影響MBER固化土劈裂抗拉強(qiáng)度的因素試驗(yàn)

張 通，高建恩，，，李興華，高 哲，王 飛，孫勝利

（1．西北農(nóng)林科技大學(xué) 水利與建筑工程學(xué)院，陜西 楊凌712100；2．西北農(nóng)林科技大學(xué) 資源與環(huán)境學(xué)院，陜西 楊凌712100；3．中國(guó)科學(xué)院 水利部 水土保持研究所，陜西 楊凌712100；4．西安石油大學(xué)，陜西 西安710065）

水土流失和干旱缺水并存是黃土高原地區(qū)的一大環(huán)境問(wèn)題，亦是一對(duì)難以調(diào)和的矛盾。由于黃土高原地區(qū)缺石少砂，且大部分地區(qū)水質(zhì)較差，對(duì)混凝土的應(yīng)用造成了一定的限制。由于土壤固化劑能充分利用當(dāng)?shù)氐乃临Y源，即利用當(dāng)?shù)厮|(zhì)等級(jí)不高的水，固結(jié)當(dāng)?shù)貜V泛存在的土壤，逐漸受到了人們的關(guān)注。土壤固化劑是一種新型建筑材料，可以利用當(dāng)?shù)貜V泛存在的土壤作為固結(jié)對(duì)象，具有高效低廉的特點(diǎn)，目前已大量應(yīng)用在水利工程、道路工程、機(jī)場(chǎng)跑道等方面，效益非常顯著。在農(nóng)業(yè)工程中固化劑集中應(yīng)用在池塘、湖泊清淤及其淤泥的處理、農(nóng)田水利設(shè)施的節(jié)水改造等方面［1－5］。此外，固化劑還可用于土壤固化劑免燒磚以及水利工程中的堤壩填筑固化、土壤固化劑墻體等。美國(guó)《工程新聞》稱之為30世紀(jì)的偉大發(fā)明創(chuàng)造之一，日本稱之為21世紀(jì)的新材料。

目前，對(duì)固化土的研究集中在其抗壓強(qiáng)度、抗?jié)B和抗凍性能方面，而且主要集中在對(duì)土壤固化劑在集雨工程技術(shù)體系，特別是集流面建設(shè)中的應(yīng)用的研究。吳普特等［6］利用土壤固化劑發(fā)明了一種坡地集流面的制備方法。馮浩等［7］研究認(rèn)為，固化劑集流面的集流效率可以超過(guò)78%，建造成本僅為混凝土集流面的1／3～1／2。高建恩等［8］提出了固化劑集流面的減糙增流技術(shù)。李少斌等［9］認(rèn)為通過(guò)在固化劑集流面表面噴灑防水劑可以將集流效率有效提高10%以上。樊恒輝等［10］提出了固化劑集流面設(shè)計(jì)方法以及干硬性施工工藝。陳濤等［11］對(duì)固化土的滲透特性進(jìn)行研究。樊恒輝等［12］對(duì)密度和含水率等因素對(duì)固化土無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度的影響進(jìn)行過(guò)研究，但是對(duì)于影響土壤固化劑集流面的劈裂抗拉強(qiáng)度這一重要施工參數(shù)尚未進(jìn)行深入的研究。

固化土由于其具有干縮特性，會(huì)使土體產(chǎn)生裂縫［13］，從而降低其抗壓強(qiáng)度和抗?jié)B、抗凍性能，在一定程度上限制了推廣應(yīng)用。劈裂抗拉強(qiáng)度作為一項(xiàng)基本的力學(xué)性能指標(biāo)，是靜力和動(dòng)力力學(xué)分析計(jì)算中不可或缺的一項(xiàng)重要內(nèi)容，因此，對(duì)固化土體的劈裂抗拉強(qiáng)度的研究具有重要的實(shí)際意義。本文以MBER土壤固化劑［14－15］為研究對(duì)象，采用水泥土作為對(duì)照，通過(guò)測(cè)定固化土、水泥土的劈裂抗拉強(qiáng)度，討論劑量、含水率及齡期等因素對(duì)固化土劈裂抗拉強(qiáng)度的影響。

1 材料與方法

1．1 試驗(yàn)材料

MBER土壤固化劑是由水泥熟料及核心原料等材料混合磨細(xì)而制成的一種粉末狀材料，屬于一種環(huán)保型的無(wú)機(jī)膠凝材料，在常溫下可固結(jié)一般土體，具有固結(jié)強(qiáng)度高、耐久性強(qiáng)、變形小及使用范圍廣等特點(diǎn)［16］。試驗(yàn)土樣選取陜西省延安地區(qū)黃土，土樣取自40—200cm深度的土壤，混合風(fēng)干，過(guò)5mm篩。延安地區(qū)土樣的物理性質(zhì)如表1所示。

表1 延安地區(qū)土樣的物理性質(zhì)

1．2 試驗(yàn)方案

為了確定延安黃土樣的最優(yōu)含水率和最大干密度，按照《土工試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》（GB－T50123－1999）進(jìn)行擊實(shí)試驗(yàn)，試驗(yàn)采用輕型擊實(shí)試驗(yàn)儀，擊實(shí)試驗(yàn)的單位體積擊實(shí)功約為592．2kJ／m3，分3層擊實(shí)，每層25擊。以含水率為橫坐標(biāo)，以干密度為縱坐標(biāo)，繪制含水率（w）—干密度（ρ）曲線，曲線的峰值點(diǎn)對(duì)應(yīng)的橫、縱坐標(biāo)分別為最優(yōu)含水率（在一定的擊實(shí)功能下，能使土達(dá)到最大密度所需的含水率，wop）和最大干密度（最優(yōu)含水率相應(yīng)的干密度，ρdmax）。

試驗(yàn)考慮劑量、含水率和齡期3個(gè)影響因素，根據(jù)大量的前期試驗(yàn)，并考慮到實(shí)際應(yīng)用和性能價(jià)格比，選取不同土壤固化劑劑量（6%，9%，12%，15%和18%）和含水率 （12．5%，14．5%，16．5%，18．5%，20．5%），分別養(yǎng)護(hù)7d和28d齡期。試件密度為2．15～2．34g／cm3。

1．3 試件制備及養(yǎng)護(hù)

試件采用靜力壓實(shí)法制備，即用千斤頂壓制成型，試件尺寸為50mm（直徑）×50mm（高）的圓柱體。具體方法：試件制備前按一定含水率將風(fēng)干土和水混合，混合完成后將土樣放入封閉容器內(nèi)浸潤(rùn)24h；將已配好的定量土壤固化劑（水泥）加入土中拌合均勻；拌合完成后的固化土樣（水泥土樣）在1h內(nèi)用千斤頂壓制成型［17］。試件成型后放入養(yǎng)護(hù)室內(nèi)進(jìn)行養(yǎng)護(hù)。試件標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)條件為（20±2）℃，相對(duì)濕度＞95%。養(yǎng)護(hù)期的最后一天將試件浸泡在水中，水面高出試件頂部約2．5cm。浸水24h后將試件從水中取出，用軟布吸去表面可見(jiàn)自由水，并測(cè)量試件質(zhì)量。

1．4 測(cè)試方法

劈裂拉伸試驗(yàn)時(shí)，在試件上下方向各放置1個(gè)墊條，墊條截面為3mm×3mm。采用微機(jī)液壓萬(wàn)能材料試驗(yàn)機(jī)（YAW－4206）對(duì)試件施加荷載，初始荷載從10～15N開(kāi)始，荷載每級(jí)初期為5～10N，后期為10N，直至破壞。

劈裂抗拉強(qiáng)度采用式（1）計(jì)算［18］：

式中：fts——劈裂抗拉強(qiáng)度（MPa）；D——圓柱體直徑（mm）；L——試件邊長(zhǎng)（mm）；F——破壞荷載（kN）。

2 結(jié)果與分析

2．1 MBER土壤固化劑劑量對(duì)固化土劈裂抗拉強(qiáng)度的影響

由圖1可以看出，在齡期相同的情況下，固化土、水泥土的劈裂抗拉強(qiáng)度均隨劑量的增大而增大，且在劑量為18%時(shí)達(dá)到強(qiáng)度最大值。對(duì)相同齡期條件下2種試件比較，7d齡期時(shí)，6%的固化土強(qiáng)度比水泥土低50%，9%的固化土強(qiáng)度比水泥土高60%，12%的固化土比水泥土高24%，15%的固化土強(qiáng)度比水泥土高19%，18%的固化土強(qiáng)度比水泥土高7%；28d齡期時(shí)，6%的固化土強(qiáng)度比水泥土低0．7%，9%的固化土強(qiáng)度比水泥土高26．3%，12%的固化土強(qiáng)度比水泥土高47．4%，15%的固化土強(qiáng)度比水泥土高13．3%，18%的固化土強(qiáng)度比水泥土高22．9%。這是由于隨著時(shí)間的增長(zhǎng)，導(dǎo)致固化劑加入土體中引起顆粒間空隙減小體積縮減的同時(shí)，H2O和CO2被固化成固相，質(zhì)量增加，使得固化土體系密度增大，強(qiáng)度提高，劈裂抗拉強(qiáng)度提高。在實(shí)際應(yīng)用中，過(guò)多的固化劑用量在經(jīng)濟(jì)上不合理，在效果上也不一定顯著，所以應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況取較為合適的固化劑用量。

圖1 劑量對(duì)劈裂抗拉強(qiáng)度的影響

對(duì)固化土28d強(qiáng)度曲線進(jìn)行最小二乘法回歸分析，求出劑量與抗壓強(qiáng)度的變化關(guān)系，根據(jù)此公式可以預(yù)測(cè)固化土的強(qiáng)度：

式中：P——劈裂抗拉強(qiáng)度（MPa）；m——?jiǎng)┝俊?/p>

由式（2）可以看出，固化土的劈裂抗拉強(qiáng)度與劑量基本成二次非線性關(guān)系，且在劑量為18%左右達(dá)到最大值，與試驗(yàn)結(jié)果基本相符。因此，在齡期相同時(shí)，固化土強(qiáng)度總體強(qiáng)于水泥土。根據(jù)“經(jīng)濟(jì)、高效、耐久”的原則和實(shí)際施工要求［19］，認(rèn)為固化劑集流面的劑量選擇12%為宜，養(yǎng)護(hù)齡期不少于7d。

2．2 含水率對(duì)固化土劈裂抗拉強(qiáng)度的影響

由圖2可以看出，含水率在14．0%～16．5%時(shí)，固化土劈裂抗拉強(qiáng)度隨含水率的增加而增加；當(dāng)含水率在16．5%～20．5%時(shí)，固化土劈裂抗拉強(qiáng)度隨含水率的增加呈降低趨勢(shì)。含水率為16．5%時(shí)，劈裂抗拉強(qiáng)度最大。水泥土的劈裂抗拉強(qiáng)度變化趨勢(shì)與固化土類似，但總體上略小于固化土強(qiáng)度。

試驗(yàn)表明，在固化土摻水初期，無(wú)水的水泥熟料礦物轉(zhuǎn)變?yōu)樗锱c空氣中的CO2發(fā)生反應(yīng)生成碳酸鹽，提高了固化土的強(qiáng)度，使劈裂抗拉強(qiáng)度增加。含水率過(guò)大會(huì)使土壤固化劑有效成分流失而很難形成穩(wěn)定均勻的固化土，固化土的劈裂抗拉強(qiáng)度因此會(huì)大大降低。實(shí)際應(yīng)用中，由于含水率過(guò)低，固化土樣不飽和，固化劑有效成分利用率低，影響固化土的劈裂抗拉強(qiáng)度，所以取最優(yōu)含水率利于控制。

圖2 不同含水率對(duì)劈裂抗拉強(qiáng)度的影響

2．3 齡期對(duì)固化土劈裂抗拉強(qiáng)度的影響

從圖3—4可以看出，隨著齡期的增長(zhǎng)，固化土和水泥土的劈裂抗拉強(qiáng)度均有不同程度的增大，其中以固化土相同劑量對(duì)比，其強(qiáng)度的增幅為11．5%，50%，8%，36%，43%，相比7d強(qiáng)度，固化土的28d強(qiáng)度有了較大提高。

圖3 齡期對(duì)固化土劈裂抗拉強(qiáng)度的影響

圖4 齡期對(duì)水泥土劈裂抗拉強(qiáng)度的影響

3 因素的影響效果分析

通過(guò)以上分析可以看出，在其他條件相同的情況下，劑量的變化對(duì)固化土的劈裂抗拉強(qiáng)度增幅最大可提高47．4%，含水率的變化對(duì)固化土的劈裂抗拉強(qiáng)度最大可以提高10%，齡期的變化對(duì)固化土的劈裂抗拉強(qiáng)度可以提高36%，3種因素比較，劑量對(duì)固化土的影響效果最為明顯。

4 結(jié) 論

（1）MBER固化土的劈裂抗拉強(qiáng)度在0．08～0．43MPa，水泥土的劈裂抗拉強(qiáng)度在0．09～0．35 MPa，固化土劈裂抗拉強(qiáng)度強(qiáng)度總體上比水泥土略大。

（2）固化土和水泥土的劈裂抗拉強(qiáng)度隨著劑量和齡期的增加而增大，在含水率為最優(yōu)含水率時(shí)達(dá)到最大值。

（3）在含水率較低時(shí)，固化土的劈裂抗拉強(qiáng)度隨著含水率的增加而增大，當(dāng)含水率達(dá)到一定水平時(shí)固化土的劈裂抗拉強(qiáng)度隨著含水率的增加而減小。實(shí)際應(yīng)用中取最優(yōu)含水率利于控制。建議固化土工程施工過(guò)程中，將固化土的含水率控制在最優(yōu)含水率附近進(jìn)行施工，并且至少養(yǎng)護(hù)7d，確保固化土的性能充分發(fā)揮。

（4）在本文研究的影響固化土的劈裂抗拉強(qiáng)度3種因素中，劑量對(duì)固化土劈裂抗拉強(qiáng)度的影響最大，在施工時(shí)應(yīng)尤為注意對(duì)固化劑劑量的控制。

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