常晶明

（1.太原理工大學(xué)，山西 太原 030024；2.山西省水利建筑工程局，山西 太原 030006）

1 前言

土壤固化劑（以下簡(jiǎn)稱“固化劑”）是一種性能優(yōu)異的復(fù)合材料，具有就地取材、施工簡(jiǎn)單、作用廣泛、節(jié)約資源、施工快捷和節(jié)省投資等優(yōu)點(diǎn)。固化土的固化強(qiáng)度可根據(jù)摻入比進(jìn)行調(diào)整，以滿足不同工程要求。土壤固化劑廣泛應(yīng)用于交通工程、土木建筑、環(huán)境保護(hù)、農(nóng)田水利工程、固化處理各種污泥（包括含有廢油、油泥、重金屬、有機(jī)物的淤泥）等工程領(lǐng)域[1，2，3]。

土壤固化劑在工程中應(yīng)用較多，而對(duì)其理論方面的研究相對(duì)較少。在過去的研究中，主要是針對(duì)某個(gè)具體工程，根據(jù)工程要求，在確定的配合比情況下做一些試驗(yàn)，但對(duì)同一種土體，配合比發(fā)生變化時(shí)沒有進(jìn)行詳細(xì)的研究或做的較少。本試驗(yàn)較詳細(xì)地研究了粉土、粉砂、細(xì)砂在土壤固化劑不同摻入比或干重度情況下固化后的滲透特性[4，5]，以期為水利工程防滲提供技術(shù)依據(jù)。

2 固化土固化機(jī)理

土壤中添加土壤固化劑攪拌均勻后，在成型壓力作用下土體顆粒緊密接觸。在土壤顆粒附近，固化劑水化生成水化硅酸鈣、沸石、方鈉石及硅酸等，使黏土顆粒表面形成凝結(jié)硬化殼。固化劑的激活組分以不同方式滲入顆粒內(nèi)部，并與黏土礦物發(fā)生物理化學(xué)作用，形成水鋁酸鹽、水硅酸鹽等膠結(jié)物質(zhì)，使黏土顆粒表面產(chǎn)生不可逆凝結(jié)硬化。固化后的黏土具有水穩(wěn)性和強(qiáng)度穩(wěn)定性。

極性水分子和OH-進(jìn)入黏土顆粒內(nèi)部空穴，使土體分散，表面積增加。這些被分散的黏土顆粒表面一般帶有負(fù)電荷，其動(dòng)電電位增大，固化土中固化劑的組分可替換土體中凝聚能力低的離子，降低電位，促使黏土顆粒凝聚，同時(shí)電解質(zhì)濃度增加，膠粒雙電層減薄，有利于顆粒凝聚。

分散土體系的主要結(jié)構(gòu)連接是靠礦物與膠結(jié)物質(zhì)界面上的化學(xué)力來實(shí)現(xiàn)的，層狀硅酸鹽自身建立空間網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。固化土中的固化劑主要水化產(chǎn)物以及其與黏土礦物反應(yīng)的生成物，均屬上述膠結(jié)物質(zhì)之一，能夠牢固地膠結(jié)分散的土壤顆粒，增加和加固這種網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，使之成為一個(gè)具有較高強(qiáng)度和穩(wěn)定性的硬化整體。

3 試樣制備與試驗(yàn)方法

3.1 土樣選取

在水利工程中，可能遇到不同類型的土體，本次試驗(yàn)以粉土、粉砂、細(xì)砂作為固化土的土樣。

3.2 試樣制備

土樣取回后，將土樣中的雜草、樹葉、草根等雜物篩除干凈，測(cè)出其含水量，密閉放置。試樣制備時(shí)，根據(jù)不同的配合比將土料、土壤固化劑及粉煤灰摻和攪拌均勻，最后加入所需的用水量（含水量控制在最優(yōu)含水量左右）。滲透試樣在滲透環(huán)刀中擠壓成型。

3.3 試樣養(yǎng)護(hù)

試樣擠壓成型后，放入保濕器中進(jìn)行保溫保濕養(yǎng)護(hù)。養(yǎng)護(hù)期間定時(shí)在試樣表面撒水直至規(guī)定齡期后進(jìn)行試驗(yàn)。

4 固化土滲透性能試驗(yàn)

4.1 擊實(shí)試驗(yàn)

由于國(guó)內(nèi)目前尚無固化土擊實(shí)試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)，故本次試驗(yàn)參照水利部SL237-011-1999“土工實(shí)驗(yàn)規(guī)程”進(jìn)行。采用輕型擊實(shí)儀確定固化土混合料的最大干密度和最優(yōu)含水量。不同土樣擊實(shí)試驗(yàn)結(jié)果見表1。

表1 不同土樣擊實(shí)試驗(yàn)結(jié)果

4.2 固化土滲透試驗(yàn)

本次滲透試驗(yàn)采用南55型滲透儀，操作步驟按照水利部SL237-011-1999“土工實(shí)驗(yàn)規(guī)程”中的方法進(jìn)行。

土體和固化劑固化后，生成水鋁酸鹽，含水硅酸鹽等膠凝物質(zhì)，使土顆粒表面產(chǎn)生不可逆凝結(jié)硬化。導(dǎo)致固化后土顆粒狀態(tài)與原始狀態(tài)不一致，其滲透特性會(huì)發(fā)生變化。

各類固化土滲透系數(shù)與齡期及摻入比的關(guān)系分別見表2、表3和表4。

表2 粉土試驗(yàn)結(jié)果

表3 粉砂試驗(yàn)結(jié)果

表4 細(xì)砂試驗(yàn)結(jié)果

5 實(shí)際工程應(yīng)用

太原市森林公園是太原市環(huán)城水系的一部分，2003年建成使用。該工程使用了土工膜、漿砌石、混凝土、固化劑等防滲材料，根據(jù)水利工程定額對(duì)各種防滲材料進(jìn)行分析比較，固化土比預(yù)制混凝土板、現(xiàn)澆混凝土防滲成本降低約40%，比漿砌石降低約30%，比使用土工膜降低20%。使用至今，固化土各力學(xué)性能能夠滿足工程需要。固化土可就地取材，不需從別處運(yùn)來土、砂、石等建筑材料，也不破壞生態(tài)環(huán)境，具有明顯的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。

6 結(jié)語

通過對(duì)固化土滲透特性能的試驗(yàn)，并對(duì)其結(jié)果進(jìn)行分析和硬化機(jī)理進(jìn)行探討后，得出如下結(jié)論：

第一，固化土的滲透系數(shù)與齡期關(guān)系明顯。隨著齡期的增長(zhǎng)，滲透系數(shù)明顯變小。

第二，在同一齡期下，滲透系數(shù)隨固化劑摻入比的變化顯著，摻入比愈大，滲透系數(shù)愈小，反之，滲透系數(shù)愈大。

第三，試驗(yàn)得到的固化土滲透系數(shù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)可為實(shí)際工程提供依據(jù)。該試驗(yàn)數(shù)據(jù)已在太原市森林公園人工湖尾水渠工程得到實(shí)踐檢驗(yàn)。

第四，固化劑在固化時(shí)所用的土料、砂、石等建筑材料可就地取材，既保護(hù)環(huán)境，又降低成本。

第五，試驗(yàn)中還用中砂進(jìn)行試驗(yàn)，所得結(jié)果與本文試驗(yàn)所取土樣有相同規(guī)律。

［1］梁文全，何真，李亞杰.土壤固化劑的性能及固化機(jī)理的研究[J].武漢水利大學(xué)電力學(xué)報(bào)，1995，28（6）：675-679.

［2］張海燕，張傳森，李元婷.采用土壤固化劑改善渠道基土性能初探[J].水利與建筑工程學(xué)報(bào)，2003，1（2）：38-40.

［3］張海燕，韓蘇建，李元婷.土壤固化劑用于渠道防滲工程初探[J].水土保持通報(bào)，2004，1（1）：40-42.

［4］段海龍，呂靖.土壤固化劑無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)研究[J].應(yīng)用化工，2002，31（2）：39-40.

［5］董邑寧，張青娥.固化土強(qiáng)度特性試驗(yàn)研究[J].科技通報(bào)，2003，19（6）：477-480.