不同砂土的快速固化試驗研究

王 兵，李 蓉 ，馬鋒玲，徐 耀，王少江

(1. 山西省水利水電工程建設(shè)監(jiān)理有限公司，山西 太原 030002；2.中國水利水電科學(xué)研究院流域水循環(huán)模擬與調(diào)控國家重點實驗室，北京 100038；3. 水利部水工程建設(shè)與安全重點實驗室，北京 100038)

1 研究背景

近年來我國已投入運行的輸水干渠長度超過10000km，但存在重建設(shè)、輕防護的問題，應(yīng)對洪水搶險專用材料及技術(shù)開發(fā)嚴重滯后，現(xiàn)階段的應(yīng)急防護與加固、堵漏仍采用拋石等傳統(tǒng)方法。本文基于硫鋁酸鹽水泥開發(fā)渠基、護坡、河床的應(yīng)急搶險砂土料快速膠結(jié)料技術(shù)，改變搶險物資以散粒料為主的現(xiàn)狀，在鄰近區(qū)域無石料情況下，可以就地取材、快速將松散的砂土料膠結(jié)成堅硬的塊體，極大地提高搶險工作效率，膠結(jié)后的土石料水沖不散，淘而不空，抗沖耐泡。此外本技術(shù)還可用于渠道建設(shè)、河床湖底固化施工與日常加固處理等。

土壤固化技術(shù)被美國工程雜志評為20世紀人類最偉大的發(fā)明之一[1]，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[2]。土壤固化劑種類很多，長安大學(xué)張登良教授早在20世紀80年代就開始研究土的快速加固方法，認為有機高分子土壤固化劑適用條件比較局限，而水泥固化方式可以用于各種土體[3]。水泥加固土的機理，一般認為主要包括水泥的水解和水化反應(yīng)、黏土顆粒與水泥水化物的作用、碳酸化作用等幾個過程[4]。目前，土壤固化劑在防汛搶險中的應(yīng)用主要包括防汛道路搶修、護坡、防滲、加工制作砌塊與大塊拋投料、潰堤臨時堵復(fù)等。例如2000年嫩江堤防土方應(yīng)急渡訊加固中嘗試使用水泥和石灰拌和土料，修筑了一條約200m長的簡易施工路，保證了道路通暢，沒有發(fā)生陷車現(xiàn)象[5]。曹磊等[6]使用奧特塞特高性能土壤固化劑對漳衛(wèi)南運河試驗段的堤頂路面進行了硬化試驗研究，固化劑摻量13%，試塊7d抗壓強度為0.9MPa，28d為1.5MPa。韋華等[7]通過在黏土中摻入早強型土壤固化劑，開發(fā)出的一整套快速施工工藝，可用于水利工程搶險堵漏中。徐艷等[8]通過試驗研究認為，戰(zhàn)時坦克搶灘登陸時，可采用一種新型士壤快速固化劑進行噴射，快速固化表層淤泥，隔絕水分，再在其上鋪澆環(huán)氧樹脂，形成復(fù)合硬殼層，可解決淤泥質(zhì)軟土海灘成為制約坦克順利通過的主要“瓶頸”。笪兵等[9]通過在淤泥質(zhì)軟土中加入固化劑對軟土進行固化，可以有效提高淤泥質(zhì)泥土早期抗壓強度及抗剪切破壞能力。常振峰等[10]利用飽和泥沙和易特性進行泥沙固化，強化旱壩土胎基礎(chǔ)施工，增強壩體抗水流沖吸能量，減少土胎抽吸流失。

而硫鋁酸鹽水泥主要是以無水硫鋁酸鈣和硅酸二鈣為主要礦物組成的新型膠結(jié)材料，具有高強、抗凍、抗?jié)B耐久性好的特點，常用作快速修補材料，很少用于土壤固化。王甲春等[11]認為，單純采用硅酸鹽水泥的固化土其抗壓強度增長主要源于水化硅酸鈣的膠結(jié)作用，但對于松散多孔的軟土，硅酸鹽水泥的水化物不能有效地填充孔隙，有礙固化土強度提高。黃新等[12]利用在硅酸鹽水泥中加入含鋁膨脹劑固化軟土，主要通過生成大量的鈣礬石晶體起骨架填充的作用，取得了很好的效果。而硫鋁酸鹽水泥重要的水化產(chǎn)物也是鈣礬石，王甲春等[11]采用硫鋁酸鹽水泥、粉煤灰和礦渣等復(fù)合軟土固化劑進行軟土的固化實驗，在摻量10%～15%時，固化土樣的無側(cè)限抗壓強度達到2MPa，劈裂抗拉強度0.5MPa。甘雅雄等[13]將硫鋁酸鹽水泥用于污水廠污泥固化/穩(wěn)定化處理中，減少堆場占地。張巨松等[14]對硫鋁酸鹽基土壤固化劑固化低液限黏土的性能進行試驗，發(fā)現(xiàn)與同類產(chǎn)品相比，其硬化速度快，固化土經(jīng)凍融循環(huán)后，質(zhì)量損失小，強度損失優(yōu)于同類。

本文為提高砂土固化效果和施工效率直接采用硫鋁酸鹽水泥，通過試驗對不同類型砂土進行固化，并采用普硅水泥進行對比試驗，為工程加固及應(yīng)急搶險提供技術(shù)支持。

2 原材料及試驗方法

試驗共選用了4種不同類型的天然砂土，其顆粒分析試驗結(jié)果如圖1所示。根據(jù)SL237—1999《土工試驗規(guī)程》分類，4種砂土分別為：級配不良砂(代號SP，Cu=5.6、Cc=0.8)、含細粒土砂(代號SF)、粉土質(zhì)砂(代號SM)和低液限黏土(代號CL，液限WL=31.5%，塑限WP=19.0%，塑性指數(shù)為13)。可見，4種砂土的粒徑涵蓋范圍較廣，其中SP和SF粒徑接近，主要區(qū)別在細粒土含量上。

圖1 不同砂土顆粒分析試驗結(jié)果

固化用水泥為R.SAC 42.5快硬硫鋁酸鹽水泥，并采用P·O42.5普通硅酸鹽水泥進行對比試驗。硫鋁酸鹽水泥密度2.87g/cm3，比表面積490m2/kg，初凝時間13.5min，3d抗壓強度和28d抗壓強度分別為46.2MPa和60.5MPa；普硅水泥密度3.09g/cm3，比表面積340m2/kg，初凝時間206min，終凝試件239min，3d抗壓強度和28d抗壓強度分別為31.0MPa和50.8MPa。

外加劑為聚羧酸高性能減水劑(粉劑)和有機酸緩凝劑(粉劑)。

表1 不同砂土的最佳含水率

圖2 固化砂土用水量與7d抗壓強度關(guān)系試驗結(jié)果

表2 砂土固化試驗配合比及強度試驗結(jié)果

試驗參照水泥膠砂強度試驗方法進行，試件尺寸為40mm×40mm×160mm，采用水泥砂漿攪拌機進行拌和，性狀為干硬性，人工搗實，養(yǎng)護方式均為標準養(yǎng)護室水中養(yǎng)護。通過緩凝劑調(diào)整控制固化體硬化時間為30～60min，實際應(yīng)用中根據(jù)工程具體情況固化時間可調(diào)。強度測試采用微機控制全自動壓力試驗機。

3 最佳含水率確定

采用硫鋁酸鹽水泥在不同用水量下進行砂土固化，水泥用量分別為5%和10%。砂土用水量與7d齡期抗壓強度關(guān)系試驗結(jié)果如圖2所示，其中水泥用量、用水量均指其質(zhì)量占干砂土質(zhì)量的百分比。根據(jù)試驗結(jié)果選定最高強度對應(yīng)的用水量為最佳用水量(見表1)，據(jù)此進行下一步砂土固化試驗。

4 砂土快速固化試驗

4.1 強度試驗

2種水泥在摻量分別為5%、10%時，4種砂土固化的配合比及強度試驗結(jié)果見表2(針對黏土增加了15%水泥摻量)。相同水泥及摻量時，不同砂土的固化強度對比如圖3所示。同一砂土?xí)r，不同水泥及摻量下固化強度對比如圖4所示。

試驗結(jié)果表明：

(1)硫鋁酸鹽水泥、普硅水泥固化不同砂土?xí)r抗壓強度均與齡期呈良好的對數(shù)關(guān)系。

(2)硫鋁酸鹽水泥固化4種砂土早期強度均較高，可滿足工程對砂土快速固化的要求。硫鋁酸鹽水泥摻量5%時，4種固化砂土3h抗壓強度和1d抗壓強度分別為0.34～2.5MPa和2.1～5.1MPa，水泥摻量10%時，分別為1.6～5.3MPa和4.0～13.4MPa；水泥摻量由5%提高到10%時，抗壓強度顯著提高，黏土提高約1.9倍，其他砂土提高2.7倍以上；4種砂土中，含細粒土砂固化強度最高，其次為級配不良砂和粉土質(zhì)砂，黏土的固化強度最低，基本規(guī)律為砂越細強度越低。

(3)與普硅水泥相比，硫鋁酸鹽水泥固化級配不良砂、含細粒土砂和粉土質(zhì)砂時，其抗壓強度明顯提高，特別是早齡期強度，1d強度分別為普硅水泥的3.8、2.8、2.1倍，3d強度分別為2.1、1.8、1.9倍；固化黏土?xí)r，低水泥摻量下(5%、10%)兩種水泥固化強度差別不大，水泥摻量15%時，硫鋁酸鹽水泥固化強度明顯高于普硅水泥，1d、3d早齡期強度提高約1.7倍。

圖3 相同水泥及摻量時，不同砂土的固化強度對比

圖4 同一砂土?xí)r，不同水泥及摻量下固化強度對比

(4)從強度增長規(guī)律看，硫鋁酸鹽水泥早期強度發(fā)展很快，與28d齡期相比，4種砂土3h、1d、3d、90d強度增長率分別為23%～53%、70%～81%、72%～86%和104%～117%；普硅水泥1d、3d、7d、90d強度增長率分別為24%～61%、48%～62%、65%～80%和113%～125%。

(5)硫鋁酸鹽水泥固化砂土的早齡期抗折強度高于普硅水泥，長齡期抗折強度2種水泥差別不大。硫鋁酸鹽水泥摻量5%、10%時，4種固化砂土1d抗折強度分別為0.51～1.4MPa和0.84～3.3MPa，普硅水泥1d抗折強度均小于1.0MPa。

(6)4種固化砂土的折壓比在0.15～0.37之間，平均值為0.25。

表3 硫鋁酸鹽水泥固化砂土抗?jié)B試驗結(jié)果

4.2 抗?jié)B試驗

抗?jié)B試驗采用砂漿抗?jié)B透試驗儀進行，加壓至透水后保持恒壓，根據(jù)達西公式計算滲透系數(shù)。砂土均采用硫鋁酸鹽水泥進行固化，緩凝劑摻量為0.40%。試驗結(jié)果見表3。試驗結(jié)果可見，固化含細粒土砂和低液限黏土的抗?jié)B性能良好，10%水泥摻量28d齡期滲透系數(shù)分別為3.69×10-10m/s和6.04×10-10m/s，固化級配不良砂和粉土質(zhì)砂的抗?jié)B性能稍差，滲透系數(shù)分別為1.07×10-8m/s和1.16×10-8m/s，滲透系數(shù)相差約2個量級；相同水泥摻量下，養(yǎng)護齡期由7d延長至28d，抗?jié)B性能提高，但仍在同一個量級中；相同齡期下，水泥摻量由5%提高至10%時，抗?jié)B性能明顯提高，滲透系數(shù)約降低1個量級。

5 結(jié)語

(1)硫鋁酸鹽水泥、普硅水泥固化不同類型砂土?xí)r抗壓強度均與齡期呈良好的對數(shù)關(guān)系。試驗采用的4種固化砂土早期強度均較高，可滿足工程對砂土快速固化的要求。硫鋁酸鹽水泥摻量5%時，固化砂土3h抗壓強度和1d抗壓強度分別為0.34～2.5MPa和2.1～5.1MPa，水泥摻量10%時，分別為1.6～5.3MPa和4.0～13.4MPa，其1d抗壓強度和3d抗壓強度約為普硅水泥的2.9倍和1.9倍。固化砂土28d齡期滲透系數(shù)為3.69×10-10～1.61×10-7m/s。

(2)文中給出的硫鋁酸鹽水泥、普硅水泥固化不同類型砂土配合比及性能研究結(jié)果可為工程加固及應(yīng)急搶險提供技術(shù)支持，其中硫鋁酸鹽水泥更適用于早期強度要求高的工況，否則普硅水泥性價比更高。