《武汉工程大学学报》 2010年01期
36-38
出版日期：2010-01-31
ISSN:1674-2869
CN:42-1779/TQ
HG无机/有机复合土壤固结材料的应用研究
引言
深层搅拌、高压旋喷、水泥拌合土等软土地基加固方法，一般是以水泥等作为固化剂，利用水泥与软黏土之间发生的一系列物理、物理化学、化学反应，使软黏土硬结为具有一定强度和水稳定性的水泥固化土［1］.水泥的加固效果随土质条件的变化差异很大，在某些土质中，用水泥作固化剂难以满足工程需求.地下淤泥质软土强度低、压缩性大、渗透性小，鉴于淤泥质软土地基承载力低、地基变形大、压缩性大、透水性差，不易满足水工建筑物地基设计要求，同时变形稳定历时较长等特点［2］，迫切需要开发适用于淤泥质软土地基的高效固化剂.但目前国内还没有一种固化剂广泛应用于淤泥质软土地基的处理.HG无机/有机复合土壤固结材料（以下简称HG）是一种主要应用于淤泥质软土地基处理的固化剂，作为添加剂与水泥复配后进行地基加固处理，在不增加工程造价前提下能大幅度提高水泥土搅拌桩的桩身强度、抗渗透性、抗剪强度等多项力学性能指标，同时能降低水泥的用量，降低水泥浆的粘度以便于输送.还可应用到引排水工程、边坡堤堰、淤泥处理、蓄水工程等领域.HG以价格低廉、原料易得、环境有好的有机高分子为主要原料，再辅配无机复合激发剂，将无机物与有机物混合复配，使两类化合物强强联合产生协同效应，形成一种新型复合土壤固结材料.1实验部分1.1实验材料土样：试验用土取自武汉市金银潭地铁工地地下14 m淤泥质粘土，土粒密度为1.79 g/cm3，液限44.5% (质量分数)，塑限25.8%(质量分数)，塑性指数为18.1％(质量分数)，液性指数为1.12.固化材料：HG，粉状固体，武汉恒高科技工程有限公司生产；水泥，325号普通硅酸盐水泥，华新水泥股份有限公司生产.1.2测试及其方法本试验均按照《公路工程无机结合料稳定材料试验规程》(JTJ057-94)［3］、《土工试验方法标准》(GB／T50123-1999)［4］及《公路路面基层施工技术规范》(JTJ034-2000)［5］进行.试样制备：按标准制备一系列添加不同水泥量以及不同HG水泥复配比例的水泥土试样，将试样在标准养护条件下养护7，14，28 d后进行试验.击实试验：试验采用DJ系列标准电动击实仪.击实分3层装土，每层击实数为40.无侧限抗压强度试验：试验采用YE-30型液压式压力试验机.养护期的最后一天将试件浸泡在水中，水面高出试件顶部约2.5 cm.将浸水24 h的试样从水中取出，用软布吸去表面可见自由水，进行无侧限抗压强度试验.粘度试验：试验采用ZMN2型马氏漏斗粘度计.在恒温20 ℃条件下， 将适量用净浆搅拌机搅拌均匀的水泥浆倒人Marsh筒内，测定水泥浆从下部料嘴流出500 mL所用的时间，记为Marsh时间.直接剪切试验：试验采用EDJl型双速电动等应变直剪仪快剪方法.试样规格为61.8 mm×20 mm，试验控制条件为剪切过程不排水和剪切速率为2.4 mm/min，对每组试样分别施加不同垂直压力100、200、300、400 kPa进行试验.渗透试验：试验采用QY12型渗压仪，按变水头渗透试验方法进行.试样规格为61.8 mm×40 mm，试样在标准条件下养护6 d，采用抽气水头饱和法对试样进行饱和后进行试验.第1期袁军，等：HG无机/有机复合土壤固结材料的应用研究
武汉工程大学学报第32卷
2结果与讨论2.1最大干密度和最优含水量选取复配后的HG水泥混合料（以下简称HG复配料）与土样以及纯水泥与土样质量配合比均为20∶80的两组配方进行比较，根据击实试验得出最大干密度和最优含水量，试验结果如表所示.表1最大干密度和最优含水量
Table 1Maximum dry densities and optimum water contents
试样水泥的质量分数/%HG的质量分数/%土的质量分数/%最大干密度/(g·cm-3)最优含水量/%1#19.70.3801.8117.92#20-801.7518.7由表1可知，在固化材料（指添加到土样中的水泥或HG复配料，以下同）与土样质量配合比相同的情况下，HG复配料固化土试样的最大干密度大于纯水泥土试样，最优含水量小于纯水泥土试样.说明较之纯水泥，掺入HG的试样在较低含水量下就可击实到较大干密度.2.2HG与水泥最佳复配比例的确定为了确定HG与水泥复配加固土时两者的最佳配比，HG水泥复配比例分别采用1%、1.2%、1.5%、1.8%和2%，HG复配料与土样的质量配合比为20：80，得到5组水泥土试样.试样7 d无侧限抗压强度如图1所示.从图1可知，水泥土试样的无侧限抗压强度随HG复配料中HG含量的增加而增大，当HG水泥复配比例大于1.5％后，增大幅度有所减少；同时考虑到水泥土搅拌桩强度的要求及经济因素；确定HG复配料中HG水泥最佳复配比例为1.5％.2.3HG对水泥浆的降粘作用保持水泥浆的水灰比为0.45不变，添加不同比例的HG，用Marsh筒法［6］测定出不同HG添加量时水泥浆的Marsh时间，以此来表征其流动性能.Marsh时间越短，浆体的流动性能就越好.测试结果如图2所示.图1HG复配料中不同HG质量分数固化土的强度曲线
Fig.1Strength curve of HG compounded material improved soil in diferent added proportions of HG由图2可知，随着HG添加量的增加，水泥浆的Marsh时间明显缩短，表明HG对水泥浆的降粘效果非常明显.图2添加不同比例的HG时水泥浆的Marsh时间
Fig.2The Marsh time of slurry at different ratios of HG to cement2.4不同水灰比时Marsh粘度比较改变水泥浆的水灰比，添加1.5%HG与不添加时水泥浆的Marsh时间如图3所示.图3不同水灰比时添加与不添加HG时
水泥浆的Marsh时间比较
Fig.3Comparing the Marsh time of cement slurry with HG and without HG at different water cement ratios试验结果表明，不添加HG的水泥浆在水灰比小于0.48时，在Marsh筒内流速相当缓慢，几乎无法测出试验数据.而添加1.5%HG后的水泥浆在水灰比为0.43时可以测出Marsh时间，且和水灰比为0.5的纯水泥浆相当.因此可见，HG材料对水泥浆的降粘作用明显.因此，在实际操作过程中可以大大降低水泥浆的水灰比，而不影响水泥浆的输送性能.另外，水灰比的减小，可以减少土壤中的总游离水含量，有利于固结材料对本身游离水含量较高的淤泥质土固结，增加土壤固结强度.2.5不同水泥添加量对地下土无侧限抗压强度的
影响表2为10组不同固化材料添加量时水泥土试样的无侧限抗压强度测试结果，试验中HG复配料中HG水泥为最佳复配比例1.5％.其中1#和2#、3#和4#、6#和7#及8#和9#为固化材料与土样具有相同质量配合比的的水泥土试样.
表2不同配比的水泥土试样的无侧限抗压强度比较
Table 2Comparing the unconfined compressive strengths of cement soil at different additions of HGcement slurry
试样水泥的质量分数/%HG的质量分数/%土的质量分数/%7 d强度
/MPa14 d强度
/MPa28 d强度
/MPa1#19.70.3801.321.782.112#20-801.141.481.713#14.780.22851.251.691.984#15-850.951.241.435#10.840.16891.051.411.676#9.850.15900.811.091.307#10-900.630.820.958#6.90.1930.700.941.119#7-930.520.670.7910#5.90.1940.570.770.89由表2可知，添加HG的水泥土试样的7、14和28 d的无侧限抗压强度都远大于相同固化材料添加量的水泥土试样.比较2#和3#、4#和5#、7#和8#及9#和10#可知，HG复配料水泥土试样在水泥用量少约25%的情况下，无侧限抗压强度仍高于纯水泥土试样.而且随着养护齢期的增长，添加HG的试样强度增加幅度较大.2.6抗剪强度选择2.5中2#和3#水泥土试样，测试其在不同条件下的抗剪强度，粘聚力c和内摩擦角φ如表3所示.
表3添加与不添加HG的水泥土抗剪强度比较
Table 3Comparing the shearing strength parameters of cement soil with HG and without HG
试样编号试验条件粘聚力c/kPa内摩擦角φ /℃2#养护6 d450.049.2浸水1 d186.352.7浸水7 d193.554.13#养护6 d580.049.8浸水1 d292.653.3浸水7 d293.656.5由表3可知，对于粘聚力c，养护6 d时最高，浸水后明显降低，降幅超过50％，3#试样的粘聚力明显比2#试样高；对于内摩擦角φ，浸水后2#试样和3#均增加，3#试样增加的幅度更大，在相同试验条件下，3#试样的内摩擦角较2#试样高.由此可知，添加HG之后的水泥土试样在水泥用量少约25%的情况下，粘聚力和内摩擦角均大于纯水泥土试样.2.7渗透性选择2.5中水泥土试样2#和3#，测定其竖向渗透系数，结果如表4所示.表4竖向渗透系数
Table 4Verticality permeability coefficients
试样编号竖向渗透系数Kv/（cm·s-1）2#3.34×10-63#2.95×10-6由表4的结果可知，二者的数值处于同一数量级，3#试样渗透系数小于2#试样.由此可知，HG复配料水泥土试样在水泥用量少约25%的情况下，较纯水泥土试样有更好的抗渗透性.3结语a.HG的使用能有效提高水泥对地下14 m淤泥质土的无侧限抗压强度、抗剪强度及抗渗透性.b.添加HG降低了水泥浆的粘度，改善了流动性能，便于输送.c.添加HG能减少工程中水泥的用量，有利于环境保护和降低成本，具有良好的经济效益.