不同固化劑對新疆非耕地戈壁土的力學(xué)性能影響

宋兵偉，吳樂天，慈 軍，王 亮

(1.新疆農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)機械化研究所，烏魯木齊 830091；2.新疆設(shè)施農(nóng)業(yè)工程與裝備工程技術(shù)研究中心，烏魯木齊 830091；3.新疆農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)工程公司，烏魯木齊 830091；4. 新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)水利與土木工程學(xué)院，烏魯木齊 830052)

0 引 言

【研究意義】日光溫室大棚在我國的迅速發(fā)展為冬季新鮮蔬菜的供應(yīng)提供了便利，各地針對非耕地日光溫室發(fā)展的各項技術(shù)展開了研究[3-8]。在新疆阿圖什、阿克陶以及和田等地建設(shè)了以戈壁、粗砂、礫石等非耕墻體建材的戈壁型、沙漠型日光溫室[9-11]，這就對非耕地日光溫室墻體的承重能力和穩(wěn)定性提出更高的要求。研究不同固化劑的新疆非耕地戈壁土的力學(xué)性能影響，對新疆非耕地戈壁土應(yīng)用固化劑固化日光溫室墻體有實際意義?！厩叭搜芯窟M展】國內(nèi)外對戈壁土的各項性能進行了廣泛的研究，Ishizuka[12]、Liang Yin等[13]對原狀戈壁土的變形性能進行了研究，發(fā)現(xiàn)戈壁土具有壓縮性低、變形穩(wěn)定快等特點；張偉鋒[14]、陳炳睿等[15]對固化劑的種類和摻量進了研究，發(fā)現(xiàn)固化劑摻量在5%～15%有較好的工程效果；Marto等[16]研發(fā)了一種 SS299 固化劑，與紅壤土固化后測試發(fā)現(xiàn) SS299 土壤固化劑能顯著提高紅壤土的無側(cè)限抗壓強度和抗剪強度；Kim等[17]利用工業(yè)礦渣等廢棄物制備固化劑并試驗了固化劑的固化效果；侯彥凱[18]對戈壁土地基的濕陷特性進行了研究，發(fā)現(xiàn)戈壁土在浸水后變形可分為壓縮變形、濕陷變形和復(fù)合變形3個階段；鮑恩財?shù)萚19]對戈壁土添加固化劑后固化土的熱學(xué)性能進行了研究，發(fā)現(xiàn)添加固化劑后戈壁土的吸熱性能有了大幅度的提高?！颈狙芯壳腥朦c】吳樂天、馬皓誠等[20-22]對新疆戈壁土固化性能試驗研究發(fā)現(xiàn)，固化劑對新疆常用的日光溫室墻體建材具有顯著的固化效果，墻體的強度和抗硫酸鹽能力得到提高。研究固化劑摻入量對戈壁土力學(xué)性能的影響及固化效果。【擬解決的關(guān)鍵問題】選取新疆烏恰縣的非耕地戈壁土土樣和3類4種固化劑(粉末固化劑1種、顆粒固化劑1種、離子型固化劑2種)，對新疆非耕地原狀戈壁土及固化后戈壁土的擊實性能、無側(cè)限抗壓強度進行試驗，對比固化前后土體的物理、力學(xué)性能等指標，選出適合新疆非耕地戈壁土的固化劑種類及適宜摻量，為提高新疆非耕地戈壁土地區(qū)日光溫室大棚墻體的強度和穩(wěn)定性提供一定的數(shù)據(jù)支持和理論參考。

1 材料與方法

1.1 材 料

固化劑：粉末固化劑(灰色固體粉末，可溶于水, 相對密度為2.9 g/cm3)、顆粒固化劑(白色固體粉末，可溶于水，相對密度為2.4 g/cm3)、1#離子型固化劑(棕黑色液體，可溶于水，密度1.15 g/cm3)、2#離子型固化劑(略帶黃色的黏稠液體，可溶于水，密度1.10 g/cm3)。

戈壁土：新疆非耕地戈壁土地區(qū)原狀土(新疆烏恰縣戈壁土)，取土深度在地表處0～1 m。

水泥：天山PO.42.5普通硅酸鹽水泥(密度3.09 g/cm3，比表面積361 m2/kg，初凝時間270 min，終凝時間330 min)。

水：飲用水。表1

1.2 方 法

1.2.1 試驗設(shè)計

測定戈壁土樣的土體比重、相對密度、含水率等基本物理性質(zhì)指標。戈壁土物理性質(zhì)為土體比重2.59，最小干密度1.97 g/cm3最大干密度2.8 g/cm3,含水率0.38%。

表1 擊實性能與無側(cè)限抗壓強度

Table 1 Test scheme for compaction performance and unconfined compression strength

類別Category試驗編號Test number原狀土Undisturbed soil(%)固化劑Curing agent(%)水泥Cement(%)1粉末固化劑A195.000.254.75A290.000.509.50A395.000.005.00A490.000.0010.00A5100.000.000.002顆粒固化劑B194.970.035.00B294.960.045.00B394.950.055.00B495.000.005.00B5100.000.000.0031#離子型固化劑2#離子型固化劑C194.990.015.00C294.980.025.00C395.000.005.00C4100.000.000.00D192.900.107.00D293.000.007.00D3100.000.000.00

1.2.2 顆粒土樣

顆粒分析試驗按《土工試驗方法標準》[1](GBT50123-1999)中的相關(guān)規(guī)程進行試驗，對于粒徑介于0.075～80 mm的顆粒土樣采用篩分法，對于粒徑小于0.075 mm的土樣采用密度計法。

固化后土樣的力學(xué)性能與土樣成型的壓實程度有關(guān)[22]，一定摻配比例的固化劑、水泥及土樣成型的壓實程度又取決于其最優(yōu)含水率下對應(yīng)的最大干密度。因此,在選取固化劑品種和摻量時，需要測得不同配合比方案下對應(yīng)的最優(yōu)含水率和最大干密度[23，24]。根據(jù)《公路工程無機結(jié)合料穩(wěn)定材料試驗規(guī)程》(JTG E51-2009)將摻4種固化劑的固化土在不同配合比下進行擊實試驗，并繪制擊實曲線，得到固化土樣的最優(yōu)含水率和最大干密度。由顆粒分析試驗測得土樣的顆粒級配，并繪制出土料顆粒級配曲線。圖1

圖1 土樣顆粒級配曲線

Fig.1 Soil sample particle size distribution curve

1.2.3 擊實試驗試件制備

擊實試驗按《公路工程無機結(jié)合料穩(wěn)定材料實驗規(guī)章》[2](JTG E51-2009)中的相關(guān)規(guī)程進行試驗，采用STDJ-3型數(shù)顯多功能電動擊實儀擊實，土料分3層壓實制成圓柱體試件(試件高12 cm，直徑15.2 cm)，每層錘擊次數(shù)98擊。壓實系數(shù)應(yīng)按0.95控制。

1.2.4 無側(cè)限抗壓強度試驗試件制備

根據(jù)《公路工程無機結(jié)合料穩(wěn)定材料實驗規(guī)章》(JTG E51-2009)中的相關(guān)規(guī)程試驗，試件為圓柱形試件，試件尺寸：直徑150 mm，高150 mm。

根據(jù)標準擊實試驗得到的最大干密度和最優(yōu)含水量結(jié)果成型無側(cè)限抗壓試樣，分別對原狀戈壁土和固化戈壁土進行無側(cè)限抗壓強度試驗，得出不同固化劑及不同固化劑不同摻量情況下的無側(cè)限抗壓強度，固化劑及水泥摻入量參考了張偉鋒[14]、陳炳睿[15]等對固化劑的種類和摻量的研究，從中優(yōu)選出適宜的固化劑品種及摻配比例。

選擇無側(cè)限抗壓強度試驗方案中的C2為研究對象，研究固化土的抗硫酸鹽侵蝕性能。

1.2.5 試件養(yǎng)護

成型后的無側(cè)限抗壓強度試件在標準養(yǎng)護室中養(yǎng)護，溫度保持在(20±2)℃，相對濕度在95%以上，養(yǎng)護齡期是7 d，最后1 d將試件浸泡于(20±2)℃水中進行浸水養(yǎng)護24 h。

1.2.6 試件抗壓強度測定

根據(jù)《公路工程無機結(jié)合料穩(wěn)定材料實驗規(guī)章》(JTG E51-2009)試驗操作方法，將養(yǎng)護至齡期后的試件置于壓力機上，以1 mm /min的加載速度加壓至試件破壞，記錄破壞荷載。

不同摻量的4種固化劑分別摻入戈壁土樣中。

對戈壁土樣顆粒級配匯總，并確定此非耕地戈壁地區(qū)土樣的土體類型。

采用標準擊實試驗測定固化前后戈壁土的擊實曲線，確定戈壁土樣摻不同種類固化劑和不同摻量固化劑情況下的最優(yōu)含水率和最大干密度。

在擊實試驗的基礎(chǔ)上，針對不同種類的固化劑，將每種配合比方案在最優(yōu)含水率下配置固化土，測定摻固化劑后7 d的無側(cè)限抗壓強度，確定此非耕地戈壁地區(qū)土樣摻不同固化劑時對固化土的力學(xué)性能的影響。

2 結(jié)果與分析

2.1 土樣顆粒級配

研究表明,用土的土體類別為圓礫土，土料粒徑大于2 mm含量為68.8%，最大干密度為2.28 g/cm3，土料的不均勻系數(shù)為93.33，曲率系數(shù)為1.07，為級配良好的圓礫土[21]。表2，圖1

2.2 擊實試驗

擊實中土樣最大干密度和最優(yōu)含水率

研究表明,固化土的最大干密度和最優(yōu)含水率隨著粉末固化劑摻量的增加而增加。(b)配合比B1、B2、B3可以得出，在水泥摻量同為5%的條件下，顆粒固化劑摻量的變化對固化土的最大干密度影響很小，但隨著固化劑摻量的增加，其最優(yōu)含水率呈減小趨勢，0.04%、0.05%摻量與0.03%的摻量相比最優(yōu)含水率分別減少0.31%、0.41%；圖2(c)可以看出,離子型固化劑的摻量對固化土最大干密度和最優(yōu)含水率的影響不大，但與未摻固化劑的原狀土相比固化后的土樣最大干密度和最優(yōu)含水率都有所增加。

表2 土樣顆粒級配匯總及土樣類別

Table 2 Soil sample grading summary and soil sample category

粒徑Grain size(mm)80604020105210.50.250.1 0.075 ～～～～～～～～～～～～604020105210.50.250.10.075 0.005 <0.005百分含量(%)Content(%)不均勻系數(shù)Cucoefficient of uniformity曲率系數(shù)Cccoefficient of curvature土體類別The soil category3.0 6.3 17.6 18.1 13.2 10.7 2.0 7.7 4.8 10.8 1.0 4.0 0.8 累積百分含量(%)Cumulative percentage content (%) 100.0 97.090.8 73.2 55.0 41.9 31.2 29.2 21.5 16.7 5.9 4.9 0.8 93.331.07圓礫

摻入水泥和粉末固化劑后，固化土的最大干密度增加，水泥和粉末固化劑的顆粒相對密度較大(水泥相對密度3.09 g/cm3、固化劑相對密度2.9 g/cm3)，代替了一部分同體積的圓礫土(顆粒相對密度2.28 g/cm3)，其次水泥和粉末固化劑的顆粒粒徑小，對戈壁土樣的空隙可以起到一定的填充作用；此外，顆粒固化劑中的表面活性物質(zhì)充當了減水劑的作用，減少了固化土成型時顆粒間的摩擦力，使得固化土的最大干密度與原狀土相比有所提高；摻入顆粒固化劑和水泥后，最優(yōu)含水率減少是因為固化劑和水泥發(fā)生水化反應(yīng)時會消耗一部分土壤中的水分，造成最優(yōu)含水率的減少。表3,圖2

表3 擊實試驗結(jié)果

Table 3 The results of compaction test

類別Category試驗編號Test number最優(yōu)含水率WopOptimum moisture conte(%)最大干密度ρdMaximum dry density(g/cm3)1粉末固化劑A15.442.32 A25.572.33 A35.352.30 A45.502.33 A55.172.28 2顆粒固化劑B15.602.32B25.292.3B35.192.31B45.352.30 B55.172.28 31#離子型固化劑2#離子型固化劑C15.322.3C25.352.3C35.352.30 C45.172.28 D15.612.32D25.612.32D35.172.28

2.3 無側(cè)限抗壓強度試驗

研究表明,摻4種固化劑的固化土試件與原狀土試件相比，試件的7 d無側(cè)限抗壓強度均有明顯增加。由A1、A2與A3、A4的無側(cè)限抗壓強度對比可知，摻粉末固化劑與單摻相同量的水泥相比，7 d無側(cè)限抗壓強度分別提升了0.51和0.78 MPa；由B1～B3與B4對比可知，摻顆粒固化劑與摻相同質(zhì)量的水泥相比，無側(cè)限抗壓強度分別提升了1.53、1.78 和2.02 MPa；由C1、C2與C3對比可知，摻1#離子型固化劑與單摻相同質(zhì)量的水泥相比，無側(cè)限抗壓強度分別提升了1.5和2.012 MPa；由此可知,固化劑與水泥復(fù)摻的試件與單摻水泥的試件相比，無側(cè)限抗壓強度都有所提升，無側(cè)限抗壓強度增長幅度在10.6%～41.6%，固化土試件的無側(cè)向抗壓強度與原狀土試件相比，強度增幅在474%～939%，結(jié)果表明，與傳統(tǒng)的日光溫室墻體的強度相比固化戈壁土的無側(cè)限抗壓強度有明顯的提高。表4

圖2 固化土的擊實曲線

Fig.2 Soil compaction curve

2.4 抗硫酸鹽侵蝕

研究表明,固化戈壁土硫酸鈉侵蝕28 d時，固化戈壁土中有柱狀石膏(CaSO4·2H2O)生成，填充了固化戈壁土內(nèi)原有的孔隙；在水泥石與固化戈壁土顆粒界面過渡區(qū)生成的高硫型水化硫鋁酸鈣(鈣礬石AFt)，固化戈壁土中的侵蝕產(chǎn)物CaSO4·2H2O和AFt繼續(xù)增多，這種網(wǎng)狀晶體在圓礫土的空隙間形成了強度骨架增加固化土的強度。圖3

表4 4種固化劑不同摻量下無側(cè)限抗壓強度

Table 4 The unconfined compressive strength of four curing agents with different dosages

類別Category試驗編號Test number固化劑摻量Proportion of Curing agent(%)水泥摻量Proportion of Cement(%)7 d無側(cè)限抗壓強度7 d Unconfined compressive strength (MP) 1粉末固化劑A10.25 4.75 5.34A20.50 9.50 9.58A30.00 5.00 4.83A40.00 10.00 8.8A50.00 0.00 1.022顆粒固化劑B10.03 5.00 6.36B20.04 5.00 6.61B30.05 5.00 6.85B40.00 5.00 4.83B50.00 0.00 1.0231#離子型固化劑2#離子型固化劑C10.01 5.00 6.33C20.02 5.00 6.84C30.00 5.00 4.83C40.00 0.00 1.02D10.10 7.00 7.56D20.00 7.00 6.42D30.00 0.00 1.02

(a) (b)

圖3 侵蝕28 d固化土電鏡照片

Fig.3 The solidified soil erosion 28 days electron micrograph

2.5 固化劑綜合性價比

研究表明,同等固化效果下，從價格上比較,粉末固化劑>2#離子型固化劑>顆粒固化劑>1#離子型固化劑。從無限抗壓強度試驗中得出：摻離子型固化劑的固化土試件比摻其他固化劑的固化土試件強度提高1.1～1.19倍。而相比較2種離子型固化劑，1#固化劑成本比2#價格差為57.65元，在所有固化劑中，1#離子型固化劑的性價比更優(yōu)。表5

3 討 論

固化劑及水泥摻入量在直接影響工程效果，研究結(jié)果表明隨著固化劑摻量的增加，1#離子型固化劑固化效果和性價比都更優(yōu)，這是因為在摻入膠凝材料水泥相同的條件下，1#離子型固化劑與含有一定水分的圓礫土混合后，在圓礫土中形成了網(wǎng)狀晶體，在圓礫土的空隙間形成了強度骨架，此次試驗的結(jié)果中圓礫土顆粒與1#離子型固化劑的成分發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，生成了一些不溶于水且強度高的物質(zhì)，填充強度骨架之中，使固化土形成不可逆的堅實板體，并具有良好的耐久性。與薛建榮[25]、李鑫[26]等在土壤固化劑固土效果試驗研究結(jié)果一致。

表5 4種固化劑價格對比

Table 5 Price comparison of four curing agents

固化劑Curing agent(%)水泥Cement(%)類別Category摻量Doping (%)用量Dosage (kg)單價(元/kg)Unit Price (RMB/kg)水泥摻量Proportion of Cement (%)用量Dosage (kg)單價(元/kg)Unit Price (RMB/kg)7 d無側(cè)限抗壓強度7 d Unconfined compressive strength (MP) 合計(元)Total price (RMB)1粉末固化劑0.255.8104.75 110.20.55.34113.10.511.65109.50 221.350.59.58227.1752顆粒固化劑0.030.696505.00 1160.56.3692.80.040.92505.00 1150.56.61103.50.051.155505.00 115.50.56.85115.531#離子型固化劑2#離子型固化劑0.010.24605.00 1150.56.3371.90.020.46605.00 1150.56.8485.10.13167.00163.10.57.56129.55

固化后土樣的力學(xué)性能與土樣成型的壓實程度有關(guān)，研究結(jié)果表明固化土樣經(jīng)過拌合、壓力機壓實等作用，固化土顆粒相互靠近，減少了固化土中的空隙，使固化土體更加密實，從而提高了試件的抗壓能力。與吳樂天[22]、樊恒輝[24]等研究的土壤固化劑固化土的物理化學(xué)作用結(jié)果一致。

通過對比了原狀土以及單純添加水泥的固化效果，優(yōu)選出一種離子型固化劑，但是在實際生產(chǎn)和應(yīng)用中建造墻體，固化土能否均勻地被拌合和壓實，在日炙風(fēng)吹雨淋以及鹽堿侵蝕下能否延長使用壽命，會在后續(xù)試驗中進一步驗證。

4 結(jié) 論

4.1 新疆烏恰縣非耕地戈壁土地區(qū)的土樣為圓礫土，摻固化劑的固化土與原狀土擊實結(jié)果相比，最大干密度pd和最優(yōu)含水率Wop都有所增加。

4.2 新疆非耕地戈壁土地區(qū)的戈壁土在固化劑和水泥復(fù)摻的固化效果比單摻相同質(zhì)量水泥的固化效果要好，無側(cè)限抗壓強度增加10.6%～41.6%。

4.3 隨著固化劑和水泥摻量的增加，固化土的無側(cè)限抗壓強度呈增大的趨勢。

4.4 2種離子型固化劑比其他類型的固化劑固化效果在力學(xué)性能上要更具優(yōu)勢，離子型固化劑的固化土試件比摻其他固化劑的固化土試件強度提高1.1～1.19倍，價格較之1#離子型固化劑更為便宜，性價比最高。