沈阳地区风积砂固化技术的研究

张 平，丁 毅，吴 昊

（沈阳大学a.建筑工程学院；b.理学院，辽宁沈阳 110044）

沈阳地区风积砂固化技术的研究

张 平a，丁 毅b，吴 昊a

（沈阳大学a.建筑工程学院；b.理学院，辽宁沈阳 110044）

为了研究沈阳地区风积砂的固化技术，根据固化剂的成分和特性，结合该地区风积砂的组成及性质，按不同剂量进行不同固化剂、不同土质固化试验.实验结果表明：固化土的无侧限抗压强度一般随固化剂剂量的增加而提高，但当剂量较小或较大时，会出现负增长；随成型间隔时间的增长而下降；随龄期的增长而增长.沈阳新民大赵屯粉土质砂采用ZR固化剂，掺入质量分数为11%；辽中大堤路含细粒土砂采用SY固化剂，掺入质量分数为11%，固化效果最佳.将固化土用于村镇公路的面层，并铺设试验路面长5.6km，检验效果良好.

风积砂；土壤固化剂；无侧限抗压强度；剂量

河石、碎石是良好的筑路材料，但随着道路交通和城市建设的发展，传统的开山采石、挖河取砂方法，不仅使有限的资源减少，更对生态环境造成严重破坏.如何解决大量建筑材料需求与保护环境、降低成本之间的矛盾，是我们需要探讨的一个课题.沈阳地区周边存在大量风积砂，在天然状态下，风积砂松散、抗剪强度低，一般不能直接作为筑路材料.近年来，土壤固化在道路建设中是采用最多也是最经济实用的一门技术，但大多数情况都是将固化土用于道路的基层和底基层［1-2］.本文主要是研究利用土壤固化技术改变沈阳地区风积砂土的物理力学性能，就地取材将固化土应用于路面工程，通过大量室内试验找出了固化沈阳地区风积砂最有效的固化剂和掺配比，并将固化砂土铺设试验路面长5.6km，检验效果良好，不仅节约了资源，也降低了工程造价.

1 研究区风积砂的性质［6］

由于受荒漠化侵蚀影响，沈阳市周边地区地表覆盖一层风积砂.在天然状态下，该砂层无粘性、松散、透水性较好，从地表向下含水量逐渐增大.试验土样1号取自新民大赵屯、2号取自辽中县蒲河大堤路，其物理、力学试验指标见表1.

表1 试验土样的物理、力学性质Table 1 The physical and mechanical properties of tested soil samples

2 固化原理与方法

土壤固化剂作为一种新材料兴起于20世纪50年代，它是在常温下改善和提高土壤工程性能的材料.土壤固化剂的固化机理基本上分为两种类型，即胶凝填充型和水膜处治型.胶凝填充型是土壤固化剂与含水土壤混合后，发生一系列物理化学反应，形成大量富含结晶水的针状结晶体，穿插在土壤颗粒空隙间形成强度骨架，同时硅酸盐类水化物填充在土壤骨架之中，使固化的土壤进一步密实；水膜处治型是固化剂加入土壤中，溶液中的高价离子可以改变土壤颗粒表面电荷的特性，降低土壤颗粒间的排斥力，破坏土壤颗粒的吸附水膜，提高土壤颗粒间的吸附力，同时形成结晶盐，在压实的条件下综合提高土壤的承载性能和抗渗性能.

本文选取了7种固化剂来研究沈阳地区风化砂土的固化效果，这7种固化剂的基本组成、性能等相关参数如下：

（1）AP是一种由多种强离子组合而成的水溶剂，pH＝1～2，它与土壤混合后使土壤孔隙中所吸附的水离子变成可以被排出的自由水，极大地增强土壤的承载力和防渗性，改善土壤的湿胀干缩现象，对土壤具有永久性的强化作用.

（2）ZR是一种粘性液态酸基化合物，pH＝1～2，属于一种内浸性材料，它能将土壤中的矿物质和土壤分子重新结晶，生成新的化学键，从而使土壤达到固化效果.

（3）YL主要成分（质量分数）：磺酸85%，柠檬油8%，表面活性剂6%，防腐剂1%，pH＝1～2，它能将土壤中的矿物质和土壤分子分解使其重新结晶，在石灰或水泥等的复合作用下将土的颗粒胶连包裹在一起，生成一种不溶于水的胶凝物质，形成土壤固化层.

（4）C6是一种微黄色液体，pH＝3～4.促进土壤中的矿物成分与水泥及水加速反应，使其重新生成新的化学键.极强的活性和渗透性使水泥颗粒与土粒迅速变小，水泥网络迅速增长，在水泥纤维网上凝聚着大量的铁、镁、钙、铁铝钙盐类的络合物，这些络合物具有不水解、化学稳定等优点，经碾压，又增大了路基强度、耐水性和抗冻性.

（5）FS是由质量分数为水泥99%＋FS元素1%（一种特殊的合成添加剂）混炼而成的混合物，此混合物排除了水泥的缺点，增加了细粒土的固化能力.

（6）SY是由水泥熟料、矿渣、粉煤灰等混炼而成的水硬性胶结料，能使土壤中大量形成针状结晶体，并填充空隙形成强度骨架，在硅酸盐水化反应作用下生成不可逆的胶凝物质，经碾压提高土的强度和稳定性，具有良好的环保和防腐性能.

（7）LD是一种无机水硬性胶凝材料，由水泥熟料和粉煤灰及激发剂等组成.常温下直接胶结被固结材料颗粒，与此同时，其活性组分渗入被固结材料基本单元的相界面上，激发被固结材料中铝硅酸盐活性，利用多组分复合产生超叠加效应，使之形成牢固的多晶聚集体；水化产物将被固结材料基本单元粘结成为牢固的整体，实现从内部到表面的整体固结作用［3］.

本文的研究方法是首先分析沈阳周边地区风积砂的组成及物理化学性质，根据以上几种固化剂的成分、性能以及与该地区土质的适应性，按不同剂量进行不同固化剂、不同土质固化试验.固体固化剂采用内掺法计算，液体固化剂采用外掺法计算，并以厂家提供（掺配剂量不变）的要求办理.液体原液需加水稀释至1／100后使用.为了减少误差和扩大测试样本数量，结合实际情况，在同一种条件下制作3件相同的试件.试件在最佳含水率和最大干密度的条件下静压成型，脱模后装入塑料袋中密封，置于标准养护室内养生7d或28 d［4-5］.分析固化土的强度、耐磨性、抗压回弹模量、抗弯拉（劈裂）强度、冻融性能、水稳定性、收缩性能和抗冻性等技术参数，从中筛选出适合沈阳周边地区风积砂和风化土的土壤固化剂和最佳掺配比.

3 结果与分析

3.1 不同固化剂和掺量对风积砂的固化效果

为了探讨不同固化剂和掺量对固化效果的影响，选用新民大赵屯粘土质砂和辽中大堤路含细粒土砂进行固化试验.图1、图2为新民大赵屯粘土质砂和辽中大堤路含细粒土砂采用不同固化剂固化后，7d和28d无侧限抗压强度与固化剂剂量之间的关系曲线.

图1 新民大赵屯粉土质砂固化土的强度与固化剂质量分数之间的关系曲线Fig.1 Relationship curve between strength of solidified silt soil and dosage of solidified agent at Dazhao village in Xinmin

图2 辽中大堤路含细粒土砂固化土的强度与固化剂质量分数之间的关系曲线Fig.2 Relationship curve between strength of solidified silt soil and dosage of solidified agent at Dadi Road in Liaozhong

由试验的结果和曲线可以看出：

（1）随着固化剂剂量的增加，固化土的强度增加；

（2）当固化剂的剂量增加到一定量后，对于新民大赵屯粉土质砂其固化效果明显强于水泥加素土，其中ZR固化剂对该粉土质砂固化效果最佳；

（3）辽中大堤路含细粒土砂固化土的强度与水泥加素土相比，除SY固化剂外，其他固化剂固化效果不显著.

为了进一步探究固化剂掺量对抗压强度的影响，加大固化剂剂量的范围，选用沈阳地区粘土试样，加入质量分数为7%的水泥，并添加不同掺量的ZR固化剂，测其固化土抗压强度，试验结果如图3所示.

试验表明固化土的强度与剂量之间关系密切，当剂量较小或较大时，随着剂量的增加强度出现了负增长的现象.液体固化剂对水泥的水化反应有阻碍作用，若想获得理想的强度应通过试验来决定掺量.剂量的多少根据土质性质而变，并应通过室内试验取得合理的数据.

图3 抗压强度与固化剂掺量的关系曲线Fig.3 Relationship curve between compressive strength and dosage of solidified agent

3.2 成型时间对固化强度的影响

选用质量分数为10%SCB-1固化剂固化中液限粘土，加水搅拌后间隔不同的时间制作试件.表2为不同成型时间试件抗压强度（R7）试验结果.

从表2可以看出，抗压强度随成型间隔时间的增长而下降.在时间间隔前6h内抗压强度降低幅度较大.因此，在实际施工时，应该使用拌和效率高的机械，并使拌和、整平、碾压等工序紧密有序地相接，尽可能缩短从加水拌和到压实的间隔时间，这一点对路拌法施工是尤为重要

的［7-8］.

表2 成型间隔时间与抗压强度Table 2 Shaping interval time and compressive strength

3.3 固化土强度与龄期的关系

图4为无侧限抗压强度与龄期关系曲线.固化土的无侧限抗压强度随龄期的增长而增长，早期强度增长较快，在1～2个月之内，抗压强度与龄期之间近似为一种半对数的直线关系.同一种配合比在标准养生条件下，随着龄期增加，抗压强度逐渐提高，且延续时间很久.

图4 无侧限抗压强度与养生时间的关系曲线Fig.4 Relationship curve between unconfined compressive strength and curing time

3.4 固化土强度与土质的关系

原状土的化学成分对固化土强度影响很大，固化土的强度与土质有密切关系.表3为相同掺量LD固化剂对不同土质的固化效果.

实验证明：土中粗粒含量愈多，易于固化；当土中细粒和有机质含量增加，固化效果降低.当土中有机质、硫酸盐的成分较多，阻碍水泥的水化反应或反应后体积膨胀，导致固化土强度的破坏，所以，有机质含量超过一定量，不能用固化剂固化［9-10］.

通过试验测试固化土的干缩系数小于0.000 10，具有很好的水稳定性和较好抗冻裂效果.固化土经过多次冻融，其剩余抗压强度仍然较高，完全可以满足路用性能要求.由于篇幅所限本文不再详述.

2007年5月，在沈阳市三个区县选择有代表性的地区，修筑试验路段20条（每条宽3～5m，长度200～300m），共长5.6km，约2 2400m2.在对试验路进行取样检测、弯沉测定后，经检验达到设计标准，效果良好.

表3 不同土质固化效果的比较Table 3 Comparison of solidified effect of different soil

4 结 论

（1）不同土质的风积砂，应通过试验来选取固化剂的类型和掺量.通过研究找出了沈阳新民大赵屯粉土质砂采用ZR固化剂，掺入质量分数为11%；辽中大堤路含细粒土砂采用SY固化剂，掺入质量分数为11%，固化效果最佳.并将固化砂土铺设试验路面长5.6km，经检验效果良好，达到设计标准，验证了结论的正确性.

（2）固化土的强度一般随固化剂掺量的增加而提高，当掺量较小、较大时，随着掺量的增加强度出现负增长.

（3）固化土的抗压强度随成型间隔时间的增长而下降，在时间间隔前6h内抗压强度降低幅度较大.固化土的无侧限抗压强度随龄期的增长而增长，早期强度增长较快，近似为一种半对数的直线关系.

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Solidified Technology for Aeolian Sand in Shenyang

ZHANG Pinga，DING Yib，WU Haoa

（a.Architectural and Civil Engineering College；b.School of Natural Science，Shenyang University，Shenyang 110044，China）

The solidified technology used for aeolian sand in Shenyang area is studied.According to the composition and characteristics of solidified agent and combining composition and nature of aeolian sand，solidified tests have been done according to difference composition and quality.The conclusions are as follows：Unconfined compressive strength of stabilized soil generally increased with adding dosage of solidified agent.However，negative growth will emerge when smaller dosages and larger ones were used.The using dosage will decrease with the growth of forming intervals and increase with prolonging curing time.When ZR solidified agent was used at Dazhao village in Xinming in proportion with 11%and SY solidified agent at Dadi Road in Liaozhong 11%，the solidifying effect was optimal.When the stabilized soil was layered on the surface of the village road and the length of test road was 5.6km，the test results are good.

aeolian sand；soil solidified agent；unconfined compressive strength；dosage

U 414

A

1008-9225（2012）03-0082-05

2011-12-22

张 平（1963-），男，辽宁黑山人，沈阳大学副教授.

祝 颖】