早强型土壤固化剂加固土的性能及施工工艺

韦 华，陈迅捷，鄢 俊，贺永会

(南京水利科学研究院 水利部水工新材料工程技术研究中心，江苏 南京 210029)

土壤固化技术经过几十年的发展，已经成为一门综合结构力学、胶体化学、土壤化学等理论的交叉学科［1］.国内外已有的工程实践证明，土壤固化剂可大量应用于水利、交通、港口、机场等基础设施的建设［2－4］.目前土壤加固程序主要按以下步骤进行:土体运输→摊铺晒土→最优含水率→仓面摊铺→仓面机器搅碎→添加固化剂→机器碾压→施工质量检查.当前的土壤加固方法中最重要的一条是必须使土壤中的含水率达到最优含水率，即在硬塑条件下进行碾压作业.在硬塑条件下加固的土体不具有流动性，且碾压摊铺等工序耗费大量的人力物力，特别对于汛期抢险工程，处于硬塑状态的加固土及其施工方法不具有普遍适用性，受天气、施工工具等诸多因素制约.

本文通过在黏土中掺入早强型土壤固化剂ES与普通型土壤固化剂OS，分析加固土体在较高含水率条件下(土体处于软塑或流塑状态)抗压强度、抗干湿循环性能随养护龄期、含水率发展的规律，为土在软塑或流塑状态下加固提供理论依据;根据高含水率加固土体的工作性和强度发展规律，开发研究高含水率土体快速施工工艺，为水利工程汛期抢险堵漏提供科技支撑.

利用早强型土壤固化剂在高含水率条件下加固土具有施工方便、早期强度发展快速，耐久性较高的优势，可以在水利工程汛期抢险堵漏中推广使用，能够达到快速施工，节约成本，降低劳动强度的目的，具有重要的推广价值和工程意义.

1 试验简介

试验采用的固化剂分2种，一种为南京水利科学研究院自主研发的早强型固化剂ES，主要成分为硅酸盐、铝酸盐、氧化钙、氯化钠等，是一种早强型、粉末状、水化类固化剂，密度为2.92 g/cm3，比表面积390～420 m2/kg，凝结时间可根据工程需要进行调整;另一种普通型固化剂OS，粉末状、水化类土壤固化剂.采用的黏土为南京地区加固堤防常用土料，略显黄色，在105℃烘箱中烘干至恒重后用于试验.

将固化剂、黏土、水按一定的比例(具体比例见表1)放入机器中搅拌均匀后，制成40 mm×40 mm×160 mm的试件，试模表面铺一层塑料薄膜，在标准养护室(温度(20±3)℃，相对湿度大于95%)内养护1d后拆模，拆模后试件放入密封塑料薄膜内，在标准养护室内养护到相应龄期取出进行抗压强度、干湿循环试验.

表1 掺固化剂ES和OS土体配合比(质量比)Tab.1 The mix proportion of soil adding stabilizer ES and OS(Mass ratio)

2 试验结果与讨论

2.1 抗压强度

试件在标准养护室中养护到2，6，13和27 d后，把试件放水中养护24 h(水面高于试件顶面2 cm)，从水中取出后用抹布把表面水吸干，在精度为1 N的压力机上测试试件的抗压强度，结果见表2.

表2 掺固化剂土体固化后抗压强度Tab.2 The compressive strength of soil adding stabilizer ES and OS MPa

从表2可见:固化土的抗压强度随着养护龄期的增加而增加;在相同养护龄期下，拌和时加水越多，抗压强度越低;前3 d强度增加较快，最高可达28 d强度的62%.

当水化类固化剂掺入土体后，固化剂、水、黏土发生化学反应，生成大量的CaO－Al2O3－H2O，C－S－H，3CaO·Al2O3·3CaSO4·32H2O，Ca(OH)2和CaCO3等不溶于水的稳定的结晶矿物，增加了土壤内部的结合力、密实度和强度，同时这些结晶矿物消除了土壤间隙，使固化的土壤具有早期强度、水稳定性较高及长期强度持续增长的特点［5］.张丽苹等的研究［6］认为:水化反应形成的结晶体使得材料体积增加，有效地填充土颗粒间的孔隙，提高了土的耐水性、抗渗性.刘铁宏等［7］认为:水化类土壤固化剂与土壤混合后，将过多的游离水分在反应中“夺取”，生成含32个结晶水的针状结晶体3CaO·Al2O3·3CaSO4·32H2O，将土壤中大量的自由水以结晶水形式固定下来.因此，随着养护时间的增加，固化剂、水、黏土间反应越来越深入，土壤中的结晶矿物、结晶水增加，从而使土的抗压强度增加;当含水率增加后，土中自由水增加，土体强度降低，因此含水率越大，抗压强度越低.攀恒辉等［8］也认为，处于软塑状态的土体，抗压强度随着含水率的增加而降低.

从固化剂ES与固化剂OS对比来看，在相同配比、相同养护龄期时，在高含水率条件下，早强型固化剂ES的抗压强度是普通型固化剂OS抗压强度的2～4倍，说明掺早强型固化剂ES的土体即使在高含水率条件下，强度发展也较迅速.

2.2 干湿循环

试件在标准养护室中养护到3，7和28 d后，把试件放干缩室(温度(20±2)℃，相对湿度(60±5)%)养护1 d，取出试件放标准养护室水中浸泡2 d(水面高于试件顶面2 cm)，如此干湿循环5次，在压力机上测试试件干湿循环后的抗压强度，结果见表3.

表3 掺固化剂土体经5次干湿循环后抗压强度Tab.3 The compressive strength of soil adding stabilizer ES and OS after 5 dry-wet cycles MPa

从表3可见，掺固化剂ES土体在含水率较大时(如0.45)，经5次干湿循环后，抗压强度随着标准养护时间的增加而降低;在含水率为0.30，0.35和0.40时，标准养护3，7和28 d后经5次干湿循环，试件的抗压强度不减反而增大;特别是标准养护3和7 d后进行干湿循环的试件，强度增加幅度较大.这主要由以下两点引起:

(1)标准养护3和7d后，再经5次干湿循环，实际养护龄期增加了15 d，而从掺固化剂ES土体抗压强度发展规律可知，在标准养护的前3 d，土体强度发展迅速，可达到28 d强度的62%左右，因此，虽然干湿循环对土体强度有一定的影响，但由于这段时间土体强度发展迅速，即使经历干湿循环，强度仍然增加;

(2)由于固化剂ES含有大量早强成份，固化土体在标准养护后，土体中生成大量起包裹及填充作用的结晶矿物，土体中可蒸发的游离水和开孔数量较少，而对于多孔材料，孔隙率越低，强度越高［9］，高强度、低孔隙率土体耐干湿循环性能较强.

而掺固化剂OS土体经5次干湿循环后，抗压强度随着标准养护时间的增加而降低.分析其原因为:固化剂OS为普通水化类土壤固化剂，适合于低含水率时使用，在高含水率时，固化土体强度发展较慢，生成不溶于水的结晶矿物较少，土中的水大部份以游离水形式存在;当土放在干燥环境中养护时，游离水蒸发，形成大量开孔，而再放水中养护时，开孔吸水，低强度土体被泡成松散浆体，如此干湿循环5次后，土体强度迅速降低.王建华等［10］认为加固土体在经历干湿循环过程时，在其内部发生干缩与湿胀变形，形成微裂缝，随干湿循环次数的不断增加，干缩与湿胀变形也将进一步增大，导致微裂缝不断扩展，造成水泥改良土自身结构破坏，从宏观上就会使土强度逐渐衰化.特别是在标准条件下养护28 d后，固化剂的水化反应已基本完成，加固土中孔隙率与孔的分部不再发生变化，在这种条件下每次干湿循环后加固土中开孔、连通孔、裂缝持续增加，松散浆体数量也增加，因此在5次干湿循环后，强度下降迅速，特别是水固比为0.45的土体，在标准养护28 d后再经历5次干湿循环，已不具有强度.

综合比较可见，掺固化剂ES土体抗压强度在标准养护后经5次干湿循环，强度增加，而掺固化剂OS土体强度降低;在相同配比，相同养护龄期条件下，掺固化剂ES试件抗压强度是掺固化剂OS抗压强度的4～7倍.说明在高含水率条件下，掺早强型固化剂ES试件比掺普通型固化剂OS试件具有较强的抗干湿循环性能.

2.3 表观质量对比

掺固化剂ES与固化剂OS试件标准养护28 d，经5次干湿循环后表观质量对比见图1.可见，掺固化剂OS土体经干湿循环后，表面土体完全溃烂，字体已看不清楚，而掺固化剂ES土体经干湿循环后，表面质量无损坏，基本维持原样.

图1 掺固化剂ES与固化剂OS土体干湿循环后表观质量对比Fig.1 Soil surface quality comparison between adding stabilizer ES and stabilizer OS after dry-wet cycles

3 快速施工工艺

根据高含水率加固土体(土体处于软塑或流塑状态)的工作性和强度发展规律，为了在水利工程抢险堵漏中快速应用，南京水利科学研究院相关研究人员总结了一整套完善的施工工艺.这种施工工艺能够快速解决堤岸渗漏、管涌、边坡失稳等问题，主要设备有:强制式搅拌机和德国产螺杆泵.该螺杆泵可将浆体输送到高0～8 m，水平距离0～100 m处;以及采用南京水利科学研究院研发的透水膜袋装入流动性浆体，通过浆体自身的压力及螺杆泵的挤压作用，可以把浆体中水挤压出来，降低浆体含水率，加速浆体凝结硬化，提高硬化后强度和耐久性.

施工工艺为:(1)把土、水按一定比例倒入强制性搅拌机中搅动2～3 min，把固化剂ES倒入搅拌后的泥浆中，再搅拌1～2 min;(2)把搅拌均匀的浆体放入螺杆泵输送槽内，启动螺杆泵;(3)用螺杆泵输送浆体到指定的地点后，对出料端浆体进行处理.

可根据工程需要，选用以下两种方法对出料端浆体进行处理:(1)用透水膜袋承接出料端浆体，利用浆体的自身重力和螺杆泵的挤压作用，可以把浆体中的部分水挤压出来，达到降低土中含水率的目的.土体的抗压强度和耐久性随着含水率的降低而增加，利用这种方法可缩短土体的凝结时间，提高土体的凝结硬化强度和耐久性;(2)出料端浆体也可直接摊铺或灌注于施工部位.具体试验过程见图2和3，试验中浆体配合比选用 ES－3.

图2 螺杆泵输送浆体Fig.2 Transporting soil paste by screw pump

图3 承接浆体并挤压浆体中水Fig.3 Receiving soil paste and extruding water from soil paste

试验结果表明:利用螺杆泵输送流动性的浆体方便可行;出料端用透水膜袋承接浆体，利用浆体自身的重力和螺杆泵的挤压作用，可以把浆体中的部分水挤压出来，降低了浆体中含水率，缩短了泥浆凝结硬化时间，提高了硬化浆体的强度和耐久性.

4 结语

通过对掺早强型土壤固化剂ES土体性能测试及快速施工工艺研究，得出如下结论:

(1)无论是掺早强型土壤固化剂ES还是掺普通型土壤固化剂OS土体，其抗压强度随着养护龄期的增加而增加，随着含水率的增加而降低.

(2)经5次干湿循环后，掺普通型土壤固化剂OS土体强度降低，试件表面已完全溃烂，抗干湿循环性能较差，而掺早强型土壤固化剂ES土体强度显著增加，试件表面完好，具有较好的抗干湿循环性能.

(3)根据高含水率加固土体的工作性和强度发展规律，南京水利科学研究院开发出的一整套快速施工工艺方便可行，可应用于水利工程抢险堵漏中，能够达到快速施工，节约成本，降低劳动强度的目的，具有重要的推广价值和工程意义.

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