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土壤固化剂对不同土质固化性能影响的试验研究

%~50%;②结构性强,呈现架空结构;③具有垂直节理,在天然情况下能经常保持垂直边坡[6];

④黄土的颗粒组成中绝大多数颗粒均小于0.25 mm,而且是以粉土颗粒(0.05~0.005 mm)为主;

⑤各地黄土的主要化学成分基本上是稳定的,主要有:SiO2占60%左右,Na2O和Al2O3约10%。当用黄土作渠基和集雨场时,将黄土扰动粉碎后掺加土壤固化剂,固化剂的作用机理和实际效果与其它土质相比是有差异的,本文主要从不同土质掺加WH型土壤固化剂后的物理力学性能的差异对比来探讨土壤固化剂对黄土的固化作用。3试验材料与方法3.1试验原材料土壤固化剂采用由中国水科院和北京杰奥泰克水利工程公司开发的WH型高效土壤固化剂,目前在工程上应用较广泛。该固化剂为液态固化剂,属于离子类固化剂,其主要成分为CaO、SiO2、Al2O3;黄土取自陕西杨凌国家农业高新技术产业示范区,属粉质粘土;水泥为“天柱”牌32.5普硅水泥。3.2试验方法和步骤按照实际工程中不同土壤使用WH型土壤固化剂资料来设计试验配比[7]。先将黄土料粉碎,与掺和的土壤固化剂或水泥拌和均匀,然后分层喷洒固化剂,再用不同的试模制成固化土试件并进行标准养护,到达一定龄期后进行试验研究,比较与其它土质固化效果的异同点。4固化黄土的主要物理力学性质4.1固化黄土的击实试验研究对于WH型离子类固化剂,试验前先用水稀释成1∶200的稀释液,然后根据不同含水量和固化剂最佳掺量要求与黄土(或水泥)混合配制出试验混合料,并分层搅拌,保湿静置24 h后进行击实试验。采用轻型击实仪确定固化土混合料的最大干密度和最优含水量。击实锤重2.5 kg,锤落高30.5cm,分三层击实,每层击25下,击实功为592.2 kJ/m3。杨凌黄土的击实成果为最优含水量17.8%,最大干密度1.74 g/cm3,而水泥土的试验结果是最优含水量16.5%,最大干密度1.72 g/cm3;据有关文献[8],对于北京地区的褐土(亚粘土)试验实测得到最优含水量13.8%,最大干密度1.80 g/cm3。4.2固化黄土的强度试验研究本试验研究采用的试件为Φ10×10 cm圆柱体试件,按照《公路工程无机结合料稳定材料试验规程》(JTJ057—94)中无侧限抗压强度试验标准成型,利用双向静压法将土压实,拆模后塑封养护,到达规定龄期后进行抗压试验。经试验杨凌固化黄土在28 d龄期饱水时的无侧限抗压强度达3.34MPa,而9%水泥含量的纯水泥土为1.78 MPa,前者比后者高1.9倍;北京褐土(亚粘土)的平均饱水时固化土的无侧限抗压强度达3.12 MPa,其实测压实度可达97%[9]。4.3固化黄土的抗冻试验研究成型的固化黄土试件养护到规定龄期后,饱水24 h后,称其初始重量,然后按照《水工混凝土试验规程》(DL/T5150-2001)的要求,放在试验冰柜中进行慢冻试验。即从-18℃~20℃以12 h的时间间隔反复冻结融化,直至试件的重量损失率超过5%或抗压强度损失大于25%时停止试验,这时可认为固化黄土试件已冻融破坏。对于WH型土壤固化剂,经过试验可得到其固化黄土的最大抗冻等级为F18,比单掺9%水泥的水泥土高的多[10]。相比在江西红土地区,掺加WH 型土壤固化剂后少数试件表面出现微膨胀,抗冻等级仅能达到F14。4.4固化黄土的抗渗试验在45℃的温度下将固化黄土试件烘干至恒重,然后按混凝土抗渗试验方法(一次加压法)在土工三轴仪上进行抗渗试验。将各等分点渗水高度的平均值作为该试件的渗水高度。相对渗透系数按下式计算:Kr=αDm22TH式中:Kr—渗透系数,cm/h;Dm—平均渗水高度,cm;H—水压力,以水柱高度表示,cm;T—恒压时间,h;α—混凝土的吸水率,一般为0.03。由试验结果可知,在饱水的环境下,掺加WH型土壤固化剂的黄土,其无侧限抗压强度比掺加其它固化剂的高,而且比9%水泥掺量的水泥土强度高90%。不同土质的固化土物理力学性质见表1。5结论与分析1)黄土和其它土质一样,用WH型土壤固化剂进行固化加固其效果是显著的,值得大范围推广应用。唯一不足的是目前其施工成本较高,据测算,固化土单价200元/m3,相信随着技术的不断改进,成本会有较大降低。230干旱地区农业研究第22卷土壤固化剂对不同土质固化性能影响的试验研究①杜应吉1,2,朱建宏2(1.河海大学土木工程学院,江苏南京2100981;2.西北农林科技大学水建学院,陕西杨凌712100)摘要:为了探讨土壤固化剂对黄土渠基和土质集雨场的固化效果,进行了用于黄土地区WH型土壤固化剂的抗渗、抗冻、击实和无侧限抗压强度等物理力学性能试验,并与其它土质的试验结果进行了比较。

结果发现用WH型土壤固化剂固化后黄土的抗冻和抗渗性能均得到较大提高,认为该土壤固化剂可用于黄土渠基和土质集雨场的防渗加固处理。关键词:土壤固化剂;灌溉;黄土;集雨场中图分类号:TU57文献标识码:A文章编号:1000-7601(2004)04-0229-03土壤固化剂是一种灌溉防渗加固新材料,其发明灵感源于美军在非洲热带丛林中所发现的蚂蚁建造的结构坚固,耐久性良好的“土蚁塔”。通过分析其成分和固化原理,导致土壤固化剂的研制成功。从20世纪70年代开始,土壤固化剂在欧美等国家得到了愈来愈广泛的应用,主要用于公路路基加固和建筑地基处理。国内多年来使用较多的固土材料有石灰、水泥等[1],水泥土有相当的强度和耐水性,但其收缩大、易开裂,成本高且与周围土壤变形协调性差;石灰土强度低,耐水性差,因此使用受到限制。从上个世纪90年代起,我国开始引进和研制土壤固化剂,因其施工简单、适应性强、固化性能良好而得到了初步应用,近年来土壤固化剂用于灌溉渠道防渗的试验研究亦取得了一些进展[2]。土壤固化是指用土壤固化剂按照设计配比掺入松散土体中进行适当养护,固结后形成有适宜的整体强度和良好抗渗抗冻性的人工固化土技术。特别是在砂石较为缺乏地区,某些特定工程情况下利用土壤固化技术是一种经济可行的加固土壤的工程措施[3]。1固化剂的分类及固化原理土壤固化剂的发展很快,目前市售的土壤固化剂主要有以下类型:(1)离子类固化剂。是目前固化效果较理想,工程应用最广泛的土壤固化剂,其溶液的pH值为1.25,呈酸性,棕褐色水溶性液体。用水稀释后迅速离子化,使溶液呈高导电性。(2)胶体类固化剂。这是最早出现的高分子化合物类土壤固化剂,按设计配比掺入水中形成水溶液,再加入土壤中固化后形成胶结体,具有较高的早期强度和耐久性,但随着时间和工程环境的改变,其耐久性和强度会有所下降。(3)生物酶类固化剂。通过研究蚂蚁唾液,由人工合成的生物酶制成的土壤固化剂,少量应用于工程[4]。离子类土壤固化剂一般是液状水溶性材料,是由若干强离子试剂制成的混合液。当固化剂与土壤混合后,会发生一系列的物理化学反应,固化剂的成分具有很强的脱水性,将过多的水分在反应中脱掉,进而生成钙矾石(AFt),土壤中大量自由水以结晶水的形式固定下来,利用土壤固化剂中离子之间的相互作用来改变土壤的表面电荷特性,降低土壤的吸水率,有效破坏土壤颗粒的吸附水膜,同时这种水化反应生成的结晶体使得材料的体积增加,土壤承载力就会得到提高;土壤固化剂有效地填充土粒之间的孔隙,使固化土致密,若脱掉或降低水分使其结构紧密,从而有利于土体的压实,提高了土壤密度,压实后的土体会降低再吸水的能力[5],使抗压、抗渗、抗硫酸盐侵蚀等性能有大的提高。固化后的粘土具有水稳定性和强度稳定性。2黄土的固化特点黄土是广泛分布于我国西北地区的主要土壤类型。由于黄土(尤其是马兰黄土)和其它土壤相比,具有以下特点:①具有大孔隙性和多洞性,孔隙率一般①收稿日期:2004-08-06基金项目:国家863高技术研究发展计划(2002AA2Z4131)作者简介:作者简介:杜应吉(1963-),男,陕西咸阳人,副教授,博士研究生,主要从事材料耐久性研究。表1不同土质的固化土物理力学参数试验结果Table 1Test results of physical and mechanical parameter on solidifying soil of different type土质Soil quality最大干密度Max drydensity(g/cm3)最优含水量Optimummoisture(%)无侧限抗压强度Unconfinedcompressivestrength(MPa)抗冻等级Frost resistance class渗透系数Seepage factor(cm/s)黄土Loess 1.74 17.8 3.34 F18 1.8×10-7红土Laterite 1.90 17.3 10 F14 1.0×10-7褐土/Brown soil 1.80 13.8 3.12 F6 2.8×10-7水泥土Cement soil 1.71 16.5 1.78 F5 8.6×10-62)通过击实试验可知,最大干密度从大到小排序是江西红土、北京褐土、陕西黄土和水泥土,而北京褐土和水泥土的最优含水量亦比陕西黄土为小。究其原因可能与黄土的架空结构和内部成分的特殊性有关。3)从无侧限抗压强度试验结果分析,陕西黄土的最大干密度不大,但其无侧限抗压强度却比北京褐土大,也远比9%的水泥土强度大。从固化土的抗冻试验结果来看,固化黄土的抗冻等级达到F18,抗冻性能比北京褐土好,而掺加9%水泥的水泥土仅达到F5。

4)固化土的抗渗试验表明,陕西黄土的渗透系数较北京褐土的渗透系数小,而水泥土的渗透系数高达8.6×10-6cm/s,这说明固化黄土的抗渗性较好,可用于灌溉渠道防渗。综上所述,固化黄

土的最大干密度虽然不大,但其无侧限抗压强度和抗冻抗渗性能比其它土质为好。WH型离子固化剂可用作黄土地区灌溉渠道渠基和土质集雨场的加固处理。参考文献:[1]邵仁建,章伟平.土壤固化剂在渠道防渗工程中的应用[J],江西水利科技,2002,28(2):81-85.[2]黄志军.冻融条件下奇极土壤固化剂改良土性能研究[J].兰州铁道学院学报,2003,(4):5-9.[3]刘凤梧,董峰亮.土壤固化剂在道路基层中的应用[J].市政技术,2003,21(5):308-309.[4]段汝文,王峻.黄土的物理力学与黄土易损性分析研究[J].西北地震学报,1997,19(3):81-85.[5]孟德光.土壤固化剂在高速公路软基处理中的试验研究[J].地基处理,2003,14(2):18-23.[6]关文章.湿陷性黄土工程性能新篇[M],西安:西安交通大学出版社,1990,6:1-29.[7]伍宁德.离子土壤固化剂在广元快速干线工程中的应用[J].广东公路交通,2003,(2):39-41.[8]王慧,朱步祥.渠道防渗新材料—土壤固化剂及其应用[J].节水灌溉,2000,(6):35-36.[9]朱步祥,王慧.土壤固化剂在葛沟灌区节水改造工程中的应用[J].水利水电科技进展,2002,22(1):41-43.[10]韩苏建.固化土性能试验研究[R].水利部西北水利科学研究所,2001,7Impact on soil solidifying agent to different soil characteristicsDU Ying-ji1,2, ZHU Jian-hong2(1.College of Civil Engineering,Hehai University,Nanjing210098,China;2.College of Water Resources and Architectural Engineering,Northwest Sci-TechUniversity of Agriculture&Forestry,Yangling,Shaanxi712100,China)Abstract: The physical and mechanical properties including impermeability, frost resistance, andunconfined compressive strength of loess solidified by WH solidifying agent are researched to discuss thesolidifying effect to loess cannel basement and rainwater gathering field. Compared with the other soilexperiments, the properties of impermeability and frost resistance of loess solidified by WH solidifyingagent are improved notably. Therefore, this agent could be applied to the impermeable consolidationprocessing of loess cannel basement and rainwater gathering field.Key words: soil solidifying agent; irrigation; loess; rainwater gathering field231第4期杜应吉等:土壤固化剂对不同土质固化性能影响的试验研究

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