不同固化剂对砂质泥岩固化效果的对比试验研究

吴 丹，何 鑫(西南科技大学土木工程与建筑学院，四川绵阳 621000)

不同固化剂对砂质泥岩固化效果的对比试验研究

吴 丹，何 鑫
(西南科技大学土木工程与建筑学院，四川绵阳 621000)

通过在砂性泥岩中分别掺入无机固化剂、有机固化剂、无机有机混合固化剂，研究了不同固化剂对砂性泥岩的固化效果。试验结果表明：仅掺入有机固化剂的固化土水稳性差，掺入无机固化剂后，固化土水稳性增强；有机固化剂-乙5+3 %水泥固化土的水稳性及强度最好，其次分别是3 %水泥+3 %石灰固化土和3 %水泥固化土。

土壤固化剂；抗压强度；水稳定性；对比试验

为提高公路路基、边坡及建筑物地基等土工工程的稳定性，提高经济及环境效益，国内外十分重视对土壤固化剂的研究。土壤固化剂具有提高土体承载能力、减小变形、防渗、防裂、增加稳定性及对环境友好等优点。20世纪70年代起美国等国家就对土壤固化剂进行了研究并广泛应用于道路、水利工程、环境保护等各个工程领域。20世纪90年代, 我国开始引进和研制土壤固化剂，也取得了一些进展，但针对砂质泥岩土壤研究较少，因此本文对不同固化剂对砂质泥岩的加固效果进行对比研究。

1 固化剂的分类

按照固化剂成分及固化机理，土壤固化剂可以分为无机固化剂、高分子类固化剂、生物酶类固化剂和有机类固化剂四类。

无机固化剂，一般由水泥、石灰、各类矿渣、煤矸石等单独或按一定比例混合组成。

高分子类固化剂包括焦油、树脂、沥青、丙烯酸钙和糖醛苯胺等，它与土壤中的矿物质混合反应形成具有较高的早期强度、耐水性的胶合体，但该胶合体易受时间及周围环境影响，老化趋势明显，后期强度及耐水性均会随时间下降。

生物酶类固化剂有轻微的发酵味，是有机物质发酵而成，多为液态，且无毒、不燃烧。生物酶加固后土体密实度、耐水性提高，对环境无副作用。

有机类固化剂一般呈液态，掺入有机类固化剂后，使固化土变成“憎水性”，固化土经压实后，形成高度密实的土体结构，土体承载能力稳定性等性质可得到大幅提高。

2 试验材料及方法

2.1 试验用土

本试验所用的土样取自四川广元市旺苍县某公路的砂质泥岩。粉质泥岩由微小矿物组成，用硬物击打易裂成碎片，透水性很差，浸水后，泥岩易软化，不利于工程使用。

根据 JTG E40-2007《公路土工试验规程》测得土样液限ωp=35 % , 塑限ωL=17 % , 塑性指数Ιp=18。对土样进行颗粒分析试验，其试验结果如表1所示。

表1 土样筛分实验结果

2.2 土壤固化材料

本次试验采用4种土壤固化材料:有机固化剂-甲5(液体)、有机固化剂-乙5(液体)、32.5#普通硅酸盐水泥和石灰。

其中有机固化剂由西南科技大学研发，由黏土疏水、排气液体(Ⅰ号、Ⅱ号)和减水增实粉体(Ⅰ号、Ⅱ号、Ⅲ号)两类、五种材料组成，可根据现场土壤具体情况，将液体和粉体组合使用或单独使用。通过加入固化剂，可以加速所有种类黏性土体颗粒表面的去水、排气、密实化即石化的自然进程，达到活化处理黏土，破坏黏土颗粒的吸水性，增加抗水化性，加速土体石化的目的。

2.3 实验方法

取素土风干后过筛(2 mm筛)，掺入固化剂分别为：有机固化剂-甲5；有机固化剂-乙5；3 %水泥；4 %石灰；3 %水泥+3 %石灰；有机固化剂-甲5+3 %水泥；有机固化剂-乙5+3 %水泥；有机固化剂-甲5+3 %石灰，有机固化剂-乙5+3 %石灰，添加剂掺量定义为无机固化剂质量与干土质量之比，有机固化剂-甲5和有机固化剂-乙5均按1∶50与水稀释，稀释后按相应含水率掺入土壤。

将搅拌均匀的固化剂、土、水混合物倒入模具内，采用液压千斤顶静压法分层静压成型，削平试样两端并脱模，试样直径为4 cm，高为9 cm(试件含水率由击实试验结果确定，密度为95 %最大干密度)。试件制成后，密封放入标准养护室内(养护条件为温度 20 ℃±3 ℃，相对湿度不小于95 %)，养护至相应龄期。养护后将试件浸没于水中静置3 d后将试件取出，擦去表面多余水分，对试件称重并进行无侧限抗压强度试验。

3 试验结果与分析

3.1 击实试验

击实试验结果如表2所示，结果表明：素土中加入无机固化剂后，最佳含水率和最大干密度随之提高；掺入有机固化剂对土的最佳含水率和最大干密度的影响不明显，与仅掺加有机固化剂的土样相比，有机固化剂试件混合3 %水泥后，最大干密度和最优含水率分别提高7.7 %、6.8 %，混合3 %石灰后，最大干密度和最优含水率分别提高17.4 %、16.5 %。

表2 室内击实试验结果汇总

以素土与有机固化剂-乙5+3 %水泥为例，如图1所示，素土击实曲线更为急陡，固化土的击实曲线较为平缓，且其他固化土击实曲线均比素土击实曲线平缓。实际工程施工时，一般含水率取最有含水率±2 %进行施工，击实曲线越平缓，施工可选择土壤夯实密度越多，更有利于工程建设的进行。

图1 固化剂对固化土土压实特性影响

3.2 无侧限抗压强度

图2为不同固化剂和养护龄期对固化土无侧限抗压强度(qu)的影响。固化土无侧限抗压强度随养护龄期的增加而增长。图2中可以看出，不同固化剂对土壤qu改变相差较大；3 d龄期时，与素土qu(5.90 kPa)相比，固化土qu有所增长，但有机固化剂-甲5、有机固化剂-甲5+3 %水泥和有机固化剂-甲5+3 %石灰所加固的土壤qu增长不明显，掺入固化剂为3 %水泥、3 %水泥+3 %石灰和有机固化剂-乙5+3 %水泥的固化土qu增长明显，其中固化剂为3 %水泥+3 %石灰的固化土qu(176 kPa)最大；28 d 龄期时，土体qu均有较大幅度增长，掺入有机固化剂-乙5+3 %水泥的固化土qu(330.20 kPa)最大；60 d龄期时，各固化剂固化土qu较28 d龄期时无明显增长，qu趋于稳定。7 d龄期前，3 %水泥+3 %石灰固化土qu最大，7 d龄期后，有机固化剂-乙5+3 %水泥固化土qu最大。

图2 不同固化剂和养护龄期对固化土强度的影响

3.3 水稳性

固化土养护3 d后，再泡水3 d，试件强度变化如图3所示。从实验结果可知：素土和加入有机固化剂的固化土水稳性差，掺入无机固化剂后，固化土水稳性较好，其中4 %石灰固化土强度变化最小，强度仅降低4.1 %，有机固化剂-乙5+3 %石灰固化土强度变化最大，强度降低55 %。

图3 泡水后试件无侧限抗压强度

4 结论

通过对4种固化剂9种固化土的室内试验得出各种固化土的物理力学性质，可以得出：

(1)与素土qu(5.90 kPa)相比，掺入固化剂后，土体强度均有不同程度的增长，其中仅掺入有机固化剂的固化土水稳性差，其他固化土水稳性增强。综合固化剂对砂质泥岩改良效果，有机固化剂-乙5+3 %水泥固化土的水稳性及强度最好，其次分别是3 %水泥+3 %石灰固化土和3 %水泥固化土。

(2)实际工程施工时，一般含水率取最有含水率±2 %进行施工，与素土相比，固化土击实曲线更平缓，施工时在相同压实度要求下，含水量范围更宽，越有利于施工。

(3)综合考虑施工质量和经济性，建议现场施工时，保证拌和时间、拌合次数及含水率，使固化土拌合均匀，尽量提高固化土的压实度，确保固化土施工质量。

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临时道路中竹筋加筋土路基的承载机理研究(14zd1127)

吴丹(1992～)，女，硕士研究生，主要从事土体改良方面的研究。

U414.1

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[定稿日期]2016-07-11