碱矿渣粉固化沙漠土力学性能及耐久性能研究

闰林 何晶 何建新 杨海华

摘要：结合新疆古尔班通古特沙漠环境特性，通过固化沙漠土击实试验、干湿循环试验以及冻融循环试验，研究其力学性能和耐久性能。结果表明：固化沙漠土最优碱矿渣粉固化剂掺量为l4%，最优含水率为10%，此时最大密度为2.09 g/cm³，28 d抗压强度为6.34 MPa。固化沙漠土28 d无侧限抗压强度随干湿循环次数的增多而增大，干湿循环9次时强度最大（8.67 MPa），比标准试样减小27.9%，之后无侧限抗压强度逐渐降低。固化沙漠土无侧限抗压强度随冻融循环次数的增加而增大，当冻融循环5次后增幅趋于平缓，冻融循环7次后强度随龄期的增大逐渐减小，9次冻融循环后的强度为7.8 MPa（标准养护试样的80.4%）。

关键词：碱矿渣粉固化剂;沙漠土;无侧限抗压强度;干湿循环：冻融循环

中图分类号：S157.2

文献标志码：A

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

土地沙漠化和水土流失是破坏生态环境、加剧自然灾害的两大根源，由此引起的一系列生态问题正不断地威胁人类的生存环境和生命财产安全[1-3]。因此，通过行之有效的工程技术措施改善生态环境和加强环境保护刻不容缓，目前国内外已有大量针对固化土和沙漠土的相关研究[4-6]。李驰等[7]通过无侧限抗压强度试验、不固结不排水抗剪强度试验和电镜扫描等方法，研究了含水状态、固化剂掺量和养护龄期对固化风沙土相关力学性能的影响规律，揭示了固化风沙土的强度特性及固化机理。鲍恩财等[8]研究了不同掺量的相变固化剂对风沙土和戈壁土抗压强度的影响，并通过固化试样微观结构的变化规律，阐明了该固化剂的固化效果和固化机理。白二雷等[9]通过大量试验研究了不同种类的碱性化合物对矿渣粉和粉煤灰的活性激发效果，并结合水胶比与净浆静态力学性能试验，得出最有效的碱激发剂为复掺的NaOH和Na2Si04。何晶[10]采用正交试验和极差分析法研究了不同掺量粉煤灰、碱激发剂、烧黏土及不同种类碱激发剂等因素对矿渣粉砂浆强度的影响规律，并结合电镜扫描法分析了碱矿渣粉固化剂的固化机制和力学特性。

上述研究多集中于固化剂固化机理、固化土体影响因素以及固化土体强度特性等，而对固化沙漠土实际应用时的工作环境和耐久性能涉及较少。我国西北沙漠地区冬季雨雪丰富，昼夜温差大，易形成天然干湿循环和冻融循环环境，因此研究固化沙漠土的抗干湿循环和抗冻融循环，对该材料的发展和应用具有重要的现实意义。笔者结合新疆古尔班通古特沙漠环境特性和固化沙漠土实际特点，探究固化沙漠土的力学性能和耐久性能，以期为遏制沙漠侵蚀、保护生态及资源化沙漠土提供参考。

1 材料及试验方法

1.1 原材料

试验土样为古尔班通古特沙漠边缘地表以下1.0-2.0 m深度的沙漠土，粒径为0.10 - 0.25 mm的颗粒含量较多，属粗粒沙，级配不良，不均匀系数C_u为2.00，曲率系数C_c为1.45，沙漠土样的颗粒级配见表1。土壤固化剂采用碱矿渣粉固化剂，其中：矿渣粉为宝新盛源公司生产的S75级粒化高炉矿渣微粉，粉煤灰为准东东方希望电厂生产的Ⅱ级粉煤灰，碱激发剂为天津致远化学试剂有限公司生产的CaS04.2H20和天津光复科技发展有限公司生产的NaOH复掺组成11]，水泥为新疆天山水泥股份有限公司生产的P.0 42.5级普通硅酸盐水泥，水为城市自来水。

1.2 试验方法

本试验参照《土工试验规程》（ SL 237-1999）[12]和《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准》（ GB/T 50082-2009）[13]进行。碱矿渣固化剂最优掺量通过击实试验测定最大干密度：固化沙漠土的无侧限抗压强度试验采用直径50 mm、高100 mm的圆柱体（不同含水率下成型3个），通过微机控制电子压力机分别测定试样3、7、28 d的抗压强度，加载速率为1 mm/min。标准养护28 d的固化沙漠土干湿循环试验分为两组：一组为干湿循环试样，将试样置于（45±1）℃的烘箱中烘干24 h，取出冷却至室温后，置于（20±1）℃的培养箱浸水养护24 h为一个循环;另一组为标准养护试样，养护温度为（20±1）℃，试样制备及养护方法与无侧限抗压强度试验相同。固化沙漠土的冻融循环试验的试样制备和养护与上述试验相同，冻融循环温度为（-18+1- 20+1）℃，为防止水分流失，试样用保鲜膜包裹密实，放进冰箱冷冻16 h;融化采用恒温水箱，持续时间为8h。

2 试验结果与分析

2.1 碱矿渣固化剂的最优掺量和最优含水率

2.1.1 击实试验法

对于无黏性沙漠土，不同含水率下的最大干密度和空隙率是一定的，因此根据空隙率随碱矿渣固化剂掺量增大而减小的规律，通过击实试验即可求解出碱矿渣固化剂最优掺量。沙漠土击实试验采用电动击实仪，选定碱矿渣粉固化剂掺量为8%、10%、12%、14%、16%，含水率为8%、9%、10%、11%，12%、13%。将碱激发剂和水配成溶液，再與拌和均匀的沙漠土和矿渣粉固化剂充分搅拌，分3层装入击实筒，每层击25下，且层间刨毛，完成击实后称重并计算密实度。

由干密度与碱矿渣粉固化剂、含水率关系（见图1）可知，无黏性沙漠土中掺人一定量的碱矿渣固化剂后，击实曲线表现出黏性土的特征，每组曲线都存在峰值。当碱矿渣粉固化剂掺量为14%、含水率为10%时，固化沙漠土干密度达到最大（2.09 g/cm³），比天然沙漠土最大干密度（1.86 g/cm³）增大11.0%。根据最大密度法和丁朴荣理论公式可知，当土的级配不良时，其内部空隙率较大，结构难以达到最密实状态，此时加入碱矿渣粉固化剂和水可发挥填充作用，减小空隙率，提高固化土的密实度[14]。固化沙漠土密实度随含水率的增大逐渐增大，当含水率达到lO%时逐渐降低。最大干密度下的不同碱矿渣粉固化剂掺量所对应的最优含水率均在10%左右，说明碱矿渣粉固化剂掺量对含水率影响不显著。故对于固化沙漠土有最大击实密度时，碱矿渣粉固化剂最优掺量为14%，对应最优含水率为10%。

2.1.2 固化沙漠土无侧限抗压强度法

固化沙漠土最大干密度时的含水率不一定是最大强度对应的含水率。为研究不同含水率对固化沙漠土无侧限抗压强度的影响规律，根据固化沙漠土击实试验得出固化剂的最优掺量，即取碱矿渣粉固化剂的掺量为14%，含水率分别取8%、9%、10%、11%、12%、13%，进行无侧限抗压强度试验。试样成型后用塑料袋包裹密封，以防止水分蒸发流失，分别测定龄期为3、7、28 d的试样无侧限抗压强度。

由不同龄期试样无侧限抗压强度与含水率的关系（见图2）可知，不同龄期的固化沙漠土无侧限抗压强度随含水率的增大而增大，在含水率为10%时出现峰值，即最优含水率为10%，与击实试验结果一致。含水率为10%时，龄期为28 d的试样无侧限抗压强度最大值为6.34 MPa.比7d和3d的分别增大24. 8%和61 .4%。试验结果表明：含水率过小时，固化沙漠土拌和物不易击实，成型试样孔隙率较大，干密度较小，强度偏低;含水率过大时，试样击实时易泌水，不仅造成碱矿渣粉固化剂流失，而且易在试样内部形成微孔隙，导致强度降低。

2.2 固化沙漠土干湿循环试验结果

沙漠地区气候环境恶劣，水分季节性差异明显，昼夜温差较大15].固化沙漠土具有较高的干湿耐久性能。本研究采用的最优碱矿渣粉固化剂掺量为14%、最优含水率为10%，根据固化沙漠土干湿循环后的质量损失和无侧限抗压强度损失与干湿循环次数的关系，分析固化沙漠土的耐久性能。

由固化沙漠土干湿循环试验结果（见图3）可知，不经历干湿循环的标准固化沙漠土试样无侧限抗压强度随龄期的增大而增大，在龄期大于34 d（或干湿循环3次）时，无侧限抗压强度增幅趋于平缓。干湿循环试样的无侧限抗压强度随干湿循环次数增加呈先增大后减小的趋势，其9次干湿循环的抗压强度最大（8.67 MPa），比标准试样减小27.9%。由图4可知，固化沙漠土质量损失率随循环次数增加先小幅增大，在循环3次后逐渐减小，循环9次时出现最小值.而后增大。上述现象产生的原因是在干缩湿胀的循环中试样表层变形较大，在拉应力的作用下产生微裂缝，造成部分颗粒脱落流失，无侧限抗压强度随之降低;随着干湿循环下龄期的增大，试样中未完全水化的固化剂继续发挥作用，使得试样中残余孔隙被其水化产物进一步胶结和填充，固化沙漠土试样孔隙率减小，强度增大，质量损失率减小，随着固化剂水化反应终结，质量损失率又逐渐增大。从图5可以看出，随着循环次数的增加，固化沙漠土强度损失率的增幅先逐渐减小，在干湿循环达到9次后又持续增大，这一规律与图4表现一致。

2.3 固化沙漠土冻融循环试验结果

固化沙漠土抗冻性能是一项重要的耐久性能指标，温度变化易造成固化沙漠土试样水分不均匀分布和积聚，使得试样在内外力不平衡的状态下出现裂缝，进一步加剧冻融侵蚀。结合新疆地区气候特点，本研究采用的冻融循环温度为（-18+1- 20+1）℃，试样制备及养护与上述试验相同，固化沙漠土养护28 d后测定其抗冻性能、质量损失率和强度损失率。

由图6可知，标准养护试样无侧限抗压强度随龄期的增大而增大，当龄期达到33 d（或冻融循环5次）后，增幅趋于平缓。冻融循环试样无侧限抗压强度变化规律与标准养护试样相同，但在冻融循环7次（此时最大值为8.10 MPa.为标准养护试样的87.1%）后，随冻融循环次数增加无侧限抗压强度逐渐减小，9次冻融循环后的强度为7.8 MPa（标准养护试样的80.4%）。由图7可知，在整个冻融循环过程中强度损失率随循环次数的增加而增大，且后期增幅更大。从图8可以看出，质量损失率先随冻融循环次数增加快速增大，在第3次冻融循环后逐渐降低，至第7次冻融循环后趋于平稳。上述现象产生的原因是，固化沙漠土试样在冷冻过程中内部产生冻胀作用，使得试样在拉应力作用下产生微裂缝，造成水分扩散加快，加剧冻融破坏：随着水分进入试样内部与未完全水化的碱矿渣粉固化剂进一步发生水化反应，一定程度上修复填充了试样内部孔隙和微裂缝，使得胶结颗粒剥落速率减缓，然而这种修复并不是持续的，随着残余碱矿渣粉固化剂水化作用终结，在冻融侵蚀作用下，固化沙漠土质量损失继续增大，无侧限抗压强度进一步减小。3结论

（1）通过固化沙漠土击实试验和无侧限抗压强度试验，得出碱矿渣粉固化剂的最优掺量为14%，对应的最优含水率为10%。

（2）根据固化沙漠土干湿循环试验可知，固化沙漠土无侧限抗压强度先随干湿循环次数增加而增大.9次干湿循环时达到最大（8.67 MPa），而后减小。

（3）固化沙漠土抗冻融循环试验表明，在碱矿渣粉固化剂持续水化作用下，固化沙漠土无侧限抗压强度随循环次数的增加而先平缓增大，在7次冻融循环时达到最大值（8.10 MPa）后逐渐减小，9次冻融循环后的强度为7.8 MPa（标准养护试样的80.4%）。

本研究的试验组次相对较少，所得结论有一定的局限性，有待采用更高含水率、更多耐久循环次数的沙漠现场试验，进一步研究固化沙漠土的力学性能和耐久性能。

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【责任编辑张华兴】