（水利工程专业论文）固化剂改良土在堤防道路上的应用研究.pdf

中文摘要 固化剂改良土是近年发展起来的一种筑路新技术，并已在国内外某些公路工 程中得到了应用，但在国内水利行业的堤防道路修筑中还未有运用。 在固化剂改良土应用过程中，由于固化剂的种类、配比掺量、施工工艺等对 成路质量有着很大影响，本文因此结合本市堤防道路特点，拟在深入研究固化剂 改良土工程性质的基础上，开展堤防道路试验段施工，为该技术在水利行业的推 广应用奠定了基础。 论文首先针对堤防道路必须满足的基本技术要求，初选3 种固化剂进行大量 室内试验，分析了影响固化剂改良土工程性质的各种因素，设置不同固化剂种类、 掺量、石子掺量、养护龄期、养护条件、压实度、干湿循环次数等初始条件，测 试固化剂改良土的强度、水稳性、耐干湿循环能力、抗冻性能，详细研究了各初 始条件与性能指标之间的相关关系，为工程施工提供了基本试验依据。 由于实际工程中的施工工艺、实际条件与室内试验之间不可避免地存在一定 差异，本文特通过两个试验段工程的应用效果，阐述了固化剂改良土在工程应用 中的施工工艺，分析了影响道路质量的原因，提出了改进方案，并最终通过另一 试验段成功验证了改进后的配比及工艺可行性。 关键词：固化剂改良土配比堤防道路 a b s t r a c t i nr e c e n ty e a r s ，t h ci m p r o v e ds o i lb ys o l i d i f i e da g e n ti san e wt e c h n i q u ei nr o a dl a y i n g ，a n d t h i st e c h n i q u eh a sb e e na p p l i e di naf e wr o a dp r o j e c t si nh o m ea n da b r o a d ，b u ti th a sn o tb e e n a p p l i e di ne m b a n k m e n tr o a di nd o m e s t i ch y d r a u l i ci n d u s t r y i nt h ep r o c e s so fa p p l y i n go fi m p r o v e ds o i lb ys o l i d i f ya g e n t ，c o n s i d e r a t i o n si nt h ek i n d so f s o l i d i f i e da g e n t ，a d d i t i o n ，c o n s t r u c t i o nt e c h n o l o g ya n ds oo nw i l li m p a c to nq u a l i t yo fr o a d ，t h i s a r t i c l et h e r e f o r ec o m b i n e dt h ec i t yd i k er o a dc h a r c t e r i s t i s ，i n t e n d e dt ol a u c ht h ed i k er o a dt e s t c o n s t r u c t i o n o nt h eb a s i so fi n d e p t hr e s e a r c ho nt h ee n g i n e e r i n gn a t u r eo fc u r i n ga g e n ts o i l ，f o r l a y i n gt h ef o u n d a t i o nt h a tt h i st e c h n i q u ec a nb ea p p l i e de x p a n d l yi nh y d r a u l i ci n d u s t r y i no r d e rt om e e tt h eb a s i ct e c h n i c a lr e q u i r e m e n to fe m b a n k m e n tr o a d , t h ea r t i c l es e l e c t e d f i r s tt h et h r e ek i n d so fs o l i d i f i e da g e n tf o ral a r g en u m b e ro fl a b o r a t o r yt e s t s ，a n da n a l y z e da v a r i e t yo ff a c t o r st h a ti m p a c tt h ei m p r o v e ds o i l sb ys o l i d i f i e da g e n t ，m o r e o v e rt h i ss t u d yt e s t e dt h e s t r e n g t h ，w a t e rs t a b i l i t y , r e s i s t a n c et od r y - w e tc y c l e ，f r o s tr e s i s t a n c ea c c o r d i n gt ot h ev a r i o u si n i t i a l c o n d i t i o n s ，s u c ha st h ed i f f e r e n tt y p e sa n dm i x i n gr a t i oo fs o l i d i f i e da g e n t , p e b b l em i x i n gr a t i o ， m a i n t e n a n c ea g e ，m a i n t e n a n c ec o n d i t i o n , d e g r e eo fc o m p a c t i o n ，n u m b e ro ft i m e so fw e t - d r y c y c l e s ，a n ds oo n ，a n dt h i ss t u d yr e s e a r c h e di nd e t a i lt h ec o r r e l a t i o nb e t w e e nt h ei n i t i a lc o n d i t i o n s a n dp e r f o r m a n c ei n d e x s oi tp r o v i d e dt h et e s tr e f e r e n c ei np r o j e c t b e c a u s ec o n s t r u c t i o ns e q u e n c e si np r o j e c t sa n dc o n d i t i o n si nf a c ta t en o tc o n s i s t a n t i n e v i t a b l yw i t hi n d o o rt e s t s ，t h i sa r t i c l ef o r m u l a t e dt h ec o n s t r u c t i o ns e q u e n c e so fi m p r o v e ds o i l s b ys o l i d i f ya g e n tp r o j e c t s ，a n a l y z e dt h er e a s o n st h a ti m p a c tt h eq u a l i t yo fr o a d , a n dp r e s e n t e dt h e i m p r o v e dp r o g r a m ，m o r e o v e r , t h es t u d yc e r t i f i e dt h ef e a s i b i l i t yo fa d d i t i o nr a t i oa n dc o n s t r u c t i o n b ya na n o t h e rw o r k i n gt e s t k e yw o r d s ：t h e i m p r o v e ds o i lb ys o l i d i f i e da g e n t ，a d d i t i o nr a t i o ，e m b a n k m e n tr o a d 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得丞姿盘堂或其他教育机构的学位或证 书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解鑫鲞盘堂有关保留、使用学位论文的规定。 特授权墨鲞盘堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名： 粤苗 6 月偈日 天律大学硕士学位论文第一章绪论 第一章绪论 1 1 堤防道路填筑料处理方法综述 道路工程建设应满足公路交通条件及工程所在地气候条件的需要，路面的结 构型式取决于修筑该路的用途和设计等级，并能承受高温、低温、雨( 雪) 水的 考验。一般来说，道路施工除要完成土石方工程的开挖、填筑、修坡及必要的地 基处理外，主要是要完成上部路面结构施工，在路面建设过程中，结构层和材料 对工程质量起着至关重要的作用，结构层由下伏底基层和基层、上铺面层构成， 现在国内道路常用的路面填筑处理方法种类很多2 0 】，按组成结构层的材料不同 有： r 水泥混凝土面层 l 沥青混凝土面层 1 面层 沥青碎( 砾) 石面层 i 水泥混凝土加铺沥青面层的复合式路面 l 沥青表面处治面层 厂水泥土基层和底基层 l 水泥稳定料( 碎石、砂砾或矿渣等) 基层和底基层 l 石灰土基层和底基层 j 石灰稳定粒料( 碎石、砂石或矿渣等) 基层和底基层 2 基层和底基层气石灰、粉煤灰基层和底基层 l 石灰、粉煤灰稳定粒料( 碎石、砂砾或矿渣等) 基层和底基层 l 级配碎( 砾) 石基层和底基层 l 填隙碎石( 矿渣) 基层和底基层 上部面层和下部基层底基层填筑材料种类繁多，堤防道路一般用作防汛抢险 和日常巡视，其设计等级通常为二级以下或二级公路，对结构及施工不会象高速 公路或一级公路那样要求高【2 1 ，但也基本上是由上述这些材料组成，天津地区的 堤防道路按河道级别和堤防所处地理位置的重要性其结构型式是各不相同的，近 几年市里和各区县按工程的轻重缓急，有选择性地进行了部分堤防及堤防道路的 维护和工程处理，其中比较常用的堤防道路结构型式有：灰土基层+ 沥青碎石面 层( 如独流减河治理西青静海堤防段) 、石灰稳定粒料( 碎石或矿渣) 基层+ 水泥 天津大学硕士学位论文第一章绪论 混凝土面层( 如潮白河某段河道堤防) 、级配碎石基层+ 水泥混凝土面层( 如洵河 某段河道堤防) ；另外也设计安排施工了许多泥结石路面( 如海干东丽津南防汛 路) 和灰土路面( 如区县防汛撤退路) ，即由级配碎石和土( 或灰土) 按一定比 例搅拌摊铺压实而成，上部没有其它处理，类似乡村公路，允许在上行走小型农 用车和水务行政部门巡视用车；对于天津的大多数堤防，其道路就是原堤本身堤 项路面，并没有进一步的处理，上面一般不让行走机动车。 1 2 固化剂及其加固机理 土壤固化剂简称固化剂【，是指在常温下能够直接胶结土粒表面或与土粒的 粘土矿物成分反应生成胶结物质的改性剂，能改善和提高土壤技术性能的材料。 它能与各种土壤发生反应，形成具有一定承载能力、防渗能力和耐久性的固化土 。 3 1 。利用固化剂加固土壤具有以下主要优点【刎： ( 1 ) 利用天然土壤进行固化，就地取材，节省工程造价。 ( 2 ) 防渗效果良好，渗透系数可达到1 0 一c m s 。 ( 3 ) 固化土可承受一定压力，具有一定的耐久性，经水浸泡后不发生泥化。 ( 4 ) 固化剂施工简便快捷，环境污染小。 由于土壤固化剂【3 】【2 叼具有以上优点，在日本、美国等国的土木工程界受到极 大重视，并被广泛应用于水利、交通、建筑等领域的固化、防渗工程中。 土壤固化剂根据其状态的不同可分为液体和粉状两种，根据其固化原理【1 4 1 主要可分为电离子类、生物酶类和水化类三种： ( 1 ) 电离子类一般为阴离子型表面活性剂j 它利用高效离子交换作用 来改变土壤的基本性质，能使粘土颗粒结构中的吸附水游离出来，使土的吸水能 力大大降低，在压实功作用下，土体易于压实和稳定，从而有效提高土的密实度、 承载力和防渗性能。经处理的土壤，由于其排水作用而使大部分的孔隙被压缩， 且大部分空间会被再结晶物质所填充，因此土壤渗透性大大降低，加固土一旦被 压实稳固，将不会发生湿涨和塑化。澳大利亚的i s s 土壤固化剂、美国的罗门哈 斯土壤固化剂和英国的贝塞尔土壤固化剂都属于离子型土壤固化剂。 ( 2 ) 生物酶类酶是活细胞所产生的一种生物催化剂，它本身在反应中 不被消耗；有极少量的存在就可大大加速化学反应，土壤中的有机和无机物质通 过酶的催化粘结作用会产生一种强力的硬化过程，从而形成致密而坚固的整体。 2 天津大学硕士学位论文第一章绪论 酶的催化作用促进有机大分子联合生成一种中间反应物，它改变了粘土的原有结 构，使其结构十分致密，并起到一种屏蔽作用，从而有效地防止土壤进一步吸附 水分而膨胀导致密度的降低。美国的帕尔玛生物固化酶就属于此类。 ( 3 ) 水化类由粉状无机盐、水泥、石灰、粉煤灰等不同材料混合均匀 掺入土壤中，能改善和提高土壤技术性能的混合材料。土壤中掺入固化剂拌合后， 在一定的p h 条件下，通过各种途径的系列复杂化学反应和离子交换作用，使 固化剂本身和土壤中的矿物成分在土微粒周围形成晶体结构的多种水化物。这种 以土微粒和水化物组成的胶体粒子在分子力作用下，凝聚成网状结构，在吸收化 学反应过程中放出的热量、外界压力、温度的作用下而硬化，形成以化学键相结 合的结晶体网状结构骨架而产生强度，生成密实而坚硬的半刚性板体。目前市场 此类固化剂较多，主要有北京的中土奥特赛特、武汉水利学院的h a s 和h e c 土 壤固化剂、上海的n g 型土壤固化剂、中国水科院的w h 型土壤固化剂和日本的 富士倍通土壤固化剂等。 1 3 固化剂的研究应用现状 国外对于土壤固化剂的研究和应用，开始于上世纪八十年代，日本和美国是 研究这种材料最活跃的国家。日本田熊公司的系列土壤固化剂，美国帕尔玛【5 】 公司的固化酶，路邦公司的e n 1 【1 7 】型固化剂等是最具代表性的品种。在美国、 墨西哥、澳大利亚应用e n 1 筑路非常普遍，并获得很好的实用效果和经济效益。 我国长江动力( 集团) 公司引进该项技术应用在湖北孝感至武汉的孝天公路上。 帕尔玛公司声称：在2 0 c m 厚帕尔玛路基加强层上覆盖i c m 的乳化沥青封层就形 成一条优质的县乡公路，可降低总成本2 0 - - 6 0 。这种筑路新技术不仅在美国、 加拿大、墨西哥等北美国家普遍采用，近几年来也已在新加坡、马来西亚、印度 等亚洲国家推广。北京怡天生物公司和上海大庆能源有限公司引进这种新技术， 并在北京昌平、上海奉贤、内蒙、江西等省市修建了各种等级公路十余条。日本 已将这种新技术大量用于高速公路、铁路的路基处理，并已把土壤固化剂技术用 于海底深层土的固定处理。台商也引进田熊技术在国内海南省公路上推广应用。 近十余年，国内先后已有十多家科研院所和大专院校对土壤固化剂展开了研 究，如北京建工学院、山东大学、武汉水利电力大学【8 j 、化工部晨光化工研究院 天津大学硕士学位论文第一章绪论 和铁道部科学研究院等，取得了一批实验室研究成果，有的还在一些铁路、公路 上做过试验。如晨光化工研究院的tr 土壤固化剂系列曾在四川成雅路k 9 2 + 8 0 0 处作路基填方，在1 0 8 国道k 2 3 6 9 处修补沥青路面的坑槽，在资( 阳) 资( 中) 公路k 2 7 + 6 5 0 - 7 5 0 段用固化碎石土作路面基层试验等等，都取得了良好的成 绩和效益。然而由于土壤固化剂在国内还是个新事物，从研究、生产到应用施工， 可以说是一项复杂的系统工程，涉及到化工、机械、道路工程等很多学科领域， 加上对此项技术的投入极为有限，致使大多数都停留在实验室研究阶段，未能转 化为生产力。土壤固化剂技术在水利工程的应用研究尚未见报道，因此有必要开 展土壤固化剂在水利工程的应用研究。 从前期调研工作来看，目前国内外固化剂品种繁多，均有其自身应用范围， 且各自对应的施工工艺和性价比也不尽相同，所以用户在选择固化剂时需考虑的 因素也很多，但单从技术上讲，有些固化剂适用于各种土质，而有些固化剂一般 只适用于粘土，对无粘性土适应性较差。我们知道对于堤防道路最重要的指标是 抗压强度和耐水性能的好坏，所以本文在第二章设有专门的一节详细叙述了如何 选择适用本市堤防道路固化剂。 1 4 本课题研究内容和目的意义 天津市地处九河下梢，防洪任务十分艰巨，它是水利工作的重要任务，承担 河道、水库的防洪。我市水利防洪工程中的堤防均为土质，多存在承载力低和不 均匀沉降等问题，传统的防洪道路多为泥结石路面，也有部分砼路面。泥结石路 面造价较低，也能较好的适应路基变形，但晴天一路灰尘，雨天泥浆飞溅，又易 于造成破坏；混凝土路面强度较高，但造价亦偏高，又不易适应路基的浣降变形， 尤其对新筑堤防极易因不均匀沉降造成路面开裂破坏，路面破坏后维修困难，而 且对以后堤防的继续加高加固会造成影响。因此，对于堤防防洪道路建设需要 种适应性良好的筑路新材料和新工艺。本课题就是在这种情况下提出的。 课题主要通过对各种不同室内试验方案下固化剂改良土的各种指标进行一 系列的室内对比试验，研究确定各种条件下固化剂的适用性及适用最佳方案；结 合实验工程，通过对现场不同方案试验段的大量室内外试验、取样观测，施工技 术优化等，研究现场条件下固化路面的适应性及耐久性，结合天津市堤防现状及 天津大学硕士学位论文 第一章绪论 特点进行一系列经济技术比较，确定固化剂堤防道路最佳设计、施工方案及相应 的技术、经济指标。从而达到为堤防道路建设提供一种性能造价比最优的新材料 及其相应设计、施工工艺的目的。主要研究内容包括： 1 室内材料性能及配比试验。针对典型土质，不同固化剂品种，不同配比掺 量，不同击实功能下固化泥结石的密实度、强度、水稳性能、抗冻性能进行试验、 比较，推荐几种优化的室内配比方案。 2 选择典型堤防路段开展实验工程，重点进行室内优化方案的施工，并对不 同施工方法和工艺进行研究比较，提出可行的施工技术。 3 工程竣工后，重点开展实验工程的质量检测及耐久性跟踪监测。对不同施 工方案、不同季节条件、不同运行条件、不同运行时间的固化剂路面进行钻孔取 样和现场测试，比较其性能优劣，确定固化剂道路的各项技术参数和优化方案。 本论文完成的主要研究内容有： 1 室内试验所用土料分析、固化剂初选、配比设计及不同初始条件选择、试 样成型、养护及破型试验。 2 对室内试验数据进行详细对比分析，找出影响固化土强度的配比及外界因 素，提出适用堤防道路用的较优固化剂。 3 对试验路段的施工、养护及后期质量检测进行阐述，分析了影响应用效果 的原因，提出了改进的配比及施工方案，并对后期性能进行追综。 4 总结固化剂改良土在天津堤防道路工程中应用效果，提出该课题今后继续 深入研究方向。 天津大学硕士学位论文第二章试验方法介绍及固化剂初选 第二章试验方法介绍及固化剂初选 目前国内关于素土和改良土的无侧限抗压强度试验方法均在有关标准中进 行了规定，但是对于固化土耐久性能方面的试验方法尚不统一，一般参照有关的 国内外标准 1 8 - 2 2 或混凝土试验规程【2 3 。本章在此基础上，结合试验设备情况，在 尽量符合国内外通行标准的前提下，确定出本课题所用的试验方法。 本文中的各种室内土工试验，凡是只针对素土的，主要参照我国的国标土 工试验方法标准和交通部行业标准公路土工试验规程：而对于在素土中添 加水泥或其它固化剂而形成的固化土混合材料，主要参照我国的交通部行业标准 固化类路面基层和底基层技术规程、公路工程无机结合料稳定材料试验规 程。 根据研究目的，将固化剂按需要进行初步筛选，确定室内试验所用固化剂类 型。 2 1 室内试验项目及方法介绍 2 1 1 含水率试验 含水率试验依据公路工程无机结合料稳定材料试验规程( j t j0 5 7 9 4 ) 采 用烘干法测定。将土在1 0 5 c 11 0 。c 的条件下烘干至恒重，湿土和干土的质量之 差与干土的质量之比的百分率称为含水率，即： 固化土含水率( ) = 里些圭罨票差毒昌铲( 2 - 1 ) 2 1 2 击实试验 击实试验的目的是确定素土和固化土的最佳含水率和最大干密度，从而为其 它强度和耐久性试验做准备。 本课题中击实试验采用公路工程无机结合料稳定材料试验规程( j t j 仃 0 5 7 9 4 ) 规定的重型击实试验方法。 天津大学硕士学位论文 第二章试验方法介绍及固化剂初选 2 1 3 无侧限抗压强度试验 无侧限抗压强度是指试件在侧面不受任何约束限制条件下所承受的最大轴 向应力。无侧限抗压强度试验简便，能较快速准确地反映试件的强度特性，应用 最为广泛，试验方法也较为成熟。因此，本课题将无侧限抗压强度作为评价固化 剂性能优劣的关键性指标。 无侧限抗压强度试件成型及试验步骤如下： ( 1 ) 按前面讲到的试验准备进行备土。 ( 2 ) 试件制备：对于细粒土( 粒径耋5 r a m ) 采用试模5 0 m m * 5 0 m m 的圆柱体 试件，对于中粒土( 粒径耋2 5 m m ) 采用l o o m m * l o o m m 的圆柱体试件，对于粗 粒土( 粒径至4 0 r a m ) 采用试模1 5 0 m m * 1 5 0 m m 的圆柱体试件。按预定的比例将 固化剂、土及其余材料混合配好，按最优含水率加水，放入搅拌机搅拌均匀后按 预定的密度值计算每试件所需混合料重量，然后把拌好的混合料放入试模，用万 能试验机静压成型试件，最后用脱模器将试件从试模中脱出。 ( 3 ) 试件养护：将制好的试件脱模后，立即将试件放入标准养护室进行养护， 养护环境温度2 0 + 1 0 c ，环境湿度大于9 0 ，根据试验需要可变化养护条件，养 护时间亦视试验需要确定。 ( 4 ) 抗压强度试验：待试件达到规定的养护时间后，将试件取出，擦干试件 表面水分后将试样放置在压力机试验台上，对固化土试样以0 4 m p a m i n 左右的 加荷速度给试样施加压力，直到试样破坏。试验时，仪器自动记录试样破坏时的 匪力p o ( ；) 结果计算。按照式( 2 2 ) 计算试样的抗压强度。为了扩大样本数量，减少 试验误差，增加测试结果的可靠度，试验时，进行3 个条件完全相同的平行试验， 以3 个试验的算术平均值作为同一种条件下试样的抗压强度值。 厂：( 2 2 ) 。“ 彳 2 1 4 水稳性试验 固化土的水稳性，也称耐水性，是指其遇水时的稳定性及抵抗因水分侵蚀而 产生破坏的能力。水稳性试验是评价土壤固化剂性能优劣的重要指标，同时由于 干湿循环和抗冻性试验中均有浸水的过程，通过水稳性试验一方面可粗略比较出 天津大学硕士学位论文第二章试验方法介绍及固化剂初选 不同类型固化土水稳性的优劣，另一方面可以初步判断干湿循环和抗冻性试验能 否顺利进行。 固化土水稳性试验的主要步骤是： ( 1 ) 按无侧限抗压强度试验方法备料和制件，每组6 个试件。 ( 2 ) 6 d 标准养护期满后，将试件取出，放入2 0 1 0 c 水中浸泡，水深应没 过试件1 0 o c m 以上，记录试件浸水后的试验现象。若试件浸水后，较短的时间 内在水中散解，则记录其散解时间，并停止试验。 ( 3 ) 浸水l d 后，将试件取出，记录其变化情况，并对其进行无侧限抗压强 度试验，得到试件的抗压强度，然后对标准养护同龄期的未泡水试块进行无侧限 抗压试验，得到标养条件下抗压强度，最后计算两组强度值之比。 水稳定性系数= 柔糍 ( 2 3 ) 2 1 5 干湿循环试验 道路在实际运行过程中，由于气候原因往往会产生干湿交替的情况，长期作 用会对道路造成定的疲劳损坏，影响路面的使用功能。试件的干湿循环试验就 是为了测定道路在水的反复作用下强度的变化情况。 干湿循环的试件制备与进行无侧限抗压强度试件的相同，6 个试件为一组， 其中3 个备作干湿循环试验用，另3 个作为对比试件用。养护期为2 8 天，在养 护期的最后一天将该组6 个试件放入水中，保证水面在试件的顶面以上1 0 o c m ， 浸泡2 4 h 。然后将前3 个试件取出放入温度为5 0 土2 c 的烘箱中烘2 4 h ，置于空 气中充分冷却后再泡入水中，此为一个循环。如此反复5 个循环后，进行无侧限 抗压强度的测定。其余三个试件一直置于水中，作为对比试件，与上面的三个干 湿循环的试件同时进行无侧限抗压强度的测定。 干湿循环稳定系数按下式计算： 干湿循环稳定系数= 系主军鋈娄蓁罴 ( 2 4 ) 质量损失率= 里丝兰堡笔磊骂雾斋嘉i 霎产 。( 2 5 ) 天津大学硕士学位论文第二章试验方法介绍及固化剂初选 2 1 6 冻融试验 固化土的抗冻性( 或称为耐冻融循环能力) 是指其抵抗自然环境中冻融产生 破坏的能力，固化土这种由松散颗粒构成的微孔网状组织材料，受自然条件下冻 融交变应力的作用而发生破坏是一种常见的现象，因此冻融试验也是评价固化土， 耐久性的关键指标之一。 冻融循环试件的制备同测定浸水无侧限抗压强度的方法制作试件( 一组6 个) ，在标养条件下养护2 8 天，取出投入水箱中浸泡，浸泡时间2 4 小时后，取 出饱和试件3 个，放在垫有橡皮垫的盘中，置于冰冻室，在温度为- 2 0 士1 冻 结2 4 小时后，将试件连同盘子一起放入温度为2 0 士l 的水中融化2 4 小时， 水面应高于试件顶面l o c m 以上，试件间距不少于5 c m ，至此为一次冻融循环。 如此反复进行1 2 次。达到规定的循环次数时，取出冻融试件和在水箱中浸泡的 未冻融的3 个试件，分别进行抗压强度试验。被冻融试件的抗压强度与对比试件 ( 未冻融试件) 抗压强度之比值即为冻融稳定系数。 冻融稳定性系数= 毒笺氅墓雾沓淼 ( 2 6 ) 2 2 典型土壤固化剂介绍 目前国内市场固化剂种类繁多，产品性能和适用性各不相同。本课题组通过 大量前期工作，搜集到我国目前常见的土壤固化剂l o 余种，并对其分别进行了 试验，其中有北京中土公司的奥特赛特、武汉水利水电大学的h a s 土壤固化剂、 上海n g 土壤固化剂、内蒙古高性能土壤固化剂、安徽w s p 高分子有机土壤固化 剂、澳大利亚的i s s 土壤固化剂、上海三吴能源的帕尔玛土壤固化酶等等。以下 对几种典型的固化剂加以介绍。 ( 1 ) 奥特赛特土壤固化剂。北京中土奥特赛特科技发展有限公司从日本引 进先进的无公害、高性能土壤固化剂生产技术，生产的土壤固化剂具有较高的性 能价格比，先后被列为1 9 9 7 年国家级星火计划和1 9 9 9 年国家重点技术创新项目， 水利部科技推广中心也要求在水利工程中进行推广使用。 ( 2 ) h a s 土壤固化剂。h a s 高性能土壤固化剂是我国武汉水利电力大学自行 研制的固化剂，该固化剂具有对粉煤灰、各种工业废渣、尾矿砂含泥石屑、土壤 天津大学硕士学位论文第二章试验方法介绍及固化剂初选 等无须冲洗即可固化的优良特性，可广泛应用于道路工程、水利水电工程、基础 处理工程、墙体材料等领域。h a s 土壤固化剂是一种灰色粉末，属于水化类粉状 土壤固化剂，具有固化强度高，固化反应快，抗化学腐蚀性强，耐久性好等优点。 ( 3 ) w s p 高分子有机土壤固化剂。w s p 高分子有机土壤固化剂是安徽建筑工 业学院和合肥新峰建材有限责任公司共同研制的水溶性高分子土壤固化剂。水溶 性高分子土壤固化剂是近年来土壤固化剂行列中新兴产品，它是采用高分子合成 方法获得的水溶性有机胶结材料又称水溶性树脂或水溶性聚合物，是一种亲水性 的高分子材料，在水中能溶解或溶胀而形成溶液或分散液。 w s p 高分子有机土壤固化剂正是一种以聚丙烯酸基体系为主体的新型有机高 分子胶结材料。它属于常温固化剂，能充分发挥粘土潜在的活性，使土相界面形 成牢固的多晶粘土聚集体，通过离子问的置换改善了颗粒界面接触，从而达到使 土壤固结的性能。 ( 4 ) i s s 离子型土壤固化剂。i s s 土壤固化剂，是澳洲国际离子土壤稳固剂 实业有限公司( i n t e r n a t i o n a li o n i cs o i ls t a b i l i z e ri n d u s t r y ( a u s t r a l i a ) l t d ，简称i i s s 公司) 的主要产品。i s s 为粘滞性液体，呈黄褐色，易溶于水，无 毒，是一种优异的筑路、筑堤新型土壤稳固材料。它是由多种强离子化合物组合 而成的水溶剂，经稀释后均匀地按比例掺入土壤中，经平整压实之后就变成永久 性、耐压的不沉陷、不变形的i s s 结构面层( 可直接用作路面，也可用作基层加 铺沥青路面) 。 i s s 主要是利用高效离子交换作用来改变土壤的基质，从而改变其力学性能， 即改良土壤的物理和机械特性。它使土体结构中的吸附水全部游离出来，且不可 逆地脱离土壤颗粒，在压实过程中把水分排走，使土体在短时间内稳定下来，从 而有效地提高土壤密实度、承载力和抗渗力。 ( 5 ) 帕尔玛生物土壤固化酶。帕尔玛土壤固化酶筑路新技术起源于二十世 纪八十年代的美国，进入九十年代，该技术不断完善，日臻成熟。先后在美国、 加拿大、墨西哥、印度、斯里兰卡等国家应用。1 9 9 5 年帕尔玛土壤固化酶被引 入我国，在北京昌平修建了第一条帕尔玛道路。用帕尔玛修筑道路基层，采用天 然砂石和少量粘土，不必再掺加包括水泥、白灰在内的任何种无机结合料，不仅 可以避免筑路材料的远途运输而降低成本，并且保护了自然环境不受污染。帕尔 天津大学硕士学位论文第二章试验方法介绍及固化剂初选 玛土壤固化酶筑路适宜于粘性土，大量掺入天然砂石增大固化土的内部骨架支撑 力，以提高固化土路的承载力。 2 3 堤防道路用固化剂初选 以上各种固化剂均有其自身应用范围，总体来说，奥特赛特、h a s 、n g 等水 化类固化剂适用于各种土质，而i s s 、w s p 、帕尔玛固化酶等液体固化剂一般适 用于粘土，对无粘性土适应性较差。由于产品较多，因此要对每种产品都详细研 究是不可能的，必须用简便快捷的重点试验指标完成对固化剂的初选，对于堤防 道路最重要的指标是抗压强度和耐水性能的好坏，因此，我们首先对搜集到的土 壤固化剂进行无侧限抗压强度和水稳性试验，通过上述试验我们可以初步确定土 壤固化剂性能，以便于进一步重点开展详细试验。 2 3 1 初选试验介绍 考虑各种土壤固化剂适应性及试验的可比性，初选试验均采用同一种粘性 土，其基本物理性质和击实试验结果如下： 表2 i 试验用土的物理指标 表2 - 2 试验用土的击实试验结果 种类湿铲g 鬻。g 鬻。g 鬻督 lj ( c m 3 ) l c m ，l c m ，。：b ， 天津大学硕士学位论文第二章试验方法介绍及固化剂初选 图2 - 1 试验用土击实曲线图 配比掺量： 为了便于比较水化类粉状土壤固化剂之间的性能优劣，在初选试验中我们采 用固定掺量比例( 1 2 ) ，对于离子型土壤固化剂和生物酶我们选用其各自推荐掺 量开展无侧限抗压强度试验和水稳性试验。 试件制各： 试件制备采用5 0 m 5 0 衄的圆柱体试模，按比例将固化剂、土配好，按略高 于最优含水率加水，放入搅拌机充分搅拌均匀后，按9 5 压实度计算每试件所需 混合料重量，然后把拌好的混合料放入试模，用万能试验机静压成型试件，最后 用脱模器将试件从试模中脱出，标准养护至规定龄期开展相关试验。 2 3 2 初选试验结果 试验主要考察各类固化土7 天无侧限抗压强度及浸水后水稳系数，具体初选 试验结果如下表： 从试验结果中我们可以很清楚地看到前四种水化类粉状土壤固化剂对土体 的固化效果要明显优于离子型土壤固化剂和帕尔玛土壤固化酶。在水化类土壤固 化剂中，h a s 土壤固化剂固化土效果最好，其次是奥特赛特土壤固化剂。 天津大学硕士学位论文第二章试验方法介绍及固化剂初选 奥特赛特1 2 ( ) h a s 高性能土壤 1 2 ( ) 固化剂 n g 土壤固化剂 1 2 ( ) 内蒙古高性能土壤 1 2 ( ) 固化剂 7 7 7 7 3 6 8 3 9 1 2 9 8 2 7 6 2 5 4 2 8 9 1 6 5 1 7 2 o 6 9 0 7 4 0 5 5 0 6 2 w s p 高分子有机土壤 万分之三 70 6 5 固化剂 i s s 土壤固化剂0 3 5 l m 3 70 7 0 帕尔玛土壤固化酶0 3 0 l m 37 0 7 2 素土7 天标准养护的无侧限抗压强度仅为0 4 2 m p a ，而掺入w s p 高分子有机 土壤固化剂、i s s 土壤固化剂、帕尔玛土壤固化酶对土体强度有一定提高。标准 养护6 d 后，当将素土试件浸入水中，土样就由外向内迅速在水中崩解，约6 0 m i n 后试件上部彻底崩落，试样成为倒锥形的形状，强度完全丧失。 帕尔玛生物酶固化土浸入水后，试样外部缓慢开裂，并在约3 0 m i n 后试件上 部掉角，试件开始软化，2 4 h 以后试件崩解，i s s 固化土浸入水后，试件体积膨 胀，缓慢开裂，在约6 0 m i n 后试件上部掉角，试件开始软化，3 0 h 以后试件上部 崩解，下部还保持一定形状，w s p 高分子有机土壤固化剂浸水后破坏现象基本类 似。可以看出掺入帕尔玛、i s s 、w s p 等液体固化剂在一定程度上改变了土壤粒 子之间的结合力，减少了土壤粒子之间的空隙，提高了固化土的密度，延缓了土 体浸水破坏时间，提高了土的水稳性，但没有根本改变土遇水膨胀的天然特性。 由于离子型土壤固化剂和帕尔玛固化酶没有根本改善土壤的水稳性，很难从 根本上解决堤防道路雨天不能上堤的问题，因此在其后的试验我们只对固化土强 度高、水稳性能较好的h a s 土壤固化剂和奥特赛特土壤固化剂开展进一步试验研 究。 天津大学硕士学位论文第三章固化剂改良土室内试验性能研究 第三章固化剂改良土室内试验性能研究 本章主要通过固化土无侧限抗压强度、水稳性、干湿循环和抗冻性等试验， 对h a s 土壤固化剂和奥特赛特土壤固化剂进行较详细的试验研究，研究固化土性 能与土壤固化剂掺量、龄期、密实度、养护方式之间的变化规律，并将素土和水 泥固化土进行比较，以对其强度和耐久性能进行评价，以便得到较为适宜的优化 配比。 3 1 试验准备 为了便于土壤固化剂在天津水利工程中的推广应用，试验中选取了天津堤防 工程中常见的粘性土。 土壤固化剂采用武汉水利电力大学生产的h a s 土壤固化剂和北京中土奥特 赛特科技发展有限公司生产的奥特赛特土壤固化剂。 水泥采用我市水利工程中常用天津市振兴水泥股份有限公司生产的“正通” 牌p o 3 2 5 普通硅酸盐水泥。， 试样的制备方法对于素土和固化土基本相似，具体步骤如下： ( 1 ) 将具有代表性的风干土料用木锤和木碾捣碎，但应避免破碎粒料的原 粒径，过2 c m 筛。 ( 2 ) 试验前取具有代表性的风干土料，测定其风干土含水率。 ( 3 ) 试验前，在浸润过的土料中加入预定数量的水泥或其它固化剂并拌和 均匀，在拌和过程中将设计的水加入混合料中，使其达到制件含水率。 ( 4 ) 拌和均匀的加有水泥或固化剂的混合料应在短时间内制成试件，否则 所做试验试块含水率将不一致。 天津大学硕士学位论文第三章固化剂改良土室内试验性能研究 3 2 试验设计及试样成型 3 2 1 试验设计 为了研究固化剂改良土的强度及其它各项性能指标，按照室内试验将来能指 导室外试验的基本原则，课题组安排了以下试验内容： ( 1 ) 测试性能指标：强度、水稳性、耐干湿循环能力、抗冻性能。 ( 2 ) 试验配比及模拟的外界初始条件有： 固化剂掺量：6 、1 2 、1 6 、2 5 。 石子掺量：4 0 、5 0 、6 0 、7 0 。 养护龄期：3 天、7 天、1 4 天、2 8 天。 养护条件( 以下自然养护简称自养、标准养护简称标养) ： 2 8 天自养、3 天标养+ 2 5 天自养、7 天标养+ 2 1 天自养 1 4 天标养+ 1 4 天自养、2 8 天标养。 压实度：9 0 、9 5 、9 8 。 干湿循环：1 次、2 次、3 次、4 次、5 次 冻融循环：统一1 2 次 3 2 2 试样成型 对素土和不同掺量比例的固化土进行重型击实试验，固化土以h a s 为代表， 素土和h a s 固化土击实曲线见图3 1 ，最大干密度和最优含水率见表3 1 ，本章 中素土和固化土的各种强度和耐久性试验均以此为依据来制试件。 表3 - 1 素土和h a s 固化土混合料的最佳含水率和最大干密度 天津大学硕士学位论文第三章固化剂改良土室内试验性能研究 千 密 度 ( g c m 3 ) 1 8 5 1 8 1 7 5 1 7 1 6 5 1 6 广 、 。 。0 ，一 p 一 一、 。 。 黼 、 r 一。吣 心一 一 + 素土 _ l 卜一6 h a s ，一12 i - l a s 891 01 l1 21 31 41 51 61 7 含水量( ) 图3 - 1 土与h a s 土壤固化剂重型击实曲线 从土与h a s 土壤固化剂击实对比曲线中可以看出： ( 1 ) 从最大干密度来看，素土最大，6 掺量的h a s 固化土次之，1 2 掺量 h a s 固化土最小。这主要是由于h a s 土壤固化剂颗粒与素土颗粒大小较接近，这 样土壤固化剂掺入量越大，土颗粒与土壤固化剂颗粒形成的混合物级配越不良， 因而固化土的干密度也随着土壤固化剂的掺量加大而减小。 ( 2 ) 从最佳含水率来看，素土最小，6 掺量的h a s 固化土次之，1 2 掺量 h a s 固化土最大。固化士混合料是在拌和后立即进行重型击实试验，基本上可以 不考虑固化剂水化反应对混合料中水分的影响，其最佳含水率的升高主要是土壤 固化剂这些基本上不含水分的干料加入混合土料中引起的，所以混合料中土壤固 化剂的掺量越高，其固化土混合料的最佳含水率也越高。 ( 3 ) 从重型击实曲线来看，素土的击实曲线外观变化比较大，6 掺量的h a s 固化土曲线较素土击实曲线平缓，1 2 掺量h a s 固化土击实曲线最为平缓，这就 反映了土壤固化剂对含水率有更好的适应性。另外，掺量高的固化土混合料比掺 量低的固化土混合料有更好的适应性，施工操作性能更方便。 天津大学硕士学位论文第三章固化剂改良土室内试验性能研究 3 3 不同初始条件下固化土的强度特性 无侧限抗压强度是判定土壤固化剂性能优劣最重要的指标之一，能较准确地 反映试样的强度特性，应用也最为广泛。本章也将无侧限抗压强度作为评价固化 土性能的关键性指标，对各种土壤固化剂进行较为详细的试验，并与素土和水泥 固化土进行比较，同时针对不同的养护条件、龄期、压实度、固化剂掺量和试件 尺寸等影响因素进行了一系列的对比试验。 为了较为科学准确地评价固化土的力学性能，本节无侧限抗压强度试验方法 主要以我国公路的现行试验规程为标准而进行的。试验用土为前述土料，一般试 验采用5 0 咖n * 5 0 m m 圆柱体试件，掺入石子试验中采用l o o m m * l o o m m 圆柱试件。试 验中标准养护是指在湿度9 0 以上，温度2 0 1 之间，浸水一天养护方式是指 标准养护6 天以后浸水一天。 3 3 1 固化剂掺量对固化土无侧限抗压强度的影响 为了了解土壤固化剂无侧限抗压强度随龄期变化的发展关系和不同掺量对 强度的影响关系，我们对水泥固化土、h a s 固化土和奥特赛特固化土分别进行了 龄期3 天、7 天、1 4 天和2 8 天的无侧限抗压强度对比试验，同时进行了掺量为 6 、1 2 、1 6 、2 5 的对比试验，试验结果见下表 表3 - 2 水泥固化土不同掺量、不同龄期的无侧限抗压强度( m p a ) 3 7 1 4 2 8 1 1 9 1 6 3 1 8 l 1 9 3 1 7 8 2 5 7 j 2 8 9 3 2 7 1 9 2 2 8 6 3 3 5 3 7 8 2 8 3 3 5 7 3 9 5 4 5 6 天津大学硕士学位论文第三章固化剂改良土室内试验性能研究 表3 - 3h a s 固化土不同掺量、不同龄期的无侧限抗压强度( m p a ) 3 7 1 4 2 8 1 9 3 2 2 1 2 6 5 2 8 0 3 1 3 3 9 l 4 5 3 5 1 2 3 4 6 4 2 8 4 9 6 5 5 6 4 6 8 5 。4 5 5 8 8 6 4 3 表3 - 4 奥特赛特固化土不同掺量、不同龄期的无侧限抗压强度( m p a ) 3 7 1 4 2 8 1 8 6 2 1 0 2 4 6 2 6 6 3 0 2 3 6 8 4 3 2 4 9 8 3 3 9 4 0 2 4 8 2 5 4 5 4 6 6 5 2 8 5 6 8 6 3 6 7 6 5 量4 7 罄3 2 1 o 0 图3 - 2 5l o1 52 02 53 0 掺量( ) h a s 土壤固化剂掺量对无侧限抗压强度的影响曲线 1 8 天律大学硕士学位论文第三章固化剂改良土室内试验性能研究 6 5 4 帕