影響MBER固化土劈裂抗拉強度的因素試驗

張 通，高建恩，，，李興華，高 哲，王 飛，孫勝利

（1．西北農林科技大學 水利與建筑工程學院，陜西 楊凌712100；2．西北農林科技大學 資源與環境學院，陜西 楊凌712100；3．中國科學院 水利部 水土保持研究所，陜西 楊凌712100；4．西安石油大學，陜西 西安710065）

水土流失和干旱缺水并存是黃土高原地區的一大環境問題，亦是一對難以調和的矛盾。由于黃土高原地區缺石少砂，且大部分地區水質較差，對混凝土的應用造成了一定的限制。由于土壤固化劑能充分利用當地的水土資源，即利用當地水質等級不高的水，固結當地廣泛存在的土壤，逐漸受到了人們的關注。土壤固化劑是一種新型建筑材料，可以利用當地廣泛存在的土壤作為固結對象，具有高效低廉的特點，目前已大量應用在水利工程、道路工程、機場跑道等方面，效益非常顯著。在農業工程中固化劑集中應用在池塘、湖泊清淤及其淤泥的處理、農田水利設施的節水改造等方面［1－5］。此外，固化劑還可用于土壤固化劑免燒磚以及水利工程中的堤壩填筑固化、土壤固化劑墻體等。美國《工程新聞》稱之為30世紀的偉大發明創造之一，日本稱之為21世紀的新材料。

目前，對固化土的研究集中在其抗壓強度、抗滲和抗凍性能方面，而且主要集中在對土壤固化劑在集雨工程技術體系，特別是集流面建設中的應用的研究。吳普特等［6］利用土壤固化劑發明了一種坡地集流面的制備方法。馮浩等［7］研究認為，固化劑集流面的集流效率可以超過78%，建造成本僅為混凝土集流面的1／3～1／2。高建恩等［8］提出了固化劑集流面的減糙增流技術。李少斌等［9］認為通過在固化劑集流面表面噴灑防水劑可以將集流效率有效提高10%以上。樊恒輝等［10］提出了固化劑集流面設計方法以及干硬性施工工藝。陳濤等［11］對固化土的滲透特性進行研究。樊恒輝等［12］對密度和含水率等因素對固化土無側限抗壓強度的影響進行過研究，但是對于影響土壤固化劑集流面的劈裂抗拉強度這一重要施工參數尚未進行深入的研究。

固化土由于其具有干縮特性，會使土體產生裂縫［13］，從而降低其抗壓強度和抗滲、抗凍性能，在一定程度上限制了推廣應用。劈裂抗拉強度作為一項基本的力學性能指標，是靜力和動力力學分析計算中不可或缺的一項重要內容，因此，對固化土體的劈裂抗拉強度的研究具有重要的實際意義。本文以MBER土壤固化劑［14－15］為研究對象，采用水泥土作為對照，通過測定固化土、水泥土的劈裂抗拉強度，討論劑量、含水率及齡期等因素對固化土劈裂抗拉強度的影響。

1 材料與方法

1．1 試驗材料

MBER土壤固化劑是由水泥熟料及核心原料等材料混合磨細而制成的一種粉末狀材料，屬于一種環保型的無機膠凝材料，在常溫下可固結一般土體，具有固結強度高、耐久性強、變形小及使用范圍廣等特點［16］。試驗土樣選取陜西省延安地區黃土，土樣取自40—200cm深度的土壤，混合風干，過5mm篩。延安地區土樣的物理性質如表1所示。

表1 延安地區土樣的物理性質

1．2 試驗方案

為了確定延安黃土樣的最優含水率和最大干密度，按照《土工試驗方法標準》（GB－T50123－1999）進行擊實試驗，試驗采用輕型擊實試驗儀，擊實試驗的單位體積擊實功約為592．2kJ／m3，分3層擊實，每層25擊。以含水率為橫坐標，以干密度為縱坐標，繪制含水率（w）—干密度（ρ）曲線，曲線的峰值點對應的橫、縱坐標分別為最優含水率（在一定的擊實功能下，能使土達到最大密度所需的含水率，wop）和最大干密度（最優含水率相應的干密度，ρdmax）。

試驗考慮劑量、含水率和齡期3個影響因素，根據大量的前期試驗，并考慮到實際應用和性能價格比，選取不同土壤固化劑劑量（6%，9%，12%，15%和18%）和含水率 （12．5%，14．5%，16．5%，18．5%，20．5%），分別養護7d和28d齡期。試件密度為2．15～2．34g／cm3。

1．3 試件制備及養護

試件采用靜力壓實法制備，即用千斤頂壓制成型，試件尺寸為50mm（直徑）×50mm（高）的圓柱體。具體方法：試件制備前按一定含水率將風干土和水混合，混合完成后將土樣放入封閉容器內浸潤24h；將已配好的定量土壤固化劑（水泥）加入土中拌合均勻；拌合完成后的固化土樣（水泥土樣）在1h內用千斤頂壓制成型［17］。試件成型后放入養護室內進行養護。試件標準養護條件為（20±2）℃，相對濕度＞95%。養護期的最后一天將試件浸泡在水中，水面高出試件頂部約2．5cm。浸水24h后將試件從水中取出，用軟布吸去表面可見自由水，并測量試件質量。

1．4 測試方法

劈裂拉伸試驗時，在試件上下方向各放置1個墊條，墊條截面為3mm×3mm。采用微機液壓萬能材料試驗機（YAW－4206）對試件施加荷載，初始荷載從10～15N開始，荷載每級初期為5～10N，后期為10N，直至破壞。

劈裂抗拉強度采用式（1）計算［18］：

式中：fts——劈裂抗拉強度（MPa）；D——圓柱體直徑（mm）；L——試件邊長（mm）；F——破壞荷載（kN）。

2 結果與分析

2．1 MBER土壤固化劑劑量對固化土劈裂抗拉強度的影響

由圖1可以看出，在齡期相同的情況下，固化土、水泥土的劈裂抗拉強度均隨劑量的增大而增大，且在劑量為18%時達到強度最大值。對相同齡期條件下2種試件比較，7d齡期時，6%的固化土強度比水泥土低50%，9%的固化土強度比水泥土高60%，12%的固化土比水泥土高24%，15%的固化土強度比水泥土高19%，18%的固化土強度比水泥土高7%；28d齡期時，6%的固化土強度比水泥土低0．7%，9%的固化土強度比水泥土高26．3%，12%的固化土強度比水泥土高47．4%，15%的固化土強度比水泥土高13．3%，18%的固化土強度比水泥土高22．9%。這是由于隨著時間的增長，導致固化劑加入土體中引起顆粒間空隙減小體積縮減的同時，H2O和CO2被固化成固相，質量增加，使得固化土體系密度增大，強度提高，劈裂抗拉強度提高。在實際應用中，過多的固化劑用量在經濟上不合理，在效果上也不一定顯著，所以應根據實際情況取較為合適的固化劑用量。

圖1 劑量對劈裂抗拉強度的影響

對固化土28d強度曲線進行最小二乘法回歸分析，求出劑量與抗壓強度的變化關系，根據此公式可以預測固化土的強度：

式中：P——劈裂抗拉強度（MPa）；m——劑量。

由式（2）可以看出，固化土的劈裂抗拉強度與劑量基本成二次非線性關系，且在劑量為18%左右達到最大值，與試驗結果基本相符。因此，在齡期相同時，固化土強度總體強于水泥土。根據“經濟、高效、耐久”的原則和實際施工要求［19］，認為固化劑集流面的劑量選擇12%為宜，養護齡期不少于7d。

2．2 含水率對固化土劈裂抗拉強度的影響

由圖2可以看出，含水率在14．0%～16．5%時，固化土劈裂抗拉強度隨含水率的增加而增加；當含水率在16．5%～20．5%時，固化土劈裂抗拉強度隨含水率的增加呈降低趨勢。含水率為16．5%時，劈裂抗拉強度最大。水泥土的劈裂抗拉強度變化趨勢與固化土類似，但總體上略小于固化土強度。

試驗表明，在固化土摻水初期，無水的水泥熟料礦物轉變為水化物與空氣中的CO2發生反應生成碳酸鹽，提高了固化土的強度，使劈裂抗拉強度增加。含水率過大會使土壤固化劑有效成分流失而很難形成穩定均勻的固化土，固化土的劈裂抗拉強度因此會大大降低。實際應用中，由于含水率過低，固化土樣不飽和，固化劑有效成分利用率低，影響固化土的劈裂抗拉強度，所以取最優含水率利于控制。

圖2 不同含水率對劈裂抗拉強度的影響

2．3 齡期對固化土劈裂抗拉強度的影響

從圖3—4可以看出，隨著齡期的增長，固化土和水泥土的劈裂抗拉強度均有不同程度的增大，其中以固化土相同劑量對比，其強度的增幅為11．5%，50%，8%，36%，43%，相比7d強度，固化土的28d強度有了較大提高。

圖3 齡期對固化土劈裂抗拉強度的影響

圖4 齡期對水泥土劈裂抗拉強度的影響

3 因素的影響效果分析

通過以上分析可以看出，在其他條件相同的情況下，劑量的變化對固化土的劈裂抗拉強度增幅最大可提高47．4%，含水率的變化對固化土的劈裂抗拉強度最大可以提高10%，齡期的變化對固化土的劈裂抗拉強度可以提高36%，3種因素比較，劑量對固化土的影響效果最為明顯。

4 結 論

（1）MBER固化土的劈裂抗拉強度在0．08～0．43MPa，水泥土的劈裂抗拉強度在0．09～0．35 MPa，固化土劈裂抗拉強度強度總體上比水泥土略大。

（2）固化土和水泥土的劈裂抗拉強度隨著劑量和齡期的增加而增大，在含水率為最優含水率時達到最大值。

（3）在含水率較低時，固化土的劈裂抗拉強度隨著含水率的增加而增大，當含水率達到一定水平時固化土的劈裂抗拉強度隨著含水率的增加而減小。實際應用中取最優含水率利于控制。建議固化土工程施工過程中，將固化土的含水率控制在最優含水率附近進行施工，并且至少養護7d，確保固化土的性能充分發揮。

（4）在本文研究的影響固化土的劈裂抗拉強度3種因素中，劑量對固化土劈裂抗拉強度的影響最大，在施工時應尤為注意對固化劑劑量的控制。

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