水泥及TX 型固化剂改良黄土强度的试验研究

2020-12-27刘霜吴仁悠张婧秦子怡褚少辉梁燕

江苏建材 2020年5期

刘霜，吴仁悠，张婧，秦子怡，褚少辉，梁燕

（长安大学，陕西西安710021）

0 引言

路基作为公路主体的一部分，其质量好坏影响公路质量和效益。黄土材料直接用作路基填土，遇水后易产生承载力不足、路基不均匀沉降等工程问题。因此黄土作为路基时往往需要进行改良或换填，但较长路段换填耗费大量物力人力。传统固化剂由于使用成本较高，一直未能得到广泛应用。近几年随着国家对环保要求的提高以及砂、石和石灰等材料价格的持续上涨，土壤固化剂研究重新引发热潮。

1 TX 型固化剂简介

TX 型固化剂是由激发剂、催化剂、防冻剂、防水剂、抗裂剂、抗氧化剂、光稳定剂和表面活性剂在高温高压下合成的复合液体，通过无机材料、有机材料、土壤和水的物理化学反应改善土壤工程性能的一种高分子新材料，其固化速度快、相对强度高、收缩量小、经固化的土壤不会出现二次流化、固化土成本低、经久耐用。与传统处理技术相比，能节省大量水泥、沙石料等材料费用；与混凝土材料相比，一般可降低造价30%左右。

TX 型固化剂可以将大的土壤团粒散解成细小的团粒结构，它带有正电的离子与带有负电荷的土壤离子作用，使其带电性降低，团粒间斥力大幅度减少。当土壤中加入钙镁离子（石灰、水泥和炉渣等）时，固化剂的低价离子与其发生交换，产生化学反应，生成化学键，在土壤中形成坚固的网状结构，使土壤的干密度增加，从而提高压实度，达到提高固化土抗压强度的目的。TX 型固化剂还能处理工业废渣、各类尾矿渣（选矿渣、煤矸石煤泥等）、建筑垃圾、污染土（污水处理厂淤泥、地铁工程淤泥等）各类土壤。TX 型固化剂加固黄土时，就地取土作为主要材料，以TX 型固化剂、水和少量凝胶（水泥）为辅料，按一定比例参配，拌和均匀，夯（压）实，形成能够满足技术要求的固化土半刚性结构。

2 试验概况

2.1 试验材料

试验材料包括黄土、TX 型固化剂（TX-B 型和TX-W 型）、水泥和煤矸石。黄土取自陕西宝鸡，水泥型号为P·O 42.5，水泥的三天抗折强度大于3.5 MPa，三天抗压强度大于17.0 MPa。煤矸石经破碎为粒径2.36～4.75 mm 的颗粒供试验使用，其二氧化硅含量小于80%，属于黏土岩质煤矸石。

2.2 试验仪器

试验仪器：标准击实仪、天平、台秤、圆孔筛、标准恒温养护箱、应变控制式无侧限压缩仪、干燥器、拌土铁盘、碾土器、土铲、量筒、推土器、削土刀、平直尺、喷水器等。

2.3 试验方案

试验采用TX-W 和TX-B 固化剂对黄土进行改良。根据经验选择固化剂掺量r=0.03%（r=固化剂质量/干土质量），然后对试样进行击实试验，得出最佳含水量为12%，最大干密度为1.9 g/cm2，并以此为基础制成直径50 mm、高50 mm 圆柱体试件，最后进行标准养生，达到指定龄期（7 d， 14 d，28 d）后，对试样进行无侧限抗压强度试验。在固化剂改良黄土试样中，水泥含量分别为4%、6%、8%、10%，黄土含量分别为96%、94%、92%、90%；在固化剂煤矸石改良黄土试样中，水泥含量分别为4%、6%、8%、10%，黄土含量均为20%，煤矸石含量分别为76%、74%、72%、70%。其制样过程、养生方法以及试验过程均参考JTG E51—2009《公路公程无机结合料稳定材料试验规程》（T0805-1994）。试样成型压实度处于98%，以保证试样有足够的抗压强度。

2.4 无侧限抗压强度试验

将试样放在底座，转动手轮，底座缓慢上升，试样与加压板刚好接触，将测力计读数调整为零。根据试样软硬程度选用不同量程的测力计。轴向应变速度宜为每分钟应变1%～3%。转动手柄，升降设备上升进行试验，轴向应变小于3%时，每隔0.5%应变标准中的方法实际条件为(或0.25 mm)读数一次；轴向应变大于等于3%时，每隔1%应变(或0.8 mm)读数一次。试验宜在8～10 min 内完成。当测力计读数出现峰值，进行3%～5%的应变，然后停止试验；当读数无峰值时，试验进行到应变20%为止。试验结束，取下试样，描述试样破坏后的形状。

3 试验结果及分析

3.1 水泥含量和固化剂类型对改良黄土强度的影响

比较龄期分别为7 d、14 d、28 d 时固化剂亚类和水泥含量对改良黄土的无侧限抗压强度影响见图1。由图1 可知，当水泥含量为4%～10%时，改良黄土的无侧限抗压强度随水泥含量的增加而增大。TX-B型固化剂改良黄土的无侧限抗压强度大于TX-W 型固化剂改良黄土的无侧限抗压强度，即TX-B 型固化剂对黄土的改良效果优于TX-W 型固化剂。

图1 改良黄土的无侧限抗压强度与水泥含量、固化剂亚类和龄期的关系

3.2 水泥含量和固化剂对改良煤矸石黄土效果的影响

比较龄期分别为7 d、14 d、28 d 时固化剂亚类和水泥含量对改良煤矸石黄土的无侧限抗压强度的影响见图2。由图2 可知，TX 型固化剂在水泥含量4%～10%范围内，改良煤矸石黄土的无侧限抗压强度随水泥含量的增加而增大；4%～6%比6%～10%水泥含量条件下改良煤矸石黄土的无侧限抗压强度的增加率小，说明水泥含量6%～10%时，增加水泥含量改良煤矸石黄土的效果更好，且固化剂亚类对改良煤矸石黄土的影响相差不大。

图2 改良煤矸石黄土的无侧限抗压强度与水泥含量、固化剂亚类和龄期的关系

3.3 改良黄土和煤矸石黄土效果对比

为了研究固化剂改良黄土和煤矸石黄土的效果，整理得出龄期28 d 时不同固化剂改良效果对比（表1）。从中得出，龄期28 d、水泥含量4%～10%时，TX-B 改良黄土的无侧限抗压强度比TX-W 改良效果好；龄期28 d、水泥含量4%～10%时，二者改良效果基本相同，这与煤矸石的掺入有很大关系。

图3 改良土的无侧限抗压强度对比

表1 龄期28 d TX-B 型和TX-W 型固化剂改良效果对比

改良土无侧限抗压强度对比见图3。由图3 可知，在试验范围内，改良黄土的无侧限抗压强度受龄期影响最大，其次为水泥含量，再次为固化剂亚类。改良煤矸石黄土的无侧限抗压强度受水泥含量影响最大，其次为龄期，固化剂亚类对改良煤矸石黄土基本无影响。在试验条件下，改良黄土强度范围处于5.05～8.62 MPa；改良煤矸石黄土强度范围处于10.43～17.85 MPa，即改良煤矸石黄土强度更大。

研究改良土强度7 d 增长情况，整理得出龄期14 d 前和14 d 后TX-B 型和TX-W 型固化剂改良效果对比（表2）。从中得出，改良黄土在试验龄期内的强度增长量均大于改良煤矸石黄土的强度增长量；二者的标准化强度在14 d 前的增长量均大于14 d 后的增长量。试验条件下，改良黄土的标准化无侧限抗压强度7 d 增长量在0.220 MPa 以上。改良煤矸石黄土的标准化无侧限抗压强度7 d 增长量超过0.039 MPa。

表2 改良土7 d 的强度增长量平均值 MPa

研究水泥含量4%～10%时改良土的强度增长效果，整理得出水泥含量为4%～10%时不同龄期、不同固化剂亚类的的标准化无侧限抗压强度增长量（表3）。从中得出，TX-B 固化剂改良黄土和改良煤矸石黄土，在水泥含量为4%～10%时的强度增长量均随着龄期的增长而减少。

表3 水泥含量4%～10%时改良土的标准化无侧限抗压强度增长量表 MPa

试验范围内，水泥含量在4%～10%增加时，改良煤矸石黄土的标准化无侧限抗压强度增加并超过0.430 MPa。龄期28 d 内，水泥含量在4%～10%增加时，改良黄土的标准化无侧限抗压强度增加并超过0.030 MPa。

龄期28 d，水泥含量4%～10%时，TX-B 改良黄土的标准化无侧限抗压强度比TX-W 改良平均增大0.016 MPa；TX-B 改良煤矸石黄土的标准化无侧限抗压强度比TX-W 改良平均增大0.0017 MPa。TX-W 型固化剂改良效果随龄期增加规律性不强。

由此可知，改良煤矸石黄土的强度大于改良黄土的强度，这与改良煤矸石黄土的成分有很大关系。

改良土的标准化无侧限抗压强度对比见图4。由此可知，在试验条件为28 d 龄期、10%水泥含量时，改良黄土和改良煤矸石黄土的标准化无侧限抗压强度都达到最大值，且两者最大值接近，说明虽然龄期和水泥含量对改良黄土和改良煤矸石黄土影响程度不同，但28 d 后改良黄土和改良煤矸石黄土标准化后的无侧限抗压强度相差不大。