HG無(wú)機(jī)/有機(jī)復(fù)合土壤固結(jié)材料的應(yīng)用研究

袁 軍， 鄭 敏，徐 軍， 馮錦鋒， 候安新

(1.武漢工程大學(xué)湖北省新型反應(yīng)器與綠色化學(xué)工藝重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北 武漢 430074；2.武漢大學(xué)化學(xué)與分子科學(xué)學(xué)院，湖北 武漢 430072)

0 引 言

深層攪拌、高壓旋噴、水泥拌合土等軟土地基加固方法，一般是以水泥等作為固化劑，利用水泥與軟黏土之間發(fā)生的一系列物理、物理化學(xué)、化學(xué)反應(yīng)，使軟黏土硬結(jié)為具有一定強(qiáng)度和水穩(wěn)定性的水泥固化土[1].水泥的加固效果隨土質(zhì)條件的變化差異很大，在某些土質(zhì)中，用水泥作固化劑難以滿足工程需求.

地下淤泥質(zhì)軟土強(qiáng)度低、壓縮性大、滲透性小，鑒于淤泥質(zhì)軟土地基承載力低、地基變形大、壓縮性大、透水性差，不易滿足水工建筑物地基設(shè)計(jì)要求，同時(shí)變形穩(wěn)定歷時(shí)較長(zhǎng)等特點(diǎn)[2]，迫切需要開(kāi)發(fā)適用于淤泥質(zhì)軟土地基的高效固化劑.但目前國(guó)內(nèi)還沒(méi)有一種固化劑廣泛應(yīng)用于淤泥質(zhì)軟土地基的處理.

HG無(wú)機(jī)/有機(jī)復(fù)合土壤固結(jié)材料(以下簡(jiǎn)稱HG)是一種主要應(yīng)用于淤泥質(zhì)軟土地基處理的固化劑，作為添加劑與水泥復(fù)配后進(jìn)行地基加固處理，在不增加工程造價(jià)前提下能大幅度提高水泥土攪拌樁的樁身強(qiáng)度、抗?jié)B透性、抗剪強(qiáng)度等多項(xiàng)力學(xué)性能指標(biāo)，同時(shí)能降低水泥的用量，降低水泥漿的粘度以便于輸送.還可應(yīng)用到引排水工程、邊坡堤堰、淤泥處理、蓄水工程等領(lǐng)域.HG以價(jià)格低廉、原料易得、環(huán)境有好的有機(jī)高分子為主要原料，再輔配無(wú)機(jī)復(fù)合激發(fā)劑，將無(wú)機(jī)物與有機(jī)物混合復(fù)配，使兩類化合物強(qiáng)強(qiáng)聯(lián)合產(chǎn)生協(xié)同效應(yīng)，形成一種新型復(fù)合土壤固結(jié)材料.

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

土樣：試驗(yàn)用土取自武漢市金銀潭地鐵工地地下14 m淤泥質(zhì)粘土，土粒密度為1.79 g/cm3，液限44.5% (質(zhì)量分?jǐn)?shù))，塑限25.8%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))，塑性指數(shù)為18.1%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))，液性指數(shù)為1.12.

固化材料：HG，粉狀固體，武漢恒高科技工程有限公司生產(chǎn)；水泥，325號(hào)普通硅酸鹽水泥，華新水泥股份有限公司生產(chǎn).

1.2 測(cè)試及其方法

本試驗(yàn)均按照《公路工程無(wú)機(jī)結(jié)合料穩(wěn)定材料試驗(yàn)規(guī)程》(JTJ057-94)[3]、《土工試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T50123-1999)[4]及《公路路面基層施工技術(shù)規(guī)范》(JTJ034-2000)[5]進(jìn)行.

試樣制備：按標(biāo)準(zhǔn)制備一系列添加不同水泥量以及不同HG-水泥復(fù)配比例的水泥土試樣，將試樣在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)條件下養(yǎng)護(hù)7，14，28 d后進(jìn)行試驗(yàn).

擊實(shí)試驗(yàn)：試驗(yàn)采用DJ系列標(biāo)準(zhǔn)電動(dòng)擊實(shí)儀.擊實(shí)分3層裝土，每層擊實(shí)數(shù)為40.

無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)：試驗(yàn)采用YE-30型液壓式壓力試驗(yàn)機(jī).養(yǎng)護(hù)期的最后一天將試件浸泡在水中，水面高出試件頂部約2.5 cm.將浸水24 h的試樣從水中取出，用軟布吸去表面可見(jiàn)自由水，進(jìn)行無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn).

粘度試驗(yàn)：試驗(yàn)采用ZMN-2型馬氏漏斗粘度計(jì).在恒溫20 ℃條件下， 將適量用凈漿攪拌機(jī)攪拌均勻的水泥漿倒人Marsh筒內(nèi)，測(cè)定水泥漿從下部料嘴流出500 mL所用的時(shí)間，記為Marsh時(shí)間.

直接剪切試驗(yàn)：試驗(yàn)采用EDJ-l型雙速電動(dòng)等應(yīng)變直剪儀快剪方法.試樣規(guī)格為φ61.8 mm×20 mm，試驗(yàn)控制條件為剪切過(guò)程不排水和剪切速率為2.4 mm/min，對(duì)每組試樣分別施加不同垂直壓力100、200、300、400 kPa進(jìn)行試驗(yàn).

滲透試驗(yàn)：試驗(yàn)采用QY1-2型滲壓儀，按變水頭滲透試驗(yàn)方法進(jìn)行.試樣規(guī)格為φ61.8 mm×40 mm，試樣在標(biāo)準(zhǔn)條件下養(yǎng)護(hù)6 d，采用抽氣水頭飽和法對(duì)試樣進(jìn)行飽和后進(jìn)行試驗(yàn).

2 結(jié)果與討論

2.1 最大干密度和最優(yōu)含水量

選取復(fù)配后的HG-水泥混合料(以下簡(jiǎn)稱HG復(fù)配料)與土樣以及純水泥與土樣質(zhì)量配合比均為20∶80的兩組配方進(jìn)行比較，根據(jù)擊實(shí)試驗(yàn)得出最大干密度和最優(yōu)含水量，試驗(yàn)結(jié)果如表所示.

表1 最大干密度和最優(yōu)含水量

由表1可知，在固化材料(指添加到土樣中的水泥或HG復(fù)配料，以下同)與土樣質(zhì)量配合比相同的情況下，HG復(fù)配料固化土試樣的最大干密度大于純水泥土試樣，最優(yōu)含水量小于純水泥土試樣.說(shuō)明較之純水泥，摻入HG的試樣在較低含水量下就可擊實(shí)到較大干密度.

2.2 HG與水泥最佳復(fù)配比例的確定

為了確定HG與水泥復(fù)配加固土?xí)r兩者的最佳配比，HG-水泥復(fù)配比例分別采用1%、1.2%、1.5%、1.8%和2%，HG復(fù)配料與土樣的質(zhì)量配合比為20：80，得到5組水泥土試樣.試樣7 d無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度如圖1所示.

從圖1可知，水泥土試樣的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度隨HG復(fù)配料中HG含量的增加而增大，當(dāng)HG-水泥復(fù)配比例大于1.5%后，增大幅度有所減少；同時(shí)考慮到水泥土攪拌樁強(qiáng)度的要求及經(jīng)濟(jì)因素；確定HG復(fù)配料中HG-水泥最佳復(fù)配比例為1.5%.

2.3 HG對(duì)水泥漿的降粘作用

保持水泥漿的水灰比為0.45不變，添加不同比例的HG，用Marsh筒法[6]測(cè)定出不同HG添加量時(shí)水泥漿的Marsh時(shí)間，以此來(lái)表征其流動(dòng)性能.Marsh時(shí)間越短，漿體的流動(dòng)性能就越好.測(cè)試結(jié)果如圖2所示.

圖1 HG復(fù)配料中不同HG質(zhì)量分?jǐn)?shù)固化土的強(qiáng)度曲線

由圖2可知，隨著HG添加量的增加，水泥漿的Marsh時(shí)間明顯縮短，表明HG對(duì)水泥漿的降粘效果非常明顯.

圖2 添加不同比例的HG時(shí)水泥漿的Marsh時(shí)間

2.4 不同水灰比時(shí)Marsh粘度比較

改變水泥漿的水灰比，添加1.5%HG與不添加時(shí)水泥漿的Marsh時(shí)間如圖3所示.

圖3 不同水灰比時(shí)添加與不添加HG時(shí)水泥漿的Marsh時(shí)間比較

試驗(yàn)結(jié)果表明，不添加HG的水泥漿在水灰比小于0.48時(shí)，在Marsh筒內(nèi)流速相當(dāng)緩慢，幾乎無(wú)法測(cè)出試驗(yàn)數(shù)據(jù).而添加1.5%HG后的水泥漿在水灰比為0.43時(shí)可以測(cè)出Marsh時(shí)間，且和水灰比為0.5的純水泥漿相當(dāng).因此可見(jiàn)，HG材料對(duì)水泥漿的降粘作用明顯.因此，在實(shí)際操作過(guò)程中可以大大降低水泥漿的水灰比，而不影響水泥漿的輸送性能.另外，水灰比的減小，可以減少土壤中的總游離水含量，有利于固結(jié)材料對(duì)本身游離水含量較高的淤泥質(zhì)土固結(jié)，增加土壤固結(jié)強(qiáng)度.

2.5 不同水泥添加量對(duì)地下土無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度的影響

表2為10組不同固化材料添加量時(shí)水泥土試樣的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度測(cè)試結(jié)果，試驗(yàn)中HG復(fù)配料中HG-水泥為最佳復(fù)配比例1.5%.其中1#和2#、3#和4#、6#和7#及8#和9#為固化材料與土樣具有相同質(zhì)量配合比的的水泥土試樣.

表2 不同配比的水泥土試樣的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度比較

由表2可知，添加HG的水泥土試樣的7、14和28 d的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度都遠(yuǎn)大于相同固化材料添加量的水泥土試樣.比較2#和3#、4#和5#、7#和8#及9#和10#可知，HG復(fù)配料水泥土試樣在水泥用量少約25%的情況下，無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度仍高于純水泥土試樣.而且隨著養(yǎng)護(hù)齢期的增長(zhǎng)，添加HG的試樣強(qiáng)度增加幅度較大.

2.6 抗剪強(qiáng)度

選擇2.5中2#和3#水泥土試樣，測(cè)試其在不同條件下的抗剪強(qiáng)度，粘聚力c和內(nèi)摩擦角φ如表3所示.

表3 添加與不添加HG的水泥土抗剪強(qiáng)度比較

由表3可知，對(duì)于粘聚力c，養(yǎng)護(hù)6 d時(shí)最高，浸水后明顯降低，降幅超過(guò)50%，3#試樣的粘聚力明顯比2#試樣高；對(duì)于內(nèi)摩擦角φ，浸水后2#試樣和3#均增加，3#試樣增加的幅度更大，在相同試驗(yàn)條件下，3#試樣的內(nèi)摩擦角較2#試樣高.由此可知，添加HG之后的水泥土試樣在水泥用量少約25%的情況下，粘聚力和內(nèi)摩擦角均大于純水泥土試樣.

2.7 滲透性

選擇2.5中水泥土試樣2#和3#，測(cè)定其豎向滲透系數(shù)，結(jié)果如表4所示.

表4 豎向滲透系數(shù)

由表4的結(jié)果可知，二者的數(shù)值處于同一數(shù)量級(jí)，3#試樣滲透系數(shù)小于2#試樣.由此可知，HG復(fù)配料水泥土試樣在水泥用量少約25%的情況下，較純水泥土試樣有更好的抗?jié)B透性.

3 結(jié) 語(yǔ)

a.HG的使用能有效提高水泥對(duì)地下14 m淤泥質(zhì)土的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度、抗剪強(qiáng)度及抗?jié)B透性.

b.添加HG降低了水泥漿的粘度，改善了流動(dòng)性能，便于輸送.

c.添加HG能減少工程中水泥的用量，有利于環(huán)境保護(hù)和降低成本，具有良好的經(jīng)濟(jì)效益.

參考文獻(xiàn)：

[1]地基處理手冊(cè)編寫委員會(huì).地基處理手冊(cè)[M]．2版．北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2000.

[2]羅偉科．淺談?dòng)倌噘|(zhì)軟土地基礎(chǔ)處理[J]．中國(guó)科技博覽，2009(9)：11.

[3]中華人民共和國(guó)交通部.JTJ057-94公路工程無(wú)機(jī)結(jié)合料穩(wěn)定材料試驗(yàn)規(guī)程[s].北京：人民交通出版社，1994.

[4]中華人民共和國(guó)水利部.GB/T50123-1999土工試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)[s].北京：中國(guó)計(jì)劃出版社，1999.

[5]中華人民共和國(guó)交通部.JTJ034-2000公路路面基層施工技術(shù)規(guī)范[s].北京：中國(guó)財(cái)經(jīng)出版社，2000.

[6]肖忠明，郭俊萍，席勁松，等.Marsh筒法和凈漿流動(dòng)度法用于水泥與減水劑適應(yīng)性測(cè)試的比較[J].水泥，2006(8)：1-4.