湖南工业大学土木工程学院，湖南 株洲

收稿日期：2023年3月2日；录用日期：2023年3月23日；发布日期：2023年3月31日

摘要

SRR土壤固化剂是一种新型土壤加固材料，本文基于对湖南省衡阳市锰矿矿渣土壤和株洲市黏性黄土土壤进行最佳含水率测试后，对比分析SSR土壤固化剂对土壤抗压强度的影响。筛选10 mm以下粒径土壤作为无侧限抗压强度标准小试件，在3%生石灰、5%的水泥、100 ml/m³ SRR土壤固化剂等不同材料的配合下，进行无侧限抗压强度对比试验研究。结果表明：SRR固化剂能减少锰渣土的吸水量，从而提高土壤自身强度，且提升幅度远高于水泥及生石灰；对于株洲黏性黄土，抗压强度的提升较小，但其强化效果仍强于水泥及生石灰。

关键词

土壤固化剂，土壤加固，最佳含水率，无侧限抗压强度

Experimental Study on the Compressive Strength of Soil Improved by SRR Soil Curing Agent

Xiquan Zou, Jie Liu^*, Yue Ma, Min He

College of Civil Engineering, Hunan University of Technology, Zhuzhou Hunan

Received: Mar. 2^nd, 2023; accepted: Mar. 23^rd, 2023; published: Mar. 31^st, 2023

ABSTRACT

SRR soil curing agent is a new type of soil reinforcement material. In this paper, we compare and analyze the effect of SSR soil curing agent on the compressive strength of soil based on the optimal moisture content test of manganese mine slag soil in Hengyang City, Hunan Province and clay loess soil in Zhuzhou City. Soil with particle size below 10mm was selected as the standard small specimen of unconfined compressive strength, and a comparative test study of unconfined compressive strength was conducted with different materials such as 3% quicklime, 5% cement and 100 ml/m³ SRR soil curing agent. The results show that SRR curing agent improves the soil’s own strength by reducing the water absorption of manganese residue soil, and the improvement is much higher than that of cement and quicklime; for Zhuzhou clay loess, the improvement of compressive strength is smaller, but the strengthening effect is still stronger than that of cement and quicklime.

Keywords:Soil Curing Agent, Soil Reinforcement, Optimum Moisture Content, Unconfined Compressive Strength

Copyright © 2023 by author(s) and Hans Publishers Inc.

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1. 引言

当今世界面临严重的环境问题，主要表现为对自然资源的过度消耗，使生态环境遭到严重破坏，废土渣土无法大量处理，或处理方式不经济，在2015年12月深圳市恒泰裕工业园渣土收纳场滑坡事故造成69人遇难，暴露出城市弃土弃渣这一巨大隐患，并且国内渣土收纳场建设难以满足市场要求，即便在政府规划建设弃渣场的城市，违法弃土弃渣现象依然不断出现 [1] ，因此土壤固化技术对未来的环境改善、资源利用有着重要地位。

本文采用生石灰、水泥、SRR土壤固化剂对土壤进行加固改良。以湖南省衡阳市锰矿渣土和株洲是黄黏土为研究对象，对比探究SRR土壤固化剂固化效果，以及固化剂的生效方式，来满足道路建设需求。

土壤固化剂加固土体的研究已有几十年的历史，取得了许多土壤固化的实践经验和理论成果。其研究方向大致有固化土的性质和本构模型的研究，以及加固各种类型的土壤固化剂的配比研究 [2] 。以美国、日本等为代表的国家较早地对土壤固化改良技术展开了深层次研究。一开始的固化材料由单一的石灰、水泥、粉煤灰组成，经过逐步研究，固化材料提升到多种材料的混合，最终形成了能显著提升土壤性能的复合材料——土壤固化剂。主要产品有美国生产的Soil-rock、EN-1、top-seal等；澳大利亚的Roadpacker (r)；日本生产的Aught-set系列土壤固化剂；南非生产的ISS土壤固化剂、CON-AID土壤固化剂 [3] 。虽然国际上包括国内对于土壤固化剂的研究发展较快，但仍然有许多的局限性，只能对单种或少数类型土质能有显著的增强作用，尤其是对于膨胀性黏土，固化剂的改良效果十分有限。

我国对土壤固化的研究相对较短，从20世纪80年代开始，在吸收国外经验的基础上，我国开始对土壤进行针对性的研究工作，并先后取得了一些研究成果。方祥位等 [4] 开展了GT型土壤固化剂的研究，分析该固化剂加固土的机理，通过试验证明该固化剂改良土的击实效果、抗剪强度、压缩性等工程特性明显优于石灰改良土。同年，侯浩波等 [5] 在详细介绍HAS固化剂(主体原料为矿渣和矿渣组合物)的基本性能及其在灰坝工程、水利水电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。近几年，杨富民等 [6] 通过对比法，研究多种材料对TK-G土壤固化剂性能的影响，与此同时，发现该固化剂对北京地区的细粒土有良好的固化效果。周业梅等 [7] 研发了SSA固化剂，通过实验与电镜等手段测试了该固化剂与多种土壤相互作用的机理，发现该固化剂能有效改良杂填土。陈飞等 [8] 研究出减少离子型堆侵场地水土流失的新型固化剂，并发现了该固化剂与其他材料合适的配比方案来达到良好的固化效果与经济效益。丁永明等 [9] 以多种土壤为基料，进行了EFS土壤固化剂与其他固化材料固化土的配合比试验研究，并发现EFS土壤固化剂可以提高土壤的水稳定性。董博闻等 [10] 用NS-SL型土壤固化剂对淤泥质黏土进行固化试验研究，发现固化后的复合土有较好的强度、水稳定性和抗冻性能，适用于滨海地区道路路基工程。

本文采用生石灰、水泥、SRR土壤固化剂土壤进行加固改良。以湖南省衡阳市锰矿渣土和株洲是黄黏土为研究对象，对比探究SRR土壤固化剂固化效果，以及固化剂的生效方式，来满足道路路基的建设需求。

2. 试验用料及最佳含水率测试

2.1. 试验用土参数

试验使用的两种基础土料分别取自湖南省衡阳市锰矿渣土和株洲市黏性黄土，它们的物理指标如表1所示。

表1. 土样基本物理参数

2.2. 试验材料

经过试验确定，SRR固化剂的最佳掺量为100 ml/m³，所有加固土都掺入5%标号425#的普通硅酸盐水泥。

锰矿渣土产地：湖南省祁东县归阳工业集聚区。

黄黏土产地：湖南省株洲市天元区。

工业级生石灰，产地：新余，含钙量：约95%。

普通硅酸盐水泥，标号：425#，厂家：湖南双峰海螺水泥有限公司。

工业级土壤固化剂，牌号：RE-3.0，厂家：湖南路业环保科技有限公司。

2.3. 最佳含水率检测

2.3.1. 检测样土制备

击实试验样品依据技术规范要求，采用轻型击实法制备。选用Φ 100 mm × Φ 100 mm标准的试件。试验方法参照公路工程无机结合料稳定材料试验规程(JTG 3430-2020)中的T 0131-2019执行。经过粗略估算试验需要2000 g素土，将素土放置烘干箱内烘烤12小时，并过20 mm标准的筛，再经高精度水分测试仪测定含水率后，将锰渣土与株洲黄土分别按照2%含水率增加量配置5份样土。分别如表2与表3所示。

表2. 锰渣土预配置样土配方

表3. 株洲黄土预配置样土配方

2.3.2. 最佳含水率结果

1) 将击实的土块取样，使用烘干法测得湖南省株洲市锰矿锰渣土的实际含水率，记录数据。结果如表4和图1所示。

表4. 锰渣土击实实验结果

图1. 锰渣土含水率与干密度关系曲线

本次轻型击实法得出，锰渣土的最大干密度为1.56 g/cm³，最佳含水率为26.78%。

2) 将击实的土块取样，使用烘干法测得湖南省株洲市粘性黄土的实际含水率，记录数据。结果如表5和图2所示。

表5. 株洲黄土击实实验结果

图2. 株洲黄土含水率与干密度关系曲线

本次轻型击实法得出，株洲黄土的最大干密度为1.78 g/cm³，最佳含水率为18.82%。

3. 无侧限抗压强度试验样土制备与测试结果

3.1. 试验样土制备

试验参照公路工程无机结合料稳定材料试验规程(JTG 3430-2020)中的T 0148-1993执行；将素土烘干过10 mm标准的筛后，与生石灰拌合均匀，密封保存72小时，再加入水泥、土壤固化剂以及适量的水，使改良土的含水率达到前文测得的最佳含水率。将上述混合土搅拌均匀后，通过液压机压实制作成Φ 50 mm * 50 mm圆柱体标准土块试件。最后试件在规定的环境下保湿养护6天再浸水1天后，进行无侧限抗压强度试验研究。

3.2. 试验结果

对比试验使用的材料为：5%的水泥、3%的生石灰、100 ml/m³ SRR土壤固化剂。通过加入的材料形成对照，对比研究固化剂对锰渣土和株洲黄土无侧限抗压强度的提升效果。平均结果如表6与表7所示。

表6.锰渣土的七天无侧限抗压强度

从表6可以发现，锰渣土的吸水量在掺入固化剂后大幅度减小，这是因为SRR型土壤固化剂经固化可形成均匀的分子网络结构将土壤胶体限定在各自的三维网络结构内，并用富含的氢键来减弱土方内部吸水性，从而达到土壤固化的作用。由此，在都混合了5%水泥的情况下，添加SRR固化剂后，锰渣土抗压强度提升了143%，在都混合了5%水泥和3%生石灰的情况下，添加固化剂后，锰渣土的抗压强度更是提高了152%。从表7中可知，对于株洲黄土，掺入SRR固化剂后，其吸水量也略有下降的同时，抗压强度有小幅度提升。

表7.株洲黄土的七天无侧限抗压强度

SRR固化剂主要采用了抗水性自修复土壤固化技术，利用淤泥土、矿渣等废弃渣土加上一定配合比的水泥、生石灰，经拌合、摊铺、压实形成加固土。其主要成分包括离子型高分子有机物、自修复微胶囊、无机盐、分散剂、固化催化剂等。该固化剂不仅能减少土壤的吸水量，还能利用有机物与土颗粒的各种反应改善土壤颗粒表面的化学性质来提高土体颗粒间的相互黏结作用，从而改善土壤的原有性质，并使之成为工程建设中能够利用的筑路材料。与此同时，当硬化后的土方受到应力开裂时，大量富含活性物质的微胶囊会破裂，胶囊内部的修复剂流出扩散至损伤处，并与预混合的催化剂接触，在加热条件下实现固化起到黏结裂缝的功能和裂缝自我修复的功能。

4. 结论

综合对比锰渣土及株洲黄土七天无侧限抗压结果，可获得如下几条主要结论：

1) 在锰矿渣土的范围内，由于SRR型固化剂自身具有抗水性自修复的作用，土颗粒、水泥和土壤固化剂在混合搅拌的过程中发生了物理化学反应，土壤的吸水量大幅度减少，仅为原素土的12%~15%。由于吸水量的大幅度减少，土壤自身强度获得大幅度提升，且提升效果远强于只添加水泥及生石灰。

2) 在黏性黄土的范围内，SRR型固化剂的使用使素土的无侧限抗压强度略有提升，但不显著。

3) 在塑性指数大于17的黏性黄土范围内，土壤改良材料对原素土无侧限抗压强度增强的影响程度为：SRR型固化剂 > 生石灰 > 水泥。

SRR土壤固化剂是一种优良的土壤加固材料，尤其对衡阳锰矿矿渣土壤取得较为满意的结果，对其他土壤的固化作用需进行进一步探索。在实际工程中，应注意不同施工要求及土壤情况，对固化剂添加方案作进一步探讨，更好地应用于工程实际。

基金项目

国家自然科学基金资助项目(NO: 51978260)。

文章引用

邹希全,刘 杰,马 越,贺 敏. SRR土壤固化剂改良土壤抗压强度试验研究
Experimental Study on the Compressive Strength of Soil Improved by SRR Soil Curing Agent[J]. 土木工程, 2023, 12(03): 400-406. https://doi.org/10.12677/HJCE.2023.123044

参考文献