HEC固化剂对日光温室戈壁土墙体固化性能试验

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，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.农业部林果棉与设施农业装备科学观测实验站，乌鲁木齐 830091；4.新疆农业科学院农业工程公司，乌鲁木齐 830091)

0 引 言

【研究意义】随着固化剂在地基处理、墙体硬化和沙漠固化等方面的广泛应用，固化剂固化土体后的力学性能及耐久性能引起了学术界和工程界的广泛关注[4-10]。固化土体的力学性能及耐久性能决定固化剂的固化效果。赵卫全[11]、陈炳睿[12]等通过对固化土力学性能及耐久性能的研究发现，影响固化土力学性能及耐久性能的因素有两部分：起到骨架作用土体的物理性质指标，包括颗粒级配、土体类别和击实性能等；起到胶凝材料作用的固化剂的性质，包括固化剂的品种、掺量等。【前人研究进展】有学者[13-18]对固化前土体的物理力学性质指标进行了研究，普遍认为被固化土体的颗粒级配、土体类别和击实性能主要通过颗粒级配曲线和击实曲线来确定。陈炳睿[12]、张伟锋[19]等对固化剂的种类和掺量进行了研究，发现HEC(High Strength and Water Stability Earth Consolidator)固化剂对黄土的固化效果优于水泥等其它固化剂固化的黄土；且发现固化剂掺量在5%～15%有较好的工程效果。【本研究切入点】现有研究确定固化土体物理性质指标的方法，并且为固化剂种类和掺量对固化土固化效果的研究提供依据。测试新疆三种典型日光温室戈壁土墙体土样进行固化性能，分析戈壁土固化前后的力学性能和硫酸盐侵蚀后的强度的变化规律。【拟解决的关键问题】以新疆三种典型的日光温室戈壁土墙体土样作为研究对象，通过戈壁土的系列固化试验，分析土样的颗粒组成，比较同种固化剂不同掺入量与土样的抗压强度关系和力学性能以及针对盐渍土的抗硫酸盐侵蚀的性能试验。为新疆非耕地戈壁土墙体固化配比方案提供理论基础，为新疆非耕地日光温室戈壁土墙体建造提供新技术。

1 材料与方法

1.1 材 料

固化剂：山东某公司生产的HEC固化剂，HEC为高强固体粉末状水化类固化剂，属水硬性无机胶凝材料；水泥：新疆天山水泥股份有限公司生产的32.5普通硅酸盐水泥。列出试验用固化剂及水泥技术指标。表1

表1 试验用固化剂及水泥技术指标
Table 1 Test technical indicators with curing agent and cement

名称Name类别Category密度Density(g/cm3)比表面积Specific surface area(m2/g)细度Fineness(μm)固化剂 Curing agentHEC2.8～2.9350～480≤ 4.0%水泥 CementP.O32.53.1350≤ 10.0%

注：细度为80 μm方孔筛筛余

Note:The fineness is 80 μm sieve residue

戈壁土：新疆非耕地戈壁土地区原状土(1号土样在新疆焉耆县七个星镇采集，大粒径砂石较少；2号土样在新疆阿克陶镇五大队采集，大粒径砂石居多；3号土样在阿克苏温宿县佳木镇采集，大粒径砂石适中)。试验的三种土样采集于新疆典型非耕地代表地区，最适宜夯实土墙日光温室的建造，其最大特点是土体颗粒粒径比较大，属于粗粒土，可以通过加入固化剂使得土体的空隙被填充，压实效果良好，对最大干密度的影响较大，固化成效显著。表2

表2 戈壁土物理性质
Table 2 The physical properties of gobi

土样编号Sample No粗粒土(%)Coarse-grained soil(0.075-20 mm)巨粒土(%)Giant grain soil(>20 mm)细粒土(%)Fine-grained soil(<0.075 mm)最大干密度Maximum dry density(g/cm3)含水率(%)moisture content1号土样 Sample No.187.0010.172.832.160.352号土样 Sample No.257.2140.891.902.230.453号土样 Sample No.367.5431.391.072.230.42

1.2 方 法

颗粒分析试验、击实试验和抗压强度试验按《土工试验方法标准》(GB/T50123-1999)中的相关规程进行试验；抗侵蚀试验将制备的试件(试件为圆柱形试件，试件尺寸：直径61.8mm，高125mm)浸泡在浓度恒定5%的硫酸钠溶液中，然后测定0、14、28和60 d侵蚀试件的抗压强度。

测定三种土样的颗粒级配曲线，对土体进行分类，确定此非耕地戈壁地区原状土的土体类型。

参照文献[20-21]的方法，选取三种固化剂掺量5%、10%、15%，由张伟锋等[19]对HEC固化剂对黄土击实试验分析可知，土样的最大干密度和最优含水率随固化剂掺量增大而增大，选取在三种土样原状土中分别掺入15%的土壤固化料(土壤固化料由5%HEC固化剂掺加95%的32.5普通硅酸盐水泥混合而成)，采用击实试验测定复合后土样的击实曲线，确定土样的最大干密度和最优含水率。表3

表3 击实性能试验
Table 3 Test scheme of compaction performance

土样编号Sample No测试编号Test number原状土Undisturbed soil(%)固化剂Curing agent(%)水泥Cement(%)1号土样Sample No.1A110000A2850.7514.252号土样Sample No.2B110000B2850.7514.253号土样Sample No.3C110000C2850.7514.25

测定土样掺5%、10%、15%土壤固化料后在7、14、28 d的抗压强度，确定此非耕地戈壁地区原状土掺不同量固化剂情况下对固化土的力学性能。表4

表4 抗压强度试验
Table 4 Test scheme of compressive strength

测试编号Test number原状土Undisturbed soil(%)固化剂Curing agent(%)水泥Cement(%)D1950.254.75D2900.509.5D3850.7514.25

将掺15%土壤固化料的土样试件浸泡在浓度恒定5%的硫酸钠溶液，测定0、14、28、60 d侵蚀试件的抗压强度。

2 结果与分析

2.1 土壤颗粒级配汇总及土样类别

土样颗粒级配汇总及土样类别，土样的颗粒级配由颗粒分析试验测得，并绘制出土样粒径分配曲线，确定土体类别；进一步根据特征粒径求出土样的不均匀系数Cu和曲率系数Cc，确定土体的级配好坏。

1号土样、2号土样和3号土样的土体类别均为圆砾，2号土样的不均匀系数最大，其次为3号土样，1号土样的不均匀系数最小，由于土体的不均匀系数反应土体的均匀性，2号土样的土粒最不均匀，其次为3号土样，1号土样土粒最均匀。三种土样的曲率系数Cc分别为0.2、0.3、0.2，三种土样的曲率系数差别不大。

1号土样、2号土样和3号土样的土体类别都为圆砾；三种土样相比，2号土样的级配最好，其次为3号土样，1号土样的级配最差。图1，表5

表5 土样颗粒级配汇总及土样类别
Table 5 Soil sample grading summary and soil sample category

土样编号Sample No粒径 Grain size(mm)80～6060～4040～2020～1010～55～22～11～0.50.5～0.250.25～0.075<0.075含量 Content(%)不均匀系数CuCoefficient of uniformity曲率系数CcCoefficient of curvature土体类别The soil category1号土样Sample No.1--10.221.213.676.39.37.4212.861.80.2圆砾2号土样Sample No.25.817.317.811.16.29.22.35.46.816.21.9146.40.3圆砾3号土样Sample No.3-13.517.915.29.96.62.811.910.111.11.169.10.2圆砾

图1 土样颗粒级配曲线
Fig.1 Soil sample particle size distribution curve

2.2 击实试验

研究表明，掺入15%的土壤固化料后，土样的最大干密度ρd和最优含水率wop有不同程度的增加。研究表明，掺入15%土壤的固化料后，与原状土相比，1号土样的最大干密度ρd和最优含水率wop分别增加0.046%、0.017%；2号土样的最大干密度ρd和最优含水率wop分别增加0.013%、0.086%；3号土样的最大干密度ρd和最优含水率wop分别增加0.027%、0.098%。

掺入土壤固化料后，由于固化剂的颗粒较小，对土体的空隙起了一定的填充作用，改变了土样的颗粒级配，使得固化土体与原状土相比更加密实，土样细粒土含量越多，最优含水率越高。掺入固化剂后，土体的最大干密度ρd和最优含水率wop增加。图2，表6

表6 击实试验结果
Table 6 The results of compaction test

土样编号Sample No测试编号Test number最大干密度ρdMaximum dry density(g/cm3)最优含水率wopOptimum moisture conte(%)nt1号土样Sample No.1A12.166.0A22.266.12号土样Sample No.2B12.238.1B22.298.83号土样Sample No.3C12.239.2C22.2910.1

图2 土样击实曲线
Fig.2 Soil compaction curve

2.3 抗压强度试验

研究表明，三种圆砾土样相比1号土样的级配最差，且根据击实试验可知，三种圆粒土样掺入固化剂情况下，其土体的最大干密度ρd和最优含水率wop具有相同的变化规律，因此选择1号土样为研究对象，分别掺5%、10%、15%的土壤固化料，以研究不同固化剂掺量与土体强度的关系。

随着土壤固化料掺量的增加，固化土7、14、28 d的抗压强度增加。但是在7、14、28 d抗压强度的增长梯度不同，与掺5%土壤固化料固化土相比，掺10%土壤固化料固化土在7、14、28 d抗压强度分别增加0.2、4.5、10.1 MPa；掺15%土壤固化料固化土在7、14、28 d抗压强度分别增加0.4、11.6、13.2 MPa。随着固化剂掺量的增加，抗压强度随龄期的增长梯度增大。图3，表7

表7 不同固化剂掺入量抗压强度
Table 7 The compressive strength of different admixture of curing agent

测试编号Test number固化料掺入量Incorporation of Curing agent(%)抗压强度 Compressive strength(MPa)7 d14 d28 dD152.28.39.8D2102.412.819.9D3152.619.923.0

图3 不同掺量固化剂抗压强度
Fig.3 The compressive strength of different curing agent curve

2.4 抗硫酸盐侵蚀

研究表明，在90 d的侵蚀试验中，固化土随侵蚀周期的增长，其抗压强度增加。与无侵蚀试件相比，侵蚀周期在14、28、60和90 d的抗压强度分别增加0.3、2.4、2.9和3.1 MPa。

在固化土侵蚀的初期，由于固化剂中存在火山灰质的胶凝材料，其水化反应需要碱激发，因此在反应初期会吸收大量的OH-离子，使溶液的pH降低，溶液的pH值低于12时，AFt不会结晶析出，也就不会出现硫酸盐侵蚀。研究表明，侵蚀28 d的固化土与侵蚀3 d的固化土对比可知，侵蚀28 d的固化土中有大量Aft晶体的生成，填充固化土的空隙。可知随着固化剂中火山灰质的胶凝材料减少，会生成析出AFt晶体，但在一定时期内AFt会填充固化土中的空隙，不但不会膨胀造成固化土的开裂，反而会增加固化土的强度，最终使固化土在90 d的侵蚀周期内，固化土随侵蚀周期的增长，抗压强度增加。日光温室墙体的一般使用寿命是十年，由王亮[22]对混凝土抗硫酸盐侵蚀的耐久性研究和刘健等[23]对日光温室墙体荷载的研究可知，固化土固化戈壁土墙体的耐久性是符合要求的。图4，图5

图4 掺15%土壤固化料土样不同侵蚀周期抗压强度
Fig.4 The soil samples blending 15% curing agent compressive strength of different erosion cycle curve

(a)侵蚀3 d固化土；(b)侵蚀28 d固化土

(a)Erosion 3 days solidify soil；(b)Erosion 28 days solidify soil

图5 不同侵蚀周期固化土电镜照
Fig.5 The solidified soil erosion cycle electron micrograph

3 讨 论

随着固化剂掺量的增加，抗压强度随龄期的增长梯度增大的原因有两方面，从击实性能方面：随着固化剂掺量的增加，重塑土体的颗粒级配发生了变化，小粒径的颗粒级配增加，尤其增加了80 μm以下的颗粒，随着固化剂掺量的增加，重塑土体的颗粒级配发生了变化，小粒径的颗粒级配增加，尤其增加了80 μm以下的颗粒，使土体更加密实，有利于增加强度，掺量越大，强度增加越高；从固化剂水化机理方面：固化剂多为具有火山灰活性的水硬性胶凝材料，其水化需要碱性环境激发，水化初期是水泥的水化，随水泥的水化，水化环境中的pH升高，激发了固化剂中具有火山灰活性的胶凝材料，使其发生二次火山灰反应，在土体空隙中生成C-S-H，使固化土后期强度能够持续增长，因此固化剂掺量越大，强度增加越高。这一结果无异于前人的试验结果，但固化剂的掺入量不可能无限量增加，具体增加到一个合理的的配比值就需要进行更细化的试验。

虽然考虑了新疆地区多为盐渍土，含有大量的硫酸盐[24]，进行了HEC固化剂固化戈壁土后的抗硫酸盐侵蚀试验，但新疆的风蚀现象也尤为突出，后续试验中需要考虑进行风蚀试验，才能更好的反应出固化土体的抗侵蚀性能。

4 结 论

4.1 新疆非耕地戈壁土地区所取三种土样均为圆砾戈壁土，其中2号土样的级配最好，其次为3号土样，1号土样的级配最差；掺入固化剂后三种土样的最大干密度ρd和最优含水率wop都有所增加。

4.2 土样随固化剂掺量的增加，使得土体更加密实，且随掺量的增加，胶凝材料的量增加，生成更多的水化产物，从而使得抗压强度增加。

4.3 固化土在一定掺量固化剂情况下，在一定的侵蚀周期内，固化土的强度会随侵蚀周期的增长而增长。由于水化初期，固化剂吸收OH-离子，不利于钙矾石的生成，后期硫酸盐为激发剂促进固化剂中火山灰质材料的水化，一定时期内生成的钙矾石有利于提高强度。