HEC固化劑對日光溫室戈壁土墻體固化性能試驗

吳樂天，宋兵偉，馬皓誠，史慧鋒

(1.新疆農業科學院農業機械化研究所，烏魯木齊 830091；2.新疆設施農業工程與裝備工程技術研究中心，烏魯木齊 830091；3.農業部林果棉與設施農業裝備科學觀測實驗站，烏魯木齊 830091；4.新疆農業科學院農業工程公司，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用，固化劑固化土體后的力學性能及耐久性能引起了學術界和工程界的廣泛關注[4-10]。固化土體的力學性能及耐久性能決定固化劑的固化效果。趙衛全[11]、陳炳睿[12]等通過對固化土力學性能及耐久性能的研究發現，影響固化土力學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指標，包括顆粒級配、土體類別和擊實性能等；起到膠凝材料作用的固化劑的性質，包括固化劑的品種、摻量等。【前人研究進展】有學者[13-18]對固化前土體的物理力學性質指標進行了研究，普遍認為被固化土體的顆粒級配、土體類別和擊實性能主要通過顆粒級配曲線和擊實曲線來確定。陳炳睿[12]、張偉鋒[19]等對固化劑的種類和摻量進行了研究，發現HEC(High Strength and Water Stability Earth Consolidator)固化劑對黃土的固化效果優于水泥等其它固化劑固化的黃土；且發現固化劑摻量在5%～15%有較好的工程效果。【本研究切入點】現有研究確定固化土體物理性質指標的方法，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。測試新疆三種典型日光溫室戈壁土墻體土樣進行固化性能，分析戈壁土固化前后的力學性能和硫酸鹽侵蝕后的強度的變化規律。【擬解決的關鍵問題】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，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度關系和力學性能以及針對鹽漬土的抗硫酸鹽侵蝕的性能試驗。為新疆非耕地戈壁土墻體固化配比方案提供理論基礎，為新疆非耕地日光溫室戈壁土墻體建造提供新技術。

1 材料與方法

1.1 材 料

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

表1 試驗用固化劑及水泥技術指標
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)細度Fineness(μm)固化劑 Curing agentHEC2.8～2.9350～480≤ 4.0%水泥 CementP.O32.53.1350≤ 10.0%

注：細度為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原狀土(1號土樣在新疆焉耆縣七個星鎮采集，大粒徑砂石較少；2號土樣在新疆阿克陶鎮五大隊采集，大粒徑砂石居多；3號土樣在阿克蘇溫宿縣佳木鎮采集，大粒徑砂石適中)。試驗的三種土樣采集于新疆典型非耕地代表地區，最適宜夯實土墻日光溫室的建造，其最大特點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
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、擊實試驗和抗壓強度試驗按《土工試驗方法標準》(GB/T50123-1999)中的相關規程進行試驗；抗侵蝕試驗將制備的試件(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侵蝕試件的抗壓強度。

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

參照文獻[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固化劑對黃土擊實試驗分析可知，土樣的最大干密度和最優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)，采用擊實試驗測定復合后土樣的擊實曲線，確定土樣的最大干密度和最優含水率。表3

表3 擊實性能試驗
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的抗壓強度，確定此非耕地戈壁地區原狀土摻不同量固化劑情況下對固化土的力學性能。表4

表4 抗壓強度試驗
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侵蝕試件的抗壓強度。

2 結果與分析

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測得，并繪制出土樣粒徑分配曲線，確定土體類別；進一步根據特征粒徑求出土樣的不均勻系數Cu和曲率系數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最大，其次為3號土樣，1號土樣的不均勻系數最小，由于土體的不均勻系數反應土體的均勻性，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Cc分別為0.2、0.3、0.2，三種土樣的曲率系數差別不大。

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CuCoefficient of uniformity曲率系數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 擊實試驗

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，土樣細粒土含量越多，最優含水率越高。摻入固化劑后，土體的最大干密度ρd和最優含水率wop增加。圖2，表6

表6 擊實試驗結果
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 土樣擊實曲線
Fig.2 Soil compaction curve

2.3 抗壓強度試驗

研究表明，三種圓礫土樣相比1號土樣的級配最差，且根據擊實試驗可知，三種圓粒土樣摻入固化劑情況下，其土體的最大干密度ρd和最優含水率wop具有相同的變化規律，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度的關系。

隨著土壤固化料摻量的增加，固化土7、14、28 d的抗壓強度增加。但是在7、14、28 d抗壓強度的增長梯度不同，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的侵蝕試驗中，固化土隨侵蝕周期的增長，其抗壓強度增加。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的膠凝材料，其水化反應需要堿激發，因此在反應初期會吸收大量的OH-離子，使溶液的pH降低，溶液的pH值低于12時，AFt不會結晶析出，也就不會出現硫酸鹽侵蝕。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。可知隨著固化劑中火山灰質的膠凝材料減少，會生成析出AFt晶體，但在一定時期內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度，最終使固化土在90 d的侵蝕周期內，固化土隨侵蝕周期的增長，抗壓強度增加。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，抗壓強度隨齡期的增長梯度增大的原因有兩方面，從擊實性能方面：隨著固化劑摻量的增加，重塑土體的顆粒級配發生了變化，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，有利于增加強度，摻量越大，強度增加越高；從固化劑水化機理方面：固化劑多為具有火山灰活性的水硬性膠凝材料，其水化需要堿性環境激發，水化初期是水泥的水化，隨水泥的水化，水化環境中的pH升高，激發了固化劑中具有火山灰活性的膠凝材料，使其發生二次火山灰反應，在土體空隙中生成C-S-H，使固化土后期強度能夠持續增長，因此固化劑摻量越大，強度增加越高。這一結果無異于前人的試驗結果，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行更細化的試驗。

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

4 結 論

4.1 新疆非耕地戈壁土地區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，且隨摻量的增加，膠凝材料的量增加，生成更多的水化產物，從而使得抗壓強度增加。

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，固化土的強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，后期硫酸鹽為激發劑促進固化劑中火山灰質材料的水化，一定時期內生成的鈣礬石有利于提高強度。