土壤固化技術(shù)及在戈壁土墻體建造中的試驗(yàn)

土壤固化技術(shù)及在戈壁土墻體建造中的試驗(yàn)吳樂(lè)天;宋兵偉;馬皓誠(chéng);史慧鋒【摘要】本文介紹土壤固化技術(shù)的國(guó)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(wèn)題，為日光溫室墻體耐久性開(kāi)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.【期刊名稱】《新疆農(nóng)機(jī)化》【年(卷)，期】2016(000)005【總頁(yè)數(shù)】4頁(yè)(P33-36)【關(guān)鍵詞】土壤固化技術(shù);設(shè)施農(nóng)業(yè);土壤固化劑;應(yīng)用【作者】吳樂(lè)天;宋兵偉;馬皓誠(chéng);史慧鋒【作者單位】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;農(nóng)業(yè)部林果棉與設(shè)施農(nóng)業(yè)裝備科學(xué)觀測(cè)實(shí)驗(yàn)站;新疆設(shè)施農(nóng)業(yè)工程與裝備工程技術(shù)研究中心；新疆農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)工程公司;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;新疆設(shè)施農(nóng)業(yè)工程與裝備工程技術(shù)研究中心;農(nóng)業(yè)部林果棉與設(shè)施農(nóng)業(yè)裝備科學(xué)觀測(cè)實(shí)驗(yàn)站【正文語(yǔ)種】中文【中圖分類】S625.1新疆戈壁、鹽堿、荒漠地等和短期內(nèi)難以開(kāi)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(guó)土地利用率最低的省區(qū)。〃十二五”以來(lái)新疆設(shè)施農(nóng)業(yè)發(fā)展重點(diǎn)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(guò)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(wèn)題。土壤固化技術(shù)是通過(guò)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(qiáng)度增強(qiáng)。多年來(lái)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(kāi)采、垃圾填埋、防塵固沙等多種領(lǐng)域。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(guó)、日本等國(guó)家就已經(jīng)開(kāi)始對(duì)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(SoilStabilizer)，一種專門(mén)用來(lái)改善和提高土壤工程技術(shù)性能的復(fù)合材料［1］。我國(guó)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(guó)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(jiǎn)單的混合物為主，到1994年從日本引進(jìn)了無(wú)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(guó)外經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，針對(duì)我國(guó)的土質(zhì)狀況，開(kāi)始了系統(tǒng)而深入的土壤固化劑工作研究。目前，我國(guó)多家科研院所和大專院校也逐步開(kāi)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(wú)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(wú)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(jià)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(yùn)而生。美國(guó)生產(chǎn)的帕爾瑪固化酶，Soilorkc，EN-1等土壤固化劑，澳大利亞開(kāi)發(fā)的Roadbond、Roadpaeker，日本的UKC公司等［3］。國(guó)外卜學(xué)者在研究土壤固化劑時(shí)，對(duì)象和思路比較寬，會(huì)針對(duì)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(duì)石灰、水泥、各種添加劑、廢棄物再利用進(jìn)行了研究，而且對(duì)菌類加固化劑、昆蟲(chóng)加固技術(shù)也進(jìn)行了深入的研究。目前，我國(guó)土壤固化劑的研發(fā)主要在無(wú)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(wú)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(wú)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(lái)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(wú)側(cè)限飽水抗壓強(qiáng)度、水穩(wěn)定性、凍穩(wěn)定性、劈裂強(qiáng)度等路用性能方面優(yōu)于石灰固化土?，F(xiàn)在我國(guó)在從市場(chǎng)和技術(shù)上相對(duì)較優(yōu)勢(shì)的品牌有美國(guó)路邦、愛(ài)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(tái)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(guó)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(guó)、澳大利亞等國(guó)也處在研究的前列。近年來(lái)，國(guó)夕卜的土壤固化劑的應(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(chǎng)、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(guó)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(shí)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(kù)土壩加固工程，引進(jìn)土料固化技術(shù)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試，工程應(yīng)用試驗(yàn)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(lái)加固滑帶土的方法，不僅可以增強(qiáng)土體的抗剪強(qiáng)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(jià)，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(duì)EN-1固化劑對(duì)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(duì)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(duì)淤泥固化過(guò)程的影響，提出固化淤泥的對(duì)策，通過(guò)試驗(yàn)確定了針對(duì)游泥的固化劑最優(yōu)配方，從宏觀和微觀兩個(gè)層面反映和驗(yàn)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(guò)一系列物理化學(xué)反應(yīng)來(lái)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(lái)，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(qiáng)，顆粒趨于凝聚，體積膨脹而進(jìn)一步填充土壤孔隙，在壓實(shí)功的作用下，使固化土易于壓實(shí)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(guò)土壤固化劑處理過(guò)的土壤，其強(qiáng)度、密實(shí)度、回彈模量、彎沉值、CBR、剪切強(qiáng)度等性能都得到了很大的提高。掌握固化劑固化機(jī)理對(duì)新型固化劑研發(fā)和針對(duì)不同固化土體配制相應(yīng)的固化劑的工程實(shí)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(guò)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(duì)強(qiáng)度的形成具有非常重要的作用。楊西鋒等證實(shí)了經(jīng)固化劑固化鹽漬土后，土體的抗壓強(qiáng)度與抗剪強(qiáng)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(qiáng)度增加［22］。3.1試驗(yàn)溫室介紹此次試驗(yàn)示范溫室位于新疆克孜勒蘇柯?tīng)柨俗巫灾沃莅⒖颂湛h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-1.2m，地上3.45m；完成±0.00點(diǎn)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(yàn)方法本試驗(yàn)采用的固化砂土是由示范點(diǎn)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９袒瘎┗旌细鞑糠仲|(zhì)量比例為固化劑:硅酸鹽325水泥:生石灰=1:10:23.2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(zhǎng)寬高均為70.7mm的正方形試塊3組，試樣經(jīng)過(guò)標(biāo)準(zhǔn)環(huán)境28°C的養(yǎng)護(hù)后在萬(wàn)能材料試驗(yàn)機(jī)上測(cè)試試塊的抗壓強(qiáng)度（圖1）,最終以強(qiáng)度的平均值作為該類固化試驗(yàn)的強(qiáng)度值，新疆戈壁固化土強(qiáng)度測(cè)試結(jié)果如表1所示：根據(jù)樣品試塊強(qiáng)度曲線圖2中顯示，試塊在受力小于2kN時(shí)產(chǎn)生微小的壓縮變形，當(dāng)受壓力達(dá)到2kN時(shí)出現(xiàn)力聚集節(jié)點(diǎn)，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14.99kN時(shí)，樣品試塊破碎產(chǎn)生形變位移1.5mm~1.8mm，此時(shí)抗壓強(qiáng)度達(dá)到3.0Mpa。根據(jù)實(shí)驗(yàn)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(qiáng)度上分析，5%固化配比比例使回填土實(shí)現(xiàn)自承重，平均3.0Mpa的抗壓強(qiáng)度確保了該固化土在無(wú)外力作用下可以完全保持直立，固化后對(duì)維護(hù)墻體不會(huì)形成側(cè)壓，有效延長(zhǎng)了墻體使用壽命。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(kāi)辟了新的技術(shù)途徑。通過(guò)建材粘結(jié)和易性試驗(yàn)，改善土壤中膠質(zhì)及有機(jī)質(zhì)比例，降低濕度對(duì)土質(zhì)膨脹系數(shù)的影響，改善水穩(wěn)性，增加強(qiáng)度，降低干縮性，從而改變建材的工程性質(zhì)，在壓實(shí)功的作用下，使固化土易于壓實(shí)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(qiáng)度、密實(shí)度、剪切強(qiáng)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(zhǎng)了墻體使用壽命的同時(shí)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(duì)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?！鞠嚓P(guān)文獻(xiàn)】韓信來(lái).MBER固化土強(qiáng)度變化及新型液態(tài)固化劑開(kāi)發(fā)[D].西北農(nóng)林科技大學(xué)，2009.齊春玲.固化劑加固土動(dòng)力特性的數(shù)值模擬[D].吉林大學(xué)，2007.樊恒輝，高建恩，吳普特.土壤固化劑研究現(xiàn)狀與展望[J].西北農(nóng)林科技大學(xué)學(xué)報(bào)，2006，34(2):141~146,152.MedinaJ,GuidaHN.Stabilizationoflateriticsoilswithphosphoricacid[J].GeotechnicalandGeotechnicalEngineering,1995,13(4):199~216.TomohisaS,SawaK,NaitohN.Hedorohardeningtreatmentbyindustrialwastes[J].Zairyo/JournaloftheSocietyofMaterial,ScienceJapan,1995,44(503):1023~1026.ZaliheN,EminG.Improvementofcalcareousexpansivesoilinsemi-aridenvironments[J].JournalofAridEnvironments,2001,47(4):453~463.黃曉明，張書(shū)生.TR型土壤固化劑路用性能試驗(yàn)研究[J].公路交通科技，2002,19(3):23~27.彭波，李文瑛，陳忠達(dá).固化劑加固土性能的研究[J].內(nèi)蒙古公路與運(yùn)輸，2001(1):27~29.MehmetAY,BilgeA.Leachingofmetalsfromsoilcontaminatedbyminingactivities[J].JournalofHazardousMaterials.2001,87(1~3):289~300.ZhiaoS,LarryE.EricksonMathematicalmodeldevelopmentandsimulationofinsoilstabilizationinlead-contaminatedsoils[J].JournalofHazardousMaterials,2001,87(1-3):99-116.WangY.M,ChenT.C,YehK.J,etal.ShueStabilizationofanelevatedheavymetalcontaminatedsite[J].JournalofHazardousMaterials,2001,88(1):63~74陳東，時(shí)成林，譚永波，關(guān)城.寒冷地區(qū)公路基層用煤砰石分級(jí)指標(biāo)研究[J].吉林交通科技，2011(2):7-9.楊宏宇.土壤固化劑在公路基層底基層中的應(yīng)用[D].長(zhǎng)安大學(xué)，2013.孫國(guó)龍.遼寧省普通公路瀝青路面固化土基層技術(shù)應(yīng)用研究[D].沈陽(yáng)建筑大學(xué)，2013.趙鑫.土壤固化劑在公路工程中的應(yīng)用研究[D].長(zhǎng)安大學(xué)，2012.曾偉麗.離子土固化劑固土過(guò)程中陽(yáng)離子交換激光擊穿光譜研究[D].中南民族大學(xué)，2013.劉月梅.EN-1固化劑對(duì)黃土性土壤與黑麥草的效應(yīng)研究[D].西北農(nóng)林科