吳樂天，宋兵偉，馬皓誠，史慧鋒

(1.新疆農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)機(jī)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.農(nóng)業(yè)部林果棉與設(shè)施農(nóng)業(yè)裝備科學(xué)觀測實(shí)驗(yàn)站，烏魯木齊 830091；4.新疆農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)工程公司，烏魯木齊 830091)

0 引 言

【研究意義】隨著固化劑在地基處理、墻體硬化和沙漠固化等方面的廣泛應(yīng)用，固化劑固化土體后的力學(xué)性能及耐久性能引起了學(xué)術(shù)界和工程界的廣泛關(guān)注[4-10]。固化土體的力學(xué)性能及耐久性能決定固化劑的固化效果。趙衛(wèi)全[11]、陳炳睿[12]等通過對固化土力學(xué)性能及耐久性能的研究發(fā)現(xiàn)，影響固化土力學(xué)性能及耐久性能的因素有兩部分：起到骨架作用土體的物理性質(zhì)指標(biāo)，包括顆粒級配、土體類別和擊實(shí)性能等；起到膠凝材料作用的固化劑的性質(zhì)，包括固化劑的品種、摻量等?！厩叭搜芯窟M(jìn)展】有學(xué)者[13-18]對固化前土體的物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)進(jìn)行了研究，普遍認(rèn)為被固化土體的顆粒級配、土體類別和擊實(shí)性能主要通過顆粒級配曲線和擊實(shí)曲線來確定。陳炳睿[12]、張偉鋒[19]等對固化劑的種類和摻量進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)HEC(High Strength and Water Stability Earth Consolidator)固化劑對黃土的固化效果優(yōu)于水泥等其它固化劑固化的黃土；且發(fā)現(xiàn)固化劑摻量在5%～15%有較好的工程效果?！颈狙芯壳腥朦c(diǎn)】現(xiàn)有研究確定固化土體物理性質(zhì)指標(biāo)的方法，并且為固化劑種類和摻量對固化土固化效果的研究提供依據(jù)。測試新疆三種典型日光溫室戈壁土墻體土樣進(jìn)行固化性能，分析戈壁土固化前后的力學(xué)性能和硫酸鹽侵蝕后的強(qiáng)度的變化規(guī)律。【擬解決的關(guān)鍵問題】以新疆三種典型的日光溫室戈壁土墻體土樣作為研究對象，通過戈壁土的系列固化試驗(yàn)，分析土樣的顆粒組成，比較同種固化劑不同摻入量與土樣的抗壓強(qiáng)度關(guān)系和力學(xué)性能以及針對鹽漬土的抗硫酸鹽侵蝕的性能試驗(yàn)。為新疆非耕地戈壁土墻體固化配比方案提供理論基礎(chǔ)，為新疆非耕地日光溫室戈壁土墻體建造提供新技術(shù)。

1 材料與方法

1.1 材 料

固化劑：山東某公司生產(chǎn)的HEC固化劑，HEC為高強(qiáng)固體粉末狀水化類固化劑，屬水硬性無機(jī)膠凝材料；水泥：新疆天山水泥股份有限公司生產(chǎn)的32.5普通硅酸鹽水泥。列出試驗(yàn)用固化劑及水泥技術(shù)指標(biāo)。表1

表1 試驗(yàn)用固化劑及水泥技術(shù)指標(biāo)
Table 1 Test technical indicators with curing agent and cement

名稱Name類別Category密度Density(g/cm3)比表面積Specific surface area(m2/g)細(xì)度Fineness(μm)固化劑 Curing agentHEC2.8～2.9350～480≤ 4.0%水泥 CementP.O32.53.1350≤ 10.0%

注：細(xì)度為80 μm方孔篩篩余

Note:The fineness is 80 μm sieve residue

戈壁土：新疆非耕地戈壁土地區(qū)原狀土(1號土樣在新疆焉耆縣七個星鎮(zhèn)采集，大粒徑砂石較少；2號土樣在新疆阿克陶鎮(zhèn)五大隊(duì)采集，大粒徑砂石居多；3號土樣在阿克蘇溫宿縣佳木鎮(zhèn)采集，大粒徑砂石適中)。試驗(yàn)的三種土樣采集于新疆典型非耕地代表地區(qū)，最適宜夯實(shí)土墻日光溫室的建造，其最大特點(diǎn)是土體顆粒粒徑比較大，屬于粗粒土，可以通過加入固化劑使得土體的空隙被填充，壓實(shí)效果良好，對最大干密度的影響較大，固化成效顯著。表2

表2 戈壁土物理性質(zhì)
Table 2 The physical properties of gobi

土樣編號Sample No粗粒土(%)Coarse-grained soil(0.075-20 mm)巨粒土(%)Giant grain soil(>20 mm)細(xì)粒土(%)Fine-grained soil(<0.075 mm)最大干密度Maximum dry density(g/cm3)含水率(%)moisture content1號土樣 Sample No.187.0010.172.832.160.352號土樣 Sample No.257.2140.891.902.230.453號土樣 Sample No.367.5431.391.072.230.42

1.2 方 法

顆粒分析試驗(yàn)、擊實(shí)試驗(yàn)和抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)按《土工試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T50123-1999)中的相關(guān)規(guī)程進(jìn)行試驗(yàn)；抗侵蝕試驗(yàn)將制備的試件(試件為圓柱形試件，試件尺寸：直徑61.8mm，高125mm)浸泡在濃度恒定5%的硫酸鈉溶液中，然后測定0、14、28和60 d侵蝕試件的抗壓強(qiáng)度。

測定三種土樣的顆粒級配曲線，對土體進(jìn)行分類，確定此非耕地戈壁地區(qū)原狀土的土體類型。

參照文獻(xiàn)[20-21]的方法，選取三種固化劑摻量5%、10%、15%，由張偉鋒等[19]對HEC固化劑對黃土擊實(shí)試驗(yàn)分析可知，土樣的最大干密度和最優(yōu)含水率隨固化劑摻量增大而增大，選取在三種土樣原狀土中分別摻入15%的土壤固化料(土壤固化料由5%HEC固化劑摻加95%的32.5普通硅酸鹽水泥混合而成)，采用擊實(shí)試驗(yàn)測定復(fù)合后土樣的擊實(shí)曲線，確定土樣的最大干密度和最優(yōu)含水率。表3

表3 擊實(shí)性能試驗(yàn)
Table 3 Test scheme of compaction performance

土樣編號Sample No測試編號Test number原狀土Undisturbed soil(%)固化劑Curing agent(%)水泥Cement(%)1號土樣Sample No.1A110000A2850.7514.252號土樣Sample No.2B110000B2850.7514.253號土樣Sample No.3C110000C2850.7514.25

測定土樣摻5%、10%、15%土壤固化料后在7、14、28 d的抗壓強(qiáng)度，確定此非耕地戈壁地區(qū)原狀土摻不同量固化劑情況下對固化土的力學(xué)性能。表4

表4 抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)
Table 4 Test scheme of compressive strength

測試編號Test number原狀土Undisturbed soil(%)固化劑Curing agent(%)水泥Cement(%)D1950.254.75D2900.509.5D3850.7514.25

將摻15%土壤固化料的土樣試件浸泡在濃度恒定5%的硫酸鈉溶液，測定0、14、28、60 d侵蝕試件的抗壓強(qiáng)度。

2 結(jié)果與分析

2.1 土壤顆粒級配匯總及土樣類別

土樣顆粒級配匯總及土樣類別，土樣的顆粒級配由顆粒分析試驗(yàn)測得，并繪制出土樣粒徑分配曲線，確定土體類別；進(jìn)一步根據(jù)特征粒徑求出土樣的不均勻系數(shù)Cu和曲率系數(shù)Cc，確定土體的級配好壞。

1號土樣、2號土樣和3號土樣的土體類別均為圓礫，2號土樣的不均勻系數(shù)最大，其次為3號土樣，1號土樣的不均勻系數(shù)最小，由于土體的不均勻系數(shù)反應(yīng)土體的均勻性，2號土樣的土粒最不均勻，其次為3號土樣，1號土樣土粒最均勻。三種土樣的曲率系數(shù)Cc分別為0.2、0.3、0.2，三種土樣的曲率系數(shù)差別不大。

1號土樣、2號土樣和3號土樣的土體類別都為圓礫；三種土樣相比，2號土樣的級配最好，其次為3號土樣，1號土樣的級配最差。圖1，表5

表5 土樣顆粒級配匯總及土樣類別
Table 5 Soil sample grading summary and soil sample category

土樣編號Sample No粒徑 Grain size(mm)80～6060～4040～2020～1010～55～22～11～0.50.5～0.250.25～0.075<0.075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 category1號土樣Sample No.1--10.221.213.676.39.37.4212.861.80.2圓礫2號土樣Sample No.25.817.317.811.16.29.22.35.46.816.21.9146.40.3圓礫3號土樣Sample No.3-13.517.915.29.96.62.811.910.111.11.169.10.2圓礫

圖1 土樣顆粒級配曲線
Fig.1 Soil sample particle size distribution curve

2.2 擊實(shí)試驗(yàn)

研究表明，摻入15%的土壤固化料后，土樣的最大干密度ρd和最優(yōu)含水率wop有不同程度的增加。研究表明，摻入15%土壤的固化料后，與原狀土相比，1號土樣的最大干密度ρd和最優(yōu)含水率wop分別增加0.046%、0.017%；2號土樣的最大干密度ρd和最優(yōu)含水率wop分別增加0.013%、0.086%；3號土樣的最大干密度ρd和最優(yōu)含水率wop分別增加0.027%、0.098%。

摻入土壤固化料后，由于固化劑的顆粒較小，對土體的空隙起了一定的填充作用，改變了土樣的顆粒級配，使得固化土體與原狀土相比更加密實(shí)，土樣細(xì)粒土含量越多，最優(yōu)含水率越高。摻入固化劑后，土體的最大干密度ρd和最優(yōu)含水率wop增加。圖2，表6

表6 擊實(shí)試驗(yàn)結(jié)果
Table 6 The results of compaction test

土樣編號Sample No測試編號Test number最大干密度ρdMaximum dry density(g/cm3)最優(yōu)含水率wopOptimum moisture conte(%)nt1號土樣Sample No.1A12.166.0A22.266.12號土樣Sample No.2B12.238.1B22.298.83號土樣Sample No.3C12.239.2C22.2910.1

圖2 土樣擊實(shí)曲線
Fig.2 Soil compaction curve

2.3 抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)

研究表明，三種圓礫土樣相比1號土樣的級配最差，且根據(jù)擊實(shí)試驗(yàn)可知，三種圓粒土樣摻入固化劑情況下，其土體的最大干密度ρd和最優(yōu)含水率wop具有相同的變化規(guī)律，因此選擇1號土樣為研究對象，分別摻5%、10%、15%的土壤固化料，以研究不同固化劑摻量與土體強(qiáng)度的關(guān)系。

隨著土壤固化料摻量的增加，固化土7、14、28 d的抗壓強(qiáng)度增加。但是在7、14、28 d抗壓強(qiáng)度的增長梯度不同，與摻5%土壤固化料固化土相比，摻10%土壤固化料固化土在7、14、28 d抗壓強(qiáng)度分別增加0.2、4.5、10.1 MPa；摻15%土壤固化料固化土在7、14、28 d抗壓強(qiáng)度分別增加0.4、11.6、13.2 MPa。隨著固化劑摻量的增加，抗壓強(qiáng)度隨齡期的增長梯度增大。圖3，表7

表7 不同固化劑摻入量抗壓強(qiáng)度
Table 7 The compressive strength of different admixture of curing agent

測試編號Test number固化料摻入量Incorporation of Curing agent(%)抗壓強(qiáng)度 Compressive strength(MPa)7 d14 d28 dD152.28.39.8D2102.412.819.9D3152.619.923.0

圖3 不同摻量固化劑抗壓強(qiáng)度
Fig.3 The compressive strength of different curing agent curve

2.4 抗硫酸鹽侵蝕

研究表明，在90 d的侵蝕試驗(yàn)中，固化土隨侵蝕周期的增長，其抗壓強(qiáng)度增加。與無侵蝕試件相比，侵蝕周期在14、28、60和90 d的抗壓強(qiáng)度分別增加0.3、2.4、2.9和3.1 MPa。

在固化土侵蝕的初期，由于固化劑中存在火山灰質(zhì)的膠凝材料，其水化反應(yīng)需要堿激發(fā)，因此在反應(yīng)初期會吸收大量的OH-離子，使溶液的pH降低，溶液的pH值低于12時(shí)，AFt不會結(jié)晶析出，也就不會出現(xiàn)硫酸鹽侵蝕。研究表明，侵蝕28 d的固化土與侵蝕3 d的固化土對比可知，侵蝕28 d的固化土中有大量Aft晶體的生成，填充固化土的空隙?？芍S著固化劑中火山灰質(zhì)的膠凝材料減少，會生成析出AFt晶體，但在一定時(shí)期內(nèi)AFt會填充固化土中的空隙，不但不會膨脹造成固化土的開裂，反而會增加固化土的強(qiáng)度，最終使固化土在90 d的侵蝕周期內(nèi)，固化土隨侵蝕周期的增長，抗壓強(qiáng)度增加。日光溫室墻體的一般使用壽命是十年，由王亮[22]對混凝土抗硫酸鹽侵蝕的耐久性研究和劉健等[23]對日光溫室墻體荷載的研究可知，固化土固化戈壁土墻體的耐久性是符合要求的。圖4，圖5

圖4 摻15%土壤固化料土樣不同侵蝕周期抗壓強(qiáng)度
Fig.4 The soil samples blending 15% curing agent compressive strength of different erosion cycle curve

(a)侵蝕3 d固化土；(b)侵蝕28 d固化土

(a)Erosion 3 days solidify soil；(b)Erosion 28 days solidify soil

圖5 不同侵蝕周期固化土電鏡照
Fig.5 The solidified soil erosion cycle electron micrograph

3 討 論

隨著固化劑摻量的增加，抗壓強(qiáng)度隨齡期的增長梯度增大的原因有兩方面，從擊實(shí)性能方面：隨著固化劑摻量的增加，重塑土體的顆粒級配發(fā)生了變化，小粒徑的顆粒級配增加，尤其增加了80 μm以下的顆粒，隨著固化劑摻量的增加，重塑土體的顆粒級配發(fā)生了變化，小粒徑的顆粒級配增加，尤其增加了80 μm以下的顆粒，使土體更加密實(shí)，有利于增加強(qiáng)度，摻量越大，強(qiáng)度增加越高；從固化劑水化機(jī)理方面：固化劑多為具有火山灰活性的水硬性膠凝材料，其水化需要堿性環(huán)境激發(fā)，水化初期是水泥的水化，隨水泥的水化，水化環(huán)境中的pH升高，激發(fā)了固化劑中具有火山灰活性的膠凝材料，使其發(fā)生二次火山灰反應(yīng)，在土體空隙中生成C-S-H，使固化土后期強(qiáng)度能夠持續(xù)增長，因此固化劑摻量越大，強(qiáng)度增加越高。這一結(jié)果無異于前人的試驗(yàn)結(jié)果，但固化劑的摻入量不可能無限量增加，具體增加到一個合理的的配比值就需要進(jìn)行更細(xì)化的試驗(yàn)。

雖然考慮了新疆地區(qū)多為鹽漬土，含有大量的硫酸鹽[24]，進(jìn)行了HEC固化劑固化戈壁土后的抗硫酸鹽侵蝕試驗(yàn)，但新疆的風(fēng)蝕現(xiàn)象也尤為突出，后續(xù)試驗(yàn)中需要考慮進(jìn)行風(fēng)蝕試驗(yàn)，才能更好的反應(yīng)出固化土體的抗侵蝕性能。

4 結(jié) 論

4.1 新疆非耕地戈壁土地區(qū)所取三種土樣均為圓礫戈壁土，其中2號土樣的級配最好，其次為3號土樣，1號土樣的級配最差；摻入固化劑后三種土樣的最大干密度ρd和最優(yōu)含水率wop都有所增加。

4.2 土樣隨固化劑摻量的增加，使得土體更加密實(shí)，且隨摻量的增加，膠凝材料的量增加，生成更多的水化產(chǎn)物，從而使得抗壓強(qiáng)度增加。

4.3 固化土在一定摻量固化劑情況下，在一定的侵蝕周期內(nèi)，固化土的強(qiáng)度會隨侵蝕周期的增長而增長。由于水化初期，固化劑吸收OH-離子，不利于鈣礬石的生成，后期硫酸鹽為激發(fā)劑促進(jìn)固化劑中火山灰質(zhì)材料的水化，一定時(shí)期內(nèi)生成的鈣礬石有利于提高強(qiáng)度。