一种软土快速固化剂的研制

滕世明 沈正 郑非凡 季雪莹 徐小勇 姜非凡 许博浩

摘要：软土地基的快速处理方法是加快道路施工进程，保证施工质量的有效措施。本研究针对南京河西地区软土，力求寻找出一种高效经济的软土固化剂。选择传统软土主固化材料水泥与辅助固化材料电石渣、石膏、三乙醇胺、氢氧化钠和聚丙烯纤维，通过组合配比对南京河西地区软土分别进行快速固化。基于无侧限抗压强度试验，确定不同材料组合及配比下淤泥质软土固化强度和特点。最终得出南京河西地区软土固化材料最终配比为水泥掺入比9%，电石渣掺入比4%，石膏掺入比2%，氢氧化钠掺入比2%。

关键词：软土；快速固化；抗压强度；最佳配比

Title Experimental study on rapid stabilization of soft clay soils in Nanjing Hexi Area

Teng Shi-ming1，Shen Zheng1，Zheng Fei-fan1，Ji Xue-ying1，Xu Xiao-yong1，Jiang Fei-fan1

（1.School of Architecture Engineering， Nanjing Institute of Technology， Nanjing 211167， China）

Abstract：

Rapid treatment of soft soil foundation is one of maain methods to accelerate construction speed of roadways and guarantee construction quality. Based on the soft soil in Nanjing Hexi Area， this research aims to find a efficient and economic curing agent. Traditional main solidified materials （cement） and auxiliary materials （calcium carbide， gypsum， sodium hydroxide， triethanolmine and polypropylene fiber） are chosen to rapidly stabilizing the soft soils in Nanjing Hexi Area. Based on the results of unconfined compressive strength test， the strength and characteristics of soft soil solidified by the combination of different materials and mixture ratios are determined. The 9% cement， 4% calcium carbide， 2% gypsum and 2% sodium hydroxide 0.6% polypropylene fiber are the optimum mixture ratio for soft soil in Nanjing Hexi Area.

Keywords ： cement stabilized macadam；fine sand；alternative；mechanical properties；fatigue properties.

南京市河西地区位于长江东侧凸岸，区内沟、塘等地表水系发达，地势宽广低平。从地貌单元上，河西地区属于长江漫滩区域，新近沉积的漫滩软土极为软弱，且分布极不均匀。在软土地基上修建道路，采用的软基处理方法是否恰当合理，直接影响到道路工程的质量以及使用功能。目前采用传统软基处理方法需要经历较长时间，极大地延缓了工程的施工进度。

工程实践表明，对不同性质的软土在掺入水泥的基础上，釆用不同比例的复合添加剂，可以大幅提升固化土的工程性质，保护建筑物的安全，以满足实际需求，优化添加剂成份及复合比例，在一定程度上降低水泥用量，在满足工程应用的基础上节约处理成本。

软土地基的快速处理对提高市政工程建设效率，保障施工安全和施工质量具有很高的应用价值，研究应用前景十分广阔。

一、 研究内容

1. 软土物理力学性质试验，对软土的结构、成分进行分析；

2. 研究影响软土早期强度形成的原因；

3. 软土与多种固化剂的固化试验；

4. 固化土无侧限抗压强度试验及固化剂研制；

5. 分析研制适合本地区软土固化剂优化处方。

二、 固化剂的选择

本次试验中需要验证的固化剂成分初步确定为主剂水泥，辅助添加剂电石渣、石灰粉、石膏、三乙醇胺、氢氧化钠、聚丙烯纤维。在上述成分中选择固化效果最好的组合以及配比。

三、材料与方法

3.1实验材料

为保证试验效果，本试验软土土样取自南京河西地区典型土层，并保证其取土深度在5m左右，取土方式为勘探时所取出的原状土样。两种主要固化材料水泥和电石渣分别取自江南水泥厂以及镇江三兴公司；石膏与三乙醇胺购自建材商店。

3.2 试验方法

3.2.1 测定软土的含水率

1.仪器设备

烘箱、分析天平：感量0.01克、烘土盒。

2.操作步驟

（1）选取有代表性的软土样（约30克），放入烘土盒内，盖好盒盖，用分析天平称取烘土盒和软土的总质量，记为m1，烘土盒质量记为m3；

（2）打开烘土盒盖，放入烘箱中，将烘箱温度调至100-105℃，烘至恒重，之后取出烘土盒，加盖后冷却至常温；

（3）称量烘土箱和烘干土总重，记为m2；

（4）计算含水率。

按下式计算含水率：

ρ=（m1-m2）/（m2-m3）

式中：（m1-m2）为式样中所含水的质量；（m2-m3）为式样土的质量。

3.2.2 无侧限抗压实验

1.试验原理

无侧限抗压强度试验是三轴试验的一个特例，即将土样置于不受侧向限制的条件下进行的压力试验，此时土样所受的小主应力为0，而大主应力的极限值即为无侧限抗压强度。

2.仪器设备

（1）应变控制式无侧限压缩仪：由测力计、加压框架、升降设备组成；

（2）轴向位移计：量程10mm，分度值0.01mm的百分表；

（3）天平：称量500g，分度值0.1g 。

3.操作步骤

（1）原状土试样制备按三轴压缩试验步骤进行。试样直径为39.1mm，高度为80mm；

（2）将试样两端抹一薄层凡士林，在气候干燥时，试样周围亦需抹一薄层凡士林，防止水分蒸发；

（3）将样放在底座上，转动手轮，使底座缓慢上升，试样与加压板刚好接触，将测力计读数调整为零。根据试样的软硬程度选用不同量程的测力计；

（4）轴向应变速度宜为每分钟应变1%～3%。转动手柄，使升降设备上升进行试验，轴向应变小于3%时，每隔0.5%应变（或0.4mm）读数一次轴向应变等于、大3 %时，每隔1%应变（或0.8mm）读数一次。试验宜在8～10min内完成；

（5）当测力计读数出现峰值时，继续进行3%～5%的应变后停止试验；当读数无峰值时，试验应进行到应变达20%为止。

四、试验结果及分析

4.1 河西软土的力学性质研究

本试验软土的主要物理特性指标、对不加固化剂的土样进行无侧限抗压强度试验的结果、不同含水率下的软土无侧限抗压试验结果见下表4-1：

从图中可以看出，含水率在30%到40%时，土的无侧限抗压强度最高，随着含水率继续上升，土的无侧限抗压强度明显降低，因此取该软土的天然含水率（40%）为试验用土含水率。

4.2 软土固化剂配方的研制

4.2.1 选择固化剂组成成分

首先对一些常用的主成分固化剂进行单一固化材料试验，为辅助成分的固化材料的挑选提供参考依据。在本试验中，除了水泥与电石渣外，还挑选了环氧树脂和镇加固化剂进行对比试验，测定其不同龄期下（1d，3d，7d）的无侧限抗压强度，从而保证固化剂主成分的固化效率为最优，试验结果见下图4.3：

从图中可以看出，水泥和电石渣的固化效果明显高于其他两种固化剂，因此本试验的固化剂主要材料确定为水泥和电石渣，而从3d和7d的固化效果来看，水泥固化的淤泥质土的无侧限抗压强度明显优于电石渣。因此可以看出，水泥在早期固化过程中占主导地位。进一步进行多种固化剂组合试验，试验结果见下图4.4：

从图中可以看出，当水泥与电石渣混合，再加入石膏作为辅助固化剂后，固化效果明显好于两种材料单独做固化剂，再加入三乙醇胺并将电石渣替换为石灰粉作对比试验，试验结果见下图4.5：

从图中看出，三乙醇胺作为常用的工业早强剂，加入后对水泥的早期强度有明显提升，而当将电石渣替换为石灰粉时，软土的早期强度明显降低，因此初步确定本试验固化剂的组成为水泥，电石渣，石膏，三乙醇胺。再在这四种固化剂成分中变化每种成分的比例，进行初步的对比试验，观察每种成分的变化对固化效果的影响。

从表中可以看出，水泥的含量与软土的无侧限抗压强度完全呈现正相关的关系，因此在之后的试验中可以适当选择增加水泥用量。而随着电石渣含量的增加，软土的7天内无侧限抗压强度并没有持续上升，而是在4%左右时达到了峰值，因此在之后的试验中，电石渣的含量可以控制在4%左右。三乙醇胺对试验结果的影响不是很明显，需要在之后的试验中继续研究其最佳含量的范围。

4.2.2 确定固化剂各成分比例

1.确定水泥含量

由以上试验可知，水泥作为软土使用最广泛的固化剂，对软土的早期强度起到非常重要的主导地位，因此优先确定水泥的最佳含量。为了反应水泥的掺入量对软土固化效果的影响，分别取水泥掺入量为3%，5%，7%，9%，12%，测量其不同龄期（1d，3d，7d）下的无侧限抗压强度，试验结果见下图4.9：

从图中可以明显看出，水泥含量和无侧限抗压强度成正相关关系，而当水泥含量是9%和12%时，无侧限抗压强度的上升不是十分明显。考虑到经济效应，取水泥含量为9%为最佳含量。

2.确定石膏含量

掺入石膏后，会迅速产生膨胀性水化物钙矾石，填充土粒之间的空隙从而迅速的提高软土的早期强度。为了确定石膏的最佳含量，在9%水泥基础上，添加不同含量石膏，确定两种固化剂的最佳组成比例，试验结果见下图4.8：

從图中可以看出，石膏的掺入对软土的无侧限抗压强度有一定的提升，但随着石膏掺入量的变化，软土的无侧限抗压强度变化不明显。可以看出，在一定范围内，随着石膏含量的增加，软土的无侧限抗压强度也随着提高，当石膏含量在2%时，软土的无侧限抗压强度达到峰值，超过2%后，随着石膏掺入量的增加，软土的无侧限抗压强度反而降低。说明石膏含量超过一定数值后会产生过多的膨胀性物质，对软土的早期强度其反作用。综上所述，本试验取石膏掺入量为2%为最佳掺入量。

3.确定电石渣含量

电石渣作为软土固化剂，吸收了软土中的大量水分，能够快速提升软土的早期强度。为了确定电石渣的掺入量，在水泥和石膏的基础上，掺入2%，4%，6%，8%的电石渣，测定其在不同龄期下的无侧限抗压强度，反应电石渣含量对软土早期强度的影响规律，试验结果见下图4.9：

从图中可以看出，随着龄期的增长，加入电石渣后固化土的无侧限抗压强度都不断提升。而在同一龄期的对比中，当电石渣掺量达到4%时，固化土的无侧限抗压强度达到峰值，之后再增加电石渣含量，固化土的无侧限抗压强度反而下降。因此得出电石渣的最佳含量取4%。根据上述现象分析，电石渣加入软土中，会与软土中的水发生反应，生成大量氢氧化钙，加强了土体颗粒之间的联接，但是如果氢氧化钙含量过多，就会产生膨胀作用，反而导致土体的强度降低。

4.早强剂的对比试验（三乙醇胺，氢氧化钠，硫酸钠）

为了保证早强剂的最优选择，本试验选取了另外两种常用早强剂：氢氧化钠和硫酸钠，进行与三乙醇胺的对比试验，分别测量不同龄期下加入这三种早强剂的固化土的无侧限抗压强度，试验结果见下图4.10：

图4.10 三种早强剂对不同龄期下固化土无侧限抗压强度的影响

从图中可以看出，加入硫酸钠后固化土的早期强度反而没有不加入早强剂时的早期强度高，因此硫酸钠对固化土的早期强度形成有反作用。加入三乙醇胺后，固化土的1天强度有显著提升，而3天和7天时的强度几乎没有变化。只有氢氧化钠对固化土的早期强度，尤其是1天和3天的强度有非常明显的提升作用，因此更改原配方，选择氢氧化钠取代三乙醇胺作为固化剂的成分之一。

5.聚丙烯纤维对固化效果的影响

试验表明，聚丙烯纤维能够显著提高固化土的力学性能和抗裂能力，因此本试验中尝试在原因固化剂成分的基础上加入聚丙烯纤维，测量其在不同龄期下的无侧限抗压强度。由于试验时间原因，本试验与早强剂的对比试验同时进行，因此早强剂的选择仍然为三乙醇胺，但并不影响试验得出聚丙烯纤维对固化土早期强度形成的影响规律。试验结果见下图4.11：

图4.11电石渣掺入量对不同龄期下固化土无侧限抗压强度的影响

从图中可以看出随着聚丙烯纤维含量增加，固化土早期强度一开始呈现上升趋势，在含量为0.6%时达到峰值，随后呈现下降趋势。而当聚丙烯纤维含量为0.3%和0.9%时，固化土早期强度反而不如不加聚丙烯纤维时的早期强度，因此确定聚丙烯纤维的含量为0.6%，此时对固化土的早期强度有明显提升。

6.多种固化剂28天固化效果对比

在确定固化剂成分后，进行28天固化试验，确定其最终的固化效果，观察其无侧限抗压强度随时间的变化情况。

同时用不同固化剂配方进行对比试验，试验结果见图4.12

图4.12 28天固化效果对比图

由图中可以看出，前7天土样的无侧限抗压强度增強较为明显，后期则较为平缓。因此可以看出，本配方的快速固化效果较为优良。而通过与开始暂定的水泥+碳化钙+石膏+三乙醇胺的固化配方的28天强度对比发现改良后的配方固化效果全程优于之前的配方，因此确定该配方为试验得出的最优配方。

五、结论与建议

5.1 结论

（1）分别采用单掺水泥、单掺电石渣、单掺环氧树脂、单掺镇加固化剂、混掺水泥+石膏+电石渣、混掺水泥+石膏+电石渣+三乙醇胺、混掺水泥+石膏+石灰粉+三乙醇胺7种方式对南京河西地区软土进行快速固化试验，得出各种固化剂对软土早起强度形成的影响，初步确定了软土快速固化剂的组成成分；

（2）通过改变各种固化剂的掺入比例，分析了各种固化剂掺入量对软土早起强度形成的影响，得出了水泥、电石渣、石膏、氢氧化钠、聚丙烯纤维的最佳掺入量；

（3）得出了南京河西地区软土的最优快速固化方案，其组成成分为：主剂水泥掺量9%，外加剂电石渣4%，石膏2%，氢氧化钠2%，聚丙烯纤维0.6%。

5.2 建议

由于实验条件和实验时间的限制，本实验还有很多不足之处，为了更加精确的确定固化剂的最优配方，今后还需要在以下方面进行研究：

（1）对氢氧化钠的最佳掺入量进行进一步研究；

（2）尝试使用不同的水泥进行试验，得到更加全面的固化数据；

（3）进一步缩小各种固化剂掺入量的范围，力求使配方更加精确，如可进行水泥掺入量为7%、8%、9%、10%的对比试验，进一步确定水泥的最佳用量。

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