陈胜王琦岳云龙隋肃吴波(济南大学材料科学与工程学院，济南 250022)
作者简介：陈胜(1979～)，男，硕士研究生．主要从事凝胶材料的研究
土壤固化剂作为一种新型土体加固材料，近年来受到了国内土木工程领域的普遍关注。它不仅适用范围广、性能稳定、价格低廉，而且施工及维修都很方便，非常适合目前国内市场的需要⋯。当前，国内的固化土材料主要是以石灰、水泥、二灰等为主[2]，因为它们是价廉易得的优质固化材料，但是，这些材料仍存在不少缺点，如早期强度低、易开裂、水稳性差等。为适应滨州地区盐渍土的土质要求，克服以上缺点，研究了应用于固化公路底基层的高性能的土壤固化剂。
1 试验
1．1 试验设备
液压式万能试验机、西5O mm X 50 mm试模、行星式球磨机、标准养护箱。
1．2 原料
选用的是山东水泥厂生产的掺矿渣的普通硅酸盐水泥P．0．42．5R、熟石灰、核心料等。
1．3 试验用土
本文所用的试验用土主要是山东滨州沿海地区以盐渍土为主的土壤。经物理力学性能测试，由表l得知该地区盐渍土属于无机中液限粘质土。素土的参数如
表1所示。
1．4 试验操作
1．4．1 固化剂的制备
固化剂是由水泥一石灰一复合无机盐组成的粉状固化剂。首先，选取几种无机盐作为固化剂精料，按一定比例配置成溶液，均匀喷洒在固化剂的某一原料中，并混合均匀，烘干后再与水泥、石灰等其它组成原料按一定比例用球磨机充分混合而成。
1．4，2 试件的制备及养护
根据《无机结合料稳定料试验规程》(JTJ057—94)试验操作方法【3】，土壤基料与固化剂按一定比例于瓷盘中拌和均匀，并加水至最佳含水状态，再充分拌和待用。按预定的压实密度称量每个试件混合料的用量，装人咖5]0 mm X50 mm的试模中，置于成型机上，加压成型，然后卸载，脱模得到试件。
成型后的试件置于标准养护箱内养护，温度控制(20土1)℃ ，湿度在90％以上，养护时间为7 d，14 d，28 d。试件通过养护完成固化剂与土壤之间的各种化学反应，形成板体结构而具有强度。
1．4．3 试件性能确定
根据《无机结合料稳定料试验规程》(JTJ057—94)试验操作方法b ，将养护后的试件置于压力机上、下机头之间，以1 ram／rain的下压速度加压至试件破坏，记录破坏荷载，即为试件抗压强度。
将达到龄期要求的试件，浸人水中24 h，然后取出测定其无侧限抗压强度。根据试件浸水前后的破坏强度，计算其水稳系数。
将养护至14 d的试件，进行冻融试验，并测定冻融后试件的抗压强度。根据试件冻融前后的抗压强度，计算出冻融稳定系数。延迟试验是指固化剂混和土壤后延迟制成稳定土试件，标养7 d后测试其无侧限抗压强度，观其强度变化规律。
将标养至7 d的试件进行收缩性能试验，测试线缩率、体缩率，通过作图得到它的缩限。
2 结果与讨论
在大量试验的基础上，针对滨州沿海地区土壤特点，通过正交试验确定了适合该地区土壤的固化剂的最佳配比与用量。稳定土试件的水稳系数和冻稳系数均大于0．90，延迟时间达8 h。
2．1 正交试验
进行L9(3 )正交试验设计，制定因素水平如表2，结果如表3所示。
表3表明，稳定土标养7 d，抗压强度大于5 MPa，最高可达8．28 MPa，28 d抗压强度大于7 MPa，最高为11．07 MPa；水养7 d，抗压强度最高可达4．44 MPa，28d抗压强度可达6．78 MPa。
由极差分析图1可知，对影响稳定土7 d标养强度的各因素大小顺序依次为：A>c>G。强度变化是随着A的掺量的增加而先减后增，随着G掺量的增加而增加，随着C掺量的增加而先增后减。同时，对稳定土的7 d水养强度影响的各因素大
小顺序为：G>A>C。强度变化如图2所示，其中强度是随着G掺量增加而显著增加。
表3中的28 d抗压强度值表明，稳定土随养护龄期的延长而增加。
综上所述， 为了增强土壤固化剂对不同土的适应性，以及便于实际操作性，根据滨州土壤的实际情况，通过大量的研究试验并结合以前的研究成果，确定了高性能土壤固化剂的配比为：A。G，c之比为2．5：2．5：5。
2．2 稳定土强度与养护时间的关系
试验结果如图3所示，7 d标养盐渍土的固化强度是1．94 MPa，28 d的抗压强度达3．2 MPa。结果表明稳定土强度随着养护时间的增长而稳步增加。
2．3 固化剂稳定土与石灰稳定土、水泥稳定土抗压强度对比
表4为固化盐渍土对比试验结果。结果表明用固化剂固化盐渍土的抗压强度大大优于石灰稳定土和水泥稳定土，固化剂稳定土7 d无侧限抗压强度比其它2种稳定土的强度提高了2倍或2倍以上.
2．5 冻融实验
冻融试验是指标养14 d后，在一20℃条件下养护24 h，再在20℃条件下养护箱养护24 h作为1个冻融循环，共进行了5次循环。试验结果如表6所示，稳定土冻稳系数达到0．95，表明固化剂稳定土的抗冻性能很好(固化剂掺量10％)。
2．6 延迟时间实验
图4为延迟时间对固化盐渍土强度的影响。表明，在延迟时间为0 4 h，稳定土强度在增长，并在第4 h达到最大，随后强度逐渐降低。但是，在延迟时间8 h内对固化土强度的影响小于10％，符合国家公路建设标准。因此，其延迟时间可达8 h(固化剂掺量10％)。
2.8 固化剂适应性
表8为稳定土无侧限抗压强度。表8中的试验用土均来自滨州地区，经物理力学性能测试，得知该地区碱性土属于无机中液限粘质土，而砂性土则属于无机
中液限砂质土。表8中稳定土的抗压强度表明，所研制的土壤固化剂也适应于碱性土和砂性土，其固化效果完全达到了国家公路建设的要求。随着养护时间的增
长，稳定土的抗压强度显著增强。
3．2 SEM分析
图7为稳定土(7 d)SEM图。由图7可以看出，在稳定土的土颗粒的表面明显覆盖着一层凝胶，并且在颗粒间的缝隙中还长着针状结晶体。
3．3 固r化原理探讨
本试验设计的固化剂对于土壤的固化作用分为2个方面：一是固化剂本身水化后产生的粘接作用；另一个就是固化剂与土壤中的活性成分的反应而使土壤得
到固化。
3．3．1 固化剂本身的粘接作用
固化剂中含有的水泥熟料在水化后会产生具有胶结作用的水化硅酸钙(CSH)。粘土颗粒被CSH包围并粘接在一起因而产生了一定强度。固化剂中各成分的反应：固化剂中起碱性激发作用的Ca(OH)：与固化剂中矿渣的活性SiOz和AI 0 生成水化硅酸钙与水化铝酸钙(1—3)CaO·A1203。aqo起硫酸盐激发作用的CaSO 与新生成的水化铝酸钙或与Ca(OH)：和活性A】：0，相互作用生成高硫型的水化硫铝酸钙，即钙钒石AFt。上述化学反应的方程式为；
由电镜照片可见：随着固化剂水化的深入，凝胶、钙矾石等水化产物的不断形成、长大。这些水化产物构成了稳定土的强度骨架，具有胶结作用的C—s—H凝胶能将土粒胶结为整体，使土粒的连接增强而针状钙矾石相互交叉，形成空问网架，填充在土体空隙之中。上述两方面是产生强度的主要来源。此外，无机固化料固化土中，由于水泥用量少，水泥浆不足以填满土粒空隙，因此其孔隙率较混凝土和水泥沙浆大得多，从而有更多的空间容纳膨胀。因此可见，固化剂水化产生的适量膨胀能够产生挤密作用，一般是有利于稳定土的结构密实性的。钙矾石的产生在结构强度的形成过程中具有重要贡献，它既是强度产生的基础，又是强度继续发展的来源。
3．3．2 固化剂与土壤的相互作用
在土一结合料混合物的固结过程当中，结合料的水化作用只是一个初级过程，它使得土粒之间产生结合力。另外，在含粒径小于0，002 ITlm的土颗粒多的土壤中，由于含有较多次生粘土矿物，这些粘土矿物比表面积大、表面能大，在土壤溶液中呈现胶体质，其物化性质、水理性质活跃，它们与无机结合料的物理化学的相互作用对土的固化也起到了重要作用，土一结合料的反应被认为是1个次级的反应过程。在次级过程中，粘土将起重要作用。固化剂与土加一定水拌和后，Ca(OH)z电离出的Ca2 离子与土中带有Na ，K 等低价阳离子的粘土矿物成分进行离子交换：Ca +2Na (K )一粘土一Ca 一粘土+2Na (K+)钙粘土具有较薄的水化膜，和较低的垂一电位，因此土粒之间的斥力随之降低，进入范德华引力的作用范围内，促使粘土颗粒凝聚，结果是大量的土粒聚结成较大的土团，、在一定程度上提高了土体的强度和改善了土体的水稳定性。
该固化剂与粘土的另一作用是碱性的Ca(OH)z与土中的活性SiO：、A1 0 发生缓慢的火山灰反应，生成水化硅酸钙、水化铝酸钙等凝胶物质。在G组分的参与下，火山灰反应的产物之一水化铝酸钙又将进一步反应生成钙矾石，使粘土颗粒表面或在临近处产生不可逆的凝胶硬化。次级过程产生的附加粘和物和膨胀体将进一步增强颗粒之间的粘接强度和改善空隙结构，从而增加稳定土的强度和耐久性。
4 结论
通过以上试验研究与分析可得到以下结论：(1)固化剂对土壤的固化作用良好。固化盐渍土标准养护7 d，抗压强度1．94 MPa；28 d抗压强度为3．2 MPa，完全达到了国家的标准，并且也适用于固化碱性土和砂性土。
(2)根据固化剂实际使用情况制备的固化剂，各种性能良好，优于水泥、石灰等传统土壤固化剂，能很好地满足底基层土壤固化的要求。
(3)通过试验研究，提出了固化剂作用机理，利用固化剂本身的粘接固化及固化剂与土壤活性成分火山灰反应的双重作用，获得了性能良好的固化剂。
参考文献
1 杨志宏，张炳宏．新型材料——奥特赛特(Aught—Set)土壤固化剂的应用技术．铁道标准设计，2000，20(5)：1—4
2 黄晓明，张书生，廖公云。TR型土壤固化剂路用性能试验研究．公路交通科技，2002，19(3)：23—27
3 交通部公路科学研究所．JTJ057—94．无机结合料稳定料试验规程．北京：人民交通出版社，1994
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