堿礦渣粉固化沙漠土力學(xué)性能及耐久性能研究

閏林 何晶 何建新 楊海華

摘要：結(jié)合新疆古爾班通古特沙漠環(huán)境特性，通過(guò)固化沙漠土擊實(shí)試驗(yàn)、干濕循環(huán)試驗(yàn)以及凍融循環(huán)試驗(yàn)，研究其力學(xué)性能和耐久性能。結(jié)果表明：固化沙漠土最優(yōu)堿礦渣粉固化劑摻量為l4%，最優(yōu)含水率為10%，此時(shí)最大密度為2.09 g/cm³，28 d抗壓強(qiáng)度為6.34 MPa。固化沙漠土28 d無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度隨干濕循環(huán)次數(shù)的增多而增大，干濕循環(huán)9次時(shí)強(qiáng)度最大（8.67 MPa），比標(biāo)準(zhǔn)試樣減小27.9%，之后無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度逐漸降低。固化沙漠土無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度隨凍融循環(huán)次數(shù)的增加而增大，當(dāng)凍融循環(huán)5次后增幅趨于平緩，凍融循環(huán)7次后強(qiáng)度隨齡期的增大逐漸減小，9次凍融循環(huán)后的強(qiáng)度為7.8 MPa（標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)試樣的80.4%）。

關(guān)鍵詞：堿礦渣粉固化劑;沙漠土;無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度;干濕循環(huán)：凍融循環(huán)

中圖分類號(hào)：S157.2

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

doi：10.3969/j.issn. 1000-1379.2019.05 .019

土地沙漠化和水土流失是破壞生態(tài)環(huán)境、加劇自然災(zāi)害的兩大根源，由此引起的一系列生態(tài)問(wèn)題正不斷地威脅人類的生存環(huán)境和生命財(cái)產(chǎn)安全[1-3]。因此，通過(guò)行之有效的工程技術(shù)措施改善生態(tài)環(huán)境和加強(qiáng)環(huán)境保護(hù)刻不容緩，目前國(guó)內(nèi)外已有大量針對(duì)固化土和沙漠土的相關(guān)研究[4-6]。李馳等[7]通過(guò)無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)、不固結(jié)不排水抗剪強(qiáng)度試驗(yàn)和電鏡掃描等方法，研究了含水狀態(tài)、固化劑摻量和養(yǎng)護(hù)齡期對(duì)固化風(fēng)沙土相關(guān)力學(xué)性能的影響規(guī)律，揭示了固化風(fēng)沙土的強(qiáng)度特性及固化機(jī)理。鮑恩財(cái)?shù)萚8]研究了不同摻量的相變固化劑對(duì)風(fēng)沙土和戈壁土抗壓強(qiáng)度的影響，并通過(guò)固化試樣微觀結(jié)構(gòu)的變化規(guī)律，闡明了該固化劑的固化效果和固化機(jī)理。白二雷等[9]通過(guò)大量試驗(yàn)研究了不同種類的堿性化合物對(duì)礦渣粉和粉煤灰的活性激發(fā)效果，并結(jié)合水膠比與凈漿靜態(tài)力學(xué)性能試驗(yàn)，得出最有效的堿激發(fā)劑為復(fù)摻的NaOH和Na2Si04。何晶[10]采用正交試驗(yàn)和極差分析法研究了不同摻量粉煤灰、堿激發(fā)劑、燒黏土及不同種類堿激發(fā)劑等因素對(duì)礦渣粉砂漿強(qiáng)度的影響規(guī)律，并結(jié)合電鏡掃描法分析了堿礦渣粉固化劑的固化機(jī)制和力學(xué)特性。

上述研究多集中于固化劑固化機(jī)理、固化土體影響因素以及固化土體強(qiáng)度特性等，而對(duì)固化沙漠土實(shí)際應(yīng)用時(shí)的工作環(huán)境和耐久性能涉及較少。我國(guó)西北沙漠地區(qū)冬季雨雪豐富，晝夜溫差大，易形成天然干濕循環(huán)和凍融循環(huán)環(huán)境，因此研究固化沙漠土的抗干濕循環(huán)和抗凍融循環(huán)，對(duì)該材料的發(fā)展和應(yīng)用具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。筆者結(jié)合新疆古爾班通古特沙漠環(huán)境特性和固化沙漠土實(shí)際特點(diǎn)，探究固化沙漠土的力學(xué)性能和耐久性能，以期為遏制沙漠侵蝕、保護(hù)生態(tài)及資源化沙漠土提供參考。

1 材料及試驗(yàn)方法

1.1 原材料

試驗(yàn)土樣為古爾班通古特沙漠邊緣地表以下1.0-2.0 m深度的沙漠土，粒徑為0.10 - 0.25 mm的顆粒含量較多，屬粗粒沙，級(jí)配不良，不均勻系數(shù)C_u為2.00，曲率系數(shù)C_c為1.45，沙漠土樣的顆粒級(jí)配見(jiàn)表1。土壤固化劑采用堿礦渣粉固化劑，其中：礦渣粉為寶新盛源公司生產(chǎn)的S75級(jí)?；郀t礦渣微粉，粉煤灰為準(zhǔn)東東方希望電廠生產(chǎn)的Ⅱ級(jí)粉煤灰，堿激發(fā)劑為天津致遠(yuǎn)化學(xué)試劑有限公司生產(chǎn)的CaS04.2H20和天津光復(fù)科技發(fā)展有限公司生產(chǎn)的NaOH復(fù)摻組成11]，水泥為新疆天山水泥股份有限公司生產(chǎn)的P.0 42.5級(jí)普通硅酸鹽水泥，水為城市自來(lái)水。

1.2 試驗(yàn)方法

本試驗(yàn)參照《土工試驗(yàn)規(guī)程》（ SL 237-1999）[12]和《普通混凝土長(zhǎng)期性能和耐久性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》（ GB/T 50082-2009）[13]進(jìn)行。堿礦渣固化劑最優(yōu)摻量通過(guò)擊實(shí)試驗(yàn)測(cè)定最大干密度：固化沙漠土的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)采用直徑50 mm、高100 mm的圓柱體（不同含水率下成型3個(gè)），通過(guò)微機(jī)控制電子壓力機(jī)分別測(cè)定試樣3、7、28 d的抗壓強(qiáng)度，加載速率為1 mm/min。標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)28 d的固化沙漠土干濕循環(huán)試驗(yàn)分為兩組：一組為干濕循環(huán)試樣，將試樣置于（45±1）℃的烘箱中烘干24 h，取出冷卻至室溫后，置于（20±1）℃的培養(yǎng)箱浸水養(yǎng)護(hù)24 h為一個(gè)循環(huán);另一組為標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)試樣，養(yǎng)護(hù)溫度為（20±1）℃，試樣制備及養(yǎng)護(hù)方法與無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)相同。固化沙漠土的凍融循環(huán)試驗(yàn)的試樣制備和養(yǎng)護(hù)與上述試驗(yàn)相同，凍融循環(huán)溫度為（-18+1- 20+1）℃，為防止水分流失，試樣用保鮮膜包裹密實(shí)，放進(jìn)冰箱冷凍16 h;融化采用恒溫水箱，持續(xù)時(shí)間為8h。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 堿礦渣固化劑的最優(yōu)摻量和最優(yōu)含水率

2.1.1 擊實(shí)試驗(yàn)法

對(duì)于無(wú)黏性沙漠土，不同含水率下的最大干密度和空隙率是一定的，因此根據(jù)空隙率隨堿礦渣固化劑摻量增大而減小的規(guī)律，通過(guò)擊實(shí)試驗(yàn)即可求解出堿礦渣固化劑最優(yōu)摻量。沙漠土擊實(shí)試驗(yàn)采用電動(dòng)擊實(shí)儀，選定堿礦渣粉固化劑摻量為8%、10%、12%、14%、16%，含水率為8%、9%、10%、11%，12%、13%。將堿激發(fā)劑和水配成溶液，再與拌和均勻的沙漠土和礦渣粉固化劑充分?jǐn)嚢瑁?層裝入擊實(shí)筒，每層擊25下，且層間刨毛，完成擊實(shí)后稱重并計(jì)算密實(shí)度。

由干密度與堿礦渣粉固化劑、含水率關(guān)系（見(jiàn)圖1）可知，無(wú)黏性沙漠土中摻人一定量的堿礦渣固化劑后，擊實(shí)曲線表現(xiàn)出黏性土的特征，每組曲線都存在峰值。當(dāng)堿礦渣粉固化劑摻量為14%、含水率為10%時(shí)，固化沙漠土干密度達(dá)到最大（2.09 g/cm³），比天然沙漠土最大干密度（1.86 g/cm³）增大11.0%。根據(jù)最大密度法和丁樸榮理論公式可知，當(dāng)土的級(jí)配不良時(shí)，其內(nèi)部空隙率較大，結(jié)構(gòu)難以達(dá)到最密實(shí)狀態(tài)，此時(shí)加入堿礦渣粉固化劑和水可發(fā)揮填充作用，減小空隙率，提高固化土的密實(shí)度[14]。固化沙漠土密實(shí)度隨含水率的增大逐漸增大，當(dāng)含水率達(dá)到lO%時(shí)逐漸降低。最大干密度下的不同堿礦渣粉固化劑摻量所對(duì)應(yīng)的最優(yōu)含水率均在10%左右，說(shuō)明堿礦渣粉固化劑摻量對(duì)含水率影響不顯著。故對(duì)于固化沙漠土有最大擊實(shí)密度時(shí)，堿礦渣粉固化劑最優(yōu)摻量為14%，對(duì)應(yīng)最優(yōu)含水率為10%。

2.1.2 固化沙漠土無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度法

固化沙漠土最大干密度時(shí)的含水率不一定是最大強(qiáng)度對(duì)應(yīng)的含水率。為研究不同含水率對(duì)固化沙漠土無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度的影響規(guī)律，根據(jù)固化沙漠土擊實(shí)試驗(yàn)得出固化劑的最優(yōu)摻量，即取堿礦渣粉固化劑的摻量為14%，含水率分別取8%、9%、10%、11%、12%、13%，進(jìn)行無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)。試樣成型后用塑料袋包裹密封，以防止水分蒸發(fā)流失，分別測(cè)定齡期為3、7、28 d的試樣無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度。

由不同齡期試樣無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度與含水率的關(guān)系（見(jiàn)圖2）可知，不同齡期的固化沙漠土無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度隨含水率的增大而增大，在含水率為10%時(shí)出現(xiàn)峰值，即最優(yōu)含水率為10%，與擊實(shí)試驗(yàn)結(jié)果一致。含水率為10%時(shí)，齡期為28 d的試樣無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度最大值為6.34 MPa.比7d和3d的分別增大24. 8%和61 .4%。試驗(yàn)結(jié)果表明：含水率過(guò)小時(shí)，固化沙漠土拌和物不易擊實(shí)，成型試樣孔隙率較大，干密度較小，強(qiáng)度偏低;含水率過(guò)大時(shí)，試樣擊實(shí)時(shí)易泌水，不僅造成堿礦渣粉固化劑流失，而且易在試樣內(nèi)部形成微孔隙，導(dǎo)致強(qiáng)度降低。

2.2 固化沙漠土干濕循環(huán)試驗(yàn)結(jié)果

沙漠地區(qū)氣候環(huán)境惡劣，水分季節(jié)性差異明顯，晝夜溫差較大15].固化沙漠土具有較高的干濕耐久性能。本研究采用的最優(yōu)堿礦渣粉固化劑摻量為14%、最優(yōu)含水率為10%，根據(jù)固化沙漠土干濕循環(huán)后的質(zhì)量損失和無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度損失與干濕循環(huán)次數(shù)的關(guān)系，分析固化沙漠土的耐久性能。

由固化沙漠土干濕循環(huán)試驗(yàn)結(jié)果（見(jiàn)圖3）可知，不經(jīng)歷干濕循環(huán)的標(biāo)準(zhǔn)固化沙漠土試樣無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度隨齡期的增大而增大，在齡期大于34 d（或干濕循環(huán)3次）時(shí)，無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度增幅趨于平緩。干濕循環(huán)試樣的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度隨干濕循環(huán)次數(shù)增加呈先增大后減小的趨勢(shì)，其9次干濕循環(huán)的抗壓強(qiáng)度最大（8.67 MPa），比標(biāo)準(zhǔn)試樣減小27.9%。由圖4可知，固化沙漠土質(zhì)量損失率隨循環(huán)次數(shù)增加先小幅增大，在循環(huán)3次后逐漸減小，循環(huán)9次時(shí)出現(xiàn)最小值.而后增大。上述現(xiàn)象產(chǎn)生的原因是在干縮濕脹的循環(huán)中試樣表層變形較大，在拉應(yīng)力的作用下產(chǎn)生微裂縫，造成部分顆粒脫落流失，無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度隨之降低;隨著干濕循環(huán)下齡期的增大，試樣中未完全水化的固化劑繼續(xù)發(fā)揮作用，使得試樣中殘余孔隙被其水化產(chǎn)物進(jìn)一步膠結(jié)和填充，固化沙漠土試樣孔隙率減小，強(qiáng)度增大，質(zhì)量損失率減小，隨著固化劑水化反應(yīng)終結(jié)，質(zhì)量損失率又逐漸增大。從圖5可以看出，隨著循環(huán)次數(shù)的增加，固化沙漠土強(qiáng)度損失率的增幅先逐漸減小，在干濕循環(huán)達(dá)到9次后又持續(xù)增大，這一規(guī)律與圖4表現(xiàn)一致。

2.3 固化沙漠土凍融循環(huán)試驗(yàn)結(jié)果

固化沙漠土抗凍性能是一項(xiàng)重要的耐久性能指標(biāo)，溫度變化易造成固化沙漠土試樣水分不均勻分布和積聚，使得試樣在內(nèi)外力不平衡的狀態(tài)下出現(xiàn)裂縫，進(jìn)一步加劇凍融侵蝕。結(jié)合新疆地區(qū)氣候特點(diǎn)，本研究采用的凍融循環(huán)溫度為（-18+1- 20+1）℃，試樣制備及養(yǎng)護(hù)與上述試驗(yàn)相同，固化沙漠土養(yǎng)護(hù)28 d后測(cè)定其抗凍性能、質(zhì)量損失率和強(qiáng)度損失率。

由圖6可知，標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)試樣無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度隨齡期的增大而增大，當(dāng)齡期達(dá)到33 d（或凍融循環(huán)5次）后，增幅趨于平緩。凍融循環(huán)試樣無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度變化規(guī)律與標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)試樣相同，但在凍融循環(huán)7次（此時(shí)最大值為8.10 MPa.為標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)試樣的87.1%）后，隨凍融循環(huán)次數(shù)增加無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度逐漸減小，9次凍融循環(huán)后的強(qiáng)度為7.8 MPa（標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)試樣的80.4%）。由圖7可知，在整個(gè)凍融循環(huán)過(guò)程中強(qiáng)度損失率隨循環(huán)次數(shù)的增加而增大，且后期增幅更大。從圖8可以看出，質(zhì)量損失率先隨凍融循環(huán)次數(shù)增加快速增大，在第3次凍融循環(huán)后逐漸降低，至第7次凍融循環(huán)后趨于平穩(wěn)。上述現(xiàn)象產(chǎn)生的原因是，固化沙漠土試樣在冷凍過(guò)程中內(nèi)部產(chǎn)生凍脹作用，使得試樣在拉應(yīng)力作用下產(chǎn)生微裂縫，造成水分?jǐn)U散加快，加劇凍融破壞：隨著水分進(jìn)入試樣內(nèi)部與未完全水化的堿礦渣粉固化劑進(jìn)一步發(fā)生水化反應(yīng)，一定程度上修復(fù)填充了試樣內(nèi)部孔隙和微裂縫，使得膠結(jié)顆粒剝落速率減緩，然而這種修復(fù)并不是持續(xù)的，隨著殘余堿礦渣粉固化劑水化作用終結(jié)，在凍融侵蝕作用下，固化沙漠土質(zhì)量損失繼續(xù)增大，無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度進(jìn)一步減小。3結(jié)論

（1）通過(guò)固化沙漠土擊實(shí)試驗(yàn)和無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)，得出堿礦渣粉固化劑的最優(yōu)摻量為14%，對(duì)應(yīng)的最優(yōu)含水率為10%。

（2）根據(jù)固化沙漠土干濕循環(huán)試驗(yàn)可知，固化沙漠土無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度先隨干濕循環(huán)次數(shù)增加而增大.9次干濕循環(huán)時(shí)達(dá)到最大（8.67 MPa），而后減小。

（3）固化沙漠土抗凍融循環(huán)試驗(yàn)表明，在堿礦渣粉固化劑持續(xù)水化作用下，固化沙漠土無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度隨循環(huán)次數(shù)的增加而先平緩增大，在7次凍融循環(huán)時(shí)達(dá)到最大值（8.10 MPa）后逐漸減小，9次凍融循環(huán)后的強(qiáng)度為7.8 MPa（標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)試樣的80.4%）。

本研究的試驗(yàn)組次相對(duì)較少，所得結(jié)論有一定的局限性，有待采用更高含水率、更多耐久循環(huán)次數(shù)的沙漠現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，進(jìn)一步研究固化沙漠土的力學(xué)性能和耐久性能。

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