不同固化劑對(duì)新疆非耕地戈壁土的力學(xué)性能影響

宋兵偉，吳樂(lè)天，慈 軍，王 亮

(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.新疆農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)工程公司，烏魯木齊 830091；4. 新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)水利與土木工程學(xué)院，烏魯木齊 830052)

0 引 言

【研究意義】日光溫室大棚在我國(guó)的迅速發(fā)展為冬季新鮮蔬菜的供應(yīng)提供了便利，各地針對(duì)非耕地日光溫室發(fā)展的各項(xiàng)技術(shù)展開(kāi)了研究[3-8]。在新疆阿圖什、阿克陶以及和田等地建設(shè)了以戈壁、粗砂、礫石等非耕墻體建材的戈壁型、沙漠型日光溫室[9-11]，這就對(duì)非耕地日光溫室墻體的承重能力和穩(wěn)定性提出更高的要求。研究不同固化劑的新疆非耕地戈壁土的力學(xué)性能影響，對(duì)新疆非耕地戈壁土應(yīng)用固化劑固化日光溫室墻體有實(shí)際意義。【前人研究進(jìn)展】國(guó)內(nèi)外對(duì)戈壁土的各項(xiàng)性能進(jìn)行了廣泛的研究，Ishizuka[12]、Liang Yin等[13]對(duì)原狀戈壁土的變形性能進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)戈壁土具有壓縮性低、變形穩(wěn)定快等特點(diǎn)；張偉鋒[14]、陳炳睿等[15]對(duì)固化劑的種類(lèi)和摻量進(jìn)了研究，發(fā)現(xiàn)固化劑摻量在5%～15%有較好的工程效果；Marto等[16]研發(fā)了一種 SS299 固化劑，與紅壤土固化后測(cè)試發(fā)現(xiàn) SS299 土壤固化劑能顯著提高紅壤土的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度和抗剪強(qiáng)度；Kim等[17]利用工業(yè)礦渣等廢棄物制備固化劑并試驗(yàn)了固化劑的固化效果；侯彥凱[18]對(duì)戈壁土地基的濕陷特性進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)戈壁土在浸水后變形可分為壓縮變形、濕陷變形和復(fù)合變形3個(gè)階段；鮑恩財(cái)?shù)萚19]對(duì)戈壁土添加固化劑后固化土的熱學(xué)性能進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)添加固化劑后戈壁土的吸熱性能有了大幅度的提高。【本研究切入點(diǎn)】吳樂(lè)天、馬皓誠(chéng)等[20-22]對(duì)新疆戈壁土固化性能試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，固化劑對(duì)新疆常用的日光溫室墻體建材具有顯著的固化效果，墻體的強(qiáng)度和抗硫酸鹽能力得到提高。研究固化劑摻入量對(duì)戈壁土力學(xué)性能的影響及固化效果。【擬解決的關(guān)鍵問(wèn)題】選取新疆烏恰縣的非耕地戈壁土土樣和3類(lèi)4種固化劑(粉末固化劑1種、顆粒固化劑1種、離子型固化劑2種)，對(duì)新疆非耕地原狀戈壁土及固化后戈壁土的擊實(shí)性能、無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度進(jìn)行試驗(yàn)，對(duì)比固化前后土體的物理、力學(xué)性能等指標(biāo)，選出適合新疆非耕地戈壁土的固化劑種類(lèi)及適宜摻量，為提高新疆非耕地戈壁土地區(qū)日光溫室大棚墻體的強(qiáng)度和穩(wěn)定性提供一定的數(shù)據(jù)支持和理論參考。

1 材料與方法

1.1 材 料

固化劑：粉末固化劑(灰色固體粉末，可溶于水, 相對(duì)密度為2.9 g/cm3)、顆粒固化劑(白色固體粉末，可溶于水，相對(duì)密度為2.4 g/cm3)、1#離子型固化劑(棕黑色液體，可溶于水，密度1.15 g/cm3)、2#離子型固化劑(略帶黃色的黏稠液體，可溶于水，密度1.10 g/cm3)。

戈壁土：新疆非耕地戈壁土地區(qū)原狀土(新疆烏恰縣戈壁土)，取土深度在地表處0～1 m。

水泥：天山PO.42.5普通硅酸鹽水泥(密度3.09 g/cm3，比表面積361 m2/kg，初凝時(shí)間270 min，終凝時(shí)間330 min)。

水：飲用水。表1

1.2 方 法

1.2.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

測(cè)定戈壁土樣的土體比重、相對(duì)密度、含水率等基本物理性質(zhì)指標(biāo)。戈壁土物理性質(zhì)為土體比重2.59，最小干密度1.97 g/cm3最大干密度2.8 g/cm3,含水率0.38%。

表1 擊實(shí)性能與無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度

Table 1 Test scheme for compaction performance and unconfined compression strength

類(lèi)別Category試驗(yàn)編號(hào)Test number原狀土Undisturbed soil(%)固化劑Curing agent(%)水泥Cement(%)1粉末固化劑A195.000.254.75A290.000.509.50A395.000.005.00A490.000.0010.00A5100.000.000.002顆粒固化劑B194.970.035.00B294.960.045.00B394.950.055.00B495.000.005.00B5100.000.000.0031#離子型固化劑2#離子型固化劑C194.990.015.00C294.980.025.00C395.000.005.00C4100.000.000.00D192.900.107.00D293.000.007.00D3100.000.000.00

1.2.2 顆粒土樣

顆粒分析試驗(yàn)按《土工試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》[1](GBT50123-1999)中的相關(guān)規(guī)程進(jìn)行試驗(yàn)，對(duì)于粒徑介于0.075～80 mm的顆粒土樣采用篩分法，對(duì)于粒徑小于0.075 mm的土樣采用密度計(jì)法。

固化后土樣的力學(xué)性能與土樣成型的壓實(shí)程度有關(guān)[22]，一定摻配比例的固化劑、水泥及土樣成型的壓實(shí)程度又取決于其最優(yōu)含水率下對(duì)應(yīng)的最大干密度。因此,在選取固化劑品種和摻量時(shí)，需要測(cè)得不同配合比方案下對(duì)應(yīng)的最優(yōu)含水率和最大干密度[23，24]。根據(jù)《公路工程無(wú)機(jī)結(jié)合料穩(wěn)定材料試驗(yàn)規(guī)程》(JTG E51-2009)將摻4種固化劑的固化土在不同配合比下進(jìn)行擊實(shí)試驗(yàn)，并繪制擊實(shí)曲線，得到固化土樣的最優(yōu)含水率和最大干密度。由顆粒分析試驗(yàn)測(cè)得土樣的顆粒級(jí)配，并繪制出土料顆粒級(jí)配曲線。圖1

圖1 土樣顆粒級(jí)配曲線

Fig.1 Soil sample particle size distribution curve

1.2.3 擊實(shí)試驗(yàn)試件制備

擊實(shí)試驗(yàn)按《公路工程無(wú)機(jī)結(jié)合料穩(wěn)定材料實(shí)驗(yàn)規(guī)章》[2](JTG E51-2009)中的相關(guān)規(guī)程進(jìn)行試驗(yàn)，采用STDJ-3型數(shù)顯多功能電動(dòng)擊實(shí)儀擊實(shí)，土料分3層壓實(shí)制成圓柱體試件(試件高12 cm，直徑15.2 cm)，每層錘擊次數(shù)98擊。壓實(shí)系數(shù)應(yīng)按0.95控制。

1.2.4 無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)試件制備

根據(jù)《公路工程無(wú)機(jī)結(jié)合料穩(wěn)定材料實(shí)驗(yàn)規(guī)章》(JTG E51-2009)中的相關(guān)規(guī)程試驗(yàn)，試件為圓柱形試件，試件尺寸：直徑150 mm，高150 mm。

根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)擊實(shí)試驗(yàn)得到的最大干密度和最優(yōu)含水量結(jié)果成型無(wú)側(cè)限抗壓試樣，分別對(duì)原狀戈壁土和固化戈壁土進(jìn)行無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)，得出不同固化劑及不同固化劑不同摻量情況下的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度，固化劑及水泥摻入量參考了張偉鋒[14]、陳炳睿[15]等對(duì)固化劑的種類(lèi)和摻量的研究，從中優(yōu)選出適宜的固化劑品種及摻配比例。

選擇無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)方案中的C2為研究對(duì)象，研究固化土的抗硫酸鹽侵蝕性能。

1.2.5 試件養(yǎng)護(hù)

成型后的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試件在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室中養(yǎng)護(hù)，溫度保持在(20±2)℃，相對(duì)濕度在95%以上，養(yǎng)護(hù)齡期是7 d，最后1 d將試件浸泡于(20±2)℃水中進(jìn)行浸水養(yǎng)護(hù)24 h。

1.2.6 試件抗壓強(qiáng)度測(cè)定

根據(jù)《公路工程無(wú)機(jī)結(jié)合料穩(wěn)定材料實(shí)驗(yàn)規(guī)章》(JTG E51-2009)試驗(yàn)操作方法，將養(yǎng)護(hù)至齡期后的試件置于壓力機(jī)上，以1 mm /min的加載速度加壓至試件破壞，記錄破壞荷載。

不同摻量的4種固化劑分別摻入戈壁土樣中。

對(duì)戈壁土樣顆粒級(jí)配匯總，并確定此非耕地戈壁地區(qū)土樣的土體類(lèi)型。

采用標(biāo)準(zhǔn)擊實(shí)試驗(yàn)測(cè)定固化前后戈壁土的擊實(shí)曲線，確定戈壁土樣摻不同種類(lèi)固化劑和不同摻量固化劑情況下的最優(yōu)含水率和最大干密度。

在擊實(shí)試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，針對(duì)不同種類(lèi)的固化劑，將每種配合比方案在最優(yōu)含水率下配置固化土，測(cè)定摻固化劑后7 d的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度，確定此非耕地戈壁地區(qū)土樣摻不同固化劑時(shí)對(duì)固化土的力學(xué)性能的影響。

2 結(jié)果與分析

2.1 土樣顆粒級(jí)配

研究表明,用土的土體類(lèi)別為圓礫土，土料粒徑大于2 mm含量為68.8%，最大干密度為2.28 g/cm3，土料的不均勻系數(shù)為93.33，曲率系數(shù)為1.07，為級(jí)配良好的圓礫土[21]。表2，圖1

2.2 擊實(shí)試驗(yàn)

擊實(shí)中土樣最大干密度和最優(yōu)含水率

研究表明,固化土的最大干密度和最優(yōu)含水率隨著粉末固化劑摻量的增加而增加。(b)配合比B1、B2、B3可以得出，在水泥摻量同為5%的條件下，顆粒固化劑摻量的變化對(duì)固化土的最大干密度影響很小，但隨著固化劑摻量的增加，其最優(yōu)含水率呈減小趨勢(shì)，0.04%、0.05%摻量與0.03%的摻量相比最優(yōu)含水率分別減少0.31%、0.41%；圖2(c)可以看出,離子型固化劑的摻量對(duì)固化土最大干密度和最優(yōu)含水率的影響不大，但與未摻固化劑的原狀土相比固化后的土樣最大干密度和最優(yōu)含水率都有所增加。

表2 土樣顆粒級(jí)配匯總及土樣類(lèi)別

Table 2 Soil sample grading summary and soil sample category

粒徑Grain size(mm)80604020105210.50.250.1 0.075 ～～～～～～～～～～～～604020105210.50.250.10.075 0.005 <0.005百分含量(%)Content(%)不均勻系數(shù)Cucoefficient of uniformity曲率系數(shù)Cccoefficient of curvature土體類(lèi)別The soil category3.0 6.3 17.6 18.1 13.2 10.7 2.0 7.7 4.8 10.8 1.0 4.0 0.8 累積百分含量(%)Cumulative percentage content (%) 100.0 97.090.8 73.2 55.0 41.9 31.2 29.2 21.5 16.7 5.9 4.9 0.8 93.331.07圓礫

摻入水泥和粉末固化劑后，固化土的最大干密度增加，水泥和粉末固化劑的顆粒相對(duì)密度較大(水泥相對(duì)密度3.09 g/cm3、固化劑相對(duì)密度2.9 g/cm3)，代替了一部分同體積的圓礫土(顆粒相對(duì)密度2.28 g/cm3)，其次水泥和粉末固化劑的顆粒粒徑小，對(duì)戈壁土樣的空隙可以起到一定的填充作用；此外，顆粒固化劑中的表面活性物質(zhì)充當(dāng)了減水劑的作用，減少了固化土成型時(shí)顆粒間的摩擦力，使得固化土的最大干密度與原狀土相比有所提高；摻入顆粒固化劑和水泥后，最優(yōu)含水率減少是因?yàn)楣袒瘎┖退喟l(fā)生水化反應(yīng)時(shí)會(huì)消耗一部分土壤中的水分，造成最優(yōu)含水率的減少。表3,圖2

表3 擊實(shí)試驗(yàn)結(jié)果

Table 3 The results of compaction test

類(lèi)別Category試驗(yàn)編號(hào)Test number最優(yōu)含水率WopOptimum moisture conte(%)最大干密度ρdMaximum dry density(g/cm3)1粉末固化劑A15.442.32 A25.572.33 A35.352.30 A45.502.33 A55.172.28 2顆粒固化劑B15.602.32B25.292.3B35.192.31B45.352.30 B55.172.28 31#離子型固化劑2#離子型固化劑C15.322.3C25.352.3C35.352.30 C45.172.28 D15.612.32D25.612.32D35.172.28

2.3 無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)

研究表明,摻4種固化劑的固化土試件與原狀土試件相比，試件的7 d無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度均有明顯增加。由A1、A2與A3、A4的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度對(duì)比可知，摻粉末固化劑與單摻相同量的水泥相比，7 d無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度分別提升了0.51和0.78 MPa；由B1～B3與B4對(duì)比可知，摻顆粒固化劑與摻相同質(zhì)量的水泥相比，無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度分別提升了1.53、1.78 和2.02 MPa；由C1、C2與C3對(duì)比可知，摻1#離子型固化劑與單摻相同質(zhì)量的水泥相比，無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度分別提升了1.5和2.012 MPa；由此可知,固化劑與水泥復(fù)摻的試件與單摻水泥的試件相比，無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度都有所提升，無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度增長(zhǎng)幅度在10.6%～41.6%，固化土試件的無(wú)側(cè)向抗壓強(qiáng)度與原狀土試件相比，強(qiáng)度增幅在474%～939%，結(jié)果表明，與傳統(tǒng)的日光溫室墻體的強(qiáng)度相比固化戈壁土的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度有明顯的提高。表4

圖2 固化土的擊實(shí)曲線

Fig.2 Soil compaction curve

2.4 抗硫酸鹽侵蝕

研究表明,固化戈壁土硫酸鈉侵蝕28 d時(shí)，固化戈壁土中有柱狀石膏(CaSO4·2H2O)生成，填充了固化戈壁土內(nèi)原有的孔隙；在水泥石與固化戈壁土顆粒界面過(guò)渡區(qū)生成的高硫型水化硫鋁酸鈣(鈣礬石AFt)，固化戈壁土中的侵蝕產(chǎn)物CaSO4·2H2O和AFt繼續(xù)增多，這種網(wǎng)狀晶體在圓礫土的空隙間形成了強(qiáng)度骨架增加固化土的強(qiáng)度。圖3

表4 4種固化劑不同摻量下無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度

Table 4 The unconfined compressive strength of four curing agents with different dosages

類(lèi)別Category試驗(yàn)編號(hào)Test number固化劑摻量Proportion of Curing agent(%)水泥摻量Proportion of Cement(%)7 d無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度7 d Unconfined compressive strength (MP) 1粉末固化劑A10.25 4.75 5.34A20.50 9.50 9.58A30.00 5.00 4.83A40.00 10.00 8.8A50.00 0.00 1.022顆粒固化劑B10.03 5.00 6.36B20.04 5.00 6.61B30.05 5.00 6.85B40.00 5.00 4.83B50.00 0.00 1.0231#離子型固化劑2#離子型固化劑C10.01 5.00 6.33C20.02 5.00 6.84C30.00 5.00 4.83C40.00 0.00 1.02D10.10 7.00 7.56D20.00 7.00 6.42D30.00 0.00 1.02

(a) (b)

圖3 侵蝕28 d固化土電鏡照片

Fig.3 The solidified soil erosion 28 days electron micrograph

2.5 固化劑綜合性?xún)r(jià)比

研究表明,同等固化效果下，從價(jià)格上比較,粉末固化劑>2#離子型固化劑>顆粒固化劑>1#離子型固化劑。從無(wú)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)中得出：摻離子型固化劑的固化土試件比摻其他固化劑的固化土試件強(qiáng)度提高1.1～1.19倍。而相比較2種離子型固化劑，1#固化劑成本比2#價(jià)格差為57.65元，在所有固化劑中，1#離子型固化劑的性?xún)r(jià)比更優(yōu)。表5

3 討 論

固化劑及水泥摻入量在直接影響工程效果，研究結(jié)果表明隨著固化劑摻量的增加，1#離子型固化劑固化效果和性?xún)r(jià)比都更優(yōu)，這是因?yàn)樵趽饺肽z凝材料水泥相同的條件下，1#離子型固化劑與含有一定水分的圓礫土混合后，在圓礫土中形成了網(wǎng)狀晶體，在圓礫土的空隙間形成了強(qiáng)度骨架，此次試驗(yàn)的結(jié)果中圓礫土顆粒與1#離子型固化劑的成分發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，生成了一些不溶于水且強(qiáng)度高的物質(zhì)，填充強(qiáng)度骨架之中，使固化土形成不可逆的堅(jiān)實(shí)板體，并具有良好的耐久性。與薛建榮[25]、李鑫[26]等在土壤固化劑固土效果試驗(yàn)研究結(jié)果一致。

表5 4種固化劑價(jià)格對(duì)比

Table 5 Price comparison of four curing agents

固化劑Curing agent(%)水泥Cement(%)類(lèi)別Category摻量Doping (%)用量Dosage (kg)單價(jià)(元/kg)Unit Price (RMB/kg)水泥摻量Proportion of Cement (%)用量Dosage (kg)單價(jià)(元/kg)Unit Price (RMB/kg)7 d無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度7 d Unconfined compressive strength (MP) 合計(jì)(元)Total price (RMB)1粉末固化劑0.255.8104.75 110.20.55.34113.10.511.65109.50 221.350.59.58227.1752顆粒固化劑0.030.696505.00 1160.56.3692.80.040.92505.00 1150.56.61103.50.051.155505.00 115.50.56.85115.531#離子型固化劑2#離子型固化劑0.010.24605.00 1150.56.3371.90.020.46605.00 1150.56.8485.10.13167.00163.10.57.56129.55

固化后土樣的力學(xué)性能與土樣成型的壓實(shí)程度有關(guān)，研究結(jié)果表明固化土樣經(jīng)過(guò)拌合、壓力機(jī)壓實(shí)等作用，固化土顆粒相互靠近，減少了固化土中的空隙，使固化土體更加密實(shí)，從而提高了試件的抗壓能力。與吳樂(lè)天[22]、樊恒輝[24]等研究的土壤固化劑固化土的物理化學(xué)作用結(jié)果一致。

通過(guò)對(duì)比了原狀土以及單純添加水泥的固化效果，優(yōu)選出一種離子型固化劑，但是在實(shí)際生產(chǎn)和應(yīng)用中建造墻體，固化土能否均勻地被拌合和壓實(shí)，在日炙風(fēng)吹雨淋以及鹽堿侵蝕下能否延長(zhǎng)使用壽命，會(huì)在后續(xù)試驗(yàn)中進(jìn)一步驗(yàn)證。

4 結(jié) 論

4.1 新疆烏恰縣非耕地戈壁土地區(qū)的土樣為圓礫土，摻固化劑的固化土與原狀土擊實(shí)結(jié)果相比，最大干密度pd和最優(yōu)含水率Wop都有所增加。

4.2 新疆非耕地戈壁土地區(qū)的戈壁土在固化劑和水泥復(fù)摻的固化效果比單摻相同質(zhì)量水泥的固化效果要好，無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度增加10.6%～41.6%。

4.3 隨著固化劑和水泥摻量的增加，固化土的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度呈增大的趨勢(shì)。

4.4 2種離子型固化劑比其他類(lèi)型的固化劑固化效果在力學(xué)性能上要更具優(yōu)勢(shì)，離子型固化劑的固化土試件比摻其他固化劑的固化土試件強(qiáng)度提高1.1～1.19倍，價(jià)格較之1#離子型固化劑更為便宜，性?xún)r(jià)比最高。