化劑浸出液的pH 值呈較強的堿性，色度顯示較混濁，浸出液都不含有重金屬離子析出，鑒于N-soil 固化劑良好的固化和水穩(wěn)定性，受雨水沖刷浸出液的流量能否對周圍環(huán)境造成影響還需要進一步實施試驗路段評價。