一种固化剂对黄泛区沙土固化效果的试验研究

李世伟，史新伟，高贝贝

(1.河南省水利科学研究院，郑州 450003； 2.河南省水利工程安全技术重点实验室，郑州 450003)

目前，我国正处于建设和谐社会的关键阶段，在生产和生活中更加注重合理利用资源和改善环境。土壤在地球上大范围存在，但其作为一种松散的颗粒装物质，如何更好地利用和发挥其在工程中的工作性能一直是专家学者们研究的课题。河南位于黄河中下游，历史上黄河多次泛滥，尤其是抗日战争中一次人为炸毁花园口黄河大堤造成的黄河泛滥[1]，导致河水所到之处沉积留下的泥沙让周围的生存环境变得十分恶劣。目前，在河南境内仍然存在着大范围的黄泛区沙土[2]。如何合理利用黄泛区沙土，一直是学者们研究的重要课题，而土壤固化剂的研究自引入以来，就受到众多学者的关注。

土壤固化剂[3]作为一种新型的节能环保材料，是由多种有机和无机材料结合形成的。它和土壤颗粒混合后，在一定的外部条件下能发生一系列的物理和化学作用，使土壤颗粒间的孔隙被胶凝材料填充，从而达到加固土壤的目的。传统的土壤固化剂有水泥土、灰土和二灰土等，但它们对塑性指数高的有机土、盐渍土、黏土等土壤加固的效果不太理想，受干缩和温度的影响较大，早期强度较低，且容易开裂[4-5]。这就迫使人们寻找出新型固化效果更好的土壤固化剂材料。由于市场的需求不断增大，在许多国家成立了专门生产固化剂的企业，期间也产生了许多新型的固化剂材料。例如[6]美国的Soilrock、EN-1和帕尔玛固化酶；日本的Aught-set系列土壤固化剂；澳大利亚的奇极土体固化剂CCSS；南非的ISS电离子土体强化剂等。结合我国土壤性质，在借鉴国外经验的基础上，国内的许多学者针对土壤固化剂也进行了相关研究。梁文泉等[7]研究的GA新型土壤固化剂可以固化黏土、粉砂和淤泥，也可以替代水泥，用来拌制砂浆和混凝土。黄新等[8]研制的CG固化剂可以加固淤泥、泥炭和一般软黏土。尚路等[9]针对广西大部分地区的膨胀土，研制出的CHF土壤固化剂可以降低土壤的自由膨胀率。目前，国内研制出的土壤固化剂有许多已投入使用，如NCS系列、HS系列、DLL、EN-1、硫酸盐系列和Aught-Set系列等。虽然我国在土壤固化剂研究方面已取得了显著的效果，但和国外相比仍然存在一定差距。

根据国际领先的聚合物技术，郑州天罡实业有限公司生产出一种高强、高耐水土体固结剂——氯硫聚合物粉状固化剂。利用氯盐与硫酸盐的双重激发作用，将粉煤灰、矿渣粉和赤泥等工业废物转化为高强胶凝材料，可以用于无钢筋锈蚀之忧的注浆工程、坝基工程等水利工程中。氯硫聚合物(Clorine-Surlphate Polymer)是申请者在研发中提出的新概念，该项技术已成功地应用于义煤集团云顶矿的注浆充填工程中。针对河南境内存在的大范围黄泛区沙土，本文利用氯硫聚合物固化剂固化黄泛区沙土，并通过室内抗压抗折强度试验，研究氯硫聚合物固化剂对黄泛区沙土的固化效果。

1 材料和方法

1.1 试验材料

试验材料包括：砂子(采用标准砂)；黄泛区沙土，经试验测得其液限WL=27.2%，塑限WP=21.5%，塑性指数IP=5.7，标准击实后测得素土最大干密度为1.472 g/cm3，最优含水率18.2%；固化剂采用郑州天罡实业有限公司生产的高强、高耐水土体固结剂氯硫聚合物粉状固化剂，其凝结时间、安定性等技术性质均符合现行国家标准的规定；水为饮用水。

1.2 试验方法

根据预定的材料比例确定固化剂、土、砂用量，按照《水泥胶砂试验规程》的要求，采用水泥胶砂制样方法，使用JJ-5型水泥胶砂搅拌机进行搅拌将混合料装入试模。放入密闭的养护箱24 h后进行脱模，试件从试模内脱出后，继续放到密封的湿气箱内进行保温保湿养生。整个养生期间的温度严格控制在 20℃±1℃，养生龄期到规定龄期。试件养护一定龄期后，对其进行抗折抗压抗强度试验。抗折强度试验机应符合JC/T 724-2005的要求，抗压强度试验机及机用夹具满足《水泥胶砂试验规程》中4.2.7和4.2.8的规定。之后，为了判断该固化土的强度大小，参考《渠道防渗工程技术规范》(SL 18-2004)渠道衬砌对水泥土抗压强度允许最小值表格中的最大值(即干硬性水泥土在季节性输水的28 d抗压强度：4.5 MPa)。通过对比，分析将黄泛区沙土掺入氯硫聚合物固化剂后，用于渠道防渗衬砌工程中强度是否满足要求。

2 试验结果与分析

2.1 试验结果

选取黄泛区沙土为试验用土，试验分3批进行。表1给出3批试验在水含量(用水灰比表示，即水与固化剂加土的质量和之比或水与固化剂加土、标准砂表示)和固化剂掺量(用配合比表示，即固化剂与土的质量比或固化剂与土和标准砂的质量比)不同时，试件7、28和56 d的抗折、抗压强度试验结果。

表1 黄泛区沙土强度结果

2.2 配合比对固化土强度的影响

不同配合比条件下，各龄期的抗折强度和抗压强度曲线见图1。图1中分3组，各组水灰比分别为0.3、0.35、0.4。每个图中都有3条较长的折线和3条较短的线段，折线为固化剂配合比为1∶1、2∶1、3∶1时的强度连线；线段为掺入标准砂后，固化剂配合比为1∶1∶1、2∶1∶1时的强度连线。为了和干硬性水泥土进行对比，在抗压强度曲线图中用虚线标出干硬性水泥土在季节性输水的抗压强度最小值。

由图1可得出如下结论：

1) 当水灰比为一定量时，固化土的抗压抗折强度随固化剂掺量的增加而提高；在相同配合比条件下，养护时间越长固化土的抗压抗折强度越高。

2) 当水灰比为0.3时，掺入固化剂后，固化土各龄期的抗压强度明显比干硬性水泥土的高很多；图1(a)中加固土7 d龄期的最小抗压强度值(即配合比为：1∶1∶1时)为11.8 MPa，是干硬性水泥土在季节性输水时抗压强度最小值的2倍还要多。

3) 当水灰比为0.3和0.35时，由配合比为2∶1∶1和1∶1的值(即固化剂掺量相同)可知，加标准砂试件的抗压和抗折强度比不加标准砂的高。

4) 考虑到经济性，在实际工程中会选择固化剂掺量最少，仍能满足强度要求的配合比。

图1 固化土掺量不同时各龄期的抗折抗压强度曲线图

2.3 水灰比对固化土强度的影响

固化土不同水灰比条件下，养护龄期分别为7、28和56 d的抗压抗折强度曲线见图2。同样，为了与干硬性水泥土进行对比，在抗压强度曲线图中用虚线标出干硬性水泥土在季节性输水的抗压强度最小值。

图2 固化土水灰比不同时各配合比条件下的抗压抗折强度曲线

由图2可得出如下结论：

1) 当养护龄期一定时，固化土的抗压抗折强度随水灰比的增加而降低。因此，在工程实践中应合理降低固化土的水灰比。

2) 由图2(a)可知，在养护龄期为7d时，随着水灰比的增加，固化剂掺量最少时(配合比为1∶1∶1)的加固土的抗压强度值迅速降低到小于干硬性水泥土的范围内。

3) 由图2(b)、图2(c)可知，随着养护时间的增加，所有配比的加固土28和56 d龄期的抗压强度均明显高于干硬性水泥土。

综上所述，考虑经济性，由黄泛区沙土的室内固化试验可得，氯硫聚合物固化黄泛区沙土可选择以下几组比例：

1) 配合比为1∶1，水灰比为0.3、0.35、0.4。

2) 配合比为1∶1∶1，水灰比为0.3。

3) 配合比为2∶1∶1，水灰比为0.3、0.35。

其中，第(2)组所用固化剂掺量最少，也最经济。

3 结 语

本文通过室内试验，针对河南境内存在着的大范围的黄泛区沙土，研究了配合比和水灰比对固化土抗压抗折强度的影响。通过分析氯硫聚合物固化后的黄泛区沙土不同龄期的强度曲线，并与规范规定的干硬性水泥土在季节性输水28 d抗压强度的允许最小值进行对比，同时考虑经济性，最终给出氯硫聚合物固化剂固化黄泛区沙土的几组较好的配合比和水灰比，为氯硫聚合物固化剂在工程中的应用提供参考。