影响MBER固化土劈裂抗拉强度的因素试验

2013-12-16高建恩李兴华孙胜利

水土保持通报 2013年1期

张通，高建恩，，，李兴华，高哲，王飞，孙胜利

（1．西北农林科技大学水利与建筑工程学院，陕西杨凌712100；2．西北农林科技大学资源与环境学院，陕西杨凌712100；3．中国科学院水利部水土保持研究所，陕西杨凌712100；4．西安石油大学，陕西西安710065）

水土流失和干旱缺水并存是黄土高原地区的一大环境问题，亦是一对难以调和的矛盾。由于黄土高原地区缺石少砂，且大部分地区水质较差，对混凝土的应用造成了一定的限制。由于土壤固化剂能充分利用当地的水土资源，即利用当地水质等级不高的水，固结当地广泛存在的土壤，逐渐受到了人们的关注。土壤固化剂是一种新型建筑材料，可以利用当地广泛存在的土壤作为固结对象，具有高效低廉的特点，目前已大量应用在水利工程、道路工程、机场跑道等方面，效益非常显著。在农业工程中固化剂集中应用在池塘、湖泊清淤及其淤泥的处理、农田水利设施的节水改造等方面［1－5］。此外，固化剂还可用于土壤固化剂免烧砖以及水利工程中的堤坝填筑固化、土壤固化剂墙体等。美国《工程新闻》称之为30世纪的伟大发明创造之一，日本称之为21世纪的新材料。

目前，对固化土的研究集中在其抗压强度、抗渗和抗冻性能方面，而且主要集中在对土壤固化剂在集雨工程技术体系，特别是集流面建设中的应用的研究。吴普特等［6］利用土壤固化剂发明了一种坡地集流面的制备方法。冯浩等［7］研究认为，固化剂集流面的集流效率可以超过78%，建造成本仅为混凝土集流面的1／3～1／2。高建恩等［8］提出了固化剂集流面的减糙增流技术。李少斌等［9］认为通过在固化剂集流面表面喷洒防水剂可以将集流效率有效提高10%以上。樊恒辉等［10］提出了固化剂集流面设计方法以及干硬性施工工艺。陈涛等［11］对固化土的渗透特性进行研究。樊恒辉等［12］对密度和含水率等因素对固化土无侧限抗压强度的影响进行过研究，但是对于影响土壤固化剂集流面的劈裂抗拉强度这一重要施工参数尚未进行深入的研究。

固化土由于其具有干缩特性，会使土体产生裂缝［13］，从而降低其抗压强度和抗渗、抗冻性能，在一定程度上限制了推广应用。劈裂抗拉强度作为一项基本的力学性能指标，是静力和动力力学分析计算中不可或缺的一项重要内容，因此，对固化土体的劈裂抗拉强度的研究具有重要的实际意义。本文以MBER土壤固化剂［14－15］为研究对象，采用水泥土作为对照，通过测定固化土、水泥土的劈裂抗拉强度，讨论剂量、含水率及龄期等因素对固化土劈裂抗拉强度的影响。

1 材料与方法

1．1 试验材料

MBER土壤固化剂是由水泥熟料及核心原料等材料混合磨细而制成的一种粉末状材料，属于一种环保型的无机胶凝材料，在常温下可固结一般土体，具有固结强度高、耐久性强、变形小及使用范围广等特点［16］。试验土样选取陕西省延安地区黄土，土样取自40—200cm深度的土壤，混合风干，过5mm筛。延安地区土样的物理性质如表1所示。

表1 延安地区土样的物理性质

1．2 试验方案

为了确定延安黄土样的最优含水率和最大干密度，按照《土工试验方法标准》（GB－T50123－1999）进行击实试验，试验采用轻型击实试验仪，击实试验的单位体积击实功约为592．2kJ／m3，分3层击实，每层25击。以含水率为横坐标，以干密度为纵坐标，绘制含水率（w）—干密度（ρ）曲线，曲线的峰值点对应的横、纵坐标分别为最优含水率（在一定的击实功能下，能使土达到最大密度所需的含水率，wop）和最大干密度（最优含水率相应的干密度，ρdmax）。

试验考虑剂量、含水率和龄期3个影响因素，根据大量的前期试验，并考虑到实际应用和性能价格比，选取不同土壤固化剂剂量（6%，9%，12%，15%和18%）和含水率（12．5%，14．5%，16．5%，18．5%，20．5%），分别养护7d和28d龄期。试件密度为2．15～2．34g／cm3。

1．3 试件制备及养护

试件采用静力压实法制备，即用千斤顶压制成型，试件尺寸为50mm（直径）×50mm（高）的圆柱体。具体方法：试件制备前按一定含水率将风干土和水混合，混合完成后将土样放入封闭容器内浸润24h；将已配好的定量土壤固化剂（水泥）加入土中拌合均匀；拌合完成后的固化土样（水泥土样）在1h内用千斤顶压制成型［17］。试件成型后放入养护室内进行养护。试件标准养护条件为（20±2）℃，相对湿度＞95%。养护期的最后一天将试件浸泡在水中，水面高出试件顶部约2．5cm。浸水24h后将试件从水中取出，用软布吸去表面可见自由水，并测量试件质量。

1．4 测试方法

劈裂拉伸试验时，在试件上下方向各放置1个垫条，垫条截面为3mm×3mm。采用微机液压万能材料试验机（YAW－4206）对试件施加荷载，初始荷载从10～15N开始，荷载每级初期为5～10N，后期为10N，直至破坏。

劈裂抗拉强度采用式（1）计算［18］：

式中：fts——劈裂抗拉强度（MPa）；D——圆柱体直径（mm）；L——试件边长（mm）；F——破坏荷载（kN）。

2 结果与分析

2．1 MBER土壤固化剂剂量对固化土劈裂抗拉强度的影响

由图1可以看出，在龄期相同的情况下，固化土、水泥土的劈裂抗拉强度均随剂量的增大而增大，且在剂量为18%时达到强度最大值。对相同龄期条件下2种试件比较，7d龄期时，6%的固化土强度比水泥土低50%，9%的固化土强度比水泥土高60%，12%的固化土比水泥土高24%，15%的固化土强度比水泥土高19%，18%的固化土强度比水泥土高7%；28d龄期时，6%的固化土强度比水泥土低0．7%，9%的固化土强度比水泥土高26．3%，12%的固化土强度比水泥土高47．4%，15%的固化土强度比水泥土高13．3%，18%的固化土强度比水泥土高22．9%。这是由于随着时间的增长，导致固化剂加入土体中引起颗粒间空隙减小体积缩减的同时，H2O和CO2被固化成固相，质量增加，使得固化土体系密度增大，强度提高，劈裂抗拉强度提高。在实际应用中，过多的固化剂用量在经济上不合理，在效果上也不一定显著，所以应根据实际情况取较为合适的固化剂用量。

图1 剂量对劈裂抗拉强度的影响

对固化土28d强度曲线进行最小二乘法回归分析，求出剂量与抗压强度的变化关系，根据此公式可以预测固化土的强度：

式中：P——劈裂抗拉强度（MPa）；m——剂量。

由式（2）可以看出，固化土的劈裂抗拉强度与剂量基本成二次非线性关系，且在剂量为18%左右达到最大值，与试验结果基本相符。因此，在龄期相同时，固化土强度总体强于水泥土。根据“经济、高效、耐久”的原则和实际施工要求［19］，认为固化剂集流面的剂量选择12%为宜，养护龄期不少于7d。

2．2 含水率对固化土劈裂抗拉强度的影响

由图2可以看出，含水率在14．0%～16．5%时，固化土劈裂抗拉强度随含水率的增加而增加；当含水率在16．5%～20．5%时，固化土劈裂抗拉强度随含水率的增加呈降低趋势。含水率为16．5%时，劈裂抗拉强度最大。水泥土的劈裂抗拉强度变化趋势与固化土类似，但总体上略小于固化土强度。

试验表明，在固化土掺水初期，无水的水泥熟料矿物转变为水化物与空气中的CO2发生反应生成碳酸盐，提高了固化土的强度，使劈裂抗拉强度增加。含水率过大会使土壤固化剂有效成分流失而很难形成稳定均匀的固化土，固化土的劈裂抗拉强度因此会大大降低。实际应用中，由于含水率过低，固化土样不饱和，固化剂有效成分利用率低，影响固化土的劈裂抗拉强度，所以取最优含水率利于控制。