堿礦渣粉固化沙漠土力學性能及耐久性能研究

閏林 何晶 何建新 楊海華

摘要：結合新疆古爾班通古特沙漠環境特性，通過固化沙漠土擊實試驗、干濕循環試驗以及凍融循環試驗，研究其力學性能和耐久性能。結果表明：固化沙漠土最優堿礦渣粉固化劑摻量為l4%，最優含水率為10%，此時最大密度為2.09 g/cm³，28 d抗壓強度為6.34 MPa。固化沙漠土28 d無側限抗壓強度隨干濕循環次數的增多而增大，干濕循環9次時強度最大（8.67 MPa），比標準試樣減小27.9%，之后無側限抗壓強度逐漸降低。固化沙漠土無側限抗壓強度隨凍融循環次數的增加而增大，當凍融循環5次后增幅趨于平緩，凍融循環7次后強度隨齡期的增大逐漸減小，9次凍融循環后的強度為7.8 MPa（標準養護試樣的80.4%）。

關鍵詞：堿礦渣粉固化劑;沙漠土;無側限抗壓強度;干濕循環：凍融循環

中圖分類號：S157.2

文獻標志碼：A

doi：10.3969/j.issn. 1000-1379.2019.05 .019

土地沙漠化和水土流失是破壞生態環境、加劇自然災害的兩大根源，由此引起的一系列生態問題正不斷地威脅人類的生存環境和生命財產安全[1-3]。因此，通過行之有效的工程技術措施改善生態環境和加強環境保護刻不容緩，目前國內外已有大量針對固化土和沙漠土的相關研究[4-6]。李馳等[7]通過無側限抗壓強度試驗、不固結不排水抗剪強度試驗和電鏡掃描等方法，研究了含水狀態、固化劑摻量和養護齡期對固化風沙土相關力學性能的影響規律，揭示了固化風沙土的強度特性及固化機理。鮑恩財等[8]研究了不同摻量的相變固化劑對風沙土和戈壁土抗壓強度的影響，并通過固化試樣微觀結構的變化規律，闡明了該固化劑的固化效果和固化機理。白二雷等[9]通過大量試驗研究了不同種類的堿性化合物對礦渣粉和粉煤灰的活性激發效果，并結合水膠比與凈漿靜態力學性能試驗，得出最有效的堿激發劑為復摻的NaOH和Na2Si04。何晶[10]采用正交試驗和極差分析法研究了不同摻量粉煤灰、堿激發劑、燒黏土及不同種類堿激發劑等因素對礦渣粉砂漿強度的影響規律，并結合電鏡掃描法分析了堿礦渣粉固化劑的固化機制和力學特性。

上述研究多集中于固化劑固化機理、固化土體影響因素以及固化土體強度特性等，而對固化沙漠土實際應用時的工作環境和耐久性能涉及較少。我國西北沙漠地區冬季雨雪豐富，晝夜溫差大，易形成天然干濕循環和凍融循環環境，因此研究固化沙漠土的抗干濕循環和抗凍融循環，對該材料的發展和應用具有重要的現實意義。筆者結合新疆古爾班通古特沙漠環境特性和固化沙漠土實際特點，探究固化沙漠土的力學性能和耐久性能，以期為遏制沙漠侵蝕、保護生態及資源化沙漠土提供參考。

1 材料及試驗方法

1.1 原材料

試驗土樣為古爾班通古特沙漠邊緣地表以下1.0-2.0 m深度的沙漠土，粒徑為0.10 - 0.25 mm的顆粒含量較多，屬粗粒沙，級配不良，不均勻系數C_u為2.00，曲率系數C_c為1.45，沙漠土樣的顆粒級配見表1。土壤固化劑采用堿礦渣粉固化劑，其中：礦渣粉為寶新盛源公司生產的S75級粒化高爐礦渣微粉，粉煤灰為準東東方希望電廠生產的Ⅱ級粉煤灰，堿激發劑為天津致遠化學試劑有限公司生產的CaS04.2H20和天津光復科技發展有限公司生產的NaOH復摻組成11]，水泥為新疆天山水泥股份有限公司生產的P.0 42.5級普通硅酸鹽水泥，水為城市自來水。

1.2 試驗方法

本試驗參照《土工試驗規程》（ SL 237-1999）[12]和《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗方法標準》（ GB/T 50082-2009）[13]進行。堿礦渣固化劑最優摻量通過擊實試驗測定最大干密度：固化沙漠土的無側限抗壓強度試驗采用直徑50 mm、高100 mm的圓柱體（不同含水率下成型3個），通過微機控制電子壓力機分別測定試樣3、7、28 d的抗壓強度，加載速率為1 mm/min。標準養護28 d的固化沙漠土干濕循環試驗分為兩組：一組為干濕循環試樣，將試樣置于（45±1）℃的烘箱中烘干24 h，取出冷卻至室溫后，置于（20±1）℃的培養箱浸水養護24 h為一個循環;另一組為標準養護試樣，養護溫度為（20±1）℃，試樣制備及養護方法與無側限抗壓強度試驗相同。固化沙漠土的凍融循環試驗的試樣制備和養護與上述試驗相同，凍融循環溫度為（-18+1- 20+1）℃，為防止水分流失，試樣用保鮮膜包裹密實，放進冰箱冷凍16 h;融化采用恒溫水箱，持續時間為8h。

2 試驗結果與分析

2.1 堿礦渣固化劑的最優摻量和最優含水率

2.1.1 擊實試驗法

對于無黏性沙漠土，不同含水率下的最大干密度和空隙率是一定的，因此根據空隙率隨堿礦渣固化劑摻量增大而減小的規律，通過擊實試驗即可求解出堿礦渣固化劑最優摻量。沙漠土擊實試驗采用電動擊實儀，選定堿礦渣粉固化劑摻量為8%、10%、12%、14%、16%，含水率為8%、9%、10%、11%，12%、13%。將堿激發劑和水配成溶液，再與拌和均勻的沙漠土和礦渣粉固化劑充分攪拌，分3層裝入擊實筒，每層擊25下，且層間刨毛，完成擊實后稱重并計算密實度。

由干密度與堿礦渣粉固化劑、含水率關系（見圖1）可知，無黏性沙漠土中摻人一定量的堿礦渣固化劑后，擊實曲線表現出黏性土的特征，每組曲線都存在峰值。當堿礦渣粉固化劑摻量為14%、含水率為10%時，固化沙漠土干密度達到最大（2.09 g/cm³），比天然沙漠土最大干密度（1.86 g/cm³）增大11.0%。根據最大密度法和丁樸榮理論公式可知，當土的級配不良時，其內部空隙率較大，結構難以達到最密實狀態，此時加入堿礦渣粉固化劑和水可發揮填充作用，減小空隙率，提高固化土的密實度[14]。固化沙漠土密實度隨含水率的增大逐漸增大，當含水率達到lO%時逐漸降低。最大干密度下的不同堿礦渣粉固化劑摻量所對應的最優含水率均在10%左右，說明堿礦渣粉固化劑摻量對含水率影響不顯著。故對于固化沙漠土有最大擊實密度時，堿礦渣粉固化劑最優摻量為14%，對應最優含水率為10%。

2.1.2 固化沙漠土無側限抗壓強度法

固化沙漠土最大干密度時的含水率不一定是最大強度對應的含水率。為研究不同含水率對固化沙漠土無側限抗壓強度的影響規律，根據固化沙漠土擊實試驗得出固化劑的最優摻量，即取堿礦渣粉固化劑的摻量為14%，含水率分別取8%、9%、10%、11%、12%、13%，進行無側限抗壓強度試驗。試樣成型后用塑料袋包裹密封，以防止水分蒸發流失，分別測定齡期為3、7、28 d的試樣無側限抗壓強度。

由不同齡期試樣無側限抗壓強度與含水率的關系（見圖2）可知，不同齡期的固化沙漠土無側限抗壓強度隨含水率的增大而增大，在含水率為10%時出現峰值，即最優含水率為10%，與擊實試驗結果一致。含水率為10%時，齡期為28 d的試樣無側限抗壓強度最大值為6.34 MPa.比7d和3d的分別增大24. 8%和61 .4%。試驗結果表明：含水率過小時，固化沙漠土拌和物不易擊實，成型試樣孔隙率較大，干密度較小，強度偏低;含水率過大時，試樣擊實時易泌水，不僅造成堿礦渣粉固化劑流失，而且易在試樣內部形成微孔隙，導致強度降低。

2.2 固化沙漠土干濕循環試驗結果

沙漠地區氣候環境惡劣，水分季節性差異明顯，晝夜溫差較大15].固化沙漠土具有較高的干濕耐久性能。本研究采用的最優堿礦渣粉固化劑摻量為14%、最優含水率為10%，根據固化沙漠土干濕循環后的質量損失和無側限抗壓強度損失與干濕循環次數的關系，分析固化沙漠土的耐久性能。

由固化沙漠土干濕循環試驗結果（見圖3）可知，不經歷干濕循環的標準固化沙漠土試樣無側限抗壓強度隨齡期的增大而增大，在齡期大于34 d（或干濕循環3次）時，無側限抗壓強度增幅趨于平緩。干濕循環試樣的無側限抗壓強度隨干濕循環次數增加呈先增大后減小的趨勢，其9次干濕循環的抗壓強度最大（8.67 MPa），比標準試樣減小27.9%。由圖4可知，固化沙漠土質量損失率隨循環次數增加先小幅增大，在循環3次后逐漸減小，循環9次時出現最小值.而后增大。上述現象產生的原因是在干縮濕脹的循環中試樣表層變形較大，在拉應力的作用下產生微裂縫，造成部分顆粒脫落流失，無側限抗壓強度隨之降低;隨著干濕循環下齡期的增大，試樣中未完全水化的固化劑繼續發揮作用，使得試樣中殘余孔隙被其水化產物進一步膠結和填充，固化沙漠土試樣孔隙率減小，強度增大，質量損失率減小，隨著固化劑水化反應終結，質量損失率又逐漸增大。從圖5可以看出，隨著循環次數的增加，固化沙漠土強度損失率的增幅先逐漸減小，在干濕循環達到9次后又持續增大，這一規律與圖4表現一致。

2.3 固化沙漠土凍融循環試驗結果

固化沙漠土抗凍性能是一項重要的耐久性能指標，溫度變化易造成固化沙漠土試樣水分不均勻分布和積聚，使得試樣在內外力不平衡的狀態下出現裂縫，進一步加劇凍融侵蝕。結合新疆地區氣候特點，本研究采用的凍融循環溫度為（-18+1- 20+1）℃，試樣制備及養護與上述試驗相同，固化沙漠土養護28 d后測定其抗凍性能、質量損失率和強度損失率。

由圖6可知，標準養護試樣無側限抗壓強度隨齡期的增大而增大，當齡期達到33 d（或凍融循環5次）后，增幅趨于平緩。凍融循環試樣無側限抗壓強度變化規律與標準養護試樣相同，但在凍融循環7次（此時最大值為8.10 MPa.為標準養護試樣的87.1%）后，隨凍融循環次數增加無側限抗壓強度逐漸減小，9次凍融循環后的強度為7.8 MPa（標準養護試樣的80.4%）。由圖7可知，在整個凍融循環過程中強度損失率隨循環次數的增加而增大，且后期增幅更大。從圖8可以看出，質量損失率先隨凍融循環次數增加快速增大，在第3次凍融循環后逐漸降低，至第7次凍融循環后趨于平穩。上述現象產生的原因是，固化沙漠土試樣在冷凍過程中內部產生凍脹作用，使得試樣在拉應力作用下產生微裂縫，造成水分擴散加快，加劇凍融破壞：隨著水分進入試樣內部與未完全水化的堿礦渣粉固化劑進一步發生水化反應，一定程度上修復填充了試樣內部孔隙和微裂縫，使得膠結顆粒剝落速率減緩，然而這種修復并不是持續的，隨著殘余堿礦渣粉固化劑水化作用終結，在凍融侵蝕作用下，固化沙漠土質量損失繼續增大，無側限抗壓強度進一步減小。3結論

（1）通過固化沙漠土擊實試驗和無側限抗壓強度試驗，得出堿礦渣粉固化劑的最優摻量為14%，對應的最優含水率為10%。

（2）根據固化沙漠土干濕循環試驗可知，固化沙漠土無側限抗壓強度先隨干濕循環次數增加而增大.9次干濕循環時達到最大（8.67 MPa），而后減小。

（3）固化沙漠土抗凍融循環試驗表明，在堿礦渣粉固化劑持續水化作用下，固化沙漠土無側限抗壓強度隨循環次數的增加而先平緩增大，在7次凍融循環時達到最大值（8.10 MPa）后逐漸減小，9次凍融循環后的強度為7.8 MPa（標準養護試樣的80.4%）。

本研究的試驗組次相對較少，所得結論有一定的局限性，有待采用更高含水率、更多耐久循環次數的沙漠現場試驗，進一步研究固化沙漠土的力學性能和耐久性能。

參考文獻：

[1] 張冠華，牛俊，孫金偉，等，土壤固化劑及其水土保持應用研究進展[J].土壤，2018，50（1）：28-34.

[2] 胡兵輝，廖允成，王克勤，等，毛烏素沙地典型縣域土地沙漠化過程研究[J].人民黃河，2012，34（2）：89-92.

[3]李昊，程冬兵，王家樂，等，土壤固化劑研究進展及在水土流失防治中的應用[J].人民長江，2018，49（7）：11-15.

[4] PHILIPPE Claudin， BRURO Ardreotti.A Scaling Law forAeolian Dunes on Mars， Venus， Earth， and for SubaqueousRipples[J].Earth and Planetary Science Letters， 2006， 25（2）：30-44.

[5] 梁止水，吳智仁，楊才干，等，基于W-OH的砒砂巖抗蝕促生機理研究[J].水利學報，2016，47（9）：1160-1166.

[6]

SIVAPULLAIAH P V，LAKSHMIK H，MADHUK K.Geotech-nical Properties of Stabilized Indian Red Earth[J].Ceotechnicaland Geological EnOneering，2003，21：399-413.

[7]李馳，于浩，固化風沙土強度特性及固化機制試驗研究[J].巖土力學，2009，30（增刊2）：48-53.

[8]鮑恩財，鄒志榮，張勇，日光溫室墻體用相變固化土性能測試及固化機理[J].農業工程學報，2017，33（16）：203-210.

[9] 白二雷，許金余，李浩，等，堿激發劑對礦渣粉煤灰活性激發特性影響試驗研究[J].科學技術與工程，2014，14（1）： 96-99.

[10] 何晶，堿礦渣粉固化劑及其沙漠土的固化特性研究[D].烏魯木齊：新疆農業大學，2017：10-22.

[11] 何晶，何建新，利用堿激發礦渣粉制備的土體固化劑的力學性能研究[J].新疆農業大學學報，2016，39（5）：414-418.

[12]水利部，土工試驗規程：SL 237-1999[S].北京：中國水利水電出版社，1999：97-104.

[13] 水利部，普通混凝土長期性能和耐久性能試驗方法標準：CB/T 50082-2009[S].北京：中國建筑工業出版社，2009：1-13.

[14] 彭浩，基于骨料級配優化的混凝土配合比設計方法研究[D].北京：北京建筑大學，2014：9-35.

[15] 李從娟，雷加強，徐新文，等，古爾班通古特沙漠土壤水分與化學性質的空間分布[J].生態學報，2014，34（15）：4380-4389.

【責任編輯張華興】