利用施工余土壓制砌塊的土壤黏合劑配方研究*

2022-01-14 07:20:18趙偉東譚國華周龍翔

科技創新與應用 2022年2期

劉通，趙偉東，譚國華，莊毅，秦理，周騰，周龍翔

（1.廣東電網有限責任公司，廣東廣州510630；2.廣東電網能源發展有限公司，廣東廣州510160；3.廣州大學，廣東廣州510006）

山區道路、風力發電機組、輸電線路、通信設施建設將產生大量施工余土。如果不及時將施工余土外運或進行就地有效處理，將會在雨水沖刷下引起水土流失和山體植被破壞。將開挖產生的松散土方按顆粒大小進行分類堆放，在顆粒較小的土體中摻入黏合劑和適量水，經拌和、機械壓制就地加工成強度、穩定性滿足要求的砌塊，按設計就地砌筑若干個用于堆放余土的花池，在花池底部逐層填筑并壓實余土中顆粒較大的碎石、砂礫土，頂部填筑余土中剩余的細顆粒土及耕植土，在耕植土表面種植植物，實現穩定土體和美化環境的目的。

天然土體顆粒間的黏結弱，直接壓制的塊體強度低、水穩性差。需在土體中摻入一定量的黏合劑以增大土體顆粒之間的黏結力，提高壓制砌塊的強度、水穩性，以滿足作為砌體砌筑的要求。

通過理論分析及室內試驗，研制出摻入土體的黏合劑配方對于利用施工余土現場壓制砌塊具有重要的理論意義和實用價值。

1 土壤黏合劑原材料選擇及其加固土體機理

1.1 土壤黏合劑原材料選擇

目前尚缺少在實際工程中應用的利用施工余土壓制砌塊的土壤黏合劑配方[1-8]。

為便于工程推廣應用，本項試驗選擇的土壤黏合劑原材料具有價格低廉、無毒無害、采購方便、保存容易、配方操作簡單的特點。

選取水玻璃（硅酸鈉水溶液）、氯化鈣、環氧樹脂、普通硅酸鹽水泥和粉煤灰作為土壤黏合劑配方試驗的原材料。

1.2 土壤黏合劑加固土作用機理

1.2.1 水玻璃加固土作用機理

水玻璃化學成分是Na2SiO3·9H2O，具有一定的耐酸耐熱性，黏結性能良好。水玻璃中的硅酸鈉會發生電離，電離后游離的硅酸根離子能夠與土體中帶正電的金屬離子結合，形成硅膠顆粒填充至土孔隙中。水玻璃溶液本身的物理膠黏特性也能黏結土體中細小的顆粒，增大顆粒與顆粒之間的作用力，從而提高土體的強度。

在加入氯化鈣溶液后，水玻璃能和氯化鈣溶液發生復分解反應，生成白色沉淀，白色沉淀的主要成分是硅酸鈣，硅酸鈣呈針狀，不溶于水，強度較高，隔熱耐熱，無毒性無異味。

1.2.2 環氧樹脂加固土作用機理

環氧樹脂是一種含有環氧基的高分子聚合物液體樹脂，在堿的作用下，由環氧氯丙烷和雙酚基丙烷（雙酚A）縮聚而成。環氧樹脂是具有線性結構的熱塑性聚合物，加熱呈塑性，當添加一定量的固化劑時，將與固化劑發生交聯和固化反應[9]，形成具有網絡結構的高分子聚合物固體，不溶于水。其性能也從熱塑性改變為熱固性。固化后的環氧樹脂強度較高，黏結能力強，化學穩定性好，由于環氧樹脂在固化過程中不會沉淀出低分子物質，其收縮率較小[10-11]。

1.2.3 水泥加固土作用機理

普通硅酸鹽水泥的主要化學成分有SiO2、Al2O3、CaO、SO3、Fe2O3、MgO，主要礦物成份有硅酸三鈣、硅酸二鈣、鋁酸三鈣等。水泥在土體中發生水化反應，生成氫氧化鈣和水化硅酸鈣。水化硅酸鈣具有超高的內比表面積，凝膠膠粒之間具有較強的結合力，增強了水泥石的致密性，還能與游離的金屬離子如Al3+、Fe2+、Fe3+、Mg2+等離子和氧化物產生吸附作用，提高土體強度。水泥完成初始凝結之后，加固土內部仍然會持續發生水化反應[12]。

1.2.4 各外加劑組合使用時的作用機理

水玻璃和水泥組合使用時，能發揮兩種材料各自的優勢，具有凝結時間快、穩定性好、固化率及強度較高等優點，同時具有表面活性作用，能夠與土較好地結合在一起。水玻璃水解呈堿性，利于水泥發生水化反應。

環氧樹脂和水泥組合使用時，由于水泥早期水化反應完成度較高，強度增長較快，能夠彌補環氧樹脂早期強度較低的不足，水泥水化過程中釋放出的熱量也在一定程度上促進了環氧樹脂完成交聯固化反應；在養護中后期，水泥的水化反應程度減緩，強度增長較低，而隨著環氧樹脂交聯固化的逐漸完成，土體強度得以提高。

2 黏合劑配方室內試驗

2.1 試驗土體與試驗方法

2.1.1 試驗土體

考慮到山區施工余土多為殘積粉質黏土。試驗取用具有代表性的殘積粉質黏土，土樣取自廣東省東莞市樟木頭鎮樟洋社區東側1km 左右的丘陵地區輸電線路鐵塔基礎側，取土深度為2.0~3.0m。

試驗用土的基本物理性質指標如表1 所示。

表1 土的基本物理性質指標

2.1.2 試驗方法

試驗方法為：試塊的無側限抗壓強度試驗、經歷多次干濕循環后試塊的無側限抗壓強度試驗。

2.2 試樣配比及制備

2.2.1 試樣配比

選取15%、20%和30%作為外加劑總摻量，分別將水玻璃-氯化鈣、環氧樹脂、水泥、粉煤灰設置為不同的比例，研究不同的梯段配合比對試塊齡期7d、28d、60d、90d強度的影響。

2.2.2 試樣制備

將原狀土樣放入烘干機烘干，105℃持續24h，烘干后進行破碎篩分，取篩分后的土樣，按照預定的配比加入外加劑及適量水（根據土體最優含水量確定），攪拌均勻后人工振搗入模成型，采用50mm×50mm（直徑×高）的圓柱體試模。試塊制備完成后，在上方覆蓋重塊，靜壓12h 之后及時脫模并放入標準養護室進行養護，養護室溫度20±2℃，濕度在95%以上，養護齡期分別為7d、28d、60d及90d。

共制作試塊1200 組，每組3 個平行試塊。