利用施工余土壓制砌塊的土壤黏合劑配方研究*

劉 通，趙偉東，譚國華，莊 毅，秦 理，周 騰，周龍翔

（1.廣東電網有限責任公司，廣東 廣州510630；2.廣東電網能源發(fā)展有限公司，廣東 廣州510160；3.廣州大學，廣東 廣州510006）

山區(qū)道路、風力發(fā)電機組、輸電線路、通信設施建設將產生大量施工余土。如果不及時將施工余土外運或進行就地有效處理，將會在雨水沖刷下引起水土流失和山體植被破壞。將開挖產生的松散土方按顆粒大小進行分類堆放，在顆粒較小的土體中摻入黏合劑和適量水，經拌和、機械壓制就地加工成強度、穩(wěn)定性滿足要求的砌塊，按設計就地砌筑若干個用于堆放余土的花池，在花池底部逐層填筑并壓實余土中顆粒較大的碎石、砂礫土，頂部填筑余土中剩余的細顆粒土及耕植土，在耕植土表面種植植物，實現(xiàn)穩(wěn)定土體和美化環(huán)境的目的。

天然土體顆粒間的黏結弱，直接壓制的塊體強度低、水穩(wěn)性差。需在土體中摻入一定量的黏合劑以增大土體顆粒之間的黏結力，提高壓制砌塊的強度、水穩(wěn)性，以滿足作為砌體砌筑的要求。

通過理論分析及室內試驗，研制出摻入土體的黏合劑配方對于利用施工余土現(xiàn)場壓制砌塊具有重要的理論意義和實用價值。

1 土壤黏合劑原材料選擇及其加固土體機理

1.1 土壤黏合劑原材料選擇

目前尚缺少在實際工程中應用的利用施工余土壓制砌塊的土壤黏合劑配方[1-8]。

為便于工程推廣應用，本項試驗選擇的土壤黏合劑原材料具有價格低廉、無毒無害、采購方便、保存容易、配方操作簡單的特點。

選取水玻璃（硅酸鈉水溶液）、氯化鈣、環(huán)氧樹脂、普通硅酸鹽水泥和粉煤灰作為土壤黏合劑配方試驗的原材料。

1.2 土壤黏合劑加固土作用機理

1.2.1 水玻璃加固土作用機理

水玻璃化學成分是Na2SiO3·9H2O，具有一定的耐酸耐熱性，黏結性能良好。水玻璃中的硅酸鈉會發(fā)生電離，電離后游離的硅酸根離子能夠與土體中帶正電的金屬離子結合，形成硅膠顆粒填充至土孔隙中。水玻璃溶液本身的物理膠黏特性也能黏結土體中細小的顆粒，增大顆粒與顆粒之間的作用力，從而提高土體的強度。

在加入氯化鈣溶液后，水玻璃能和氯化鈣溶液發(fā)生復分解反應，生成白色沉淀，白色沉淀的主要成分是硅酸鈣，硅酸鈣呈針狀，不溶于水，強度較高，隔熱耐熱，無毒性無異味。

1.2.2 環(huán)氧樹脂加固土作用機理

環(huán)氧樹脂是一種含有環(huán)氧基的高分子聚合物液體樹脂，在堿的作用下，由環(huán)氧氯丙烷和雙酚基丙烷（雙酚A）縮聚而成。環(huán)氧樹脂是具有線性結構的熱塑性聚合物，加熱呈塑性，當添加一定量的固化劑時，將與固化劑發(fā)生交聯(lián)和固化反應[9]，形成具有網絡結構的高分子聚合物固體，不溶于水。其性能也從熱塑性改變?yōu)闊峁绦浴９袒蟮沫h(huán)氧樹脂強度較高，黏結能力強，化學穩(wěn)定性好，由于環(huán)氧樹脂在固化過程中不會沉淀出低分子物質，其收縮率較小[10-11]。

1.2.3 水泥加固土作用機理

普通硅酸鹽水泥的主要化學成分有SiO2、Al2O3、CaO、SO3、Fe2O3、MgO，主要礦物成份有硅酸三鈣、硅酸二鈣、鋁酸三鈣等。水泥在土體中發(fā)生水化反應，生成氫氧化鈣和水化硅酸鈣。水化硅酸鈣具有超高的內比表面積，凝膠膠粒之間具有較強的結合力，增強了水泥石的致密性，還能與游離的金屬離子如Al3+、Fe2+、Fe3+、Mg2+等離子和氧化物產生吸附作用，提高土體強度。水泥完成初始凝結之后，加固土內部仍然會持續(xù)發(fā)生水化反應[12]。

1.2.4 各外加劑組合使用時的作用機理

水玻璃和水泥組合使用時，能發(fā)揮兩種材料各自的優(yōu)勢，具有凝結時間快、穩(wěn)定性好、固化率及強度較高等優(yōu)點，同時具有表面活性作用，能夠與土較好地結合在一起。水玻璃水解呈堿性，利于水泥發(fā)生水化反應。

環(huán)氧樹脂和水泥組合使用時，由于水泥早期水化反應完成度較高，強度增長較快，能夠彌補環(huán)氧樹脂早期強度較低的不足，水泥水化過程中釋放出的熱量也在一定程度上促進了環(huán)氧樹脂完成交聯(lián)固化反應；在養(yǎng)護中后期，水泥的水化反應程度減緩，強度增長較低，而隨著環(huán)氧樹脂交聯(lián)固化的逐漸完成，土體強度得以提高。

2 黏合劑配方室內試驗

2.1 試驗土體與試驗方法

2.1.1 試驗土體

考慮到山區(qū)施工余土多為殘積粉質黏土。試驗取用具有代表性的殘積粉質黏土，土樣取自廣東省東莞市樟木頭鎮(zhèn)樟洋社區(qū)東側1km 左右的丘陵地區(qū)輸電線路鐵塔基礎側，取土深度為2.0~3.0m。

試驗用土的基本物理性質指標如表1 所示。

表1 土的基本物理性質指標

2.1.2 試驗方法

試驗方法為：試塊的無側限抗壓強度試驗、經歷多次干濕循環(huán)后試塊的無側限抗壓強度試驗。

2.2 試樣配比及制備

2.2.1 試樣配比

選取15%、20%和30%作為外加劑總摻量，分別將水玻璃-氯化鈣、環(huán)氧樹脂、水泥、粉煤灰設置為不同的比例，研究不同的梯段配合比對試塊齡期7d、28d、60d、90d強度的影響。

2.2.2 試樣制備

將原狀土樣放入烘干機烘干，105℃持續(xù)24h，烘干后進行破碎篩分，取篩分后的土樣，按照預定的配比加入外加劑及適量水（根據(jù)土體最優(yōu)含水量確定），攪拌均勻后人工振搗入模成型，采用50mm×50mm（直徑×高）的圓柱體試模。試塊制備完成后，在上方覆蓋重塊，靜壓12h 之后及時脫模并放入標準養(yǎng)護室進行養(yǎng)護，養(yǎng)護室溫度20±2℃，濕度在95%以上，養(yǎng)護齡期分別為7d、28d、60d及90d。

共制作試塊1200 組，每組3 個平行試塊。

2.3 無側限抗壓強度試驗結果

2.3.1 未摻入外加劑情況

無任何外加劑的粉質黏土試塊各齡期無側限抗壓強度值如表2 所示。

由表2 中數(shù)據(jù)看出：無任何外加劑的壓制粉質黏土試塊強度隨齡期增長，但增長速度緩慢。各齡期強度均較低，不能作為砌塊使用。

表2 未摻入外加劑的粉質黏土試塊各齡期無側限抗壓強度值

2.3.2 摻入水玻璃-氯化鈣和環(huán)氧樹脂情況

摻入總量為土體重量的20%、30%水玻璃-氯化鈣和環(huán)氧樹脂，養(yǎng)護7d、28d、60d、90d 的土樣無側限抗壓強度試驗結果如圖1-圖4。

在圖1-圖4 中，水玻璃-氯化鈣與環(huán)氧樹脂配比10-0、7-3、5-5、3-7、0-10 分別表示水玻璃-氯化鈣與環(huán)氧樹脂的重量比為10∶0、7∶3、5∶5、3∶7、0∶10，水玻璃：氯化鈣為固定比例2∶1，而N20、N30 表示水玻璃-氯化鈣和環(huán)氧樹脂共摻入土體重量的20%、30%。

由圖1-圖4 中的試驗結果看出：

圖1 摻入水玻璃-氯化鈣與環(huán)氧樹脂養(yǎng)護7d 土樣強度

圖4 摻入水玻璃-氯化鈣與環(huán)氧樹脂養(yǎng)護90d 土樣強度

（1）在同一齡期，隨著環(huán)氧樹脂的摻入和其占比的不斷提升，試塊的無側限抗壓強度值呈現(xiàn)出增長的趨勢。

（2）隨著齡期的增長，試塊的無側限抗壓強度值增長。

（3）早期（7d）、中期（28d）強度增長速率大于后期（60d、90d）強度增長速率。

（4）外加劑總摻量30%的試塊強度大于相同配合比、相同齡期的外加劑總摻量為20%的試塊強度。

圖2 摻入水玻璃-氯化鈣與環(huán)氧樹脂養(yǎng)護28d 土樣強度

圖3 摻入水玻璃-氯化鈣與環(huán)氧樹脂養(yǎng)護60d 土樣強度

2.3.3 摻入水泥和環(huán)氧樹脂情況

外加劑為32.5 普通硅酸鹽水泥和環(huán)氧樹脂。

摻入總量為土體重量的20%、30%水泥和環(huán)氧樹脂，養(yǎng)護7d、28d、60d、90d 的土樣無側限抗壓強度試驗結果如圖5-圖8。

圖5 摻入水泥與環(huán)氧樹脂養(yǎng)護7d 土樣強度

圖6 摻入水泥與環(huán)氧樹脂養(yǎng)護28d 土樣強度

圖7 摻入水泥與環(huán)氧樹脂養(yǎng)護60d 土樣強度

圖8 摻入水泥與環(huán)氧樹脂養(yǎng)護90d 土樣強度

在圖5-圖8 中，水泥與環(huán)氧樹脂配比10-0、7-3、5-5、3-7、0-10 分別表示水泥與環(huán)氧樹脂的重量比為10∶0、7∶3、5∶5、3∶7、0∶10，而C20、C30 表示水泥和環(huán)氧樹脂共摻入土體重量的20%、30%。

由圖5-圖8 中的試驗結果看出：

（1）早期（7d）隨著環(huán)氧樹脂占比的提升，試塊的無側限抗壓強度值下降，而中、后期（28d、60d、90d）隨著環(huán)氧樹脂占比的提升，試塊的無側限抗壓強度值卻呈現(xiàn)出增長趨勢。

（2）對于水泥與環(huán)氧樹脂配比3∶7 和5∶5 而言，無論外加劑總摻量的占比為20%或30%，試塊均能夠在早期即可達到較高的強度，后期強度會進一步增長。

2.3.4 摻入其他外加劑情況

對土體中摻入粉煤灰、粉煤灰與水玻璃組合、粉煤灰與水泥組合、粉煤灰與水玻璃水泥三者組合的試塊也做了不同摻入比例、不同齡期試塊的無側限抗壓強度試驗。試驗結果表明其對土體強度雖有提高，但無法達到砌塊強度的要求，其試驗數(shù)據(jù)不再贅述。

2.4 經歷干濕循環(huán)后試件的無側限抗壓強度試驗結果

對于多變的氣候環(huán)境條件下的實際工程需考慮壓制砌塊受降雨影響的長期穩(wěn)定性，為此，在實驗室對摻入水玻璃-氯化鈣和環(huán)氧樹脂，水泥和環(huán)氧樹脂，粉煤灰水玻璃水泥組合，不同摻入比例及7d、28d、60d、90d 齡期試塊進行了1、3、5、10 次干濕循環(huán)條件下的無側限抗壓強度試驗。

摻入水玻璃-氯化鈣和環(huán)氧樹脂的試塊，其7d、28d、60d、90d 齡期試塊在經歷1、3、5、10 次干濕循環(huán)條件下的無側限抗壓強度均降低。

摻入粉煤灰水玻璃水泥的試塊，其7d、28d、60d、90d齡期試塊在經歷1、3、5、10 次干濕循環(huán)條件下的無側限抗壓強度大部分降低，僅有水泥摻入量大于土體重量的10%以上的試塊強度穩(wěn)定或略有增長。

摻入水泥和環(huán)氧樹脂的試塊，其7d、28d、60d、90d 齡期試塊在經歷1、3、5、10 次干濕循環(huán)條件下的無側限抗壓強度均增長。

3 結論

通過室內試驗可得出如下結論：

（1）摻入水泥和環(huán)氧樹脂的試塊，在養(yǎng)護的不同齡期經歷干濕循環(huán)后，都表現(xiàn)出了較好的穩(wěn)定性。

（2）水泥與環(huán)氧樹脂配比3∶7 和5∶5，其總摻入量占土重20%或以上時，試塊的90d 無側限抗壓強度超過5MPa，且具有良好的水穩(wěn)性，可作為砌塊的黏合劑配方。隨著水泥、環(huán)氧樹脂摻入量的增加，強度還可繼續(xù)提高。