不同固化剂对新疆非耕地戈壁土的力学性能影响

2020-03-18宋兵伟吴乐天

新疆农业科学 2020年3期

宋兵伟，吴乐天，慈军，王亮

(1.新疆农业科学院农业机械化研究所，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，乌鲁木齐 830091；3.新疆农业科学院农业工程公司，乌鲁木齐 830091；4. 新疆农业大学水利与土木工程学院，乌鲁木齐 830052)

0 引言

【研究意义】日光温室大棚在我国的迅速发展为冬季新鲜蔬菜的供应提供了便利，各地针对非耕地日光温室发展的各项技术展开了研究[3-8]。在新疆阿图什、阿克陶以及和田等地建设了以戈壁、粗砂、砾石等非耕墙体建材的戈壁型、沙漠型日光温室[9-11]，这就对非耕地日光温室墙体的承重能力和稳定性提出更高的要求。研究不同固化剂的新疆非耕地戈壁土的力学性能影响，对新疆非耕地戈壁土应用固化剂固化日光温室墙体有实际意义。【前人研究进展】国内外对戈壁土的各项性能进行了广泛的研究，Ishizuka[12]、Liang Yin等[13]对原状戈壁土的变形性能进行了研究，发现戈壁土具有压缩性低、变形稳定快等特点；张伟锋[14]、陈炳睿等[15]对固化剂的种类和掺量进了研究，发现固化剂掺量在5%～15%有较好的工程效果；Marto等[16]研发了一种 SS299 固化剂，与红壤土固化后测试发现 SS299 土壤固化剂能显著提高红壤土的无侧限抗压强度和抗剪强度；Kim等[17]利用工业矿渣等废弃物制备固化剂并试验了固化剂的固化效果；侯彦凯[18]对戈壁土地基的湿陷特性进行了研究，发现戈壁土在浸水后变形可分为压缩变形、湿陷变形和复合变形3个阶段；鲍恩财等[19]对戈壁土添加固化剂后固化土的热学性能进行了研究，发现添加固化剂后戈壁土的吸热性能有了大幅度的提高。【本研究切入点】吴乐天、马皓诚等[20-22]对新疆戈壁土固化性能试验研究发现，固化剂对新疆常用的日光温室墙体建材具有显著的固化效果，墙体的强度和抗硫酸盐能力得到提高。研究固化剂掺入量对戈壁土力学性能的影响及固化效果。【拟解决的关键问题】选取新疆乌恰县的非耕地戈壁土土样和3类4种固化剂(粉末固化剂1种、颗粒固化剂1种、离子型固化剂2种)，对新疆非耕地原状戈壁土及固化后戈壁土的击实性能、无侧限抗压强度进行试验，对比固化前后土体的物理、力学性能等指标，选出适合新疆非耕地戈壁土的固化剂种类及适宜掺量，为提高新疆非耕地戈壁土地区日光温室大棚墙体的强度和稳定性提供一定的数据支持和理论参考。

1 材料与方法

1.1 材料

固化剂：粉末固化剂(灰色固体粉末，可溶于水, 相对密度为2.9 g/cm3)、颗粒固化剂(白色固体粉末，可溶于水，相对密度为2.4 g/cm3)、1#离子型固化剂(棕黑色液体，可溶于水，密度1.15 g/cm3)、2#离子型固化剂(略带黄色的黏稠液体，可溶于水，密度1.10 g/cm3)。

戈壁土：新疆非耕地戈壁土地区原状土(新疆乌恰县戈壁土)，取土深度在地表处0～1 m。

水泥：天山PO.42.5普通硅酸盐水泥(密度3.09 g/cm3，比表面积361 m2/kg，初凝时间270 min，终凝时间330 min)。

水：饮用水。表1

1.2 方法

1.2.1 试验设计

测定戈壁土样的土体比重、相对密度、含水率等基本物理性质指标。戈壁土物理性质为土体比重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 击实性能与无侧限抗压强度

Table 1 Test scheme for compaction performance and unconfined compression strength

类别Category试验编号Test number原状土Undisturbed soil(%)固化剂Curing agent(%)水泥Cement(%)1粉末固化剂A195.000.254.75A290.000.509.50A395.000.005.00A490.000.0010.00A5100.000.000.002颗粒固化剂B194.970.035.00B294.960.045.00B394.950.055.00B495.000.005.00B5100.000.000.0031#离子型固化剂2#离子型固化剂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 颗粒土样

颗粒分析试验按《土工试验方法标准》[1](GBT50123-1999)中的相关规程进行试验，对于粒径介于0.075～80 mm的颗粒土样采用筛分法，对于粒径小于0.075 mm的土样采用密度计法。

固化后土样的力学性能与土样成型的压实程度有关[22]，一定掺配比例的固化剂、水泥及土样成型的压实程度又取决于其最优含水率下对应的最大干密度。因此,在选取固化剂品种和掺量时，需要测得不同配合比方案下对应的最优含水率和最大干密度[23，24]。根据《公路工程无机结合料稳定材料试验规程》(JTG E51-2009)将掺4种固化剂的固化土在不同配合比下进行击实试验，并绘制击实曲线，得到固化土样的最优含水率和最大干密度。由颗粒分析试验测得土样的颗粒级配，并绘制出土料颗粒级配曲线。图1

图1 土样颗粒级配曲线

Fig.1 Soil sample particle size distribution curve

1.2.3 击实试验试件制备

击实试验按《公路工程无机结合料稳定材料实验规章》[2](JTG E51-2009)中的相关规程进行试验，采用STDJ-3型数显多功能电动击实仪击实，土料分3层压实制成圆柱体试件(试件高12 cm，直径15.2 cm)，每层锤击次数98击。压实系数应按0.95控制。

1.2.4 无侧限抗压强度试验试件制备

根据《公路工程无机结合料稳定材料实验规章》(JTG E51-2009)中的相关规程试验，试件为圆柱形试件，试件尺寸：直径150 mm，高150 mm。

根据标准击实试验得到的最大干密度和最优含水量结果成型无侧限抗压试样，分别对原状戈壁土和固化戈壁土进行无侧限抗压强度试验，得出不同固化剂及不同固化剂不同掺量情况下的无侧限抗压强度，固化剂及水泥掺入量参考了张伟锋[14]、陈炳睿[15]等对固化剂的种类和掺量的研究，从中优选出适宜的固化剂品种及掺配比例。

选择无侧限抗压强度试验方案中的C2为研究对象，研究固化土的抗硫酸盐侵蚀性能。

1.2.5 试件养护

成型后的无侧限抗压强度试件在标准养护室中养护，温度保持在(20±2)℃，相对湿度在95%以上，养护龄期是7 d，最后1 d将试件浸泡于(20±2)℃水中进行浸水养护24 h。

1.2.6 试件抗压强度测定

根据《公路工程无机结合料稳定材料实验规章》(JTG E51-2009)试验操作方法，将养护至龄期后的试件置于压力机上，以1 mm /min的加载速度加压至试件破坏，记录破坏荷载。

不同掺量的4种固化剂分别掺入戈壁土样中。

对戈壁土样颗粒级配汇总，并确定此非耕地戈壁地区土样的土体类型。

采用标准击实试验测定固化前后戈壁土的击实曲线，确定戈壁土样掺不同种类固化剂和不同掺量固化剂情况下的最优含水率和最大干密度。

在击实试验的基础上，针对不同种类的固化剂，将每种配合比方案在最优含水率下配置固化土，测定掺固化剂后7 d的无侧限抗压强度，确定此非耕地戈壁地区土样掺不同固化剂时对固化土的力学性能的影响。

2 结果与分析

2.1 土样颗粒级配

研究表明,用土的土体类别为圆砾土，土料粒径大于2 mm含量为68.8%，最大干密度为2.28 g/cm3，土料的不均匀系数为93.33，曲率系数为1.07，为级配良好的圆砾土[21]。表2，图1

2.2 击实试验

击实中土样最大干密度和最优含水率

研究表明,固化土的最大干密度和最优含水率随着粉末固化剂掺量的增加而增加。(b)配合比B1、B2、B3可以得出，在水泥掺量同为5%的条件下，颗粒固化剂掺量的变化对固化土的最大干密度影响很小，但随着固化剂掺量的增加，其最优含水率呈减小趋势，0.04%、0.05%掺量与0.03%的掺量相比最优含水率分别减少0.31%、0.41%；图2(c)可以看出,离子型固化剂的掺量对固化土最大干密度和最优含水率的影响不大，但与未掺固化剂的原状土相比固化后的土样最大干密度和最优含水率都有所增加。

表2 土样颗粒级配汇总及土样类别

Table 2 Soil sample grading summary and soil sample category

粒径Grain size(mm)80604020105210.50.250.1 0.075 ～～～～～～～～～～～～604020105210.50.250.10.075 0.005 <0.005百分含量(%)Content(%)不均匀系数Cucoefficient of uniformity曲率系数Cccoefficient of curvature土体类别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 累积百分含量(%)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圆砾

掺入水泥和粉末固化剂后，固化土的最大干密度增加，水泥和粉末固化剂的颗粒相对密度较大(水泥相对密度3.09 g/cm3、固化剂相对密度2.9 g/cm3)，代替了一部分同体积的圆砾土(颗粒相对密度2.28 g/cm3)，其次水泥和粉末固化剂的颗粒粒径小，对戈壁土样的空隙可以起到一定的填充作用；此外，颗粒固化剂中的表面活性物质充当了减水剂的作用，减少了固化土成型时颗粒间的摩擦力，使得固化土的最大干密度与原状土相比有所提高；掺入颗粒固化剂和水泥后，最优含水率减少是因为固化剂和水泥发生水化反应时会消耗一部分土壤中的水分，造成最优含水率的减少。表3,图2

表3 击实试验结果

Table 3 The results of compaction test

类别Category试验编号Test number最优含水率WopOptimum moisture conte(%)最大干密度ρdMaximum dry density(g/cm3)1粉末固化剂A15.442.32 A25.572.33 A35.352.30 A45.502.33 A55.172.28 2颗粒固化剂B15.602.32B25.292.3B35.192.31B45.352.30 B55.172.28 31#离子型固化剂2#离子型固化剂C15.322.3C25.352.3C35.352.30 C45.172.28 D15.612.32D25.612.32D35.172.28

2.3 无侧限抗压强度试验

研究表明,掺4种固化剂的固化土试件与原状土试件相比，试件的7 d无侧限抗压强度均有明显增加。由A1、A2与A3、A4的无侧限抗压强度对比可知，掺粉末固化剂与单掺相同量的水泥相比，7 d无侧限抗压强度分别提升了0.51和0.78 MPa；由B1～B3与B4对比可知，掺颗粒固化剂与掺相同质量的水泥相比，无侧限抗压强度分别提升了1.53、1.78 和2.02 MPa；由C1、C2与C3对比可知，掺1#离子型固化剂与单掺相同质量的水泥相比，无侧限抗压强度分别提升了1.5和2.012 MPa；由此可知,固化剂与水泥复掺的试件与单掺水泥的试件相比，无侧限抗压强度都有所提升，无侧限抗压强度增长幅度在10.6%～41.6%，固化土试件的无侧向抗压强度与原状土试件相比，强度增幅在474%～939%，结果表明，与传统的日光温室墙体的强度相比固化戈壁土的无侧限抗压强度有明显的提高。表4

图2 固化土的击实曲线

Fig.2 Soil compaction curve

2.4 抗硫酸盐侵蚀

研究表明,固化戈壁土硫酸钠侵蚀28 d时，固化戈壁土中有柱状石膏(CaSO4·2H2O)生成，填充了固化戈壁土内原有的孔隙；在水泥石与固化戈壁土颗粒界面过渡区生成的高硫型水化硫铝酸钙(钙矾石AFt)，固化戈壁土中的侵蚀产物CaSO4·2H2O和AFt继续增多，这种网状晶体在圆砾土的空隙间形成了强度骨架增加固化土的强度。图3

表4 4种固化剂不同掺量下无侧限抗压强度

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

类别Category试验编号Test number固化剂掺量Proportion of Curing agent(%)水泥掺量Proportion of Cement(%)7 d无侧限抗压强度7 d Unconfined compressive strength (MP) 1粉末固化剂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颗粒固化剂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#离子型固化剂2#离子型固化剂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)

图3 侵蚀28 d固化土电镜照片

Fig.3 The solidified soil erosion 28 days electron micrograph

2.5 固化剂综合性价比

研究表明,同等固化效果下，从价格上比较,粉末固化剂>2#离子型固化剂>颗粒固化剂>1#离子型固化剂。从无限抗压强度试验中得出：掺离子型固化剂的固化土试件比掺其他固化剂的固化土试件强度提高1.1～1.19倍。而相比较2种离子型固化剂，1#固化剂成本比2#价格差为57.65元，在所有固化剂中，1#离子型固化剂的性价比更优。表5

3 讨论

固化剂及水泥掺入量在直接影响工程效果，研究结果表明随着固化剂掺量的增加，1#离子型固化剂固化效果和性价比都更优，这是因为在掺入胶凝材料水泥相同的条件下，1#离子型固化剂与含有一定水分的圆砾土混合后，在圆砾土中形成了网状晶体，在圆砾土的空隙间形成了强度骨架，此次试验的结果中圆砾土颗粒与1#离子型固化剂的成分发生化学反应，生成了一些不溶于水且强度高的物质，填充强度骨架之中，使固化土形成不可逆的坚实板体，并具有良好的耐久性。与薛建荣[25]、李鑫[26]等在土壤固化剂固土效果试验研究结果一致。

表5 4种固化剂价格对比

Table 5 Price comparison of four curing agents

固化剂Curing agent(%)水泥Cement(%)类别Category掺量Doping (%)用量Dosage (kg)单价(元/kg)Unit Price (RMB/kg)水泥掺量Proportion of Cement (%)用量Dosage (kg)单价(元/kg)Unit Price (RMB/kg)7 d无侧限抗压强度7 d Unconfined compressive strength (MP) 合计(元)Total price (RMB)1粉末固化剂0.255.8104.75 110.20.55.34113.10.511.65109.50 221.350.59.58227.1752颗粒固化剂0.030.696505.00 1160.56.3692.80.040.92505.00 1150.56.61103.50.051.155505.00 115.50.56.85115.531#离子型固化剂2#离子型固化剂0.010.24605.00 1150.56.3371.90.020.46605.00 1150.56.8485.10.13167.00163.10.57.56129.55

固化后土样的力学性能与土样成型的压实程度有关，研究结果表明固化土样经过拌合、压力机压实等作用，固化土颗粒相互靠近，减少了固化土中的空隙，使固化土体更加密实，从而提高了试件的抗压能力。与吴乐天[22]、樊恒辉[24]等研究的土壤固化剂固化土的物理化学作用结果一致。

通过对比了原状土以及单纯添加水泥的固化效果，优选出一种离子型固化剂，但是在实际生产和应用中建造墙体，固化土能否均匀地被拌合和压实，在日炙风吹雨淋以及盐碱侵蚀下能否延长使用寿命，会在后续试验中进一步验证。