水泥及TX 型固化劑改良黃土強(qiáng)度的試驗(yàn)研究

劉霜，吳仁悠，張婧，秦子怡，褚少輝，梁燕

（長(zhǎng)安大學(xué)，陜西 西安710021）

0 引言

路基作為公路主體的一部分， 其質(zhì)量好壞影響公路質(zhì)量和效益。黃土材料直接用作路基填土，遇水后易產(chǎn)生承載力不足、 路基不均勻沉降等工程問(wèn)題。因此黃土作為路基時(shí)往往需要進(jìn)行改良或換填，但較長(zhǎng)路段換填耗費(fèi)大量物力人力。傳統(tǒng)固化劑由于使用成本較高， 一直未能得到廣泛應(yīng)用。近幾年隨著國(guó)家對(duì)環(huán)保要求的提高以及砂、石和石灰等材料價(jià)格的持續(xù)上漲， 土壤固化劑研究重新引發(fā)熱潮。

1 TX 型固化劑簡(jiǎn)介

TX 型固化劑是由激發(fā)劑、催化劑、防凍劑、防水劑、抗裂劑、抗氧化劑、光穩(wěn)定劑和表面活性劑在高溫高壓下合成的復(fù)合液體，通過(guò)無(wú)機(jī)材料、有機(jī)材料、土壤和水的物理化學(xué)反應(yīng)改善土壤工程性能的一種高分子新材料，其固化速度快、相對(duì)強(qiáng)度高、收縮量小、經(jīng)固化的土壤不會(huì)出現(xiàn)二次流化、固化土成本低、經(jīng)久耐用。與傳統(tǒng)處理技術(shù)相比，能節(jié)省大量水泥、沙石料等材料費(fèi)用；與混凝土材料相比，一般可降低造價(jià)30%左右。

TX 型固化劑可以將大的土壤團(tuán)粒散解成細(xì)小的團(tuán)粒結(jié)構(gòu)，它帶有正電的離子與帶有負(fù)電荷的土壤離子作用，使其帶電性降低，團(tuán)粒間斥力大幅度減少。當(dāng)土壤中加入鈣鎂離子（石灰、水泥和爐渣等）時(shí)，固化劑的低價(jià)離子與其發(fā)生交換，產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)，生成化學(xué)鍵，在土壤中形成堅(jiān)固的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，使土壤的干密度增加，從而提高壓實(shí)度，達(dá)到提高固化土抗壓強(qiáng)度的目的。TX 型固化劑還能處理工業(yè)廢渣、各類尾礦渣（選礦渣、煤矸石煤泥等）、建筑垃圾、污染土（污水處理廠淤泥、地鐵工程淤泥等）各類土壤。TX 型固化劑加固黃土?xí)r，就地取土作為主要材料，以TX 型固化劑、水和少量凝膠（水泥）為輔料，按一定比例參配，拌和均勻，夯（壓）實(shí)，形成能夠滿足技術(shù)要求的固化土半剛性結(jié)構(gòu)。

2 試驗(yàn)概況

2.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)材料包括黃土、TX 型固化劑（TX-B 型和TX-W 型）、水泥和煤矸石。黃土取自陜西寶雞，水泥型號(hào)為P·O 42.5，水泥的三天抗折強(qiáng)度大于3.5 MPa，三天抗壓強(qiáng)度大于17.0 MPa。煤矸石經(jīng)破碎為粒徑2.36～4.75 mm 的顆粒供試驗(yàn)使用， 其二氧化硅含量小于80%，屬于黏土巖質(zhì)煤矸石。

2.2 試驗(yàn)儀器

試驗(yàn)儀器：標(biāo)準(zhǔn)擊實(shí)儀、天平、臺(tái)秤、圓孔篩、標(biāo)準(zhǔn)恒溫養(yǎng)護(hù)箱、應(yīng)變控制式無(wú)側(cè)限壓縮儀、干燥器、拌土鐵盤、碾土器、土鏟、量筒、推土器、削土刀、平直尺、噴水器等。

2.3 試驗(yàn)方案

試驗(yàn)采用TX-W 和TX-B 固化劑對(duì)黃土進(jìn)行改良。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)選擇固化劑摻量r=0.03%（r=固化劑質(zhì)量/干土質(zhì)量）， 然后對(duì)試樣進(jìn)行擊實(shí)試驗(yàn)，得出最佳含水量為12%，最大干密度為1.9 g/cm2，并以此為基礎(chǔ)制成直徑50 mm、 高50 mm 圓柱體試件，最后進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)生，達(dá)到指定齡期（7 d， 14 d，28 d）后，對(duì)試樣進(jìn)行無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)。在固化劑改良黃土試樣中，水泥含量分別為4%、6%、8%、10%，黃土含量分別為96%、94%、92%、90%；在固化劑煤矸石改良黃土試樣中， 水泥含量分別為4%、6%、8%、10%，黃土含量均為20%，煤矸石含量分別為76%、74%、72%、70%。其制樣過(guò)程、養(yǎng)生方法以及試驗(yàn)過(guò)程均參考JTG E51—2009《公路公程無(wú)機(jī)結(jié)合料穩(wěn)定材料試驗(yàn)規(guī)程》（T0805-1994）。試樣成型壓實(shí)度處于98%， 以保證試樣有足夠的抗壓強(qiáng)度。

2.4 無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)

將試樣放在底座，轉(zhuǎn)動(dòng)手輪，底座緩慢上升，試樣與加壓板剛好接觸，將測(cè)力計(jì)讀數(shù)調(diào)整為零。根據(jù)試樣軟硬程度選用不同量程的測(cè)力計(jì)。軸向應(yīng)變速度宜為每分鐘應(yīng)變1%～3%。轉(zhuǎn)動(dòng)手柄，升降設(shè)備上升進(jìn)行試驗(yàn)，軸向應(yīng)變小于3%時(shí)，每隔0.5%應(yīng)變標(biāo)準(zhǔn)中的方法實(shí)際條件為(或0.25 mm)讀數(shù)一次；軸向應(yīng)變大于等于3%時(shí)，每隔1%應(yīng)變(或0.8 mm)讀數(shù)一次。試驗(yàn)宜在8～10 min 內(nèi)完成。當(dāng)測(cè)力計(jì)讀數(shù)出現(xiàn)峰值，進(jìn)行3%～5%的應(yīng)變，然后停止試驗(yàn)；當(dāng)讀數(shù)無(wú)峰值時(shí)，試驗(yàn)進(jìn)行到應(yīng)變20%為止。試驗(yàn)結(jié)束，取下試樣，描述試樣破壞后的形狀。

3 試驗(yàn)結(jié)果及分析

3.1 水泥含量和固化劑類型對(duì)改良黃土強(qiáng)度的影響

比較齡期分別為7 d、14 d、28 d 時(shí)固化劑亞類和水泥含量對(duì)改良黃土的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度影響見(jiàn)圖1。由圖1 可知，當(dāng)水泥含量為4%～10%時(shí)，改良黃土的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度隨水泥含量的增加而增大。TX-B型固化劑改良黃土的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度大于TX-W 型固化劑改良黃土的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度， 即TX-B 型固化劑對(duì)黃土的改良效果優(yōu)于TX-W 型固化劑。

圖1 改良黃土的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度與水泥含量、固化劑亞類和齡期的關(guān)系

3.2 水泥含量和固化劑對(duì)改良煤矸石黃土效果的影響

比較齡期分別為7 d、14 d、28 d 時(shí)固化劑亞類和水泥含量對(duì)改良煤矸石黃土的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度的影響見(jiàn)圖2。由圖2 可知，TX 型固化劑在水泥含量4%～10%范圍內(nèi)，改良煤矸石黃土的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度隨水泥含量的增加而增大；4%～6%比6%～10%水泥含量條件下改良煤矸石黃土的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度的增加率小， 說(shuō)明水泥含量6%～10%時(shí)，增加水泥含量改良煤矸石黃土的效果更好，且固化劑亞類對(duì)改良煤矸石黃土的影響相差不大。

圖2 改良煤矸石黃土的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度與水泥含量、固化劑亞類和齡期的關(guān)系

3.3 改良黃土和煤矸石黃土效果對(duì)比

為了研究固化劑改良黃土和煤矸石黃土的效果， 整理得出齡期28 d 時(shí)不同固化劑改良效果對(duì)比（表1）。從中得出，齡期28 d、水泥含量4%～10%時(shí)，TX-B 改良黃土的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度比TX-W 改良效果好；齡期28 d、水泥含量4%～10%時(shí)，二者改良效果基本相同，這與煤矸石的摻入有很大關(guān)系。

圖3 改良土的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度對(duì)比

表1 齡期28 d TX-B 型和TX-W 型固化劑改良效果對(duì)比

改良土無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度對(duì)比見(jiàn)圖3。由圖3 可知，在試驗(yàn)范圍內(nèi)，改良黃土的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度受齡期影響最大，其次為水泥含量，再次為固化劑亞類。改良煤矸石黃土的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度受水泥含量影響最大，其次為齡期，固化劑亞類對(duì)改良煤矸石黃土基本無(wú)影響。在試驗(yàn)條件下，改良黃土強(qiáng)度范圍處于5.05～8.62 MPa； 改良煤矸石黃土強(qiáng)度范圍處于10.43～17.85 MPa， 即改良煤矸石黃土強(qiáng)度更大。

研究改良土強(qiáng)度7 d 增長(zhǎng)情況，整理得出齡期14 d 前和14 d 后TX-B 型和TX-W 型固化劑改良效果對(duì)比（表2）。從中得出，改良黃土在試驗(yàn)齡期內(nèi)的強(qiáng)度增長(zhǎng)量均大于改良煤矸石黃土的強(qiáng)度增長(zhǎng)量； 二者的標(biāo)準(zhǔn)化強(qiáng)度在14 d 前的增長(zhǎng)量均大于14 d 后的增長(zhǎng)量。試驗(yàn)條件下，改良黃土的標(biāo)準(zhǔn)化無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度7 d 增長(zhǎng)量在0.220 MPa 以上。改良煤矸石黃土的標(biāo)準(zhǔn)化無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度7 d 增長(zhǎng)量超過(guò)0.039 MPa。

表2 改良土7 d 的強(qiáng)度增長(zhǎng)量平均值 MPa

研究水泥含量4%～10%時(shí)改良土的強(qiáng)度增長(zhǎng)效果， 整理得出水泥含量為4%～10%時(shí)不同齡期、不同固化劑亞類的的標(biāo)準(zhǔn)化無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度增長(zhǎng)量（表3）。從中得出，TX-B 固化劑改良黃土和改良煤矸石黃土，在水泥含量為4%～10%時(shí)的強(qiáng)度增長(zhǎng)量均隨著齡期的增長(zhǎng)而減少。

表3 水泥含量4%～10%時(shí)改良土的標(biāo)準(zhǔn)化無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度增長(zhǎng)量表 MPa

試驗(yàn)范圍內(nèi)， 水泥含量在4%～10%增加時(shí)，改良煤矸石黃土的標(biāo)準(zhǔn)化無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度增加并超過(guò)0.430 MPa。齡期28 d 內(nèi)，水泥含量在4%～10%增加時(shí)，改良黃土的標(biāo)準(zhǔn)化無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度增加并超過(guò)0.030 MPa。

齡期28 d，水泥含量4%～10%時(shí)，TX-B 改良黃土的標(biāo)準(zhǔn)化無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度比TX-W 改良平均增大0.016 MPa；TX-B 改良煤矸石黃土的標(biāo)準(zhǔn)化無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度比TX-W 改良平均增大0.0017 MPa。TX-W 型固化劑改良效果隨齡期增加規(guī)律性不強(qiáng)。

由此可知，改良煤矸石黃土的強(qiáng)度大于改良黃土的強(qiáng)度， 這與改良煤矸石黃土的成分有很大關(guān)系。

改良土的標(biāo)準(zhǔn)化無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度對(duì)比見(jiàn)圖4。由此可知，在試驗(yàn)條件為28 d 齡期、10%水泥含量時(shí)，改良黃土和改良煤矸石黃土的標(biāo)準(zhǔn)化無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度都達(dá)到最大值，且兩者最大值接近，說(shuō)明雖然齡期和水泥含量對(duì)改良黃土和改良煤矸石黃土影響程度不同， 但28 d 后改良黃土和改良煤矸石黃土標(biāo)準(zhǔn)化后的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度相差不大。

圖4 改良土的標(biāo)準(zhǔn)化無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度對(duì)比

4 結(jié)論

采用TX-B 和TX-W 型固化劑對(duì)陜西寶雞黃土和煤矸石黃土進(jìn)行改良，通過(guò)無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)得出以下結(jié)論：

（1）養(yǎng)護(hù)時(shí)間28 d 內(nèi)，改良黃土的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度隨養(yǎng)護(hù)齡期的增加而增大。水泥含量為4%～10%時(shí)，改良黃土的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度隨水泥含量的增加而增大。TX-B 型固化劑改良黃土相較于TXW 型固化劑效果更好。

（2）TX 型固化劑在水泥含量4%～10%范圍內(nèi)，改良煤矸石黃土的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度分別隨水泥含量和齡期的增加而增大。

（3）在試驗(yàn)范圍內(nèi)，改良黃土的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度受齡期影響最大，其次為水泥含量，再次為固化劑亞類。改良煤矸石黃土的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度受水泥含量影響最大，其次為齡期，固化劑亞類對(duì)改良煤矸石黃土基本無(wú)影響，并且改良煤矸石黃土強(qiáng)度比改良黃土強(qiáng)度大，這主要與煤矸石黃土的顆粒組成有關(guān)系。