何 佳,孫 虎,劉志義

(1.陜西國防工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院,陜西 西安 710300;2.蘭州理工大學(xué),甘肅 蘭州 730050)

泥濘道路、海灘、沙地等松軟地面最大的特點就是其力學(xué)性能差、含水量大,車輛在未加固的松軟地面上行駛時,很容易發(fā)生打滑、沉陷、側(cè)滑等事故,嚴重制約車輛裝備的快速通行。且在災(zāi)害救援、海上搶灘登陸等行動中,也需要進行松軟地面的快速加固以保障交通順暢。復(fù)合固化劑的組分大致有水泥、礦渣、環(huán)氧樹脂等,將其鋪澆于松軟地面上可迅速與土顆?；旌贤瑫r發(fā)生固化反應(yīng),形成一硬化層,將其應(yīng)用于松軟地面的加固已成為道路工程實踐的重要研究方向[1]。對此,本文設(shè)計了復(fù)合加固材料加固沙灘地面的力學(xué)強度測試、加固淤泥地面的穩(wěn)定性測試。采用不同的復(fù)合固化材料,設(shè)計了試驗方案與流程,試驗結(jié)果證明:采用復(fù)合固化材料固化松軟路面,可使得地面有著較高的力學(xué)強度和較好的穩(wěn)定性,可顯著提升松軟地面的路用性能。

1 復(fù)合固化材料加固松軟地面的現(xiàn)狀分析

1.1 松軟地面加固研究現(xiàn)狀

在當(dāng)前松軟地面道路工程實踐中,普遍利用復(fù)合固化材料對松軟地面進行加固,保護生態(tài)環(huán)境的同時提高松軟地面的路用性能。諸多研究人員和學(xué)者對固化松軟地面的力學(xué)性能、固化機理以及穩(wěn)定性進行了研究,發(fā)現(xiàn)固化淤泥有著明顯的固結(jié)屈服應(yīng)力,固化材料中水泥摻量的增大,可增加土體的粘聚力和內(nèi)摩擦角,屈服前階段膠結(jié)作用決定固化淤泥的強度,屈服后階段由構(gòu)成作用所決定。水泥摻量和齡期會影響固化淤泥的持水性,水化產(chǎn)物在膠接填充作用下可改變淤泥的孔隙結(jié)構(gòu),使得淤泥有著更高的持水性,可有效阻止內(nèi)部重金屬遷移。在實際的松軟地面固化過程中,固化土的壓實時間過長,雖然便于固化土的密實,但會損失部分的土體膠接強度,因此,為更好發(fā)揮水泥材料的膠結(jié)作用,固化土拌合后應(yīng)盡快使用[2-3]。

1.2 環(huán)氧樹脂固化劑與其固化機理

新型的復(fù)合固化材料除了包含水泥、生石灰、礦渣等材料以外,還有高分子吸水樹脂、環(huán)氧樹脂等材料,更有助于松軟地面力學(xué)性能和穩(wěn)定性的提升。環(huán)氧樹脂膠是一種以環(huán)氧樹脂為主體制備的膠粘劑,膠體中包括環(huán)氧樹脂固化劑,否則該膠粘劑不能固化。環(huán)氧樹脂膠有著固化速度快、固化強度高、粘接力強等特點,在道路工程、橋梁工程以及堤防加固工程中應(yīng)用廣泛。環(huán)氧樹脂固化材料的固化機理為:快速滲透至松軟路面的表層,與交聯(lián)劑發(fā)生縮合反應(yīng)形成網(wǎng)狀立體聚合物,將脫水后的表層土壤包絡(luò)在其中,從而在路面表層形成高強度的板體結(jié)構(gòu)層。松軟地面中的水分會影響環(huán)氧樹脂固化劑的固化效果,而水下環(huán)氧樹脂固化劑材料則能夠不受水分的影響,可將其直接鋪澆于沙灘、海灘松軟地面,在固化劑的作用下,環(huán)氧樹脂發(fā)生化學(xué)變化形成網(wǎng)狀立體聚合物,包絡(luò)沙土顆粒形成硬殼層[4-5]。

2 復(fù)合固化材料在松軟地面道路工程中的應(yīng)用

2.1 復(fù)合固化劑固化沙灘的力學(xué)強度分析

2.1.1試驗設(shè)計與試樣制備

采用810型水下環(huán)氧樹脂復(fù)合固化材料,進行室內(nèi)的松軟地面固化抗壓強度模擬試驗,試驗溫度為常溫20 ℃,采用某水域的海沙模擬沙灘環(huán)境,其含水量為25%左右。將環(huán)氧樹脂灌漿液、ISS離子土壤固化劑和沙土按照不同的配比,設(shè)計為3組試驗,每組一次測試5個試樣,共測試3次。對每個試樣進行不同固化時長下的無側(cè)限抗壓強度測試,將同一固化時長的試樣作為平行對照,以3次測試的平均值為最終結(jié)果[6-7]。

制作過程中先在土樣中添加一定配比的ISS離子土壤固化劑,靜置一段時間后再添加一定配比的環(huán)氧樹脂復(fù)合固化材料,制作出試驗設(shè)定不同配比的試樣,將試樣制備為Φ=50 mm、h=50 mm的標(biāo)準(zhǔn)圓柱體,靜置脫模后用塑料薄膜包裹密封,養(yǎng)護1周左右。采用DW-1型無側(cè)限壓力儀在不同的固化時長下進行試樣的抗壓強度測試[8]。

具體測試流程為:將試樣兩端均勻涂抹一層凡士林,置于無側(cè)限壓力儀上加載。調(diào)整測力計,啟動開關(guān),記錄電機每轉(zhuǎn)動一圈時的儀器讀數(shù);當(dāng)測力計讀數(shù)達到最大值時,繼續(xù)進行3%以內(nèi)的應(yīng)變后停止;當(dāng)讀數(shù)無穩(wěn)定值時,壓力儀的軸向應(yīng)變應(yīng)達到15%后才可停止測試。關(guān)閉壓力儀,取出試樣,記錄與分析試樣破壞后的形狀。

2.1.2試驗結(jié)果分析

不同配比的復(fù)合固化材料固化松軟地面的無側(cè)限抗壓強度測試結(jié)果如表1所示[9]。

表1 松軟地面固化力學(xué)強度試驗結(jié)果Tab.1 Test results of mechanical strength of soft ground curing

由表1可見,這3種配比的試樣在0.5 h的固化時長下,無側(cè)限抗壓強度均較小,強度增加不明顯。隨著固化時長的增加,試樣的抗壓強度逐漸增加,說明試樣的初步凝膠時間約為0.5 h。在1.0～2.0 h時,試樣的抗壓強度提升顯著,尤其是第1組配比。通過這3組配比的分析,當(dāng)骨料比例不變,復(fù)合固化材料比例增加時,與前2組相比,第1組的試樣強度更高,但其固化前期的抗壓強度差距不大。說明固化劑的含量受松軟地面加固效果的直接影響因素,固化材料的含量越多,加固效果越明顯,但短期內(nèi)的變化不顯著。2.0 h后試樣的抗壓強度依舊快速增加,時間越長,試樣力學(xué)強度的提升速度越快,說明該環(huán)氧樹脂復(fù)合固化材料加固松軟地面時,固化初期是ISS離子土壤固化劑對土壤中水分的改變階段,后期水分逐漸排出,環(huán)氧樹脂在當(dāng)前基礎(chǔ)上快速固化,將脫水后的沙土顆粒包絡(luò)于網(wǎng)狀體中,使得松軟地面以較快速度有著較強的力學(xué)強度,通用車輛的最低通行要求一般為0.4～0.7 MPa,可見其能夠滿足這一通行要求[10-12]。

2.2 復(fù)合固化劑固化淤泥的穩(wěn)定性分析

2.2.1試驗設(shè)計與試樣制備

采用某地區(qū)近海沉積的淤泥為測試對象,進行濕潤條件下固化淤泥的水穩(wěn)性的模擬測試。淤泥的含水率在66%左右,粘粒含量約占36%。采用水泥、生石灰、高鐵酸鉀和高分子吸水樹脂材料制備所需復(fù)合固化劑,其配比為:6∶2∶0.5∶2,其中高鐵酸鉀常作為無毒、高效的消毒劑用于污水、污泥的處理,高分子吸水樹脂對于去離子水的吸水倍率大于等于400倍,在加熱加壓條件下也不易失水。

向淤泥中摻入不同摻量的固化材料,混合為4種固化淤泥試樣進行對比分析,分別為未固化淤泥試樣、摻6%水泥和摻15%水泥的固化淤泥試樣以及摻有復(fù)合固化劑的固化淤泥試樣。將固化淤泥制成Φ=62 mm,h=20 mm的餅狀試樣。將養(yǎng)護1周后的試樣進行浸水試驗,置于玻璃水槽中,加入去離子水并完全淹沒試樣,間隔1 h、24 h、3 d和14 d對試樣崩解情況進行拍攝,分析復(fù)合固化劑的固化效果[13]。

2.2.2固化淤泥的浸水崩解情況分析

浸水后,試樣的表面孔隙和裂紋中會快速吸收水分子至飽和狀態(tài),此時,淤泥顆粒間的作用力會減弱。未固化的試樣浸水1 h后表面迅速呈現(xiàn)網(wǎng)狀裂縫,隨著浸水時長的增加,試樣側(cè)面土顆粒粘接力消失,出現(xiàn)掉塊現(xiàn)象,于某一刻突然崩解;摻6%水泥的試樣在浸水1 d后才出現(xiàn)裂縫,之后裂縫擴展延伸,在14 d后呈現(xiàn)較寬的裂縫,但未崩解;摻15%水泥的試樣整個過程中未出現(xiàn)破壞,這是由于水泥水化反應(yīng)和火山灰反應(yīng)生成膠凝物質(zhì),和土顆粒間存在膠接作用提升了固化效果;摻入復(fù)合固化劑的試樣在整個過程中僅有少量土顆粒的剝落,這說明復(fù)合固化劑的添加有助于增強淤泥路面的整體穩(wěn)定性,而土顆粒的剝落可能是吸水樹脂吸水膨脹造成。將該無毒、穩(wěn)定、環(huán)保的復(fù)合固化劑應(yīng)用于松軟淤泥路面的處理,可滿足道路工程對于路面強度、變形和穩(wěn)定性的要求[14-15]。

2.2.3固化淤泥的耐久性分析

對上述后3種摻入量固化淤泥試樣進行干濕循環(huán)作用下的耐久性分析,對比各試樣的質(zhì)量損失率分析復(fù)合固化劑對松軟地面的耐久性影響。具體測試流程為:為每種摻入量制備7個試樣,一個試樣作為參照,稱量參照試樣的質(zhì)量,將其余6個試樣平均分為試驗樣和控制樣,試驗樣放入燒杯中置于60 ℃左右的烘箱中烘干24 h;控制樣放入燒杯中置于室溫、濕度大于95%養(yǎng)護箱中養(yǎng)護24 h。然后全部取出靜置1 h,于室溫環(huán)境下向燒杯中加入去離子水淹沒試樣培養(yǎng)23 h。最后取出試樣沖洗試樣表面碎屑,觀察試樣的損壞情況,并測定燒杯中殘余固體部分質(zhì)量,重復(fù)該干濕循環(huán)過程12次[16-17]。判定固化淤泥試樣質(zhì)量損失情況的依據(jù)為試樣破壞情況和平均累積相對質(zhì)量損失率(S),若S小于30%,試樣未明顯破壞則證明試樣的耐久性符合道路工程要求,其計算公式:

(1)

式中:Wi,s、Wi,c分別表示第i次循環(huán)試驗樣與控制樣的干質(zhì)量損失;Ms、Mc分別表示試驗樣和控制樣的干質(zhì)量。經(jīng)過計算與損壞情況觀察分析,得到干濕循環(huán)過程中各固化淤泥的平均累積相對質(zhì)量損失率變化曲線,具體如圖1所示[18]。

圖1 固化淤泥質(zhì)量損失率變化曲線

由圖1可知,只摻有水泥的前2個固化淤泥試樣隨著循環(huán)次數(shù)的增多,它們的平均累積相對質(zhì)量損失率迅速增長,分別在第3、7次干濕循環(huán)時出現(xiàn)明顯損壞且整體崩解,說明僅采用水泥進行淤泥的固化無法達到道路工程的使用要求。摻有復(fù)合固化劑的固化淤泥試樣經(jīng)過全部循環(huán)后整體平均累積相對質(zhì)量損失率僅為3.9%,前3的干濕循環(huán)使得固化淤泥試樣出現(xiàn)了一定的質(zhì)量損失,之后的循環(huán)中質(zhì)量損失較為平緩。12次循環(huán)后試樣的表面只有輕微的剝落現(xiàn)象,不存在明顯裂縫,說明利用復(fù)合固化劑進行淤泥松軟地面的加固,其能夠擁有較好的耐久性,有助于提升固化淤泥的路用性能[19-20]。

3 結(jié)語

(1)隨著固化時間的增加,復(fù)合加固劑加固試樣的力學(xué)強度不斷增加,固化材料的含量越多,加固效果越明顯;

(2)摻入復(fù)合固化劑的固化試樣在浸水條件下有著較好的整體穩(wěn)定性,僅有少量土顆粒的剝落。經(jīng)12次干濕循環(huán)后摻入復(fù)合固化劑的固化試樣,其平均相對質(zhì)量損失僅為3.9%,耐久性遠高于僅摻入水泥的固化試樣,可提升固化淤泥地面的穩(wěn)定性。