不同土壤固化剂对黏土固化性能试验研究

姚爱超，柳久伟

（山东省交通科学研究院，山东 济南 250031）

引言

现阶段高速公路边坡防护方式主要为应用人工种草护坡，但由于草籽播撒不均匀，草籽易被雨水冲走，种草成活率低等原因，往往达不到满意的边坡防护效果，而造成坡面冲沟，表土流失等边坡病害，导致大量的边坡病害整治、修复工程。浆砌片石骨架植草护坡，通常做成截水型浆砌片石骨架，能减轻坡面冲刷，保护草皮生长，但需要开采矿山，工程量较大。使用土壤固化剂能够直接增强破面土体强度，防止水流冲刷造成的破坏，对周边环境和植被无不良影响，能够起到护坡、绿化、节约资源的目的［1-2］。

1 土壤固化剂分类及作用机理

土壤固化剂为掺入素土后，通过与素土、水、空气的物理或化学反应，改善素土工程性能的材料。土壤固化剂根据其外观形态，可以分为液体固化剂和粉状固化剂；按照主要胶结料组份可以分为无机类、有机类、生物酶类固化剂、复合型固化剂等四类［3-4］。

土壤固化剂的作用机理可以概括为物理力学过程、化学过程和物理化学过程三大过程［5］。物理力学过程是土体强度形成最基本的加固手段，土体在外荷载作用下孔隙率会减小，密实度的增加会引起土体强度的增长，该过程是任何类型的土壤固化剂在固化土壤时都必需的，对强度的形成具有非常重要的作用。化学过程是指土壤固化剂在与土壤相互作用的的过程中，其本身组分发生的化学反应、土体与土壤固化剂中的某些组分发生的反应等。物理化学过程主要指土壤颗粒与固化剂中各组分的吸附过程，包括物理吸附、化学吸附和物理化学吸附。以上这3 种过程并不是相互孤立的，而是相互联系和相互促进的，化学过程和物理化学过程能使土体的力学性能、抗渗性能、耐久性能等工程性能得以改善，而物理力学过程则是化学过程和物理化学过程更好地发挥作用的保证。

2 试验原材料

2.1 试验用土

土样取自山东某改扩建高速公路的土质边坡部位，土样颜色呈深黄色。通过颗粒筛分与塑性指标综合判断为低液限黏土。对土样进行颗粒分析试验，其试验结果见表1，基本物理力学性质指标见表2。

表1 土样筛分试验结果

表2 土样的液塑限及塑性指数

2.2 土壤固化剂

选取韩国进口N-siol 土壤固化剂与国产GS 土壤固化剂对比评价对低液限黏土的固化性能，两种固化剂均为不需要添加无机结合料即可发挥固化作用。韩国N-siol 土壤固化剂为浅灰色粉末，不溶于水，遇水分散呈絮状物于烧杯底部。GS 土壤固化剂为浅白色粉末，不溶于水，遇水分散沉淀于烧杯底部。两种土壤固化剂的作用机理基本相同，都可以概括为物理力学过程、化学过程和物理化学过程三大过程形成最终的固结强度。

3 试验概述

3.1 试验计划

（1）固化性能评价方案：试验采用山东某改扩建高速公路的土质边坡部位的土，进行击实试验确定最佳含水率与最大干密度，素土、GS 固化剂、N-soil固化剂按照确定的最佳含水率，96%压实度标准成型无侧限试件，分别测试7 d 浸水与非浸水无侧限抗压强度，其试验计划见表3。（2）环保性能评价方案：主要模拟自然条件下降雨对两种固化剂成型后的样品进行冲刷后析出形成析出液，然后对析出液进行相应指标的测试，判断其对自然环境可能产生的影响及程度。

表3 土壤固化剂固化性能试验方案

3.2 击实试验

对土样进行击实试验，参照规范《公路土工实验规范》（JTG E40—2007）的（T0121—2007）击实试验，试验结果土的最佳含水率为11.72%，最大干密度为1.9 g/cm3。评价7 d 无侧限抗压强度，考虑到试验参数对结果的影响，采用土的击实结果作为两种固化剂成型试件的标准参数，土样击实曲线见图1。

图1 土样击实曲线

3.3 固化剂固化性能试验

3.3.1 成型试件

固化土试件的标准尺寸与成型方法尚无统一的标准，参照规范《公路工程无机结合料稳定材料试验规程》（JTG E51—2009）的（T0843—2009）无机结合料稳定材料试件制作方法(圆柱形)进行。采用静力压实法制备试件，试件尺寸采取直径50 mm与高度50 mm 的圆柱体试件，试件装料质量按96%的压实度计算成型。

3.3.2 试件标准养生

（1）试件静压完毕从试模内脱出，轻轻拖住试件底部将其平移取出，称量质量、测量高度，将试件装入封口袋中密封好，按顺序编好号放入恒温恒湿标准养护箱养护。（2）标准养生的温度为 20±2 ℃，湿度为≥95% 。试样竖直放在铁架或木架上，间距至少10 ～20 mm。试样表面应覆盖一层保鲜膜，避免凝结水滴直接滴落浸泡试件。（3）标准养生第6 d，将浸水试件取出，观察试件的边角有无磨损和缺块，量测高和质量，然后将试件浸泡于20±2 ℃水中，应使水面在试件顶上约2.5 cm，非浸水试件在标准养生箱养生至7 d 龄期。

3.3.3 无侧限抗压强度试验

现阶段还没有专门针对土壤固化剂试验的规范，参照规范《公路工程无机结合料稳定材料试验规程》（JTG E51—2009）的（T0805—1994）无机结合料稳定材料无侧限抗压强度试验方法，使用MTS E43.104电子万能试验机，试验速度设置为1 mm/min，试样的7 d 浸水无侧限抗压强度试验结果见表4，7 d 非浸水无侧限抗压强度试验结果见表5。

表4 7 d 浸水无侧限抗压强度

表5 7 d 非浸水无侧限抗压强度

GS 固化剂固化土壤的水稳定性较差，但较素土水稳定性有明显提升，7 d 无侧限抗压强度为素土的1.4 倍，破坏变形曲线有明显的峰值。N-soil 固化剂固化土壤的水稳定性良好，7 d 无侧限抗压强度为素土的4 倍，为GS 固化剂的2.9 倍，对土壤固化效果较明显，破坏变形曲线有明显的峰值，力值曲线呈抛物线变化。

3.3.4 环保性能试验

对两种固化剂成型后的样品进行冲刷后析出液进行色度、pH 值和重金属离子含量测试，测试结果见表6。

表6 浸出液PH 值和色度测试值

两种固化剂固化土壤浸出液都未检测出重金属离子含量，两者pH 值相差不大，都成较强碱性，对周围环境可能造成不利影响，两者浸出液色度也相差不大，相对较混浊。

4 结语

（1）综合颗粒筛分数据和液塑限数据判定试验所用土样为低液限黏土，7 d 无侧限抗压强度较低，泡水迅速分散，说明素土水稳定性很差，不适合直接用于降雨较多的高边坡路段。（2）N-soil 固化剂固化土壤的固化性能优良，7 d 无侧限抗压强度能够满足高边坡路段稳定性要求，泡水1 d 完整性好抗水损害能力较强。N-soil 固化剂对于低液限黏土具有较好的固化作用。（3）两种固化剂浸出液的pH 值呈较强的碱性，色度显示较混浊，浸出液都不含有重金属离子析出，鉴于N-soil 固化剂良好的固化和水稳定性，受雨水冲刷浸出液的流量能否对周围环境造成影响还需要进一步实施试验路段评价。