有机质加固土强度的因素作用显著性分析

2020-08-26姚学群李丽蓉莫南明宋高丽郭丽辉

化工设计通讯 2020年9期

姚学群，李丽蓉，莫南明，宋高丽，郭丽辉

（昆明学院建工学院，云南昆明 650214）

淤泥具有大孔隙比、高含水量、压缩性大、高灵敏度、抗剪强度低、承载力低等特点，特别是有机质含量高时，固化处理有一定难度。除了水泥外，还要大量添加外掺料，采用如粉煤灰之类的工业废料，但由于粉煤灰中的一些有害物质，可能会渗透到水体和土壤中，并通过土壤进入地下水造成二次污染，粉煤灰高盐高碱还会导致土地盐碱化，影响农业生产和生态环境。

如能将江河、湖泊、海湾等疏浚淤泥进行固化处理，使其转化为可再生利用的土工材料和建筑材料，可以节约资金，又解决了废弃淤泥占用土地资源的问题。在符合生态环保的发展趋势下，在河道、湖泊、农田水利设施周边加固土时，粉煤灰应该尽量少用。研制符合生态环保的新型固化剂是未来的发展方向。原产于美国的派酶（帕尔玛）土壤固化剂，就是这样一种固化剂，这种液态复合酶制品，因其环保和施工简便效果好，已在我国多个省、市区很多路面工程中采用[1]，但国内目前没有同类产品，研制实验和配置这类酶制剂产品很有必要。

有机质含量超过5%的加固土，一般需要进行水泥土的室内配比实验[2]，选择除水泥外其他合适的固化剂和外掺料，确定其掺量配比，提供各种配比的强度参数。为测试一种复合酶制剂和其他固化剂对淤泥质有机质土的强度提高效果，在一次有机土的加固实验中，以水泥为主要固化剂，加入熟石膏粉和一定比例的复合酶制剂作为外掺料，设计了一组加固土的强度正交实验，对不同配比的加固土进行了7d、28d、60d龄期下的直接剪切强度测试，得到了一些数据。

1 实验用土和固化剂的选择

1.1 实验用土及其性质

本次实验采用的土是昆明某一河道边的工程地基开挖土，开挖深度1～4m层的灰褐色土，呈软塑～流塑状态，经土工实验，各项物理性质指标平均值为：含水量51%，湿密度1.68g/cm3，孔隙比1.4，比重2.1，液限45%，塑限28%，有机质含量5.8%。

由于淤泥质土中有机质的存在，研究表明，有机质腐化后形成的腐殖酸对土的固化有较大的影响。淤泥质土中腐殖酸表面带有的梭基、酚羟基易解离，而胺基易质子化，从而使土壤呈弱酸性。研究表明，在采用水泥固化淤泥质土时，弱酸性条件下，腐殖酸很易与金属盐类产生混凝作用，与水泥水化产物Ca（OH）2产生反应，降低了Ca2+的浓度，阻碍了固化过程中胶凝物质的生成，不利于土壤中硅和铝的溶解而大大减弱固化土中的火山灰反应。

1.2 实验用固化剂和外掺料

本次实验采用了标号为42.5的普通硅酸盐水泥作为主要固化剂，不采用工业废渣，尝试加入对环境影响小的石膏粉和一种国产的复合酶来辅助进行加固实验。

目前，国内外学者对土壤固化酶的稳定作用机理的研究还较少，已有的研究成果[3]认为，酶的作用主要表现在：使土颗粒周围的结合水膜破坏，减小表面张力，作用类似表面活性剂，使土壤粒子表面产生明显的pH梯度，有助于改变土壤原有结构而使抗渗透性增加。国内多数相关工程是直接采用派酶验证其作用[4]，采用自研的国产酶加固有机质土的实验很少有。

本次实验采用的复合酶制剂是一种由蛋白酶、淀粉酶、果胶酶和纤维素酶等组成的多酶复合酶物，能够破坏淤泥质土中的植物残根，分解有机质蛋白，此复合酶最适pH为6.0，有机质土中的腐殖酸造成土壤酸性环境，利于发挥复合酶的活性。

2 实验方法和方案

实验方案设计为三因素二水平正交实验，（Lnqp，n=4，q=2，p=3），方案分组见表1。按从现场取来的扰动土的质量比，各掺入不同质量配比的水泥、熟石膏粉、复合酶，搅拌好后，采用土工实验的环刀装入原土和各种配比的加固土，分别测试其7d、28d、60d龄期试块的直接剪切快剪强度的黏聚力c和摩擦角φ两个指标。每个配比每个龄期的强度指标数据做6个平行实验，同一组试块的强度取平均值，编为1～4组；对照无酶和外掺料组为第5组。

表1 正交实验分组方案

3 实验结果与数据分析

3.1 实验结果数据

经直剪仪测试和数据线性拟合，直剪强度指标中黏聚力与龄期的关系，摩擦角与龄期的关系分别见图1和图2。

图1 黏聚力与龄期的关系

图2 摩擦角与龄期的关系

3.2 极差分析

计算1～4组的正交实验28d和60d的黏聚力c和摩擦角φ的k值和极差R，见表2。

表2 k值和极差R计算表

正交实验分析中，极差大的因素通常是主要因素，而极差小的因素，往往是不重要的因素，可用极差R的大小衡量实验中各因素作用的大小。由表中可以看出因素的主次顺序，对黏聚力c影响最大的因素是水泥，其次是熟石膏，酶对黏聚力影响不太显著，对摩擦角φ影响较大的是酶，熟石膏对摩擦角影响很小。若后龄期摩擦角增大，对加固土的抗剪切强度提高是较有利的，说明本次实验的复合酶有一定的加固效果，酶的掺入比在0.15%加固效果相对较好。

3.3 方差显著性分析

以60d正交重复实验结果为方差分析的依据，重复实验次数m=6，实验组数n=4，实验结果数据见下表。

表3 60d重复实验的结果数据

表4 60d实验结果的方差分析表（一）

续表

表5 60d实验结果方差分析表（二）

给定显著性水平α=0.1与0.05，查表得F0.9（1，23）=2.94，F0.95（1，23）=4.28，可见除了水泥因子F值最大，均能满足＞ F0.9（1，23）=2.94，或＞ F0.95（1，23）=4.28，即显著性最高外，因子熟石膏和酶对黏聚力影响都不显著。对摩擦角φ，相比熟石膏，酶的F较大，对摩擦角有一定显著性，但显著性水平不够高，这一结果与极差分析的结果相吻合。