吹填土固化處理試驗對比分析

董玉林，胡文浩

(1.遼寧省工程勘查研究院，遼寧 沈陽110032;2.沈陽建筑大學 土木工程學院，遼寧 沈陽 110168)

吹填土是在整理和疏通江河航道，或有計劃地圍海造地時用挖泥船通過泥漿泵將夾有大量水分的泥砂吹送至岸上洼地形成的沉積土。在我國長江、廣州珠江、上海黃浦江以及天津海河等沿海地區均分布著不同性質的吹填土。吹填土的滲透性低，壓縮性較高，抗剪強度低。吹填軟土地基的加固處理也已成為海海地區基本建設的一個重要問題。一般而言，在吹填土表面形成一定強度的硬殼層，需要在吹填之后經過2～3年的自然沉積固結，這種造陸方式在時間和財力上的消耗很大。

利用土壤固化技術在吹填土的表面制造一層“人工硬殼”層，這種工法改變了人們傳統的施工觀念，可以為基本建設工程節約了大量的時間;由于固化土可以就地取材，因此其成本低于其它加固方法。

土壤固化技術從20世紀70年代開始蓬勃發展，至今已經形成一門綜合性的交叉學科。它涉及建筑基礎、海港碼頭、公路建設、堤壩工事、井下作業、石油開采、垃圾填埋、防塵固沙等多種領域，包括機械方法、物理作用、土工織物、化學膠結等多種手段，綜合了力學、結構理論、膠體化學、表面化學等眾多理論，它的處理對象也擴充到砂土、淤泥、生活垃圾等多種固體、半固體，處理的目的也不僅僅是單一的加固，還包括增加滲透性、提高抗凍能力、防止污染物質泄漏等諸多方面。

當土壤固化劑與含有一定水分的土壤混合后，即發生一系列物理化學反應，溶液中的高價離子可以改變土壤顆粒表面電荷的特性，降低土壤顆粒間的排斥力，破壞土壤顆粒的吸附水膜，提高土壤顆粒間的吸附力，使土壤中的含水量達到穩定平衡，同時形成結晶鹽，土壤中大量形成富含結晶水的針狀結晶體，穿插在土壤顆粒空隙間形成強度骨架;其次，水化物填充在強度骨架之中，使固化體系進一步密實;土壤固化劑和部分土壤顆粒參加化學反應，使加固后的場地具有極強的耐久性，防水性和穩定性。

1 固化劑的分類

按照材料的物質組成特點，土壤固化劑可分為無機型、離子型、復合型固化劑三大基本類型。

無機類固化劑一般為粉末狀，多采用工業廢料作為主固劑，添加各種激發劑配制而成。主固劑包括粉煤灰、各類礦渣、煤矸石或水泥、沸石、石灰等，激發劑主要包括各種硫酸鹽類、各種酸類和其他無機鹽，也包含少量的表面活性劑等其他有機材料。添加無機類土壤固化劑的固化土性能比較穩定，在正常條件下，其性能可保持30～50年基本不變。由于添加了一些工業廢料和較易取得的建筑材料，而且施工簡便，不僅可以降低工程造價，而且還具有環保和節能意義。

離子型固化劑是由含有多種強離子的粘稠狀液體物質組成，離子型固化劑，具有以下幾方面特點:

(1)持續作用時間長，固化土體強度高;

(2)加固土體為柔性基層，不易產生裂縫;

(3)材料對人、動物、植物沒有毒害作用，是綠色產品。

復合型固化劑是指采用兩種或兩種以上化學物質按一定比例配合，形成一種新型固化材料，改善土的物理力學性質。從形態上看，復合型固化劑包括固態和液態兩種;從化學組成上看，有主固化劑和助固化劑兩部分。

本次試驗采用的固化劑屬于復合型固化劑。

2 固化劑的加固機理

土壤固化劑加固機理可以分為以下幾個方面:

(1)土壤固化劑與含有一定水分的土壤混合后，即發生一系列物理化學反應，溶液中的高價離子可以改變土壤顆粒表面電荷的特性，降低土壤顆粒間的排斥力，破壞土壤顆粒的吸附水膜，提高土壤顆粒間的吸附力，使土壤中的含水量達到穩定平衡，同時形成結晶鹽，在土壤中大量形成富含結晶水的針狀結晶體，穿插在土壤顆粒空隙間形成強度骨架;

(2)水化物填充在強度骨架之中，使固化體系進一步密實;

(3)土壤固化劑和部分土壤顆粒參加化學反應，使加固后的場地具有極強的耐久性、防水性和穩定性。

3 試驗材料

3.1 土樣

試驗土樣取自為丹東沿海的吹填土，分為兩種土樣，其中土樣A主要未吹填的細砂;土樣B為吹填細砂和淤泥的混合物。兩種土樣天然含水率為32%～40%。

3.2 固化劑

本試驗選用的固化劑主要成分為水泥、粉煤灰和激發劑。

3.3 擊實試驗

本次試驗的采用的是電動擊實試驗，分為以下幾個步驟:

(1)取制備好的混合土分3次裝入擊實筒內，每次填入得土樣量應使擊實后的試樣等于或略高于筒高的1/3，每層擊27下，擊實錘應自由垂直下落，錘跡應均勻分布在土樣表面。每層擊實后，將層面“拉毛”，以利于層間結合，然后再次填入土樣進行擊實。

(2)重復上述方法，對其它土樣進行擊實。試樣擊實后，試樣不應當高出自筒頂面5 mm，且不能低于筒面。

(3)用削土刀沿套筒內壁削齊，使試樣與套筒脫離后，扭動并取下套筒，齊筒頂細心削平試樣，并脫模。

(4)把試件放于標準環境下養護14 d。

(5)將養護好試件放到壓力機上進行壓縮試驗并記錄試驗數據。

4 試驗結果以及對比

4.1 無側限抗壓強度對比分析

通過室內壓縮試驗得到土樣A和土樣B的無側限抗壓強度和彈性模量。表1、表2分別給出了土樣A、B在固化劑不同摻入比時，試樣的無側限抗壓強度和彈性模量。圖1、圖2為不同摻入比時，試樣的應力應變關系。

表1 土樣A固化劑與強度和彈性模量的關系

表2 土樣A固化劑與強度和彈性模量的關系

圖1 土樣A不同摻入比的應力—應變曲線

圖2 土樣B不同摻入比的應力—應變曲線

從表1、2和圖1、2可以看出，無側限抗壓強度和彈性模量隨著固化劑的摻入比增加而加大。由于土樣B為吹填細砂和淤泥的混合物，因此，土樣A的固化效果低于土樣B。

4.2 試件的破壞方式

在無側限壓縮試驗過程中，試件的破壞一般分為四個階段:第一階段，當荷載較小時，試件的破壞從表面開始出現一些細微裂縫，隨著荷載的增加裂縫逐漸變大;第二階段裂縫由外向試件的中間擴展，表面裂縫加大加寬;第三階段，試件的表面開始剝落，而試件的兩端無明顯破壞，見圖3土樣表面開始剝落;第四階段，試件的四周剝落，兩端呈錐子狀相連，試件完全破壞，見圖4土樣完全破壞。

圖3 土樣表面開始剝落

圖4 土樣完全破壞

5 結語

固化劑的加入使吹填土的抗壓強度和彈性模量有了顯著提高。

固化劑對吹填土的無側限抗壓強度的影響是多方面的，包括:固化劑的不同配比，固化劑的摻入量，齡期的長短，而對于同一種固化劑在不同土體中，固化劑對土體的影響也是有所差異的。

本文利用固化劑對吹填土固化僅是一個嘗試，在實際工程中對吹填土的固化處理尚需要進行大量的試驗。

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