较高含水率条件下土壤固化技术应用研究.pdf

为解决土壤固化技术应用过程中不良土质含水率超标时处理困难的问题，对道路工程中高液限黏土的固化处理技术进行了研究，探索了在较高土壤含水率条件下采用不同固化方方案的可行性。对钨尾矿微粉处理、固废基粉状固化剂处理、离子型液体固化剂处理 种处理方式在不同配比和不同含水率条件下的 无侧限抗压强度进行了研究，并对作用机理进行了分析。结果表明：在成本可控的前提下，加入尾矿微粉、粉体固化剂和液体固化剂分别能在土壤含水率不超过 、的条件下进行有效的固化处理，其中液体固化剂加水泥进行固化工期更短，工艺和设备更为成熟。根据试验结果和机理分析，最终选择 离子型液体固化剂加 水泥的固化方案在某高速公路服务区匝道土壤固化垫层项目进行了应用，应用效果良好。关键词道路工程；较高含水率土壤；土壤固化；无侧限抗压强度 中图分类号 文献标志码 文章编号 （），（，；，），；第 期孙剑峰，等：较高含水率条件下土壤固化技术应用研究 引言土壤是公路建设过程中接触或使用最多的天然材料，似乎是取之不尽、成本低廉的。实际在公路建设中多数土壤性能不满足直接填筑的要求，并且由于用量巨大，远距离取土运输成本极高。因此如何实现土壤的就地改良和固化成为了一个热门研究领域，土壤固化技术日趋完善，土壤固化剂的研究也逐渐成熟。由于土壤成分复杂，类型众多，相应的土壤固化剂也有丰富的种类。由于土壤固化剂的成分、机理、工艺等存在巨大的差异，所以其分类方法也有多种。其中田威、力乙鹏等 将土壤固化剂分为无机类、有机类、离子类和生物酶类 种，是目前主流的分类方法。由于复合固化剂的兴起，几种分类存在交叉，该类分类方法具有局限性。钟玉建等 将土壤固化剂分为钙基土壤固化剂和非钙基土壤固化剂，并对非钙基土壤固化剂进行了固化机理和应用性能研究。总体来说，国内目前的对土壤固化剂的研究大致可以分为粉体和液体两类。其中粉体固化剂的研究以矿渣、脱硫灰等硅铝质固废基材料为主，传统的水泥、石灰、粉煤灰等既可以归入粉体固化剂的类别，也可以作为辅助固化的无机结合料 。尽管普遍认为水泥固化土技术是传统落后的处理方式，但在实际使用过程中依旧具有极高的性价比。张立群等 对水泥固化土的抗裂性能评价进行了研究。周海成等 对流态水泥固化土的应用进行了研究。周永祥等 采用钢渣粉、脱硫灰、稻壳灰等多种低品质固废作为无熟料胶凝材料制备流态固化土，并进行了相应试验的研究。李新宇等 以矿渣 粉煤灰基地聚物作为固化剂，对临江软弱土进行了固化研究。孙仁娟等 利用矿渣、粉煤灰和脱硫石膏等固体废弃物制备了粉土固化剂，研究了其路用性能。液体固化剂则与传统的胶凝材料不同，主要有离子类、聚合物类、生物酶类等新型土壤固化剂。邢明亮等 对离子型土壤固化剂在水中扩散规律以及与土拌和后的分布规律进行了研究。任瑞波等 对水基聚合物掺量和失水养护温度、时间对固化土强度影响规律进行了研究。罗晓光等 进行了生物酶土壤固化筑路技术在高速公路底基层中的应用研究。而对于土壤含水率条件的研究，主要集中在含水率 以上的高含水率情况 。对于实践过程中广泛存在超出最佳含水率 左右，理论上可以通过翻晒等手段降低含水率，实际上部分地区或项目存在实施困难的情况，依旧缺乏相应的研究。本文结合已有研究，采用了钨尾矿微粉固化、固废基粉体固化剂与离子型液体固化剂等手段，对较高含水率条件下的固化进行了研究，为土壤固化技术在道路工程中的推广应用提供了研究指导。试验材料与方案 试验材料本文所用土料为高液限黏土，取自某高速公路服务区匝道土壤固化垫层项目附近取土点，土料液塑限、最大干密度及最佳含水率如下：液限 为 ，塑限 为 ，塑性指数 为 ，最大干密度为 ，最佳含水率为 ；土料和尾矿微粉的颗粒组成见表 。所用尾矿微粉取自郴州，为经过活化处理的钨尾矿微粉，颗粒级配如表 所示，含水率小于 。所用粉体固化剂为利用矿渣、脱硫石膏等为主要原料配制的粉状固化 剂，主 要 成 分 质 量 百 分 比 如 下：为 ，为 ，为 ，为 ，为 ，为 ，为 ，为 ，为 ，烧失量为 ；含水率小于 。所用液体固化剂为有机 无机复合固化剂，物理性质如下：为 ，溶解性 为完全 溶 解，时 密 度 为（），固 形 物 含 量 为 ；需配合水泥或石灰使用所用水泥为 水泥（含水率小于 ），物理化学性质如表所示。表 土料和尾矿微粉的颗粒组成 筛径 土料通过率 尾矿微粉通过率 筛径 土料通过率 尾矿微粉通过率 表 水泥物理化学性质 标准稠度用水量 初凝时间 终凝时间 抗折强度 抗压强度 公路工程 卷 处理方案以某高速公路服务区匝道土壤固化垫层项目为例，在项目周边取土点取土，土质为高液限黏土。由 节可知，塑性指数为 ，最佳含水率为 。而经过检测，现场含水率达 。按照相关规范要求，一方面需对土料进行改良处理，另一方面实际实施时需要降低现场土料含水率。由于建设时正处于多雨季节，可施工窗口期短，翻晒降低含水率难度大，本文所用的高液限黏土若不经过固化处理，则主要靠碾压后减小土壤颗粒间空隙和细颗粒的团聚变得紧实，存在遇水易崩解的问题。考虑到采用固化处理的方式对土壤进行改良时，加入的固化材料会发生水化、离子交换等物理化学反应，理论上可适当放宽含水率的限制范围。本文针对较高含水率条件下的土壤进行不同方式固化处理，探索在成本可控、工艺可行时，较高含水率条件下土壤固化技术的应用方法。根据土壤固化领域最新的研究进展和方向，基于环保和成本考虑，本文提供了以下 种处理方法（见图 ）：方法 ：加入一定量经过活化的尾矿微粉，通过加入大量细小、干燥的尾矿微粉颗粒平衡土料水分，填充土体空隙。前期加入少量的水泥保证早期强度，并 激 发 其 潜 在 水 硬 性，为 后 期 提 供 强 度增长。方法 ：加入一种粉体固化剂，该粉体固化剂为利用固体废弃物制备的无机胶凝材料，利用其较好的活性，无需加入水泥即可在早期进行水化消耗大量的水分，考虑到该项目补充水分比降低含水率更容易操作，可以用于土料含水率更大（）的情况。方法 ：加入一种液体固化剂，该液体固化剂为离子型固化剂，通过与土壤颗粒水膜双电层进行离子交换，能够减薄水膜厚度，使得土壤颗粒碾压更紧实。但需要配合水泥使用，方能板结形成强度。图 不同处理方式示意图 配比设计通过击实试验确定不同材料配比的最大干密度和最佳含水率，以便后续试验含水率等参数的控制，结果如表 所示。根据上述结果及现场土料含水率情况，设计试验分析高含水率条件下的固化土试验 性 能。并 根 据 所 用 粉 状 固 化 剂 的 特性，补充了两组 、含水率的试验，在此含水率条件下，无法采用常规的静压成型方式，第 期孙剑峰，等：较高含水率条件下土壤固化技术应用研究故采用的是 搅 拌 浇 注 成 型 方 式。采 用 静 压 成 型时，尽量控制压实度一致。成型直径 圆柱体试件，标准条件养生 后浸水养生 。采用路面材料强度试验仪进行无侧限抗压强度试验，加载速率为 ，参照规范 公路工程无机结合料稳定材料试验规程（）中 无机结合料稳定材料无侧限抗压强度试验方法。表 配合比及相关参数 序号土料 尾矿微粉 粉体固化剂液体固化剂 水泥最佳含水率 最大干密度（）混合料含水率 成型方式实际压实度 静压 静压 静压 静压 静压 静压 静压 静压 搅拌浇筑 静压 搅拌浇注 搅拌浇注 静压 静压 静压 静压 静压 静压 静压 静压 静压 静压 静压 搅拌浇注 结果与分析 尾矿微粉处理结果由于尾矿微粉的掺量较大，并且含水率小于，故尾矿微粉掺量升高时土料的含水率也可以适当提高。结合现场土料 的含水率情况，可控制混合料含水率一致进行研究，本文控制的混合料含水率为 ，试验结果如表 和图 所示。由图 （）可知，在混合料含水率和水泥掺量相同的情况下，无侧限抗压强度随着尾矿微粉的掺量增加而稳步上升，相对于尾矿微粉掺量 时的 无侧限抗压强度，尾矿微粉掺量为 、时，无侧限抗压强度分别提升了 、。由图（）可知，当掺 的尾矿微粉时，无侧限抗压强度随着水泥掺量的增加直线上升，水泥掺量为 时的 无侧限抗压强度相对于水泥掺量为 时的 无侧限抗压强度提升了 。结合上述结果可知，采用尾矿微粉进表 无侧限抗压强度试验结果 序号土料 尾矿微粉 粉体固化剂 液体固化剂 水泥混合料含水率 土料含水率 强度 行处理，龄期时，强度主要由水泥水化提供。尾矿微粉的增强作用则体现在两方面，一方面是尾矿微粉的颗粒较细，能够填充土体空隙，使得土体更为致密。由表 可知，水泥掺量为 时，相对于不掺尾矿微粉，掺入 、尾矿微粉时 的 最 大 干 密 度 分 别 提 升 了 、；另一方面则是水泥水化提供的碱性环境会对尾矿微粉起到碱激发的作用，促进尾矿微粉的水公路工程 卷化。根据试验结果，在土料含水率超过 ，水泥掺量不超过 的前提下，若需 无侧限抗压强度大于 ，尾矿微粉的掺量需大于 ，水泥掺量需大于 。（）水泥外掺（）尾矿微粉内掺图 尾矿微粉和水泥掺量对力学性能的影响（混合料含水率）（）粉状固化剂处理结果采用粉状固化剂进行处理时，由于该固化剂的固化机理需要提供大量水分进行水化，故除了在最佳含水率条件下进行试验，还进行了 、含水率的试验，试验结果如表 和图 所示。表 无侧限抗压强度试验结果 序号土料 尾矿微粉粉体固化剂 液体固化剂 水泥混合料含水率 土料含水率 强度 由图 （）可知，不同的混合料含水率其 无侧限抗压强度结果不同。当掺入 的粉状固化剂时，无侧限抗压强度表现为随着混合料含水率的升高先上升后下降。这说明在现有的以最佳含水率静压成型的方式，其强度比浆体搅拌后直接浇筑的成型方式更低。但值得注意的是，在混合料含水率为 时，既无法采用静压成型的方式，也无法采用搅拌浇注的成型方式，故本方案最适宜采用的含水率为 左右。由图 （）可知，采用 的混合料含水率，对比不同粉状固化剂掺量对强度的影响，可以发现强度随着粉状固化剂掺量的增加而显著提升。相对于粉状固化剂掺量为 时的 无侧限抗压强度，粉状固化剂掺量为 时的 无侧限抗压强度提升了 。根据试 验 结 果，若 需 无 侧 限 抗 压 强 度 大 于 ，则粉状固化剂掺量需大于 ，含水率大于 小于 。（）粉状固化剂内掺（）混合料含水率图 混合料含水率和粉状固化剂掺量对力学性能的影响 离子型液体固化剂处理结果本文研究了液体固化剂与水泥配合使用时混合料含水率对 无侧限抗压强度的影响。并掺入了 的尾矿微粉，研究了其在水泥和不同液体固化剂掺量的共同作用下的 无侧限抗压强度变化，试验结果如表 和图 所示。由图 （）可知，在水泥掺量和液体固化剂掺量一定时，随着混合料含水率的升高 无侧限抗压强度逐渐下降，并且含水率越高，强度下降速率越快。由图 （）可知，当水泥掺量一定时，液体固化剂掺量的增加对强度有一定的提升作用。由图第 期孙剑峰，等：较高含水率条件下土壤固化技术应用研究表 无侧限抗压强度试验结果 序号土料 尾矿微粉粉体固化剂 液体固化剂 水泥混合料含水率 土料含水率 强度 （）水泥，液体固化剂外掺（）水泥外掺（）液体固化剂外掺（）尾矿微粉内掺，水泥外掺图 混合料含水率和液体固化剂掺量对力学性能的影响 （）可知，当液体固化剂掺量一定时，水泥掺量的增加对强度有明显的提升作用，并且混合料含水率越接近最佳含水率其提升效果越明显。由图（）可知，当尾矿微粉、水泥掺量一定时，随着液体固化剂掺量的增加，强度也逐渐增加。根据试验结果，若需 无侧限抗压强度大于 ，则水泥掺量需大于 ，混合料含水率需小于 ，液体固化剂掺量建议取 。工程应用在某高速公路服务区匝道进行了工程应用，该项目原设计为 的未筛分碎石垫层，现采用土壤固化技术将周边的土壤进行固化处理后替代未筛分碎石垫层。垫层技术指标要求为 值为 ，压实度 ，无侧限抗压强度 。根据前述研究内容，结合该高速土壤固化垫层项目的实际情况，最终采取了工期短、工艺简单的离子型固化剂处理方案。实施时，采用 液体固化剂配合 水泥固化的方案，现场土料含水率 ，值 可 达 ，压 实 度 大 于 ，覆膜养护 后可取出完整芯样，弯沉检测合格。本方案施工工艺流程如图 所示。施工现场取芯情况如图 所示。图 施工工艺流程 图 施工现场及取芯情况 公路工程 卷 结语 采用尾矿微粉处理时，尾矿微粉掺量较大，所用土料含水率可达 ，仍能保证一定的强度，能够满足现场土壤含水率条件的处理需求。但由于大量的尾矿微粉干燥颗粒加入土料中需有足够的时间进行润湿，否则含水率分布极度不均，使得尾矿微粉的加入既不能有效地实现物理填充效应，又会限制水化反应的进行。加上大规模撒布尾矿微粉对工艺设备提出了更高的需求，故采用尾矿微粉处理时需谨慎。采用粉状固化剂处理时，对土壤含水率的限制条件可放宽至 以上，并且可以保证较好的性能。但由于含水率为 时土壤呈泥浆状态，需要采用专门的搅拌、浇筑设备和工艺，并且为保证 的强度性能，对养护条件也有更高的要求。采用液体固化剂处理时，可以利用现有的工艺、设备，水泥掺量不超过 时，现场含水率低于 即可保证一定的强度，具有较高的可行性。参考文献 田威，李腾，贾能，等 固化剂在黄土路基工程中的研究进展 公路，（）：力乙鹏，李婷 土壤固化剂的固化机理与研究进展 材料导报，（）：，钟玉健，张晓超，袁锐，等 非钙基土壤固化剂加固机理及其应用性能研究进展 材料导报，（）：住房和城乡建设部道路与桥梁标准化技术委员会 土壤固化外加剂：北京：中国标准出版社，丁黔，胡争，黄帅，等 三灰改良寒区盐渍粉质黏土最优比研究 森林工程，（）：张立群，张学峰，崔宏环，等 水泥固化土抗裂性能评价研究 公路，（）：周海成，单宏伟，冯良平，等 基于粉质黏土的流态水泥固化土配合比试验 及 应 用 研究 公路，（）：周永祥，刘倩，王祖琦，等 流态固化土用无熟料胶凝材料的性能研究 硅酸盐通报，（）：李新宇，罗彪，罗正东 地聚物固化临江软弱土的试验研究及机理分析 公路，（）：孙仁娟，方晨，高发亮，等 基于固弃物的固化土路用性能及固化机理研究 中国公路学报，（）：邢明亮，梁志豪，关博文，等 离子型土壤固化剂在公路工程应用中均匀性评价与控制 公路，（）：任瑞波，王振，薄剑，等 水基聚合物固化土强度增长规律研究 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