土壤固化技術(shù)及在戈壁土墻體建造中的試驗

吳樂天，宋兵偉，馬皓誠，史慧鋒

（1.新疆農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)機(jī)械化研究所，新疆 烏魯木齊830091；2.新疆設(shè)施農(nóng)業(yè)工程與裝備工程技術(shù)研究中心；3、農(nóng)業(yè)部林果棉與設(shè)施農(nóng)業(yè)裝備科學(xué)觀測實驗站；4.新疆農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)工程公司）

土壤固化技術(shù)及在戈壁土墻體建造中的試驗

吳樂天1,3，宋兵偉2,4，馬皓誠1,2，史慧鋒3※

（1.新疆農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)機(jī)械化研究所，新疆 烏魯木齊830091；2.新疆設(shè)施農(nóng)業(yè)工程與裝備工程技術(shù)研究中心；3、農(nóng)業(yè)部林果棉與設(shè)施農(nóng)業(yè)裝備科學(xué)觀測實驗站；4.新疆農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)工程公司）

本文介紹土壤固化技術(shù)的國內(nèi)外研究發(fā)展現(xiàn)狀，淺析了土壤固化技術(shù)在設(shè)施農(nóng)業(yè)戈壁土墻體的應(yīng)用效果，解決了日光溫室墻體建設(shè)中出現(xiàn)的承重能力低、沙體坍塌等諸多問題，為日光溫室墻體耐久性開辟了新的技術(shù)途徑，為日光溫室墻體建筑提供了新的構(gòu)筑理念和構(gòu)造方法。

土壤固化技術(shù)；設(shè)施農(nóng)業(yè)；土壤固化劑；應(yīng)用

1 引言

新疆戈壁、鹽堿、荒漠地等和短期內(nèi)難以開發(fā)利用的土地面積為0.9億hm2，占全疆總面積的54.91%，是全國土地利用率最低的省區(qū)?！笆濉币詠硇陆O(shè)施農(nóng)業(yè)發(fā)展重點逐步向非耕地轉(zhuǎn)移，非耕地設(shè)施農(nóng)業(yè)主要是利用沙漠、戈壁灘、鹽堿地、旱沙地、荒山荒坡等不適于耕作的土地進(jìn)行溫室生產(chǎn)，在新疆阿圖什、阿克陶和和田等地紛紛建設(shè)了以戈壁、粗砂、礫石等非耕墻體建材的戈壁型、沙漠型日光溫室，但在溫室建設(shè)和使用過程中出現(xiàn)了墻體粘合力差、承重能力低、沙體坍塌等諸多問題。土壤固化技術(shù)是通過調(diào)節(jié)土壤中的膠質(zhì)和有機(jī)質(zhì)比例，改變土壤的工程性質(zhì)，增加土體的整體性，使其強度增強。多年來土壤固化技術(shù)被廣泛應(yīng)用于建筑基礎(chǔ)、公路建設(shè)、堤壩工事、井下作業(yè)、石油開采、垃圾填埋、防塵固沙等多種領(lǐng)域。

2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

2.1 不同土壤固化劑的研究與發(fā)展

早在20世紀(jì)70年代，美國、日本等國家就已經(jīng)開始對土壤固化技術(shù)進(jìn)行深層次研究后，研發(fā)出土壤固化劑(Soil Stabilizer)，一種專門用來改善和提高土壤工程技術(shù)性能的復(fù)合材料[1]。我國的土壤加固技術(shù)的研究起步較晚，從20世紀(jì)80年代起，引進(jìn)國外土壤固化技術(shù)，但土壤固化穩(wěn)定材料仍然以水泥、石灰、粉煤灰或者這些材料簡單的混合物為主，到1994年從日本引進(jìn)了無公害高性能土壤固化劑，深受廣大人員的認(rèn)可[2]，并在吸收國外經(jīng)驗的基礎(chǔ)上，針對我國的土質(zhì)狀況，開始了系統(tǒng)而深入的土壤固化劑工作研究。目前，我國多家科研院所和大專院校也逐步開展了土壤固化劑研究，武漢大學(xué)、化工部晨光化工研究院、北京中土奧特賽特科技公司和西北農(nóng)林科技大學(xué)等。

土壤固化劑按形態(tài)分為液體土壤固化劑、粉體土壤固化劑；按成分可分為石灰水泥類無機(jī)固化劑、礦渣類干粉土壤固化劑、高聚類離子土壤固化劑、有機(jī)酶蛋白土壤固化劑、有機(jī)無機(jī)結(jié)合的固化劑。土壤固化劑既能夠充分利用當(dāng)?shù)厮临Y源又是一種價格低廉的新型建筑材料，因此，世界各地土壤固化劑品牌應(yīng)運而生。美國生產(chǎn)的帕爾瑪固化酶，Soilorkc，EN-1等土壤固化劑，澳大利亞開發(fā)的Roadbond、Roadpaeker，日本的UKC公司等[3]。國外學(xué)者在研究土壤固化劑時，對象和思路比較寬，會針對不同土質(zhì)研發(fā)不同的土壤固化劑，如Medina等用磷酸加固紅土[4]，Tomohias等用混凝土粉末、紙漿渣、粉煤灰和火山灰土加固處理含水量高和有機(jī)質(zhì)含量高的土壤[5[6]。而Shirzai，Bell，Nene等人不僅對石灰、水泥、各種添加劑、廢棄物再利用進(jìn)行了研究，而且對菌類加固化劑、昆蟲加固技術(shù)也進(jìn)行了深入的研究。

目前，我國土壤固化劑的研發(fā)主要在無機(jī)類方面，多采用工業(yè)廢料作為主固化劑，添加各種激發(fā)劑配制而成。主固化劑包括粉煤灰、各類礦渣、煤研石或水泥、沸石、石灰等，激發(fā)劑主要包括各種硫酸鹽類、各種酸類和其他無機(jī)鹽，也包含少量的表面活性劑等其他有機(jī)材料。添加無機(jī)類土壤固化劑的固化土性能比較穩(wěn)定，在正常條件下，其性能可保持30～50年基本不變。黃曉明[7]等配制了一種TR型土壤固化劑，以石灰、礦渣、水泥等一種或幾種互配物作為主固化劑，用馬來酸、胡馬酸、碳酸鈉、氟化鈉、氫氧化鈉、硫酸鋁鉀、三乙醇胺和胺基磺酸鹽等作為助固化劑，具備良好的路用性能。彭波等[8]以鋼廠工業(yè)廢渣（水淬渣）為原料，加入少量合成的固態(tài)催化劑，經(jīng)研磨加工制成了一種土壤穩(wěn)定劑，其穩(wěn)定的土壤在無側(cè)限飽水抗壓強度、水穩(wěn)定性、凍穩(wěn)定性、劈裂強度等路用性能方面優(yōu)于石灰固化土?，F(xiàn)在我國在從市場和技術(shù)上相對較優(yōu)勢的品牌有美國路邦、愛普路德、派爾嗎酶、耕保土壤固化劑、億路TG、天津天環(huán)、土固精Toodoog、臺灣第一綠能、昌圣環(huán)保、云南綠筑、吉林中路等。

2.2 土壤固化技術(shù)的應(yīng)用研究

美國和加拿大在利用土壤固化技術(shù)建設(shè)道路上有很多成功的例子，還有像德國、澳大利亞等國也處在研究的前列。近年來，國外的土壤固化劑的應(yīng)用領(lǐng)域不斷的得到拓寬，不僅應(yīng)用在道路、港口、機(jī)場、水利等工程，而且還應(yīng)用到固化有毒害的污染廢棄物等方面[9～11]。

我國雖然起步較晚，土壤固化技術(shù)主要應(yīng)用在道路路基、地基加固等方面[12～15]，同時也應(yīng)用到了公路交通、環(huán)境治理、湖渠防滲等生產(chǎn)第一線。莊中霞結(jié)合廣東省中小型水庫土壩加固工程，引進(jìn)土料固化技術(shù)進(jìn)行現(xiàn)場測試，工程應(yīng)用試驗表明，添加土料固化劑可提高堤壩的防滲、抗壓等性能。曾偉麗[16]在其論文中闡述了利用ISS來加固滑帶土的方法，不僅可以增強土體的抗剪強度，提高滑坡的穩(wěn)定性，達(dá)到綜合治理滑坡的目的，還可以降低工程造價，提高滑坡治理有效性。單志杰、劉月梅、張麗萍、耿軼軍、盧雪松、雷雯等人分別對EN-1固化劑對黃土邊坡、紅砂巖、武漢紅色粘土、滑坡滑帶土的作用機(jī)理進(jìn)行了研究[17～20]。劉仁釗[21]對不同固化劑作用下的淤泥改良進(jìn)行了研究，總結(jié)了土壤固化劑的研究進(jìn)程和現(xiàn)狀，分析不同種類固化劑對淤泥固化過程的影響，提出固化淤泥的對策，通過試驗確定了針對游泥的固化劑最優(yōu)配方，從宏觀和微觀兩個層面反映和驗證此配方的加固效果。

2.3 固化劑固化機(jī)理

土壤固化劑固化機(jī)理與土壤混合后通過一系列物理化學(xué)反應(yīng)來改變土壤的工程性質(zhì)，能將土壤中大量的自由水以結(jié)晶水的形式固定下來，使得土壤膠團(tuán)表面電流降低，膠團(tuán)所吸附的雙電層減薄，電解質(zhì)濃度增強，顆粒趨于凝聚，體積膨脹而進(jìn)一步填充土壤孔隙，在壓實功的作用下，使固化土易于壓實和穩(wěn)定，從而形成整體結(jié)構(gòu)，并達(dá)到常規(guī)所不能達(dá)到的壓密度。經(jīng)過土壤固化劑處理過的土壤，其強度、密實度、回彈模量、彎沉值、CBR、剪切強度等性能都得到了很大的提高。

掌握固化劑固化機(jī)理對新型固化劑研發(fā)和針對不同固化土體配制相應(yīng)的固化劑的工程實踐具有重要的意義。樊恒輝闡明土壤固化機(jī)理中物理力學(xué)過程直接影響固化土壤的密度和土壤固化劑在土體中的均勻性，對強度的形成具有非常重要的作用。楊西鋒等證實了經(jīng)固化劑固化鹽漬土后，土體的抗壓強度與抗剪強度均有明顯提高。周永祥等認(rèn)為隨著固化劑摻量的增加，固化土由塑性向彈塑性及脆性特征演化，抗壓強度增加[22]。

3 固化技術(shù)在戈壁土墻體建造中的試驗

3.1 試驗溫室介紹

此次試驗示范溫室位于新疆克孜勒蘇柯爾克孜自治州阿克陶縣現(xiàn)代農(nóng)業(yè)園區(qū)，溫室后墻采用磚砌體+回填砂土的組合墻體模式（240mm厚磚墻+700mm厚固化砂土+240mm厚磚墻+150mm厚模塑聚苯板），墻體厚度1330mm，后墻總高度4.65m，地下-1.2 m，地上3.45m；完成±0.00點以下墻體砌筑后，進(jìn)行連砂石回填，溫室后墻底部填入原有砂石不作固化處理，后墻填充材料（砂土固化），砂石材料中剔除直徑大于300mm的石塊，按重量比摻入土壤固化劑。

3.2 試驗方法

本試驗采用的固化砂土是由示范點原狀土與固化劑、硅酸鹽325水泥以及生石灰加水?dāng)嚢枭傻囊环N類似混凝土形式的砂土。首先將固化劑與水泥、生石灰按照一定比例混合，形成固化母料，然后將母料與當(dāng)?shù)馗瓯谕脸浞只旌?，并加入適當(dāng)?shù)乃?/p>

固化劑混合各部分質(zhì)量比例為固化劑:硅酸鹽325水泥:生石灰=1∶10∶2

3.2 結(jié)果與分析

固化劑母料與戈壁砂石料混合比例為母料∶戈壁料=5∶95，按照固化劑5%的配比制作試件，樣品試件為長寬高均為70.7mm的正方形試塊3組，試樣經(jīng)過標(biāo)準(zhǔn)環(huán)境28℃的養(yǎng)護(hù)后在萬能材料試驗機(jī)上測試試塊的抗壓強度（圖1），最終以強度的平均值作為該類固化試驗的強度值，新疆戈壁固化土強度測試結(jié)果如表1所示：

根據(jù)樣品試塊強度曲線圖2中顯示，試塊在受力小于2 kN時產(chǎn)生微小的壓縮變形，當(dāng)受壓力達(dá)到2 kN時出現(xiàn)力聚集節(jié)點，變形位移達(dá)到0.5mm，隨著壓縮力的不斷增加樣品試塊的變形處于持續(xù)上升期，直至達(dá)到最大壓縮力14.99 kN時，樣品試塊破碎產(chǎn)生形變位移1.5mm～1.8mm，此時抗壓強度達(dá)到3.0Mpa。根據(jù)實驗結(jié)果顯示采用固化沙土的技術(shù)方法，可以有效保持土壤凝結(jié)力，從強度上分析，5%固化配比比例使回填土實現(xiàn)自承重，平均3.0Mpa的抗壓強度確保了該固化土在無外力作用下可以完全保持直立，固化后對維護(hù)墻體不會形成側(cè)壓，有效延長了墻體使用壽命。

表1 試件強度測試表

圖1 樣品試件強度試驗

圖2 樣品試塊強度曲線

4 結(jié)語

土壤固化技術(shù)在設(shè)施農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用，為日光溫室墻體耐久性開辟了新的技術(shù)途徑。通過建材粘結(jié)和易性試驗，改善土壤中膠質(zhì)及有機(jī)質(zhì)比例，降低濕度對土質(zhì)膨脹系數(shù)的影響，改善水穩(wěn)性，增加強度，降低干縮性，從而改變建材的工程性質(zhì)，在壓實功的作用下，使固化土易于壓實和穩(wěn)定,從而形成整體結(jié)構(gòu)，并達(dá)到常規(guī)所不能達(dá)到的壓密度。使得其強度、密實度、剪切強度等性能都得到提高，從而有效解決墻體承重力，墻體沙化坍塌等現(xiàn)象，延長了墻體使用壽命的同時節(jié)約了溫室工程維護(hù)成本，為日光溫室墻體建筑提供了新的構(gòu)筑理念和構(gòu)造方法，對新疆節(jié)約能耗、發(fā)展低碳農(nóng)業(yè)、保護(hù)和改善生態(tài)環(huán)境具有重要的意義。

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Test of Soil Solidifying Technology and its Application in SoilWall Construction in Gobi Desert

WU Le-tian1,3,SONG Bing-wei2,4,MA Hao-cheng1,2,SH IHui-feng3※

（1.Agriculturalmechanization research institute,Xinjiang Academy of Agricultural Sciences,Urumqi,830091,Xinjiang,China;2. Research Center foragriculturalengineering facilitiesand equipmentEngineering Technology;3.Scientific observing and experimental station of forest fruit,cotton experimentand facility agriculture,ministry ofagriculture;4.Agricultural Engineering Company,Xinjiang Academy ofAgricultural Sciences.）

Thispaper introduces the development statusquo of domestic and foreign researcheson soil solidifying technology, briefly analyzes the application resultsof soil solidifying technology in the facility agriculture and soilwall construction in Gobi Desert,and solves various problems occurred during the construction of solar greenhouse walls,such as low bearing capacity and collapseofsand body,which hasdeveloped new technicalapproach to improve the durability ofsolargreenhousewallsand provided new construction conceptandmethod for construction ofsolargreenhousewalls.

Soilsolidifying technology;Facility agriculture;Soilstabilizer;Application

10.13620/j.cnki.issn1007-7782.2016.05.009

S625.1

A

1007-7782（2016）05-0033-04

2016-09-29

新疆農(nóng)業(yè)科學(xué)院青年基金項目（xjnkq-2015029），公益性行業(yè)（農(nóng)業(yè)）科研專項（201203002）

史慧鋒