一種軟土快速固化劑的研制

滕世明 沈正 鄭非凡 季雪瑩 徐小勇 姜非凡 許博浩

摘要：軟土地基的快速處理方法是加快道路施工進程，保證施工質量的有效措施。本研究針對南京河西地區軟土，力求尋找出一種高效經濟的軟土固化劑。選擇傳統軟土主固化材料水泥與輔助固化材料電石渣、石膏、三乙醇胺、氫氧化鈉和聚丙烯纖維，通過組合配比對南京河西地區軟土分別進行快速固化?；跓o側限抗壓強度試驗，確定不同材料組合及配比下淤泥質軟土固化強度和特點。最終得出南京河西地區軟土固化材料最終配比為水泥摻入比9%，電石渣摻入比4%，石膏摻入比2%，氫氧化鈉摻入比2%。

關鍵詞：軟土；快速固化；抗壓強度；最佳配比

Title Experimental study on rapid stabilization of soft clay soils in Nanjing Hexi Area

Teng Shi-ming1，Shen Zheng1，Zheng Fei-fan1，Ji Xue-ying1，Xu Xiao-yong1，Jiang Fei-fan1

（1.School of Architecture Engineering， Nanjing Institute of Technology， Nanjing 211167， China）

Abstract：

Rapid treatment of soft soil foundation is one of maain methods to accelerate construction speed of roadways and guarantee construction quality. Based on the soft soil in Nanjing Hexi Area， this research aims to find a efficient and economic curing agent. Traditional main solidified materials （cement） and auxiliary materials （calcium carbide， gypsum， sodium hydroxide， triethanolmine and polypropylene fiber） are chosen to rapidly stabilizing the soft soils in Nanjing Hexi Area. Based on the results of unconfined compressive strength test， the strength and characteristics of soft soil solidified by the combination of different materials and mixture ratios are determined. The 9% cement， 4% calcium carbide， 2% gypsum and 2% sodium hydroxide 0.6% polypropylene fiber are the optimum mixture ratio for soft soil in Nanjing Hexi Area.

Keywords ： cement stabilized macadam；fine sand；alternative；mechanical properties；fatigue properties.

南京市河西地區位于長江東側凸岸，區內溝、塘等地表水系發達，地勢寬廣低平。從地貌單元上，河西地區屬于長江漫灘區域，新近沉積的漫灘軟土極為軟弱，且分布極不均勻。在軟土地基上修建道路，采用的軟基處理方法是否恰當合理，直接影響到道路工程的質量以及使用功能。目前采用傳統軟基處理方法需要經歷較長時間，極大地延緩了工程的施工進度。

工程實踐表明，對不同性質的軟土在摻入水泥的基礎上，釆用不同比例的復合添加劑，可以大幅提升固化土的工程性質，保護建筑物的安全，以滿足實際需求，優化添加劑成份及復合比例，在一定程度上降低水泥用量，在滿足工程應用的基礎上節約處理成本。

軟土地基的快速處理對提高市政工程建設效率，保障施工安全和施工質量具有很高的應用價值，研究應用前景十分廣闊。

一、 研究內容

1. 軟土物理力學性質試驗，對軟土的結構、成分進行分析；

2. 研究影響軟土早期強度形成的原因；

3. 軟土與多種固化劑的固化試驗；

4. 固化土無側限抗壓強度試驗及固化劑研制；

5. 分析研制適合本地區軟土固化劑優化處方。

二、 固化劑的選擇

本次試驗中需要驗證的固化劑成分初步確定為主劑水泥，輔助添加劑電石渣、石灰粉、石膏、三乙醇胺、氫氧化鈉、聚丙烯纖維。在上述成分中選擇固化效果最好的組合以及配比。

三、材料與方法

3.1實驗材料

為保證試驗效果，本試驗軟土土樣取自南京河西地區典型土層，并保證其取土深度在5m左右，取土方式為勘探時所取出的原狀土樣。兩種主要固化材料水泥和電石渣分別取自江南水泥廠以及鎮江三興公司；石膏與三乙醇胺購自建材商店。

3.2 試驗方法

3.2.1 測定軟土的含水率

1.儀器設備

烘箱、分析天平：感量0.01克、烘土盒。

2.操作步驟

（1）選取有代表性的軟土樣（約30克），放入烘土盒內，蓋好盒蓋，用分析天平稱取烘土盒和軟土的總質量，記為m1，烘土盒質量記為m3；

（2）打開烘土盒蓋，放入烘箱中，將烘箱溫度調至100-105℃，烘至恒重，之后取出烘土盒，加蓋后冷卻至常溫；

（3）稱量烘土箱和烘干土總重，記為m2；

（4）計算含水率。

按下式計算含水率：

ρ=（m1-m2）/（m2-m3）

式中：（m1-m2）為式樣中所含水的質量；（m2-m3）為式樣土的質量。

3.2.2 無側限抗壓實驗

1.試驗原理

無側限抗壓強度試驗是三軸試驗的一個特例，即將土樣置于不受側向限制的條件下進行的壓力試驗，此時土樣所受的小主應力為0，而大主應力的極限值即為無側限抗壓強度。

2.儀器設備

（1）應變控制式無側限壓縮儀：由測力計、加壓框架、升降設備組成；

（2）軸向位移計：量程10mm，分度值0.01mm的百分表；

（3）天平：稱量500g，分度值0.1g 。

3.操作步驟

（1）原狀土試樣制備按三軸壓縮試驗步驟進行。試樣直徑為39.1mm，高度為80mm；

（2）將試樣兩端抹一薄層凡士林，在氣候干燥時，試樣周圍亦需抹一薄層凡士林，防止水分蒸發；

（3）將樣放在底座上，轉動手輪，使底座緩慢上升，試樣與加壓板剛好接觸，將測力計讀數調整為零。根據試樣的軟硬程度選用不同量程的測力計；

（4）軸向應變速度宜為每分鐘應變1%～3%。轉動手柄，使升降設備上升進行試驗，軸向應變小于3%時，每隔0.5%應變（或0.4mm）讀數一次軸向應變等于、大3 %時，每隔1%應變（或0.8mm）讀數一次。試驗宜在8～10min內完成；

（5）當測力計讀數出現峰值時，繼續進行3%～5%的應變后停止試驗；當讀數無峰值時，試驗應進行到應變達20%為止。

四、試驗結果及分析

4.1 河西軟土的力學性質研究

本試驗軟土的主要物理特性指標、對不加固化劑的土樣進行無側限抗壓強度試驗的結果、不同含水率下的軟土無側限抗壓試驗結果見下表4-1：

從圖中可以看出，含水率在30%到40%時，土的無側限抗壓強度最高，隨著含水率繼續上升，土的無側限抗壓強度明顯降低，因此取該軟土的天然含水率（40%）為試驗用土含水率。

4.2 軟土固化劑配方的研制

4.2.1 選擇固化劑組成成分

首先對一些常用的主成分固化劑進行單一固化材料試驗，為輔助成分的固化材料的挑選提供參考依據。在本試驗中，除了水泥與電石渣外，還挑選了環氧樹脂和鎮加固化劑進行對比試驗，測定其不同齡期下（1d，3d，7d）的無側限抗壓強度，從而保證固化劑主成分的固化效率為最優，試驗結果見下圖4.3：

從圖中可以看出，水泥和電石渣的固化效果明顯高于其他兩種固化劑，因此本試驗的固化劑主要材料確定為水泥和電石渣，而從3d和7d的固化效果來看，水泥固化的淤泥質土的無側限抗壓強度明顯優于電石渣。因此可以看出，水泥在早期固化過程中占主導地位。進一步進行多種固化劑組合試驗，試驗結果見下圖4.4：

從圖中可以看出，當水泥與電石渣混合，再加入石膏作為輔助固化劑后，固化效果明顯好于兩種材料單獨做固化劑，再加入三乙醇胺并將電石渣替換為石灰粉作對比試驗，試驗結果見下圖4.5：

從圖中看出，三乙醇胺作為常用的工業早強劑，加入后對水泥的早期強度有明顯提升，而當將電石渣替換為石灰粉時，軟土的早期強度明顯降低，因此初步確定本試驗固化劑的組成為水泥，電石渣，石膏，三乙醇胺。再在這四種固化劑成分中變化每種成分的比例，進行初步的對比試驗，觀察每種成分的變化對固化效果的影響。

從表中可以看出，水泥的含量與軟土的無側限抗壓強度完全呈現正相關的關系，因此在之后的試驗中可以適當選擇增加水泥用量。而隨著電石渣含量的增加，軟土的7天內無側限抗壓強度并沒有持續上升，而是在4%左右時達到了峰值，因此在之后的試驗中，電石渣的含量可以控制在4%左右。三乙醇胺對試驗結果的影響不是很明顯，需要在之后的試驗中繼續研究其最佳含量的范圍。

4.2.2 確定固化劑各成分比例

1.確定水泥含量

由以上試驗可知，水泥作為軟土使用最廣泛的固化劑，對軟土的早期強度起到非常重要的主導地位，因此優先確定水泥的最佳含量。為了反應水泥的摻入量對軟土固化效果的影響，分別取水泥摻入量為3%，5%，7%，9%，12%，測量其不同齡期（1d，3d，7d）下的無側限抗壓強度，試驗結果見下圖4.9：

從圖中可以明顯看出，水泥含量和無側限抗壓強度成正相關關系，而當水泥含量是9%和12%時，無側限抗壓強度的上升不是十分明顯?？紤]到經濟效應，取水泥含量為9%為最佳含量。

2.確定石膏含量

摻入石膏后，會迅速產生膨脹性水化物鈣礬石，填充土粒之間的空隙從而迅速的提高軟土的早期強度。為了確定石膏的最佳含量，在9%水泥基礎上，添加不同含量石膏，確定兩種固化劑的最佳組成比例，試驗結果見下圖4.8：

從圖中可以看出，石膏的摻入對軟土的無側限抗壓強度有一定的提升，但隨著石膏摻入量的變化，軟土的無側限抗壓強度變化不明顯?？梢钥闯?，在一定范圍內，隨著石膏含量的增加，軟土的無側限抗壓強度也隨著提高，當石膏含量在2%時，軟土的無側限抗壓強度達到峰值，超過2%后，隨著石膏摻入量的增加，軟土的無側限抗壓強度反而降低。說明石膏含量超過一定數值后會產生過多的膨脹性物質，對軟土的早期強度其反作用。綜上所述，本試驗取石膏摻入量為2%為最佳摻入量。

3.確定電石渣含量

電石渣作為軟土固化劑，吸收了軟土中的大量水分，能夠快速提升軟土的早期強度。為了確定電石渣的摻入量，在水泥和石膏的基礎上，摻入2%，4%，6%，8%的電石渣，測定其在不同齡期下的無側限抗壓強度，反應電石渣含量對軟土早期強度的影響規律，試驗結果見下圖4.9：

從圖中可以看出，隨著齡期的增長，加入電石渣后固化土的無側限抗壓強度都不斷提升。而在同一齡期的對比中，當電石渣摻量達到4%時，固化土的無側限抗壓強度達到峰值，之后再增加電石渣含量，固化土的無側限抗壓強度反而下降。因此得出電石渣的最佳含量取4%。根據上述現象分析，電石渣加入軟土中，會與軟土中的水發生反應，生成大量氫氧化鈣，加強了土體顆粒之間的聯接，但是如果氫氧化鈣含量過多，就會產生膨脹作用，反而導致土體的強度降低。

4.早強劑的對比試驗（三乙醇胺，氫氧化鈉，硫酸鈉）

為了保證早強劑的最優選擇，本試驗選取了另外兩種常用早強劑：氫氧化鈉和硫酸鈉，進行與三乙醇胺的對比試驗，分別測量不同齡期下加入這三種早強劑的固化土的無側限抗壓強度，試驗結果見下圖4.10：

圖4.10 三種早強劑對不同齡期下固化土無側限抗壓強度的影響

從圖中可以看出，加入硫酸鈉后固化土的早期強度反而沒有不加入早強劑時的早期強度高，因此硫酸鈉對固化土的早期強度形成有反作用。加入三乙醇胺后，固化土的1天強度有顯著提升，而3天和7天時的強度幾乎沒有變化。只有氫氧化鈉對固化土的早期強度，尤其是1天和3天的強度有非常明顯的提升作用，因此更改原配方，選擇氫氧化鈉取代三乙醇胺作為固化劑的成分之一。

5.聚丙烯纖維對固化效果的影響

試驗表明，聚丙烯纖維能夠顯著提高固化土的力學性能和抗裂能力，因此本試驗中嘗試在原因固化劑成分的基礎上加入聚丙烯纖維，測量其在不同齡期下的無側限抗壓強度。由于試驗時間原因，本試驗與早強劑的對比試驗同時進行，因此早強劑的選擇仍然為三乙醇胺，但并不影響試驗得出聚丙烯纖維對固化土早期強度形成的影響規律。試驗結果見下圖4.11：

圖4.11電石渣摻入量對不同齡期下固化土無側限抗壓強度的影響

從圖中可以看出隨著聚丙烯纖維含量增加，固化土早期強度一開始呈現上升趨勢，在含量為0.6%時達到峰值，隨后呈現下降趨勢。而當聚丙烯纖維含量為0.3%和0.9%時，固化土早期強度反而不如不加聚丙烯纖維時的早期強度，因此確定聚丙烯纖維的含量為0.6%，此時對固化土的早期強度有明顯提升。

6.多種固化劑28天固化效果對比

在確定固化劑成分后，進行28天固化試驗，確定其最終的固化效果，觀察其無側限抗壓強度隨時間的變化情況。

同時用不同固化劑配方進行對比試驗，試驗結果見圖4.12

圖4.12 28天固化效果對比圖

由圖中可以看出，前7天土樣的無側限抗壓強度增強較為明顯，后期則較為平緩。因此可以看出，本配方的快速固化效果較為優良。而通過與開始暫定的水泥+碳化鈣+石膏+三乙醇胺的固化配方的28天強度對比發現改良后的配方固化效果全程優于之前的配方，因此確定該配方為試驗得出的最優配方。

五、結論與建議

5.1 結論

（1）分別采用單摻水泥、單摻電石渣、單摻環氧樹脂、單摻鎮加固化劑、混摻水泥+石膏+電石渣、混摻水泥+石膏+電石渣+三乙醇胺、混摻水泥+石膏+石灰粉+三乙醇胺7種方式對南京河西地區軟土進行快速固化試驗，得出各種固化劑對軟土早起強度形成的影響，初步確定了軟土快速固化劑的組成成分；

（2）通過改變各種固化劑的摻入比例，分析了各種固化劑摻入量對軟土早起強度形成的影響，得出了水泥、電石渣、石膏、氫氧化鈉、聚丙烯纖維的最佳摻入量；

（3）得出了南京河西地區軟土的最優快速固化方案，其組成成分為：主劑水泥摻量9%，外加劑電石渣4%，石膏2%，氫氧化鈉2%，聚丙烯纖維0.6%。

5.2 建議

由于實驗條件和實驗時間的限制，本實驗還有很多不足之處，為了更加精確的確定固化劑的最優配方，今后還需要在以下方面進行研究：

（1）對氫氧化鈉的最佳摻入量進行進一步研究；

（2）嘗試使用不同的水泥進行試驗，得到更加全面的固化數據；

（3）進一步縮小各種固化劑摻入量的范圍，力求使配方更加精確，如可進行水泥摻入量為7%、8%、9%、10%的對比試驗，進一步確定水泥的最佳用量。

參考文獻：

1. 易耀林，李晨，孫川，等.堿激發礦粉固化連云港軟土試驗研究[J].巖石力學與工程學報，2013，32（9）：1820-1826.32（9）：1820-1826.

2. 易耀林，卿學文，莊焱，等.?；郀t礦渣微粉在軟土固化中的應用及其加固機理[J].巖土工程學報，2013，35（s2）：829-833.

3. 簡文彬，張登，黃春香.水泥-水玻璃固化軟土的微觀機理研究[J].巖土工程學報，2013，35（s2）：632-637.

4. 孫家瑛，沈建生.新型固化劑GSC固化軟土的力學性能試驗研究[J].土木建筑與環境工程，2013，35（1）：20-25.

5. 趙辰洋，王保田.吸水樹脂快速固化高含水率疏浚淤泥試驗[J].河海大學學報，2013，41（1）：59-63.

6. 笪兵，蔣偉林，李波瀾，等.淤泥質泥土的快速固化試驗研究[J].南京工程學院學報（自然科學版） ，2011，9（4）：49-54.

7. S.Horpibulsuk， C.Phetchuay， A.Chinkulkijniwat， etl. Strength development in silty clay stabilized with calcium carbide residue and fly ash[J].Soils and Foundations，2013，53（4）：477-486.

8. 中華人民共和國行業標準《公路軟土地基路堤設計與施工技術規范》（JTJ 017-96）.

9. 范文遠.高含水量粉砂土路基填筑快速施工技術[J].路基工程，2010，（06）： 175-177.

10. 孟慶山，楊超，邵允鋮，等.武漢東湖淤泥早強固化試驗研究[J].巖土力學，2010，31（3）： 707-712.

11. 朱偉，曾科林，張春雷.淤泥固化處理中有機物成分的影響[J].巖土力學，2008，29（1）： 33-36.

12. 熊大玉，王小虹.混凝土外加劑[M].北京：化學工業出版社，2002：142-161.