劉霜，吳仁悠，張婧，秦子怡，褚少輝，梁燕

（長安大學(xué)，陜西 西安710021）

0 引言

路基作為公路主體的一部分， 其質(zhì)量好壞影響公路質(zhì)量和效益。黃土材料直接用作路基填土，遇水后易產(chǎn)生承載力不足、 路基不均勻沉降等工程問題。因此黃土作為路基時往往需要進行改良或換填，但較長路段換填耗費大量物力人力。傳統(tǒng)固化劑由于使用成本較高， 一直未能得到廣泛應(yīng)用。近幾年隨著國家對環(huán)保要求的提高以及砂、石和石灰等材料價格的持續(xù)上漲， 土壤固化劑研究重新引發(fā)熱潮。

1 TX 型固化劑簡介

TX 型固化劑是由激發(fā)劑、催化劑、防凍劑、防水劑、抗裂劑、抗氧化劑、光穩(wěn)定劑和表面活性劑在高溫高壓下合成的復(fù)合液體，通過無機材料、有機材料、土壤和水的物理化學(xué)反應(yīng)改善土壤工程性能的一種高分子新材料，其固化速度快、相對強度高、收縮量小、經(jīng)固化的土壤不會出現(xiàn)二次流化、固化土成本低、經(jīng)久耐用。與傳統(tǒng)處理技術(shù)相比，能節(jié)省大量水泥、沙石料等材料費用；與混凝土材料相比，一般可降低造價30%左右。

TX 型固化劑可以將大的土壤團粒散解成細(xì)小的團粒結(jié)構(gòu)，它帶有正電的離子與帶有負(fù)電荷的土壤離子作用，使其帶電性降低，團粒間斥力大幅度減少。當(dāng)土壤中加入鈣鎂離子（石灰、水泥和爐渣等）時，固化劑的低價離子與其發(fā)生交換，產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)，生成化學(xué)鍵，在土壤中形成堅固的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，使土壤的干密度增加，從而提高壓實度，達到提高固化土抗壓強度的目的。TX 型固化劑還能處理工業(yè)廢渣、各類尾礦渣（選礦渣、煤矸石煤泥等）、建筑垃圾、污染土（污水處理廠淤泥、地鐵工程淤泥等）各類土壤。TX 型固化劑加固黃土?xí)r，就地取土作為主要材料，以TX 型固化劑、水和少量凝膠（水泥）為輔料，按一定比例參配，拌和均勻，夯（壓）實，形成能夠滿足技術(shù)要求的固化土半剛性結(jié)構(gòu)。

2 試驗概況

2.1 試驗材料

試驗材料包括黃土、TX 型固化劑（TX-B 型和TX-W 型）、水泥和煤矸石。黃土取自陜西寶雞，水泥型號為P·O 42.5，水泥的三天抗折強度大于3.5 MPa，三天抗壓強度大于17.0 MPa。煤矸石經(jīng)破碎為粒徑2.36～4.75 mm 的顆粒供試驗使用， 其二氧化硅含量小于80%，屬于黏土巖質(zhì)煤矸石。

2.2 試驗儀器

試驗儀器：標(biāo)準(zhǔn)擊實儀、天平、臺秤、圓孔篩、標(biāo)準(zhǔn)恒溫養(yǎng)護箱、應(yīng)變控制式無側(cè)限壓縮儀、干燥器、拌土鐵盤、碾土器、土鏟、量筒、推土器、削土刀、平直尺、噴水器等。

2.3 試驗方案

試驗采用TX-W 和TX-B 固化劑對黃土進行改良。根據(jù)經(jīng)驗選擇固化劑摻量r=0.03%（r=固化劑質(zhì)量/干土質(zhì)量）， 然后對試樣進行擊實試驗，得出最佳含水量為12%，最大干密度為1.9 g/cm2，并以此為基礎(chǔ)制成直徑50 mm、 高50 mm 圓柱體試件，最后進行標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)生，達到指定齡期（7 d， 14 d，28 d）后，對試樣進行無側(cè)限抗壓強度試驗。在固化劑改良黃土試樣中，水泥含量分別為4%、6%、8%、10%，黃土含量分別為96%、94%、92%、90%；在固化劑煤矸石改良黃土試樣中， 水泥含量分別為4%、6%、8%、10%，黃土含量均為20%，煤矸石含量分別為76%、74%、72%、70%。其制樣過程、養(yǎng)生方法以及試驗過程均參考JTG E51—2009《公路公程無機結(jié)合料穩(wěn)定材料試驗規(guī)程》（T0805-1994）。試樣成型壓實度處于98%， 以保證試樣有足夠的抗壓強度。

2.4 無側(cè)限抗壓強度試驗

將試樣放在底座，轉(zhuǎn)動手輪，底座緩慢上升，試樣與加壓板剛好接觸，將測力計讀數(shù)調(diào)整為零。根據(jù)試樣軟硬程度選用不同量程的測力計。軸向應(yīng)變速度宜為每分鐘應(yīng)變1%～3%。轉(zhuǎn)動手柄，升降設(shè)備上升進行試驗，軸向應(yīng)變小于3%時，每隔0.5%應(yīng)變標(biāo)準(zhǔn)中的方法實際條件為(或0.25 mm)讀數(shù)一次；軸向應(yīng)變大于等于3%時，每隔1%應(yīng)變(或0.8 mm)讀數(shù)一次。試驗宜在8～10 min 內(nèi)完成。當(dāng)測力計讀數(shù)出現(xiàn)峰值，進行3%～5%的應(yīng)變，然后停止試驗；當(dāng)讀數(shù)無峰值時，試驗進行到應(yīng)變20%為止。試驗結(jié)束，取下試樣，描述試樣破壞后的形狀。

3 試驗結(jié)果及分析

3.1 水泥含量和固化劑類型對改良黃土強度的影響

比較齡期分別為7 d、14 d、28 d 時固化劑亞類和水泥含量對改良黃土的無側(cè)限抗壓強度影響見圖1。由圖1 可知，當(dāng)水泥含量為4%～10%時，改良黃土的無側(cè)限抗壓強度隨水泥含量的增加而增大。TX-B型固化劑改良黃土的無側(cè)限抗壓強度大于TX-W 型固化劑改良黃土的無側(cè)限抗壓強度， 即TX-B 型固化劑對黃土的改良效果優(yōu)于TX-W 型固化劑。

圖1 改良黃土的無側(cè)限抗壓強度與水泥含量、固化劑亞類和齡期的關(guān)系

3.2 水泥含量和固化劑對改良煤矸石黃土效果的影響

比較齡期分別為7 d、14 d、28 d 時固化劑亞類和水泥含量對改良煤矸石黃土的無側(cè)限抗壓強度的影響見圖2。由圖2 可知，TX 型固化劑在水泥含量4%～10%范圍內(nèi)，改良煤矸石黃土的無側(cè)限抗壓強度隨水泥含量的增加而增大；4%～6%比6%～10%水泥含量條件下改良煤矸石黃土的無側(cè)限抗壓強度的增加率小， 說明水泥含量6%～10%時，增加水泥含量改良煤矸石黃土的效果更好，且固化劑亞類對改良煤矸石黃土的影響相差不大。

圖2 改良煤矸石黃土的無側(cè)限抗壓強度與水泥含量、固化劑亞類和齡期的關(guān)系

3.3 改良黃土和煤矸石黃土效果對比

為了研究固化劑改良黃土和煤矸石黃土的效果， 整理得出齡期28 d 時不同固化劑改良效果對比（表1）。從中得出，齡期28 d、水泥含量4%～10%時，TX-B 改良黃土的無側(cè)限抗壓強度比TX-W 改良效果好；齡期28 d、水泥含量4%～10%時，二者改良效果基本相同，這與煤矸石的摻入有很大關(guān)系。

圖3 改良土的無側(cè)限抗壓強度對比

表1 齡期28 d TX-B 型和TX-W 型固化劑改良效果對比

改良土無側(cè)限抗壓強度對比見圖3。由圖3 可知，在試驗范圍內(nèi)，改良黃土的無側(cè)限抗壓強度受齡期影響最大，其次為水泥含量，再次為固化劑亞類。改良煤矸石黃土的無側(cè)限抗壓強度受水泥含量影響最大，其次為齡期，固化劑亞類對改良煤矸石黃土基本無影響。在試驗條件下，改良黃土強度范圍處于5.05～8.62 MPa； 改良煤矸石黃土強度范圍處于10.43～17.85 MPa， 即改良煤矸石黃土強度更大。

研究改良土強度7 d 增長情況，整理得出齡期14 d 前和14 d 后TX-B 型和TX-W 型固化劑改良效果對比（表2）。從中得出，改良黃土在試驗齡期內(nèi)的強度增長量均大于改良煤矸石黃土的強度增長量； 二者的標(biāo)準(zhǔn)化強度在14 d 前的增長量均大于14 d 后的增長量。試驗條件下，改良黃土的標(biāo)準(zhǔn)化無側(cè)限抗壓強度7 d 增長量在0.220 MPa 以上。改良煤矸石黃土的標(biāo)準(zhǔn)化無側(cè)限抗壓強度7 d 增長量超過0.039 MPa。

表2 改良土7 d 的強度增長量平均值 MPa

研究水泥含量4%～10%時改良土的強度增長效果， 整理得出水泥含量為4%～10%時不同齡期、不同固化劑亞類的的標(biāo)準(zhǔn)化無側(cè)限抗壓強度增長量（表3）。從中得出，TX-B 固化劑改良黃土和改良煤矸石黃土，在水泥含量為4%～10%時的強度增長量均隨著齡期的增長而減少。

表3 水泥含量4%～10%時改良土的標(biāo)準(zhǔn)化無側(cè)限抗壓強度增長量表 MPa

試驗范圍內(nèi)， 水泥含量在4%～10%增加時，改良煤矸石黃土的標(biāo)準(zhǔn)化無側(cè)限抗壓強度增加并超過0.430 MPa。齡期28 d 內(nèi)，水泥含量在4%～10%增加時，改良黃土的標(biāo)準(zhǔn)化無側(cè)限抗壓強度增加并超過0.030 MPa。

齡期28 d，水泥含量4%～10%時，TX-B 改良黃土的標(biāo)準(zhǔn)化無側(cè)限抗壓強度比TX-W 改良平均增大0.016 MPa；TX-B 改良煤矸石黃土的標(biāo)準(zhǔn)化無側(cè)限抗壓強度比TX-W 改良平均增大0.0017 MPa。TX-W 型固化劑改良效果隨齡期增加規(guī)律性不強。

由此可知，改良煤矸石黃土的強度大于改良黃土的強度， 這與改良煤矸石黃土的成分有很大關(guān)系。

改良土的標(biāo)準(zhǔn)化無側(cè)限抗壓強度對比見圖4。由此可知，在試驗條件為28 d 齡期、10%水泥含量時，改良黃土和改良煤矸石黃土的標(biāo)準(zhǔn)化無側(cè)限抗壓強度都達到最大值，且兩者最大值接近，說明雖然齡期和水泥含量對改良黃土和改良煤矸石黃土影響程度不同， 但28 d 后改良黃土和改良煤矸石黃土標(biāo)準(zhǔn)化后的無側(cè)限抗壓強度相差不大。

圖4 改良土的標(biāo)準(zhǔn)化無側(cè)限抗壓強度對比

4 結(jié)論

采用TX-B 和TX-W 型固化劑對陜西寶雞黃土和煤矸石黃土進行改良，通過無側(cè)限抗壓強度試驗得出以下結(jié)論：

（1）養(yǎng)護時間28 d 內(nèi)，改良黃土的無側(cè)限抗壓強度隨養(yǎng)護齡期的增加而增大。水泥含量為4%～10%時，改良黃土的無側(cè)限抗壓強度隨水泥含量的增加而增大。TX-B 型固化劑改良黃土相較于TXW 型固化劑效果更好。

（2）TX 型固化劑在水泥含量4%～10%范圍內(nèi)，改良煤矸石黃土的無側(cè)限抗壓強度分別隨水泥含量和齡期的增加而增大。

（3）在試驗范圍內(nèi)，改良黃土的無側(cè)限抗壓強度受齡期影響最大，其次為水泥含量，再次為固化劑亞類。改良煤矸石黃土的無側(cè)限抗壓強度受水泥含量影響最大，其次為齡期，固化劑亞類對改良煤矸石黃土基本無影響，并且改良煤矸石黃土強度比改良黃土強度大，這主要與煤矸石黃土的顆粒組成有關(guān)系。