土壤固化技术及在戈壁土墙体建造中的试验

吴乐天，宋兵伟，马皓诚，史慧锋

（1.新疆农业科学院农业机械化研究所，新疆 乌鲁木齐830091；2.新疆设施农业工程与装备工程技术研究中心；3、农业部林果棉与设施农业装备科学观测实验站；4.新疆农业科学院农业工程公司）

土壤固化技术及在戈壁土墙体建造中的试验

吴乐天1,3，宋兵伟2,4，马皓诚1,2，史慧锋3※

（1.新疆农业科学院农业机械化研究所，新疆 乌鲁木齐830091；2.新疆设施农业工程与装备工程技术研究中心；3、农业部林果棉与设施农业装备科学观测实验站；4.新疆农业科学院农业工程公司）

本文介绍土壤固化技术的国内外研究发展现状，浅析了土壤固化技术在设施农业戈壁土墙体的应用效果，解决了日光温室墙体建设中出现的承重能力低、沙体坍塌等诸多问题，为日光温室墙体耐久性开辟了新的技术途径，为日光温室墙体建筑提供了新的构筑理念和构造方法。

土壤固化技术；设施农业；土壤固化剂；应用

1 引言

新疆戈壁、盐碱、荒漠地等和短期内难以开发利用的土地面积为0.9亿hm2，占全疆总面积的54.91%，是全国土地利用率最低的省区。“十二五”以来新疆设施农业发展重点逐步向非耕地转移，非耕地设施农业主要是利用沙漠、戈壁滩、盐碱地、旱沙地、荒山荒坡等不适于耕作的土地进行温室生产，在新疆阿图什、阿克陶和和田等地纷纷建设了以戈壁、粗砂、砾石等非耕墙体建材的戈壁型、沙漠型日光温室，但在温室建设和使用过程中出现了墙体粘合力差、承重能力低、沙体坍塌等诸多问题。土壤固化技术是通过调节土壤中的胶质和有机质比例，改变土壤的工程性质，增加土体的整体性，使其强度增强。多年来土壤固化技术被广泛应用于建筑基础、公路建设、堤坝工事、井下作业、石油开采、垃圾填埋、防尘固沙等多种领域。

2 国内外研究现状

2.1 不同土壤固化剂的研究与发展

早在20世纪70年代，美国、日本等国家就已经开始对土壤固化技术进行深层次研究后，研发出土壤固化剂(Soil Stabilizer)，一种专门用来改善和提高土壤工程技术性能的复合材料[1]。我国的土壤加固技术的研究起步较晚，从20世纪80年代起，引进国外土壤固化技术，但土壤固化稳定材料仍然以水泥、石灰、粉煤灰或者这些材料简单的混合物为主，到1994年从日本引进了无公害高性能土壤固化剂，深受广大人员的认可[2]，并在吸收国外经验的基础上，针对我国的土质状况，开始了系统而深入的土壤固化剂工作研究。目前，我国多家科研院所和大专院校也逐步开展了土壤固化剂研究，武汉大学、化工部晨光化工研究院、北京中土奥特赛特科技公司和西北农林科技大学等。

土壤固化剂按形态分为液体土壤固化剂、粉体土壤固化剂；按成分可分为石灰水泥类无机固化剂、矿渣类干粉土壤固化剂、高聚类离子土壤固化剂、有机酶蛋白土壤固化剂、有机无机结合的固化剂。土壤固化剂既能够充分利用当地水土资源又是一种价格低廉的新型建筑材料，因此，世界各地土壤固化剂品牌应运而生。美国生产的帕尔玛固化酶，Soilorkc，EN-1等土壤固化剂，澳大利亚开发的Roadbond、Roadpaeker，日本的UKC公司等[3]。国外学者在研究土壤固化剂时，对象和思路比较宽，会针对不同土质研发不同的土壤固化剂，如Medina等用磷酸加固红土[4]，Tomohias等用混凝土粉末、纸浆渣、粉煤灰和火山灰土加固处理含水量高和有机质含量高的土壤[5[6]。而Shirzai，Bell，Nene等人不仅对石灰、水泥、各种添加剂、废弃物再利用进行了研究，而且对菌类加固化剂、昆虫加固技术也进行了深入的研究。

目前，我国土壤固化剂的研发主要在无机类方面，多采用工业废料作为主固化剂，添加各种激发剂配制而成。主固化剂包括粉煤灰、各类矿渣、煤研石或水泥、沸石、石灰等，激发剂主要包括各种硫酸盐类、各种酸类和其他无机盐，也包含少量的表面活性剂等其他有机材料。添加无机类土壤固化剂的固化土性能比较稳定，在正常条件下，其性能可保持30～50年基本不变。黄晓明[7]等配制了一种TR型土壤固化剂，以石灰、矿渣、水泥等一种或几种互配物作为主固化剂，用马来酸、胡马酸、碳酸钠、氟化钠、氢氧化钠、硫酸铝钾、三乙醇胺和胺基磺酸盐等作为助固化剂，具备良好的路用性能。彭波等[8]以钢厂工业废渣（水淬渣）为原料，加入少量合成的固态催化剂，经研磨加工制成了一种土壤稳定剂，其稳定的土壤在无侧限饱水抗压强度、水稳定性、冻稳定性、劈裂强度等路用性能方面优于石灰固化土。现在我国在从市场和技术上相对较优势的品牌有美国路邦、爱普路德、派尔吗酶、耕保土壤固化剂、亿路TG、天津天环、土固精Toodoog、台湾第一绿能、昌圣环保、云南绿筑、吉林中路等。

2.2 土壤固化技术的应用研究

美国和加拿大在利用土壤固化技术建设道路上有很多成功的例子，还有像德国、澳大利亚等国也处在研究的前列。近年来，国外的土壤固化剂的应用领域不断的得到拓宽，不仅应用在道路、港口、机场、水利等工程，而且还应用到固化有毒害的污染废弃物等方面[9～11]。

我国虽然起步较晚，土壤固化技术主要应用在道路路基、地基加固等方面[12～15]，同时也应用到了公路交通、环境治理、湖渠防渗等生产第一线。庄中霞结合广东省中小型水库土坝加固工程，引进土料固化技术进行现场测试，工程应用试验表明，添加土料固化剂可提高堤坝的防渗、抗压等性能。曾伟丽[16]在其论文中阐述了利用ISS来加固滑带土的方法，不仅可以增强土体的抗剪强度，提高滑坡的稳定性，达到综合治理滑坡的目的，还可以降低工程造价，提高滑坡治理有效性。单志杰、刘月梅、张丽萍、耿轶军、卢雪松、雷雯等人分别对EN-1固化剂对黄土边坡、红砂岩、武汉红色粘土、滑坡滑带土的作用机理进行了研究[17～20]。刘仁钊[21]对不同固化剂作用下的淤泥改良进行了研究，总结了土壤固化剂的研究进程和现状，分析不同种类固化剂对淤泥固化过程的影响，提出固化淤泥的对策，通过试验确定了针对游泥的固化剂最优配方，从宏观和微观两个层面反映和验证此配方的加固效果。

2.3 固化剂固化机理

土壤固化剂固化机理与土壤混合后通过一系列物理化学反应来改变土壤的工程性质，能将土壤中大量的自由水以结晶水的形式固定下来，使得土壤胶团表面电流降低，胶团所吸附的双电层减薄，电解质浓度增强，颗粒趋于凝聚，体积膨胀而进一步填充土壤孔隙，在压实功的作用下，使固化土易于压实和稳定，从而形成整体结构，并达到常规所不能达到的压密度。经过土壤固化剂处理过的土壤，其强度、密实度、回弹模量、弯沉值、CBR、剪切强度等性能都得到了很大的提高。

掌握固化剂固化机理对新型固化剂研发和针对不同固化土体配制相应的固化剂的工程实践具有重要的意义。樊恒辉阐明土壤固化机理中物理力学过程直接影响固化土壤的密度和土壤固化剂在土体中的均匀性，对强度的形成具有非常重要的作用。杨西锋等证实了经固化剂固化盐渍土后，土体的抗压强度与抗剪强度均有明显提高。周永祥等认为随着固化剂掺量的增加，固化土由塑性向弹塑性及脆性特征演化，抗压强度增加[22]。

3 固化技术在戈壁土墙体建造中的试验

3.1 试验温室介绍

此次试验示范温室位于新疆克孜勒苏柯尔克孜自治州阿克陶县现代农业园区，温室后墙采用砖砌体+回填砂土的组合墙体模式（240mm厚砖墙+700mm厚固化砂土+240mm厚砖墙+150mm厚模塑聚苯板），墙体厚度1330mm，后墙总高度4.65m，地下-1.2 m，地上3.45m；完成±0.00点以下墙体砌筑后，进行连砂石回填，温室后墙底部填入原有砂石不作固化处理，后墙填充材料（砂土固化），砂石材料中剔除直径大于300mm的石块，按重量比掺入土壤固化剂。

3.2 试验方法

本试验采用的固化砂土是由示范点原状土与固化剂、硅酸盐325水泥以及生石灰加水搅拌生成的一种类似混凝土形式的砂土。首先将固化剂与水泥、生石灰按照一定比例混合，形成固化母料，然后将母料与当地戈壁土充分混合，并加入适当的水。

固化剂混合各部分质量比例为固化剂:硅酸盐325水泥:生石灰=1∶10∶2

3.2 结果与分析

固化剂母料与戈壁砂石料混合比例为母料∶戈壁料=5∶95，按照固化剂5%的配比制作试件，样品试件为长宽高均为70.7mm的正方形试块3组，试样经过标准环境28℃的养护后在万能材料试验机上测试试块的抗压强度（图1），最终以强度的平均值作为该类固化试验的强度值，新疆戈壁固化土强度测试结果如表1所示：

根据样品试块强度曲线图2中显示，试块在受力小于2 kN时产生微小的压缩变形，当受压力达到2 kN时出现力聚集节点，变形位移达到0.5mm，随着压缩力的不断增加样品试块的变形处于持续上升期，直至达到最大压缩力14.99 kN时，样品试块破碎产生形变位移1.5mm～1.8mm，此时抗压强度达到3.0Mpa。根据实验结果显示采用固化沙土的技术方法，可以有效保持土壤凝结力，从强度上分析，5%固化配比比例使回填土实现自承重，平均3.0Mpa的抗压强度确保了该固化土在无外力作用下可以完全保持直立，固化后对维护墙体不会形成侧压，有效延长了墙体使用寿命。

表1 试件强度测试表

图1 样品试件强度试验

图2 样品试块强度曲线

4 结语

土壤固化技术在设施农业领域的应用，为日光温室墙体耐久性开辟了新的技术途径。通过建材粘结和易性试验，改善土壤中胶质及有机质比例，降低湿度对土质膨胀系数的影响，改善水稳性，增加强度，降低干缩性，从而改变建材的工程性质，在压实功的作用下，使固化土易于压实和稳定,从而形成整体结构，并达到常规所不能达到的压密度。使得其强度、密实度、剪切强度等性能都得到提高，从而有效解决墙体承重力，墙体沙化坍塌等现象，延长了墙体使用寿命的同时节约了温室工程维护成本，为日光温室墙体建筑提供了新的构筑理念和构造方法，对新疆节约能耗、发展低碳农业、保护和改善生态环境具有重要的意义。

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Test of Soil Solidifying Technology and its Application in SoilWall Construction in Gobi Desert

WU Le-tian1,3,SONG Bing-wei2,4,MA Hao-cheng1,2,SH IHui-feng3※

（1.Agriculturalmechanization research institute,Xinjiang Academy of Agricultural Sciences,Urumqi,830091,Xinjiang,China;2. Research Center foragriculturalengineering facilitiesand equipmentEngineering Technology;3.Scientific observing and experimental station of forest fruit,cotton experimentand facility agriculture,ministry ofagriculture;4.Agricultural Engineering Company,Xinjiang Academy ofAgricultural Sciences.）

Thispaper introduces the development statusquo of domestic and foreign researcheson soil solidifying technology, briefly analyzes the application resultsof soil solidifying technology in the facility agriculture and soilwall construction in Gobi Desert,and solves various problems occurred during the construction of solar greenhouse walls,such as low bearing capacity and collapseofsand body,which hasdeveloped new technicalapproach to improve the durability ofsolargreenhousewallsand provided new construction conceptandmethod for construction ofsolargreenhousewalls.

Soilsolidifying technology;Facility agriculture;Soilstabilizer;Application

10.13620/j.cnki.issn1007-7782.2016.05.009

S625.1

A

1007-7782（2016）05-0033-04

2016-09-29

新疆农业科学院青年基金项目（xjnkq-2015029），公益性行业（农业）科研专项（201203002）

史慧锋