韋 華，陳迅捷，鄢 俊，賀永會

(南京水利科學(xué)研究院 水利部水工新材料工程技術(shù)研究中心，江蘇 南京 210029)

土壤固化技術(shù)經(jīng)過幾十年的發(fā)展，已經(jīng)成為一門綜合結(jié)構(gòu)力學(xué)、膠體化學(xué)、土壤化學(xué)等理論的交叉學(xué)科［1］.國內(nèi)外已有的工程實踐證明，土壤固化劑可大量應(yīng)用于水利、交通、港口、機場等基礎(chǔ)設(shè)施的建設(shè)［2－4］.目前土壤加固程序主要按以下步驟進行:土體運輸→攤鋪曬土→最優(yōu)含水率→倉面攤鋪→倉面機器攪碎→添加固化劑→機器碾壓→施工質(zhì)量檢查.當前的土壤加固方法中最重要的一條是必須使土壤中的含水率達到最優(yōu)含水率，即在硬塑條件下進行碾壓作業(yè).在硬塑條件下加固的土體不具有流動性，且碾壓攤鋪等工序耗費大量的人力物力，特別對于汛期搶險工程，處于硬塑狀態(tài)的加固土及其施工方法不具有普遍適用性，受天氣、施工工具等諸多因素制約.

本文通過在黏土中摻入早強型土壤固化劑ES與普通型土壤固化劑OS，分析加固土體在較高含水率條件下(土體處于軟塑或流塑狀態(tài))抗壓強度、抗干濕循環(huán)性能隨養(yǎng)護齡期、含水率發(fā)展的規(guī)律，為土在軟塑或流塑狀態(tài)下加固提供理論依據(jù);根據(jù)高含水率加固土體的工作性和強度發(fā)展規(guī)律，開發(fā)研究高含水率土體快速施工工藝，為水利工程汛期搶險堵漏提供科技支撐.

利用早強型土壤固化劑在高含水率條件下加固土具有施工方便、早期強度發(fā)展快速，耐久性較高的優(yōu)勢，可以在水利工程汛期搶險堵漏中推廣使用，能夠達到快速施工，節(jié)約成本，降低勞動強度的目的，具有重要的推廣價值和工程意義.

1 試驗簡介

試驗采用的固化劑分2種，一種為南京水利科學(xué)研究院自主研發(fā)的早強型固化劑ES，主要成分為硅酸鹽、鋁酸鹽、氧化鈣、氯化鈉等，是一種早強型、粉末狀、水化類固化劑，密度為2.92 g/cm3，比表面積390～420 m2/kg，凝結(jié)時間可根據(jù)工程需要進行調(diào)整;另一種普通型固化劑OS，粉末狀、水化類土壤固化劑.采用的黏土為南京地區(qū)加固堤防常用土料，略顯黃色，在105℃烘箱中烘干至恒重后用于試驗.

將固化劑、黏土、水按一定的比例(具體比例見表1)放入機器中攪拌均勻后，制成40 mm×40 mm×160 mm的試件，試模表面鋪一層塑料薄膜，在標準養(yǎng)護室(溫度(20±3)℃，相對濕度大于95%)內(nèi)養(yǎng)護1d后拆模，拆模后試件放入密封塑料薄膜內(nèi)，在標準養(yǎng)護室內(nèi)養(yǎng)護到相應(yīng)齡期取出進行抗壓強度、干濕循環(huán)試驗.

表1 摻固化劑ES和OS土體配合比(質(zhì)量比)Tab.1 The mix proportion of soil adding stabilizer ES and OS(Mass ratio)

2 試驗結(jié)果與討論

2.1 抗壓強度

試件在標準養(yǎng)護室中養(yǎng)護到2，6，13和27 d后，把試件放水中養(yǎng)護24 h(水面高于試件頂面2 cm)，從水中取出后用抹布把表面水吸干，在精度為1 N的壓力機上測試試件的抗壓強度，結(jié)果見表2.

表2 摻固化劑土體固化后抗壓強度Tab.2 The compressive strength of soil adding stabilizer ES and OS MPa

從表2可見:固化土的抗壓強度隨著養(yǎng)護齡期的增加而增加;在相同養(yǎng)護齡期下，拌和時加水越多，抗壓強度越低;前3 d強度增加較快，最高可達28 d強度的62%.

當水化類固化劑摻入土體后，固化劑、水、黏土發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，生成大量的CaO－Al2O3－H2O，C－S－H，3CaO·Al2O3·3CaSO4·32H2O，Ca(OH)2和CaCO3等不溶于水的穩(wěn)定的結(jié)晶礦物，增加了土壤內(nèi)部的結(jié)合力、密實度和強度，同時這些結(jié)晶礦物消除了土壤間隙，使固化的土壤具有早期強度、水穩(wěn)定性較高及長期強度持續(xù)增長的特點［5］.張麗蘋等的研究［6］認為:水化反應(yīng)形成的結(jié)晶體使得材料體積增加，有效地填充土顆粒間的孔隙，提高了土的耐水性、抗?jié)B性.劉鐵宏等［7］認為:水化類土壤固化劑與土壤混合后，將過多的游離水分在反應(yīng)中“奪取”，生成含32個結(jié)晶水的針狀結(jié)晶體3CaO·Al2O3·3CaSO4·32H2O，將土壤中大量的自由水以結(jié)晶水形式固定下來.因此，隨著養(yǎng)護時間的增加，固化劑、水、黏土間反應(yīng)越來越深入，土壤中的結(jié)晶礦物、結(jié)晶水增加，從而使土的抗壓強度增加;當含水率增加后，土中自由水增加，土體強度降低，因此含水率越大，抗壓強度越低.攀恒輝等［8］也認為，處于軟塑狀態(tài)的土體，抗壓強度隨著含水率的增加而降低.

從固化劑ES與固化劑OS對比來看，在相同配比、相同養(yǎng)護齡期時，在高含水率條件下，早強型固化劑ES的抗壓強度是普通型固化劑OS抗壓強度的2～4倍，說明摻早強型固化劑ES的土體即使在高含水率條件下，強度發(fā)展也較迅速.

2.2 干濕循環(huán)

試件在標準養(yǎng)護室中養(yǎng)護到3，7和28 d后，把試件放干縮室(溫度(20±2)℃，相對濕度(60±5)%)養(yǎng)護1 d，取出試件放標準養(yǎng)護室水中浸泡2 d(水面高于試件頂面2 cm)，如此干濕循環(huán)5次，在壓力機上測試試件干濕循環(huán)后的抗壓強度，結(jié)果見表3.

表3 摻固化劑土體經(jīng)5次干濕循環(huán)后抗壓強度Tab.3 The compressive strength of soil adding stabilizer ES and OS after 5 dry-wet cycles MPa

從表3可見，摻固化劑ES土體在含水率較大時(如0.45)，經(jīng)5次干濕循環(huán)后，抗壓強度隨著標準養(yǎng)護時間的增加而降低;在含水率為0.30，0.35和0.40時，標準養(yǎng)護3，7和28 d后經(jīng)5次干濕循環(huán)，試件的抗壓強度不減反而增大;特別是標準養(yǎng)護3和7 d后進行干濕循環(huán)的試件，強度增加幅度較大.這主要由以下兩點引起:

(1)標準養(yǎng)護3和7d后，再經(jīng)5次干濕循環(huán)，實際養(yǎng)護齡期增加了15 d，而從摻固化劑ES土體抗壓強度發(fā)展規(guī)律可知，在標準養(yǎng)護的前3 d，土體強度發(fā)展迅速，可達到28 d強度的62%左右，因此，雖然干濕循環(huán)對土體強度有一定的影響，但由于這段時間土體強度發(fā)展迅速，即使經(jīng)歷干濕循環(huán)，強度仍然增加;

(2)由于固化劑ES含有大量早強成份，固化土體在標準養(yǎng)護后，土體中生成大量起包裹及填充作用的結(jié)晶礦物，土體中可蒸發(fā)的游離水和開孔數(shù)量較少，而對于多孔材料，孔隙率越低，強度越高［9］，高強度、低孔隙率土體耐干濕循環(huán)性能較強.

而摻固化劑OS土體經(jīng)5次干濕循環(huán)后，抗壓強度隨著標準養(yǎng)護時間的增加而降低.分析其原因為:固化劑OS為普通水化類土壤固化劑，適合于低含水率時使用，在高含水率時，固化土體強度發(fā)展較慢，生成不溶于水的結(jié)晶礦物較少，土中的水大部份以游離水形式存在;當土放在干燥環(huán)境中養(yǎng)護時，游離水蒸發(fā)，形成大量開孔，而再放水中養(yǎng)護時，開孔吸水，低強度土體被泡成松散漿體，如此干濕循環(huán)5次后，土體強度迅速降低.王建華等［10］認為加固土體在經(jīng)歷干濕循環(huán)過程時，在其內(nèi)部發(fā)生干縮與濕脹變形，形成微裂縫，隨干濕循環(huán)次數(shù)的不斷增加，干縮與濕脹變形也將進一步增大，導(dǎo)致微裂縫不斷擴展，造成水泥改良土自身結(jié)構(gòu)破壞，從宏觀上就會使土強度逐漸衰化.特別是在標準條件下養(yǎng)護28 d后，固化劑的水化反應(yīng)已基本完成，加固土中孔隙率與孔的分部不再發(fā)生變化，在這種條件下每次干濕循環(huán)后加固土中開孔、連通孔、裂縫持續(xù)增加，松散漿體數(shù)量也增加，因此在5次干濕循環(huán)后，強度下降迅速，特別是水固比為0.45的土體，在標準養(yǎng)護28 d后再經(jīng)歷5次干濕循環(huán)，已不具有強度.

綜合比較可見，摻固化劑ES土體抗壓強度在標準養(yǎng)護后經(jīng)5次干濕循環(huán)，強度增加，而摻固化劑OS土體強度降低;在相同配比，相同養(yǎng)護齡期條件下，摻固化劑ES試件抗壓強度是摻固化劑OS抗壓強度的4～7倍.說明在高含水率條件下，摻早強型固化劑ES試件比摻普通型固化劑OS試件具有較強的抗干濕循環(huán)性能.

2.3 表觀質(zhì)量對比

摻固化劑ES與固化劑OS試件標準養(yǎng)護28 d，經(jīng)5次干濕循環(huán)后表觀質(zhì)量對比見圖1.可見，摻固化劑OS土體經(jīng)干濕循環(huán)后，表面土體完全潰爛，字體已看不清楚，而摻固化劑ES土體經(jīng)干濕循環(huán)后，表面質(zhì)量無損壞，基本維持原樣.

圖1 摻固化劑ES與固化劑OS土體干濕循環(huán)后表觀質(zhì)量對比Fig.1 Soil surface quality comparison between adding stabilizer ES and stabilizer OS after dry-wet cycles

3 快速施工工藝

根據(jù)高含水率加固土體(土體處于軟塑或流塑狀態(tài))的工作性和強度發(fā)展規(guī)律，為了在水利工程搶險堵漏中快速應(yīng)用，南京水利科學(xué)研究院相關(guān)研究人員總結(jié)了一整套完善的施工工藝.這種施工工藝能夠快速解決堤岸滲漏、管涌、邊坡失穩(wěn)等問題，主要設(shè)備有:強制式攪拌機和德國產(chǎn)螺桿泵.該螺桿泵可將漿體輸送到高0～8 m，水平距離0～100 m處;以及采用南京水利科學(xué)研究院研發(fā)的透水膜袋裝入流動性漿體，通過漿體自身的壓力及螺桿泵的擠壓作用，可以把漿體中水擠壓出來，降低漿體含水率，加速漿體凝結(jié)硬化，提高硬化后強度和耐久性.

施工工藝為:(1)把土、水按一定比例倒入強制性攪拌機中攪動2～3 min，把固化劑ES倒入攪拌后的泥漿中，再攪拌1～2 min;(2)把攪拌均勻的漿體放入螺桿泵輸送槽內(nèi)，啟動螺桿泵;(3)用螺桿泵輸送漿體到指定的地點后，對出料端漿體進行處理.

可根據(jù)工程需要，選用以下兩種方法對出料端漿體進行處理:(1)用透水膜袋承接出料端漿體，利用漿體的自身重力和螺桿泵的擠壓作用，可以把漿體中的部分水擠壓出來，達到降低土中含水率的目的.土體的抗壓強度和耐久性隨著含水率的降低而增加，利用這種方法可縮短土體的凝結(jié)時間，提高土體的凝結(jié)硬化強度和耐久性;(2)出料端漿體也可直接攤鋪或灌注于施工部位.具體試驗過程見圖2和3，試驗中漿體配合比選用 ES－3.

圖2 螺桿泵輸送漿體Fig.2 Transporting soil paste by screw pump

圖3 承接漿體并擠壓漿體中水Fig.3 Receiving soil paste and extruding water from soil paste

試驗結(jié)果表明:利用螺桿泵輸送流動性的漿體方便可行;出料端用透水膜袋承接漿體，利用漿體自身的重力和螺桿泵的擠壓作用，可以把漿體中的部分水擠壓出來，降低了漿體中含水率，縮短了泥漿凝結(jié)硬化時間，提高了硬化漿體的強度和耐久性.

4 結(jié)語

通過對摻早強型土壤固化劑ES土體性能測試及快速施工工藝研究，得出如下結(jié)論:

(1)無論是摻早強型土壤固化劑ES還是摻普通型土壤固化劑OS土體，其抗壓強度隨著養(yǎng)護齡期的增加而增加，隨著含水率的增加而降低.

(2)經(jīng)5次干濕循環(huán)后，摻普通型土壤固化劑OS土體強度降低，試件表面已完全潰爛，抗干濕循環(huán)性能較差，而摻早強型土壤固化劑ES土體強度顯著增加，試件表面完好，具有較好的抗干濕循環(huán)性能.

(3)根據(jù)高含水率加固土體的工作性和強度發(fā)展規(guī)律，南京水利科學(xué)研究院開發(fā)出的一整套快速施工工藝方便可行，可應(yīng)用于水利工程搶險堵漏中，能夠達到快速施工，節(jié)約成本，降低勞動強度的目的，具有重要的推廣價值和工程意義.

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