一种固化剂对灌区壤土固化效果的试验研究

，，

(1.河南省水利科学研究院，郑州 450003； 2.河南省水利工程安全技术重点实验室，郑州 450003； 3.河南建筑职业技术学院，郑州 450064)

目前，渠道衬砌常用的防渗材料多为灰土、水泥土、沥青混凝土、混凝土、砌石和膜料等[1]。其中，混凝土类防渗材料以其防渗性能好、抗冲刷和耐久性能强、能够适应不同地形条件的优点，得到广泛的应用[2]。但混凝土的变形能力差，易产生冻胀和温度裂缝，混凝土衬砌破坏后维修困难、造价高等缺点突出[3]。尤其在一些砂石料资源匮乏的地区，如何既能合理利用当地材料，又能降低衬砌材料的工程造价一直是专家和学者们不断探索的问题。

20世纪70年代以来，土壤固化剂[4]的发展在不断地解决这个问题。相关研究[5]证明，固化土28 d的无侧限抗压强度达到3～20 MPa，渗透系数低至10-6～10-8cm/s，这些均满足并超过了《渠道防渗工程技术规范》(SL18-2004)中对水泥土的技术要求。地质聚合物[6-7]是固化剂的一种，它类似坚硬的石材。这种人造石材[8-9]具有天然岩石一样的硬度、耐久性和热稳定性，可以将粉煤灰、煤矸石、矿渣、钢渣等工业废料重新利用或再处理，具有固化速度快、早期强度高、固结时间长等优点，能够就地取材、节省施工时间、降低工程造价。

氯硫聚合物粉状固化剂是郑州天罡实业有限公司生产的一种固化剂，固结后具有高强、高耐水性[10]。在固化过程中充分发挥氯盐与硫酸盐的双重激发作用，将氯硫聚合物与渠道内原状土搅拌形成一种高强胶凝材料，使土壤固化并应用于渠道衬砌中。本文针对氯硫聚合物固化剂固化焦作市广利灌区壤土进行研究，以充分发挥固化剂就地取材和降低造价的作用。首先，通过室内试验研究该材料在不同配合比及不同龄期条件下的抗压、抗折强度；其次，研究该材料在不同水灰比及不同龄期条件下的抗压、抗折强度；最后，通过和干硬性水泥土进行对比，分析氯硫聚合物固化剂的经济性，为土壤固化剂在渠道衬砌中的应用提供参考。

1 材料和方法

1.1 材 料

试验材料：砂子(采用标准砂)；焦作市广利灌区壤土，试验测得其液限WL=32%，塑限WP=17.25%，塑性指数IP=14.75，标准击实试验得出的素土最大干密度为1.663 g/cm3，最优含水率19.2%；郑州天罡实业有限公司生产的氯硫聚合物粉状固化剂；水为饮用水。

1.2 方 法

根据《水泥胶砂试验规程》，采用水泥胶砂制样方法，根据预定材料的比例确定固化剂、土、砂的用量，具体试验过程参考相关文献[10]和规范。根据《渠道防渗工程技术规范》(SL18-2004)，干硬性水泥土作为渠道衬砌材料，其抗压强度允许最小值中规定的最大值为4.5 MPa。通过试验，将灌区壤土掺入氯硫聚合物固化剂，对比分析其强度是否满足要求。通过含水量和固化剂用量两种不同条件的控制，分析试件的抗折和抗压强度。

2 试验结果与分析

2.1 试验结果

选取焦作市广利渠壤土为试验用土，选取水掺量和固化剂掺量为试验因素。其中，水掺量用水灰比表示，即水灰比=水的质量∶(固化剂的质量+土的质量)∶标准砂的质量；固化剂掺量用配合比表示，即配合比=固化剂的质量∶土的质量∶标准砂的质量。抗压强度和抗折强度为判断指标，分别比较试件7、28和56 d的强度变化情况，以研究其变化规律。

试验分3批进行：①第一批试验：水灰比0.3，配合比分别为1∶2、1∶1、2∶1、3∶1、6∶1以及加标准砂后1∶1∶1、2∶1∶1共7组；②第二批试验：在第一批试验的基础上，改变水灰比，即水灰比0.35，配合比分别为1∶2、1∶1、2∶1、3∶1、6∶1及加标准砂后1∶1∶1、2∶1∶1共7组；③第三批试验：考虑纯固化剂的抗压强度，即水灰比0.4，配合比分别为1∶2、1∶1、2∶1、3∶1、6∶1、1∶0(纯固化剂)及加标准砂1∶1∶1、2∶1∶1共8组。试验结果见表1。

2.2 固化剂掺量对固化土强度的影响

当水灰比分别为0.3、0.35、0.4时，在不同配合比条件下，固化剂掺量不同时各龄期的强度曲线见图1。图1中每个图的折线是配合比为2∶1、1∶1、2∶1、3∶1、6∶1时的强度连线；线段为考虑掺入标准砂，固化剂配合比为1∶1∶1、2∶1∶1时的强度连线。干硬性水泥土作为渠道衬砌材料，其抗压强度允许最小值中规定的最大值为4.5MPa，这个值在抗压强度曲线图中用虚线表示。

表1 广利灌区壤土强度结果

图1 抗折抗压强度曲线

由图1可得如下结论：

1) 在相同水灰比条件下，固化剂掺量越大固化土的抗压抗折强度越高；在相同配合比条件下，固化土的养护时间越长，抗压抗折强度越高。

2) 在水灰比为0.3的条件下，固化土的抗压强度明显高于干硬性水泥土；图1(a)中，固化剂掺量最少时(即配合比为1∶2和1∶1∶1)，加固土7 d龄期的最小抗压强度值为9.9和10.5 MPa，是干硬性水泥土作为渠道衬砌材料的抗压强度允许最小值中规定的最大值4.5 MPa的2倍以上。

3) 在实际工程中，必须考虑经济性，尽量使固化剂的掺量最少，且满足强度要求。

2.3 水灰比对固化土强度的影响

当养护龄期分别为7、28和56 d时，在不同水灰比条件下的强度曲线见图2。同样干硬性水泥土作为渠道衬砌材料，其抗压强度允许最小值中规定的最大值为4.5MPa，这个值在抗压强度曲线图中用虚线表示。

图2 抗压抗折强度曲线

由图2可得出如下结论：

1) 在一定的养护龄期下，随着水灰比的增加，固化土的抗压抗折强度逐渐降低。因此，为了获得较高的强度，应尽可能降低固化土的水灰比。

2) 由图2(a)可知，当水灰比增加到0.35、固化土配合比为1∶2时，7 d龄期的抗压强度值迅速降低至小于干硬性水泥土的范围内；当水灰比为0.4时，配合比为1∶2和1∶1∶1的固化土，7 d龄期的抗压强度均小于干硬性水泥土的值。

3) 由图2(b)和图2(c)可知，随着养护龄期的增加，固化土28和56 d的抗压强度均明显高于干硬性水泥土的值。

综上所述，既能满足强度要求又考虑到经济性，由广利渠壤土的室内固化试验可得，氯硫聚合物固化广利渠壤土可选择以下几组比例：

①配合比为1∶2，水灰比为0.3

②配合比为1∶1，水灰比为0.3，0.35，0.4

③配合比为1∶1∶1，水灰比为0.3，0.35

④配合比为2∶1∶1，水灰比为0.3，0.35

其中，第①组和第③组所用固化剂最少，也最节省造价。

3 经济性分析

现将配合比1∶1∶1、水灰比0.3的材料和水泥土各取单位体积(1 m3)，砂为标准砂，对其造价进行经济性分析。结果见表2。

由表2可知，虽然氯硫聚合物固化剂的价格高于干硬性水泥土，但由于固化剂与自然土体的黏结能力强，28 d固化土的强度大于相应龄期水泥土的强度。因而，其产投比大于水泥土的产投比。由此可见，采用氯硫聚合物固化剂是可行的，也是经济合理的。

表2 氯硫聚合物固化土与水泥土单位体积造价比较

注：表2中产投比=抗压强度/造价。

4 结 语

本文针对氯硫聚合物固化剂对焦作市广利渠壤土的固化效果进行研究。通过室内试验，分析不同配合比和水灰比条件下固化土的抗压和抗折强度。参照规范规定的干硬性水泥土在季节性输水的最小抗压强度值，得出广利渠壤土使用氯硫聚合物固化剂固化时的几组较好的配比，其结果与黄泛区沙土的室内固化实验[10]具有一致性。同时通过和相同条件下水泥土的造价进行对比，对其经济性进行了分析。结果显示，采用该种固化剂是经济合理的，为广利渠壤土使用氯硫聚合物固化剂固化，并在渠道衬砌中的推广应用提供了科学数据。