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关于不同类型砂土快速固化配合比及强度、抗渗性能的分析

2020-09-17 698 上传者：管理员

摘要：基于输水工程渠基、护坡、河床的应急抢险快速加固工程与日常加固处理的需要，针对不同类型砂土进行快速固化配合比及强度、抗渗性能试验研究。研究结果表明，硫铝酸盐水泥、普硅水泥固化不同类型砂土时抗压强度均与龄期呈良好的对数关系。硫铝酸盐水泥、普硅水泥固化不同类型砂土配合比及性能研究结果可为工程加固及应急抢险提供技术支持，其中硫铝酸盐水泥更适用于早期强度要求较高的工况，否则普硅水泥性价比更高。

关键词：
快速固化
抗压强度
抗折强度
普硅水泥
水工材料
渗透系数
硫铝酸盐水泥
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1、研究背景

近年来我国已投入运行的输水干渠长度超过10000km，但存在重建设、轻防护的问题，应对洪水抢险专用材料及技术开发严重滞后，现阶段的应急防护与加固、堵漏仍采用抛石等传统方法。本文基于硫铝酸盐水泥开发渠基、护坡、河床的应急抢险砂土料快速胶结料技术，改变抢险物资以散粒料为主的现状，在邻近区域无石料情况下，可以就地取材、快速将松散的砂土料胶结成坚硬的块体，极大地提高抢险工作效率，胶结后的土石料水冲不散，淘而不空，抗冲耐泡。此外本技术还可用于渠道建设、河床湖底固化施工与日常加固处理等。

土壤固化技术被美国工程杂志评为20世纪人类最伟大的发明之一[1]，经过几十年的发展，已经成为一门综合结构力学、胶体化学、土壤化学等理论的交叉学科[2]。土壤固化剂种类很多，长安大学张登良教授早在20世纪80年代就开始研究土的快速加固方法，认为有机高分子土壤固化剂适用条件比较局限，而水泥固化方式可以用于各种土体[3]。水泥加固土的机理，一般认为主要包括水泥的水解和水化反应、黏土颗粒与水泥水化物的作用、碳酸化作用等几个过程[4]。目前，土壤固化剂在防汛抢险中的应用主要包括防汛道路抢修、护坡、防渗、加工制作砌块与大块抛投料、溃堤临时堵复等。例如2000年嫩江堤防土方应急渡讯加固中尝试使用水泥和石灰拌和土料，修筑了一条约200m长的简易施工路，保证了道路通畅，没有发生陷车现象[5]。曹磊等[6]使用奥特塞特高性能土壤固化剂对漳卫南运河试验段的堤顶路面进行了硬化试验研究，固化剂掺量13%，试块7d抗压强度为0.9MPa,28d为1.5MPa。韦华等[7]通过在黏土中掺入早强型土壤固化剂，开发出的一整套快速施工工艺，可用于水利工程抢险堵漏中。徐艳等[8]通过试验研究认为，战时坦克抢滩登陆时，可采用一种新型士壤快速固化剂进行喷射，快速固化表层淤泥，隔绝水分，再在其上铺浇环氧树脂，形成复合硬壳层，可解决淤泥质软土海滩成为制约坦克顺利通过的主要“瓶颈”。笪兵等[9]通过在淤泥质软土中加入固化剂对软土进行固化，可以有效提高淤泥质泥土早期抗压强度及抗剪切破坏能力。常振峰等[10]利用饱和泥沙和易特性进行泥沙固化，强化旱坝土胎基础施工，增强坝体抗水流冲吸能量，减少土胎抽吸流失。

而硫铝酸盐水泥主要是以无水硫铝酸钙和硅酸二钙为主要矿物组成的新型胶结材料，具有高强、抗冻、抗渗耐久性好的特点，常用作快速修补材料，很少用于土壤固化。王甲春等[11]认为，单纯采用硅酸盐水泥的固化土其抗压强度增长主要源于水化硅酸钙的胶结作用，但对于松散多孔的软土，硅酸盐水泥的水化物不能有效地填充孔隙，有碍固化土强度提高。黄新等[12]利用在硅酸盐水泥中加入含铝膨胀剂固化软土，主要通过生成大量的钙矾石晶体起骨架填充的作用，取得了很好的效果。而硫铝酸盐水泥重要的水化产物也是钙矾石，王甲春等[11]采用硫铝酸盐水泥、粉煤灰和矿渣等复合软土固化剂进行软土的固化实验，在掺量10%～15%时，固化土样的无侧限抗压强度达到2MPa，劈裂抗拉强度0.5MPa。甘雅雄等[13]将硫铝酸盐水泥用于污水厂污泥固化/稳定化处理中，减少堆场占地。张巨松等[14]对硫铝酸盐基土壤固化剂固化低液限黏土的性能进行试验，发现与同类产品相比，其硬化速度快，固化土经冻融循环后，质量损失小，强度损失优于同类。

本文为提高砂土固化效果和施工效率直接采用硫铝酸盐水泥，通过试验对不同类型砂土进行固化，并采用普硅水泥进行对比试验，为工程加固及应急抢险提供技术支持。

2、原材料及试验方法

试验共选用了4种不同类型的天然砂土，其颗粒分析试验结果如图1所示。根据SL237—1999《土工试验规程》分类，4种砂土分别为:级配不良砂(代号SP,Cu=5.6、Cc=0.8)、含细粒土砂(代号SF)、粉土质砂(代号SM)和低液限黏土(代号CL，液限WL=31.5%，塑限WP=19.0%，塑性指数为13)。可见，4种砂土的粒径涵盖范围较广，其中SP和SF粒径接近，主要区别在细粒土含量上。

图1不同砂土颗粒分析试验结果

固化用水泥为R.SAC42.5快硬硫铝酸盐水泥，并采用P·O42.5普通硅酸盐水泥进行对比试验。硫铝酸盐水泥密度2.87g/cm3，比表面积490m2/kg，初凝时间13.5min,3d抗压强度和28d抗压强度分别为46.2MPa和60.5MPa;普硅水泥密度3.09g/cm3，比表面积340m2/kg，初凝时间206min，终凝试件239min,3d抗压强度和28d抗压强度分别为31.0MPa和50.8MPa。

外加剂为聚羧酸高性能减水剂(粉剂)和有机酸缓凝剂(粉剂)。

表1不同砂土的最佳含水率

图2固化砂土用水量与7d抗压强度关系试验结果

表2砂土固化试验配合比及强度试验结果

注:采用硫铝酸盐水泥固化时，均掺入了0.4%水泥质量的缓凝剂。

试验参照水泥胶砂强度试验方法进行，试件尺寸为40mm×40mm×160mm，采用水泥砂浆搅拌机进行拌和，性状为干硬性，人工捣实，养护方式均为标准养护室水中养护。通过缓凝剂调整控制固化体硬化时间为30～60min，实际应用中根据工程具体情况固化时间可调。强度测试采用微机控制全自动压力试验机。

3、最佳含水率确定

采用硫铝酸盐水泥在不同用水量下进行砂土固化，水泥用量分别为5%和10%。砂土用水量与7d龄期抗压强度关系试验结果如图2所示，其中水泥用量、用水量均指其质量占干砂土质量的百分比。根据试验结果选定最高强度对应的用水量为最佳用水量(见表1)，据此进行下一步砂土固化试验。

4、砂土快速固化试验

4.1强度试验

2种水泥在掺量分别为5%、10%时，4种砂土固化的配合比及强度试验结果见表2(针对黏土增加了15%水泥掺量)。相同水泥及掺量时，不同砂土的固化强度对比如图3所示。同一砂土时，不同水泥及掺量下固化强度对比如图4所示。

试验结果表明:

(1)硫铝酸盐水泥、普硅水泥固化不同砂土时抗压强度均与龄期呈良好的对数关系。

(2)硫铝酸盐水泥固化4种砂土早期强度均较高，可满足工程对砂土快速固化的要求。硫铝酸盐水泥掺量5%时，4种固化砂土3h抗压强度和1d抗压强度分别为0.34～2.5MPa和2.1～5.1MPa，水泥掺量10%时，分别为1.6～5.3MPa和4.0～13.4MPa;水泥掺量由5%提高到10%时，抗压强度显著提高，黏土提高约1.9倍，其他砂土提高2.7倍以上;4种砂土中，含细粒土砂固化强度最高，其次为级配不良砂和粉土质砂，黏土的固化强度最低，基本规律为砂越细强度越低。

(3)与普硅水泥相比，硫铝酸盐水泥固化级配不良砂、含细粒土砂和粉土质砂时，其抗压强度明显提高，特别是早龄期强度，1d强度分别为普硅水泥的3.8、2.8、2.1倍，3d强度分别为2.1、1.8、1.9倍;固化黏土时，低水泥掺量下(5%、10%)两种水泥固化强度差别不大，水泥掺量15%时，硫铝酸盐水泥固化强度明显高于普硅水泥，1d、3d早龄期强度提高约1.7倍。

图3相同水泥及掺量时，不同砂土的固化强度对比

图4同一砂土时，不同水泥及掺量下固化强度对比

(4)从强度增长规律看，硫铝酸盐水泥早期强度发展很快，与28d龄期相比，4种砂土3h、1d、3d、90d强度增长率分别为23%～53%、70%～81%、72%～86%和104%～117%;普硅水泥1d、3d、7d、90d强度增长率分别为24%～61%、48%～62%、65%～80%和113%～125%。

(5)硫铝酸盐水泥固化砂土的早龄期抗折强度高于普硅水泥，长龄期抗折强度2种水泥差别不大。硫铝酸盐水泥掺量5%、10%时，4种固化砂土1d抗折强度分别为0.51～1.4MPa和0.84～3.3MPa，普硅水泥1d抗折强度均小于1.0MPa。

(6)4种固化砂土的折压比在0.15～0.37之间，平均值为0.25。

表3硫铝酸盐水泥固化砂土抗渗试验结果

4.2抗渗试验

抗渗试验采用砂浆抗渗透试验仪进行，加压至透水后保持恒压，根据达西公式计算渗透系数。砂土均采用硫铝酸盐水泥进行固化，缓凝剂掺量为0.40%。试验结果见表3。试验结果可见，固化含细粒土砂和低液限黏土的抗渗性能良好，10%水泥掺量28d龄期渗透系数分别为3.69×10-10m/s和6.04×10-10m/s，固化级配不良砂和粉土质砂的抗渗性能稍差，渗透系数分别为1.07×10-8m/s和1.16×10-8m/s，渗透系数相差约2个量级;相同水泥掺量下，养护龄期由7d延长至28d，抗渗性能提高，但仍在同一个量级中;相同龄期下，水泥掺量由5%提高至10%时，抗渗性能明显提高，渗透系数约降低1个量级。

5、结语

(1)硫铝酸盐水泥、普硅水泥固化不同类型砂土时抗压强度均与龄期呈良好的对数关系。试验采用的4种固化砂土早期强度均较高，可满足工程对砂土快速固化的要求。硫铝酸盐水泥掺量5%时，固化砂土3h抗压强度和1d抗压强度分别为0.34～2.5MPa和2.1～5.1MPa，水泥掺量10%时，分别为1.6～5.3MPa和4.0～13.4MPa，其1d抗压强度和3d抗压强度约为普硅水泥的2.9倍和1.9倍。固化砂土28d龄期渗透系数为3.69×10-10～1.61×10-7m/s。

(2)文中给出的硫铝酸盐水泥、普硅水泥固化不同类型砂土配合比及性能研究结果可为工程加固及应急抢险提供技术支持，其中硫铝酸盐水泥更适用于早期强度要求高的工况，否则普硅水泥性价比更高。

参考文献：

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