HAS土壤固化剂固化土料的特性及工程应用
                                  侯浩波　　张大捷　梁　静
                     (武汉大学资源与环境科学学院环境工程系　武汉　430079)
摘　要:HAS土壤固化剂是一种灰渣胶凝材料,它由矿渣及矿渣组合物为主体原料(80%以上),配以适 量的活化剂混合粉磨制成。在详细介绍HAS固化剂的基本性能及其在灰坝工程、水利水电工程、基础处理工 程等领域应用的基础上,通过室内试验和对工程应用的分析探讨,进一步说明了HAS土壤固化剂的适用性, 为土料固化技术的开发推广应用提供了依据和参考。
关键词:HAS土壤固化剂　土料固化技术　固化效果　抗压强度
土料固化技术一直是国内外土木工程领域受到 广泛关注和普遍使用的工程技术。土料固化的方法 有很多,常见的土料固化的途径有3种[1]:一是施加 较大压力,使之岩石化;二是高温熔解黏结;三是常 温固化。常温加固土具有适用范围广、性能稳定、价 格低廉、就地取材、施工及维护方便等优点,在固化 技术中越来越受到广泛的重视。
国外土壤固化技术的工程应用已经相当普 遍[2],在日本、美国、加拿大、澳大利亚、南非和欧洲 的固化技术研究较为成熟并得到广泛应用,其使用 的固化剂名称也不相同,如安定剂、富士土等,但都 可用于各类土料的固化。在中国销售应用并有一定 影响的有:南非的ISS稳定剂(IonicSoilStabilizer), 澳大利亚的TR12、日本的ATST(Aught-Set)-3000固 化剂,美国的EN-1固化材料等。我国于1980年初 开始引进这项技术,目前已有近80家机构和公司在 进行开发应用[3,4]。
目前,已开发利用的土壤固化剂类型很多,各类 土料固化剂固化土壤的原理有所不同,按其固化机 理可分为3大类:电离离子固化剂、生物酶类固化剂 和水化类固化剂。其中,水化类固化剂技术是在常温下采用化学物理的方法直接胶结土体颗粒表面或 与土体矿物成分反应生成胶凝物质,增加土体颗粒 黏结力,达到固结土体的目的[5]。而且这类固化剂 可有效地固化砂石和泥土及工业废渣、建筑弃渣等 以作建筑材料,与传统的固化方式如水泥或石灰等 相比,在同等条件下,同龄期固化体的强度得到了很 大的提高,且抗渗、抗冻、防腐蚀性能也很好。
1　HAS土壤固化剂的性能
HAS固化剂(专利号:98113594·3)是武汉大学 科技人员发明的,以工业废渣为主要原料的一种新 型灰渣胶凝材料,其中的主要成分是矿渣、磷渣、粉 煤灰液态渣、沸腾炉渣等,占原料的80%以上,配以 适量的活化剂混合粉磨制成。利用该材料能在常温 下固化粉煤灰、工业废渣、各种工业尾矿、含泥石屑、 黏土、城市垃圾等,具有无须冲洗和筛分即可进行固 化的优良特性。
1·1　HAS固化剂各龄期胶砂强度
为确定各种固化剂的力学强度性能进行固化剂 胶砂强度试验,按照《水泥胶砂强度检验方法》(GB 177-85)进行。在流动度达到116mm的情况下, HAS固化剂的需水量为普通硅酸盐水泥的88%左 右,胶砂的质量配比为,固化剂∶标准砂∶拌合水= 540∶1350∶210。所用仪器为NYL-30型30t压力实 验机、BZ型抗压夹具、DKZ-500型电动抗折试验 机。在胶砂振动台上成型,置于标准养护室进行养 护。其各龄期的胶砂强度见表1。

1·2　固化剂的干燥收缩小
按照《水泥胶砂干缩试验方法》(JC/T603- 1995)进行固化剂变形性能的试验,胶砂的灰砂比为 2∶1,胶砂的用水量按制成胶砂流动度达到130~ 140mm来确定。同时选用强度等级相同的52·5普 通硅酸盐水泥和矿渣水泥的胶砂进行对比。试验结 果表明,HAS土壤固化剂的胶砂的收缩量与普通硅 酸盐水泥、矿渣水泥的胶砂相比较,收缩量小,最大 仅为0·4%,且随时间顺延,收缩量变化不大,结果 见图1。

1·3　抗化学腐蚀性强、耐久性好 利用HAS固化剂固化含泥石屑,在掺入比为 16%时,其抗蚀、抗冻等耐久性能如表2~表4所 示。


2　HAS固化剂固化典型土料的性能
2·1　土　料
为了解HAS土壤固化剂对不同土料固化性能 的差异,结合已有的研究成果,选取了4种具有代表 性的土料进行固化。分别是粉煤灰、尾矿砂、粉砂土 和黏土,物理力学参数如表5所示。

按表6所示的配合比在土料中掺入HAS固化 剂,选取强度等级为52·5普通硅酸盐水泥作对比, 考察固化后土料的物理力学性能。

2·2　固化土的物理力学性能
各项性能测试均按照《土工试验规程》(SL237 -1999)和《水泥土材料试验方法》进行。试样采用 击实法制备,试样尺寸为7·07cm×7·07cm×7·07cm 的立方体,标准养护室内养护至预定龄期测试7、 28、60d的无侧限抗压强度,28d龄期的直接快剪强 度和渗透系数。
结果表明,掺入HAS固化剂后,各种土料的强 度明显提高,强度高且固化反应快。同时渗透系数 略有变化,说明固化反应所引起的渗透性的变化并 不显著,效果良好。从强度的指标来看,同等掺入比 条件下,HAS固化剂固化效果明显优于水泥(表7)。

3　HAS固化剂在工程中的应用
3·1　固化粉煤灰加高电厂灰场坝体 2004年在内蒙古丰镇第一电厂实施。利用 HAS固化剂固化灰场原状粉煤灰,加高坝体,掺3% 的固化剂,相当于10%水泥的固化效果,固化灰的 内摩擦角达36°,凝聚力大于100kPa,渗透系数为 10-6~10-5cm/s。该工程利用固化粉煤灰加高灰坝 3m,增加库容2×106m3,灰场单位库容造价由原来 用土筑坝的8·55元/m3降至4·75元/m3,节省投资 760万元,现贵州清镇电厂正在利用HAS固化剂固 化粉煤灰加高坝体。
3·2　作为灌浆材料用于江河堤坝防渗墙
HAS固化剂配制的浆液具有如下优点:1)稳定 性好,静置时分层析水少;2)良好的抗水稀释性, HAS固化剂固化土体的强度比同量水泥浆液固化土 体强度可提高100%以上,在高水灰比的条件下仍 能凝固,故能在富水地层中注浆止水;3)可注性好, 该固化剂中含有高效的分散剂和催化剂,有利于浆 液在土体中扩散和固化;4)固化土体防渗性能好,强 度高。该产品1998年列入水利部江河堤防建设6 项新技术之一,并在湖北长江大堤洪湖段实施成功, 1999年在洪湖中沙角段投标中中标,该产品同样可 用于地基基础处理。
3·3　高速公路过湿土加固处理
2005年在随岳高速公路南段工程中应用。通 过对HAS固化过湿土,可以改善过湿土的工程压实 特性,使击实曲线宽化,最优含水率提高。从强度特 性考虑,在85%~90%压实度的条件下,使用4% HAS固化剂可以达到二级公路的路基要求标准。从 路基土CBR(承载比)特性考虑,即使掺3%的HAS 固化剂,在较高含水率条件下,比原土CBR值增大 两个数量级,水稳定性显著超过了5%掺入比的石灰加固效果。从工程实用性和经济性考虑,掺加 HAS固化剂,比掺石灰,在强度要求不高的条件下, 可以直接运用于过湿原土,节省了石灰稳定化工程 中要求土壤达到最优含水率的时间和土壤外运所需 的费用,具有较高的实用价值。
3·4　固化淤泥,改性土作为堤坝填筑材料
HAS土壤固化剂具有吸水率高,吸水快,显著改 善淤泥成形性能的特点。淤泥掺入HAS固化剂后, 土的物理性能发生明显变化,从高塑性、高压缩性土 “改良”成中等塑性、低压缩性变化土,显著提高抗剪 强度,降低渗透性和压缩性,提高耐水性能,从而使 淤泥质软土变成良好的工程填土。从强度性能看, 掺入比为6%时就能有效地固化淤泥;掺入比提高 至8%,固化效果将提高25%~35%。淤泥改性土 用于工程实际中,根据淤泥中有机质含量及含水率 不同,HAS固化剂的掺入比为6%~8%,改性后淤 泥的抗剪强度指标:凝聚力≥50kPa,内摩擦角> 25°,渗透系数达10-6cm/s。
4　结　论
HAS固化剂对不同性质的土料均有良好的固化 效果,在土料中加入不同量的固化剂,其固化效果也 有所不同,随着固化剂含量的增加,其强度明显提 高。经HAS固化剂固化的土料,其强度和水稳定性 均有较大幅度的提高,防渗性能显著改善,可以满足 工程建设中对土料特性的要求。在固化土或灌浆中 加入HAS固化剂,相对于其成本而言,比同掺入比 水泥、石灰的固化效果要好;与混凝土相比,能节省 大量的水泥、砂石料费用,有效降低施工成本。特别 是能就地取材,固化处理当地的各种土料,如黏性 土、淤泥土、砂性土、废弃土、灰渣土等,可节约运费, 减少废弃土的产生,在电力、水利和公路工程等基础 工程中可以推广使用。
参考文献
1　梁文泉,何　真,李亚杰,等.土壤固化剂的性能及固化机理的研 究.武汉水利电力大学学报,1995,28(6):675-679
2　葛立东.土壤固化剂的应用.铁道设计标准,2000(5):5-8
3　侯瑜京,朱　箐,邓　艳.土壤固化技术在堤防加固工程中的应 用.中国水利水电科学研究院学报,1996,3(2):45-47
4　季　节,张志新.加固土路用性能评价.北京建筑工程学院学 报,2001,17(2):44-46