高强耐水土壤固化剂工程应用研究

2013-12-07吕桂军杨春景宋春峰

黄河水利职业技术学院学报 2013年1期

吕桂军，杨春景，宋春峰

（1.黄河水利职业技术学院，河南开封 475004；2.小流域水利河南省高校工程技术研究中心,河南开封 475004；3. 开封第一黄河河务局，河南开封 475001）

0 引言

国内多年来使用较多的固土、防渗材料有石灰、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剂）按一定的比例混合而成的固结体，它有相当的强度和耐水性，同时又具有费用低、施工方便等优越性，在地基处理、坡面加固、渠道防渗等工程领域中得到了广泛应用。但其收缩大、易开裂、成本高，且与周围土壤变形协调性差。石灰土强度低，耐水性差；混凝土强度、耐水性和抗渗性能都很好，但造价高、防冻胀能力差，在寒冷和炎热地区会形成裂缝，降低使用年限；防渗膜料容易老化变质和被植物刺穿，寿命较短，且由于和土体的摩擦力小，埋没后容易发生滑坡现象，老化后的膜料不易处理，还会形成白色污染，不利于环境保护。因此，人们急需找到一种质优、价廉、性能好的新型建筑材料，来替代上述建筑材料。

高强耐水土壤固化剂（High Strength & Water Stability Earth Consolidator，简称HEC）是近年来出现的一种新型高强度、高耐水土体固结剂。它是一种以工业废渣为主要原料的高科技建筑材料，具有早期强度高、后期强度稳定、水稳性好、耐久性高等特点，可有效地与含泥石屑、风化沙、沙质土、黏土等固结形成固化体。目前，HEC 固化剂在土木工程、水利工程和环保工程中获得了广泛应用，已用在建筑基础施工、公路建设、堤坝工程、井下作业、防尘固沙等多个领域[1～2]。为了探明HEC 固化剂的材料性质、固土特点及其工程经济性，我们对HEC 固化土壤的效果和水泥固化土壤的效果进行了对比试验，以期为今后工程施工提供借鉴。

1 试验设计

1.1 供试固化剂

供试HEC 固化剂采用河南省巩义市海威建材公司生产的高强度高耐水土体固结剂。该固结剂为灰色粉末状固体，密度为2.80～2.90 g/cm3，细度为350～480 m2/kg，订购价格不370 元/t。水泥采用强度等级为42.5 的普通硅酸盐水泥，订购价格280 元/t。

1.2 供试土样

试验采用沙质土。用比重瓶法测定的该土样比重为2.65，每100 g 土中含沙29.35 g。

1.3 试验方法

1.3.1 试件制备方法

（1）测定固化土制备时最优含水量的试件为圆柱体试件（高13cm，直径10cm）。该试件土料分3 层压实，采用机械击实，总击数25 击，周击数7 击，装料击实系数为最大干密度的0.95 倍。

（2）测定固化土抗压强度的试件为立方体试件（10 cm×10cm×10cm）。该试件分3 层装料，采用人工击实法，每层30 击，击实系数为最大干密度的0.95 倍。

1.3.2 试件养护方法

成型后的试件在养护室中养护，温度保持在20±2℃，湿度在90%以上，养护时间分别为3 d、7 d、14 d、28 d。

1.3.3 试件抗压强度测定方法

根据《无机结合料稳定料试验规程》（JTJ057-94）试验操作方法[3]，将养护后的试件置于压力机上下机头之间，以1mm/min 的下压速度加压至试件破坏，记录破坏荷载，即为试件抗压强度。

2 试验结果与分析

2.1 击实试验

击实试验是用重锤锤击、使装料密度增加的一种试验方法。土在一定的击实效应下，如果含水量不同，则所得的密度也不相同。能使土壤达到最大干密度的含水量称为最优含水量，其相应的干密度称为最大干密度[4]。因为固化土壤的密度和土壤固化剂在土体中的均匀性对试件强度的形成具有非常重要的作用，用同一锤击能量击实不同配比的各组待测定土样，确定出做试块时达到最大干密度和最优含水量时的用水量，是保证固化土壤能够发挥最大强度的一种必要、有效的手段[5]。击实试验数据如表1 所示。通过击实试验，测得水泥土最优含水量在14%～15%之间，最大干密度在1.76～1.78 g/cm3之间。

表1 击实试验数据表Table 1 Compaction test data

2.2 HEC固化剂掺量和土料含水率对试件抗压强度的影响

为了研究固化剂掺量和土料含水量对试件抗压强度的影响，对击实试验的圆柱体试件进行了抗压强度测定，测得其28d 的抗压强度（如表2 所示）。

表2 固化土无侧限抗压强度值 /MpaTable 2 Solidified soil unconfined anti-compression strength values (Unit: Mpa)

经过对表2 进行无重复双因素方差分析得知，固化剂掺量和土料含水量对试件抗压强度都有决定性影响。（1）同一含水率条件下，试件强度随固化剂掺量的增加而增加。（2）在相同固化剂掺量条件下，必然存在一个最优土料含水率，使得试件抗压强度达到最大。土料含水率大于或小于土料最优含水率时，试件抗压强度都会减小。

2.3 不同种类固化剂的掺量和养护时间对试件抗压强度的影响

不同种类固化剂掺量和养护时间的立方体试件抗压强度值如表3 和图1 所示。由表3 和图1 可以得出以下结论：（1）在相同固化剂掺量条件下，试件强度随养护时间的增加而增加。（2）在相同养护时间内，固化剂掺量大的试件的抗压强度增加幅度大于固化剂掺量小的试件。这一现象可以从图1 中直观显现出来。图中，在相同固化剂条件掺量下，两曲线的纵坐标差值随着固化剂掺量的增大而增大。这一点也说明固化剂的固土效果非常显著。（3）在相同掺量条件下，水泥固化剂试件的抗压强度远小于HEC 固化剂试件的抗压强度。这说明，HEC 固化剂的固土效果优于水泥固化剂。（4）随着固化剂掺量的增加，HEC 固化剂试件的强度增加幅度大于水泥固化剂试件的强度增加幅度，这一点可以由表4中的强度比看出。随着固化剂掺量的增加，水泥的强度比呈减小的趋势。

表3 不同固化剂掺量和养护时间立方体试件的抗压强度值Table 3 Cube specimen anti-compression strength values of different firming agents content and conserving time (Unit: Mpa)

图1 .固化剂掺量与试件抗压强度关系曲线Fig.1 Curves of the solidify agent content and the specimen anti-compression strength

3 工程经济性分析

任何一种材料的推广都应在经济上具有可行性，因此有必要对HEC 固化剂和水泥固化剂的经济性进行比较。本试验所用HEC 固化剂的订购价格为370 元/t，水泥的订购价格为280 元/t，以每元购得的固化剂量加入土中形成的抗压强度（MPa/元）为指标，以28d 固化土抗压强度为标准值，对两种固化剂不同掺量情况下的工程经济性进行了比较，结果如表4 所示。

由表4 可以看出，在HEC 和水泥两种固化剂不同掺量情况下，都有HEC 固化剂的工程经济性优于水泥固化剂的工程经济性。

4 结语

通过以上试验研究与分析，可得到以下主要结论：（1）在同一含水率条件下，试件强度随固化剂掺量的增加而增加。（2）在相同固化剂掺量条件下，存在一个最优土料含水率，使得固化土抗压强度达到最大，土料含水率大于或小于这一最优土料含水率，固化土抗压强度都会减小。（3）在相同固化剂掺量条件下，试件强度随养护时间的延长而增加。在相同养护时间内，固化剂掺量大的试件的抗压强度增加幅度大于固化剂掺量小的试件。（4）HEC 固化土的工程经济性和力学性能优于水泥固化土的工程经济性和力学性能。可见，HEC 土壤固化剂具有良好的性能价格比，相信在未来的工程领域中，土壤固化剂将会发挥巨大的作用，具有广阔的工程应用前景。