不同土壤固化劑對(duì)黏土固化性能試驗(yàn)研究

姚愛(ài)超，柳久偉

（山東省交通科學(xué)研究院，山東 濟(jì)南 250031）

引言

現(xiàn)階段高速公路邊坡防護(hù)方式主要有應(yīng)用人工種草護(hù)坡，由于草籽播撒不均勻，草籽易被雨水沖走，種草成活率低等原因，往往達(dá)不到滿(mǎn)意的邊坡防護(hù)效果，而造成坡面沖溝，表土流失等邊坡病害，導(dǎo)致大量的邊坡病害整治、修復(fù)工程。漿砌片石骨架植草護(hù)坡，通常做成截水型漿砌片石骨架，能減輕坡面沖刷，保護(hù)草皮生長(zhǎng)，需要開(kāi)采礦山，增加較大工程量。使用土壤固化劑能夠直接增強(qiáng)破面土體強(qiáng)度，防止水流沖刷造成的破壞，對(duì)周邊環(huán)境和植被無(wú)不良影響，能夠起到護(hù)坡、綠化、節(jié)約資源的目的［1-2］。

1 土壤固化劑分類(lèi)及作用機(jī)理

土壤固化劑為摻入素土后，通過(guò)與素土、水、空氣的物理或化學(xué)反應(yīng)，改善素土工程性能的材料。土壤固化劑根據(jù)其外觀形態(tài)，可以分為液體固化劑和粉狀固化劑；按照主要膠結(jié)料組份可以分為無(wú)機(jī)類(lèi)、有機(jī)類(lèi)、生物酶類(lèi)固化劑、復(fù)合型固化劑等四類(lèi)［3-4］。

土壤固化劑的作用機(jī)理可以概括為物理力學(xué)過(guò)程、化學(xué)過(guò)程和物理化學(xué)過(guò)程三大過(guò)程［5］。物理力學(xué)過(guò)程是土體強(qiáng)度形成最基本的加固手段，土體在外荷載作用下孔隙率會(huì)減小，密實(shí)度的增加會(huì)引起土體強(qiáng)度的增長(zhǎng)，該過(guò)程是任何類(lèi)型的土壤固化劑在固化土壤時(shí)都必需的，對(duì)強(qiáng)度的形成具有非常重要的作用?；瘜W(xué)過(guò)程是指土壤固化劑在與土壤相互作用的的過(guò)程中，其本身組分發(fā)生的化學(xué)反應(yīng)、土體與土壤固化劑中的某些組分發(fā)生的反應(yīng)等。物理化學(xué)過(guò)程主要指土壤顆粒與固化劑中各組分的吸附過(guò)程，包括物理吸附、化學(xué)吸附和物理化學(xué)吸附。以上這三種過(guò)程并不是相互孤立的，而是相互聯(lián)系和相互促進(jìn)的，化學(xué)過(guò)程和物理化學(xué)過(guò)程能使土體的力學(xué)性能、抗?jié)B性能、耐久性能等工程性能得以改善，而物理力學(xué)過(guò)程則是化學(xué)過(guò)程和物理化學(xué)過(guò)程更好地發(fā)揮作用的保證。

2 試驗(yàn)原材

2.1 試驗(yàn)用土

試驗(yàn)所用土樣取自山東某改擴(kuò)建高速公路的土質(zhì)邊坡部位，土樣顏色呈深黃色。通過(guò)顆粒篩分與塑性指標(biāo)綜合判斷為低液限黏土。對(duì)土樣進(jìn)行顆粒分析試驗(yàn)，其試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表1，基本物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)見(jiàn)表2。

表1 土樣篩分試驗(yàn)結(jié)果

表2 土樣的液塑限及塑性指數(shù)

2.2 土壤固化劑

試驗(yàn)選取韓國(guó)進(jìn)口N-siol土壤固化劑與國(guó)產(chǎn)GS土壤固化劑對(duì)比評(píng)價(jià)對(duì)低液限黏土的固化性能，兩種固化劑均為不需要添加無(wú)機(jī)結(jié)合料即可發(fā)揮固化作用。韓國(guó)N-siol土壤固化劑為淺灰色粉末，不溶于水，遇水分散呈絮狀物于燒杯底部。GS土壤固化劑為淺白色粉末，不溶于水，遇水分散沉淀于燒杯底部。兩種土壤固化劑的作用機(jī)理基本相同，都可以概括為物理力學(xué)過(guò)程、化學(xué)過(guò)程和物理化學(xué)過(guò)程，三大過(guò)程形成最終的固結(jié)強(qiáng)度。

3 試驗(yàn)

3.1 試驗(yàn)方案

（1）固化性能評(píng)價(jià)方案：試驗(yàn)采用山東某改擴(kuò)建高速公路的土質(zhì)邊坡部位的土，進(jìn)行擊實(shí)試驗(yàn)確定最佳含水率與最大干密度，素土、GS固化劑、N-soil固化劑按照確定的最佳含水率，96%壓實(shí)度標(biāo)準(zhǔn)成型無(wú)側(cè)限試件，分別測(cè)試7 d浸水與非浸水無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度，其試驗(yàn)見(jiàn)表3。

表3 土壤固化劑固化性能試驗(yàn)方案

（2）環(huán)保性能評(píng)價(jià)方案：主要模擬自然條件下降雨對(duì)兩種固化劑成型后的樣品進(jìn)行沖刷后析出形成析出液，然后對(duì)析出液進(jìn)行相應(yīng)指標(biāo)的測(cè)試，來(lái)判斷其對(duì)自然環(huán)境可能產(chǎn)生的影響及程度。

3.2 擊實(shí)試驗(yàn)

對(duì)土樣進(jìn)行擊實(shí)試驗(yàn)，參照規(guī)范《公路土工實(shí)驗(yàn)規(guī)范》（JTG E40—2007）的（T0121—2007）擊實(shí)試驗(yàn)進(jìn)行，本次擊實(shí)試驗(yàn)結(jié)果土的最佳含水率為11.72 %，最大干密度為1.9 g/cm3。本試驗(yàn)僅評(píng)價(jià)7 d無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度，考慮到試驗(yàn)參數(shù)對(duì)結(jié)果的影響，采用土的擊實(shí)結(jié)果作為兩種固化劑成型試件的標(biāo)準(zhǔn)參數(shù)，土樣擊實(shí)曲線(xiàn)見(jiàn)圖1。

圖1 土樣擊實(shí)曲線(xiàn)

3.3 固化劑固化性能試驗(yàn)

3.3.1 成型試件

固化土試件的標(biāo)準(zhǔn)尺寸與成型方法尚無(wú)統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，參照規(guī)范《公路工程無(wú)機(jī)結(jié)合料穩(wěn)定材料試驗(yàn)規(guī)程》（JTG E51—2009）的（T0843—2009）無(wú)機(jī)結(jié)合料穩(wěn)定材料試件制作方法（圓柱形）進(jìn)行。采用靜力壓實(shí)法制備試件，試件尺寸采取直徑50 mm與高度50 mm的圓柱體試件，試件裝料質(zhì)量按96 %的壓實(shí)度計(jì)算成型。

3.3.2 試件標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)生

參照《公路工程無(wú)機(jī)結(jié)合料穩(wěn)定材料試驗(yàn)規(guī)程》（JTG E51—2009）規(guī)范無(wú)機(jī)結(jié)合料試件養(yǎng)生方法，固化土養(yǎng)生過(guò)程：（1）試件靜壓完畢從試模內(nèi)脫出，輕輕拖住試件底部將其平移取出，稱(chēng)量質(zhì)量測(cè)量高度，將試件裝入封口袋中密封好，按順序編好號(hào)放入恒溫恒濕標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)箱養(yǎng)護(hù)。（2）標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)生的溫度為 20 ℃ ± 2 ℃，濕度為≥95% 。試樣豎直放在鐵架或木架上，間距至少10～20 mm。試樣表面應(yīng)覆蓋一層保鮮膜，避免凝結(jié)水滴直接滴落浸泡試件。（3）標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)生第6 天，將浸水試件取出，觀察試件的邊角有無(wú)磨損和缺塊，量測(cè)高和質(zhì)量，然后將試件浸泡于20 ℃± 2 ℃水中，應(yīng)使水面在試件頂上約2.5 cm，非浸水試件在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)生箱養(yǎng)生至7 d齡期。

3.3.3 無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)

現(xiàn)階段還沒(méi)有專(zhuān)門(mén)針對(duì)土壤固化劑試驗(yàn)的規(guī)范，參照規(guī)范《公路工程無(wú)機(jī)結(jié)合料穩(wěn)定材料試驗(yàn)規(guī)程》（JTG E51—2009）的（T0805—1994）無(wú)機(jī)結(jié)合料穩(wěn)定材料無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)方法進(jìn)行，使用MTS E43.104電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)，試驗(yàn)速度設(shè)置為1 mm/min，試樣的7 d浸水無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表4，7 d非浸水無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表5。

表4 7 d浸水無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度

表5 7 d非浸水無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度

GS固化劑固化土壤的水穩(wěn)定性較差，但較素土水穩(wěn)定性有明顯提升，7 d無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度為素土的1.4倍，破壞變形曲線(xiàn)有明顯的峰值。N-soil固化劑固化土壤的水穩(wěn)定性良好，7 d無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度為素土的4倍，為GS固化劑的2.9倍，對(duì)土壤固化效果較明顯，破壞變形曲線(xiàn)有明顯的峰值，力值曲線(xiàn)呈拋物線(xiàn)變化。

3.3.4 環(huán)保性能試驗(yàn)

對(duì)兩種固化劑成型后的樣品進(jìn)行沖刷后析出液進(jìn)行色度、pH值和重金屬離子含量測(cè)試，測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表6。

表6 浸出液PH值和色度測(cè)試值

兩種固化劑固化土壤浸出液都未檢測(cè)出重金屬離子含量，兩者pH值相差不大，都成較強(qiáng)堿性，對(duì)周?chē)h(huán)境可能造成不利影響，兩者浸出液色度也相差不大，相對(duì)較混濁。

4 結(jié)語(yǔ)

（1）綜合顆粒篩分?jǐn)?shù)據(jù)和液塑限數(shù)據(jù)判定試驗(yàn)所用土樣為低液限黏土，7 d無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度較低，泡水迅速分散，說(shuō)明素土水穩(wěn)定性很差，不適合直接用于降雨較多的高邊坡路段。（2）N-soil固化劑固化土壤的固化性能優(yōu)良，7 d無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度能夠滿(mǎn)足高邊坡路段穩(wěn)定性要求，泡水1 d完整性好抗水損害能力較強(qiáng)。N-soil固化劑對(duì)于低液限黏土具有較好固化作用。（3）兩種固化劑浸出液的pH值呈較強(qiáng)的堿性，色度顯示較混濁，浸出液都不含有重金屬離子析出，鑒于N-soil固化劑良好的固化和水穩(wěn)定性，受雨水沖刷浸出液的流量能否對(duì)周?chē)h(huán)境造成影響還需要進(jìn)一步實(shí)施試驗(yàn)路段評(píng)價(jià)。