利用施工余土压制砌块的土壤黏合剂配方研究*

2022-01-14赵伟东谭国华周龙翔

科技创新与应用 2022年2期

刘通，赵伟东，谭国华，庄毅，秦理，周腾，周龙翔

（1.广东电网有限责任公司，广东广州510630；2.广东电网能源发展有限公司，广东广州510160；3.广州大学，广东广州510006）

山区道路、风力发电机组、输电线路、通信设施建设将产生大量施工余土。如果不及时将施工余土外运或进行就地有效处理，将会在雨水冲刷下引起水土流失和山体植被破坏。将开挖产生的松散土方按颗粒大小进行分类堆放，在颗粒较小的土体中掺入黏合剂和适量水，经拌和、机械压制就地加工成强度、稳定性满足要求的砌块，按设计就地砌筑若干个用于堆放余土的花池，在花池底部逐层填筑并压实余土中颗粒较大的碎石、砂砾土，顶部填筑余土中剩余的细颗粒土及耕植土，在耕植土表面种植植物，实现稳定土体和美化环境的目的。

天然土体颗粒间的黏结弱，直接压制的块体强度低、水稳性差。需在土体中掺入一定量的黏合剂以增大土体颗粒之间的黏结力，提高压制砌块的强度、水稳性，以满足作为砌体砌筑的要求。

通过理论分析及室内试验，研制出掺入土体的黏合剂配方对于利用施工余土现场压制砌块具有重要的理论意义和实用价值。

1 土壤黏合剂原材料选择及其加固土体机理

1.1 土壤黏合剂原材料选择

目前尚缺少在实际工程中应用的利用施工余土压制砌块的土壤黏合剂配方[1-8]。

为便于工程推广应用，本项试验选择的土壤黏合剂原材料具有价格低廉、无毒无害、采购方便、保存容易、配方操作简单的特点。

选取水玻璃（硅酸钠水溶液）、氯化钙、环氧树脂、普通硅酸盐水泥和粉煤灰作为土壤黏合剂配方试验的原材料。

1.2 土壤黏合剂加固土作用机理

1.2.1 水玻璃加固土作用机理

水玻璃化学成分是Na2SiO3·9H2O，具有一定的耐酸耐热性，黏结性能良好。水玻璃中的硅酸钠会发生电离，电离后游离的硅酸根离子能够与土体中带正电的金属离子结合，形成硅胶颗粒填充至土孔隙中。水玻璃溶液本身的物理胶黏特性也能黏结土体中细小的颗粒，增大颗粒与颗粒之间的作用力，从而提高土体的强度。

在加入氯化钙溶液后，水玻璃能和氯化钙溶液发生复分解反应，生成白色沉淀，白色沉淀的主要成分是硅酸钙，硅酸钙呈针状，不溶于水，强度较高，隔热耐热，无毒性无异味。

1.2.2 环氧树脂加固土作用机理

环氧树脂是一种含有环氧基的高分子聚合物液体树脂，在碱的作用下，由环氧氯丙烷和双酚基丙烷（双酚A）缩聚而成。环氧树脂是具有线性结构的热塑性聚合物，加热呈塑性，当添加一定量的固化剂时，将与固化剂发生交联和固化反应[9]，形成具有网络结构的高分子聚合物固体，不溶于水。其性能也从热塑性改变为热固性。固化后的环氧树脂强度较高，黏结能力强，化学稳定性好，由于环氧树脂在固化过程中不会沉淀出低分子物质，其收缩率较小[10-11]。

1.2.3 水泥加固土作用机理

普通硅酸盐水泥的主要化学成分有SiO2、Al2O3、CaO、SO3、Fe2O3、MgO，主要矿物成份有硅酸三钙、硅酸二钙、铝酸三钙等。水泥在土体中发生水化反应，生成氢氧化钙和水化硅酸钙。水化硅酸钙具有超高的内比表面积，凝胶胶粒之间具有较强的结合力，增强了水泥石的致密性，还能与游离的金属离子如Al3+、Fe2+、Fe3+、Mg2+等离子和氧化物产生吸附作用，提高土体强度。水泥完成初始凝结之后，加固土内部仍然会持续发生水化反应[12]。

1.2.4 各外加剂组合使用时的作用机理

水玻璃和水泥组合使用时，能发挥两种材料各自的优势，具有凝结时间快、稳定性好、固化率及强度较高等优点，同时具有表面活性作用，能够与土较好地结合在一起。水玻璃水解呈碱性，利于水泥发生水化反应。

环氧树脂和水泥组合使用时，由于水泥早期水化反应完成度较高，强度增长较快，能够弥补环氧树脂早期强度较低的不足，水泥水化过程中释放出的热量也在一定程度上促进了环氧树脂完成交联固化反应；在养护中后期，水泥的水化反应程度减缓，强度增长较低，而随着环氧树脂交联固化的逐渐完成，土体强度得以提高。

2 黏合剂配方室内试验

2.1 试验土体与试验方法

2.1.1 试验土体

考虑到山区施工余土多为残积粉质黏土。试验取用具有代表性的残积粉质黏土，土样取自广东省东莞市樟木头镇樟洋社区东侧1km 左右的丘陵地区输电线路铁塔基础侧，取土深度为2.0~3.0m。

试验用土的基本物理性质指标如表1 所示。

表1 土的基本物理性质指标

2.1.2 试验方法

试验方法为：试块的无侧限抗压强度试验、经历多次干湿循环后试块的无侧限抗压强度试验。

2.2 试样配比及制备

2.2.1 试样配比

选取15%、20%和30%作为外加剂总掺量，分别将水玻璃-氯化钙、环氧树脂、水泥、粉煤灰设置为不同的比例，研究不同的梯段配合比对试块龄期7d、28d、60d、90d强度的影响。

2.2.2 试样制备

将原状土样放入烘干机烘干，105℃持续24h，烘干后进行破碎筛分，取筛分后的土样，按照预定的配比加入外加剂及适量水（根据土体最优含水量确定），搅拌均匀后人工振捣入模成型，采用50mm×50mm（直径×高）的圆柱体试模。试块制备完成后，在上方覆盖重块，静压12h 之后及时脱模并放入标准养护室进行养护，养护室温度20±2℃，湿度在95%以上，养护龄期分别为7d、28d、60d及90d。

共制作试块1200 组，每组3 个平行试块。