一種固化劑對(duì)灌區(qū)壤土固化效果的試驗(yàn)研究

，，

(1.河南省水利科學(xué)研究院，鄭州 450003； 2.河南省水利工程安全技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，鄭州 450003； 3.河南建筑職業(yè)技術(shù)學(xué)院，鄭州 450064)

目前，渠道襯砌常用的防滲材料多為灰土、水泥土、瀝青混凝土、混凝土、砌石和膜料等[1]。其中，混凝土類防滲材料以其防滲性能好、抗沖刷和耐久性能強(qiáng)、能夠適應(yīng)不同地形條件的優(yōu)點(diǎn)，得到廣泛的應(yīng)用[2]。但混凝土的變形能力差，易產(chǎn)生凍脹和溫度裂縫，混凝土襯砌破壞后維修困難、造價(jià)高等缺點(diǎn)突出[3]。尤其在一些砂石料資源匱乏的地區(qū)，如何既能合理利用當(dāng)?shù)夭牧希帜芙档鸵r砌材料的工程造價(jià)一直是專家和學(xué)者們不斷探索的問題。

20世紀(jì)70年代以來，土壤固化劑[4]的發(fā)展在不斷地解決這個(gè)問題。相關(guān)研究[5]證明，固化土28 d的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度達(dá)到3～20 MPa，滲透系數(shù)低至10-6～10-8cm/s，這些均滿足并超過了《渠道防滲工程技術(shù)規(guī)范》(SL18-2004)中對(duì)水泥土的技術(shù)要求。地質(zhì)聚合物[6-7]是固化劑的一種，它類似堅(jiān)硬的石材。這種人造石材[8-9]具有天然巖石一樣的硬度、耐久性和熱穩(wěn)定性，可以將粉煤灰、煤矸石、礦渣、鋼渣等工業(yè)廢料重新利用或再處理，具有固化速度快、早期強(qiáng)度高、固結(jié)時(shí)間長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)，能夠就地取材、節(jié)省施工時(shí)間、降低工程造價(jià)。

氯硫聚合物粉狀固化劑是鄭州天罡實(shí)業(yè)有限公司生產(chǎn)的一種固化劑，固結(jié)后具有高強(qiáng)、高耐水性[10]。在固化過程中充分發(fā)揮氯鹽與硫酸鹽的雙重激發(fā)作用，將氯硫聚合物與渠道內(nèi)原狀土攪拌形成一種高強(qiáng)膠凝材料，使土壤固化并應(yīng)用于渠道襯砌中。本文針對(duì)氯硫聚合物固化劑固化焦作市廣利灌區(qū)壤土進(jìn)行研究，以充分發(fā)揮固化劑就地取材和降低造價(jià)的作用。首先，通過室內(nèi)試驗(yàn)研究該材料在不同配合比及不同齡期條件下的抗壓、抗折強(qiáng)度；其次，研究該材料在不同水灰比及不同齡期條件下的抗壓、抗折強(qiáng)度；最后，通過和干硬性水泥土進(jìn)行對(duì)比，分析氯硫聚合物固化劑的經(jīng)濟(jì)性，為土壤固化劑在渠道襯砌中的應(yīng)用提供參考。

1 材料和方法

1.1 材 料

試驗(yàn)材料：砂子(采用標(biāo)準(zhǔn)砂)；焦作市廣利灌區(qū)壤土，試驗(yàn)測(cè)得其液限WL=32%，塑限WP=17.25%，塑性指數(shù)IP=14.75，標(biāo)準(zhǔn)擊實(shí)試驗(yàn)得出的素土最大干密度為1.663 g/cm3，最優(yōu)含水率19.2%；鄭州天罡實(shí)業(yè)有限公司生產(chǎn)的氯硫聚合物粉狀固化劑；水為飲用水。

1.2 方 法

根據(jù)《水泥膠砂試驗(yàn)規(guī)程》，采用水泥膠砂制樣方法，根據(jù)預(yù)定材料的比例確定固化劑、土、砂的用量，具體試驗(yàn)過程參考相關(guān)文獻(xiàn)[10]和規(guī)范。根據(jù)《渠道防滲工程技術(shù)規(guī)范》(SL18-2004)，干硬性水泥土作為渠道襯砌材料，其抗壓強(qiáng)度允許最小值中規(guī)定的最大值為4.5 MPa。通過試驗(yàn)，將灌區(qū)壤土摻入氯硫聚合物固化劑，對(duì)比分析其強(qiáng)度是否滿足要求。通過含水量和固化劑用量?jī)煞N不同條件的控制，分析試件的抗折和抗壓強(qiáng)度。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 試驗(yàn)結(jié)果

選取焦作市廣利渠壤土為試驗(yàn)用土，選取水摻量和固化劑摻量為試驗(yàn)因素。其中，水摻量用水灰比表示，即水灰比=水的質(zhì)量∶(固化劑的質(zhì)量+土的質(zhì)量)∶標(biāo)準(zhǔn)砂的質(zhì)量；固化劑摻量用配合比表示，即配合比=固化劑的質(zhì)量∶土的質(zhì)量∶標(biāo)準(zhǔn)砂的質(zhì)量。抗壓強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度為判斷指標(biāo)，分別比較試件7、28和56 d的強(qiáng)度變化情況，以研究其變化規(guī)律。

試驗(yàn)分3批進(jìn)行：①第一批試驗(yàn)：水灰比0.3，配合比分別為1∶2、1∶1、2∶1、3∶1、6∶1以及加標(biāo)準(zhǔn)砂后1∶1∶1、2∶1∶1共7組；②第二批試驗(yàn)：在第一批試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，改變水灰比，即水灰比0.35，配合比分別為1∶2、1∶1、2∶1、3∶1、6∶1及加標(biāo)準(zhǔn)砂后1∶1∶1、2∶1∶1共7組；③第三批試驗(yàn)：考慮純固化劑的抗壓強(qiáng)度，即水灰比0.4，配合比分別為1∶2、1∶1、2∶1、3∶1、6∶1、1∶0(純固化劑)及加標(biāo)準(zhǔn)砂1∶1∶1、2∶1∶1共8組。試驗(yàn)結(jié)果見表1。

2.2 固化劑摻量對(duì)固化土強(qiáng)度的影響

當(dāng)水灰比分別為0.3、0.35、0.4時(shí)，在不同配合比條件下，固化劑摻量不同時(shí)各齡期的強(qiáng)度曲線見圖1。圖1中每個(gè)圖的折線是配合比為2∶1、1∶1、2∶1、3∶1、6∶1時(shí)的強(qiáng)度連線；線段為考慮摻入標(biāo)準(zhǔn)砂，固化劑配合比為1∶1∶1、2∶1∶1時(shí)的強(qiáng)度連線。干硬性水泥土作為渠道襯砌材料，其抗壓強(qiáng)度允許最小值中規(guī)定的最大值為4.5MPa，這個(gè)值在抗壓強(qiáng)度曲線圖中用虛線表示。

表1 廣利灌區(qū)壤土強(qiáng)度結(jié)果

圖1 抗折抗壓強(qiáng)度曲線

由圖1可得如下結(jié)論：

1) 在相同水灰比條件下，固化劑摻量越大固化土的抗壓抗折強(qiáng)度越高；在相同配合比條件下，固化土的養(yǎng)護(hù)時(shí)間越長(zhǎng)，抗壓抗折強(qiáng)度越高。

2) 在水灰比為0.3的條件下，固化土的抗壓強(qiáng)度明顯高于干硬性水泥土；圖1(a)中，固化劑摻量最少時(shí)(即配合比為1∶2和1∶1∶1)，加固土7 d齡期的最小抗壓強(qiáng)度值為9.9和10.5 MPa，是干硬性水泥土作為渠道襯砌材料的抗壓強(qiáng)度允許最小值中規(guī)定的最大值4.5 MPa的2倍以上。

3) 在實(shí)際工程中，必須考慮經(jīng)濟(jì)性，盡量使固化劑的摻量最少，且滿足強(qiáng)度要求。

2.3 水灰比對(duì)固化土強(qiáng)度的影響

當(dāng)養(yǎng)護(hù)齡期分別為7、28和56 d時(shí)，在不同水灰比條件下的強(qiáng)度曲線見圖2。同樣干硬性水泥土作為渠道襯砌材料，其抗壓強(qiáng)度允許最小值中規(guī)定的最大值為4.5MPa，這個(gè)值在抗壓強(qiáng)度曲線圖中用虛線表示。

圖2 抗壓抗折強(qiáng)度曲線

由圖2可得出如下結(jié)論：

1) 在一定的養(yǎng)護(hù)齡期下，隨著水灰比的增加，固化土的抗壓抗折強(qiáng)度逐漸降低。因此，為了獲得較高的強(qiáng)度，應(yīng)盡可能降低固化土的水灰比。

2) 由圖2(a)可知，當(dāng)水灰比增加到0.35、固化土配合比為1∶2時(shí)，7 d齡期的抗壓強(qiáng)度值迅速降低至小于干硬性水泥土的范圍內(nèi)；當(dāng)水灰比為0.4時(shí)，配合比為1∶2和1∶1∶1的固化土，7 d齡期的抗壓強(qiáng)度均小于干硬性水泥土的值。

3) 由圖2(b)和圖2(c)可知，隨著養(yǎng)護(hù)齡期的增加，固化土28和56 d的抗壓強(qiáng)度均明顯高于干硬性水泥土的值。

綜上所述，既能滿足強(qiáng)度要求又考慮到經(jīng)濟(jì)性，由廣利渠壤土的室內(nèi)固化試驗(yàn)可得，氯硫聚合物固化廣利渠壤土可選擇以下幾組比例：

①配合比為1∶2，水灰比為0.3

②配合比為1∶1，水灰比為0.3，0.35，0.4

③配合比為1∶1∶1，水灰比為0.3，0.35

④配合比為2∶1∶1，水灰比為0.3，0.35

其中，第①組和第③組所用固化劑最少，也最節(jié)省造價(jià)。

3 經(jīng)濟(jì)性分析

現(xiàn)將配合比1∶1∶1、水灰比0.3的材料和水泥土各取單位體積(1 m3)，砂為標(biāo)準(zhǔn)砂，對(duì)其造價(jià)進(jìn)行經(jīng)濟(jì)性分析。結(jié)果見表2。

由表2可知，雖然氯硫聚合物固化劑的價(jià)格高于干硬性水泥土，但由于固化劑與自然土體的黏結(jié)能力強(qiáng)，28 d固化土的強(qiáng)度大于相應(yīng)齡期水泥土的強(qiáng)度。因而，其產(chǎn)投比大于水泥土的產(chǎn)投比。由此可見，采用氯硫聚合物固化劑是可行的，也是經(jīng)濟(jì)合理的。

表2 氯硫聚合物固化土與水泥土單位體積造價(jià)比較

注：表2中產(chǎn)投比=抗壓強(qiáng)度/造價(jià)。

4 結(jié) 語

本文針對(duì)氯硫聚合物固化劑對(duì)焦作市廣利渠壤土的固化效果進(jìn)行研究。通過室內(nèi)試驗(yàn)，分析不同配合比和水灰比條件下固化土的抗壓和抗折強(qiáng)度。參照規(guī)范規(guī)定的干硬性水泥土在季節(jié)性輸水的最小抗壓強(qiáng)度值，得出廣利渠壤土使用氯硫聚合物固化劑固化時(shí)的幾組較好的配比，其結(jié)果與黃泛區(qū)沙土的室內(nèi)固化實(shí)驗(yàn)[10]具有一致性。同時(shí)通過和相同條件下水泥土的造價(jià)進(jìn)行對(duì)比，對(duì)其經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行了分析。結(jié)果顯示，采用該種固化劑是經(jīng)濟(jì)合理的，為廣利渠壤土使用氯硫聚合物固化劑固化，并在渠道襯砌中的推廣應(yīng)用提供了科學(xué)數(shù)據(jù)。