劉 通，趙偉東，譚國華，莊 毅，秦 理，周 騰，周龍翔

（1.廣東電網(wǎng)有限責(zé)任公司，廣東 廣州510630；2.廣東電網(wǎng)能源發(fā)展有限公司，廣東 廣州510160；3.廣州大學(xué)，廣東 廣州510006）

山區(qū)道路、風(fēng)力發(fā)電機(jī)組、輸電線路、通信設(shè)施建設(shè)將產(chǎn)生大量施工余土。如果不及時(shí)將施工余土外運(yùn)或進(jìn)行就地有效處理，將會(huì)在雨水沖刷下引起水土流失和山體植被破壞。將開挖產(chǎn)生的松散土方按顆粒大小進(jìn)行分類堆放，在顆粒較小的土體中摻入黏合劑和適量水，經(jīng)拌和、機(jī)械壓制就地加工成強(qiáng)度、穩(wěn)定性滿足要求的砌塊，按設(shè)計(jì)就地砌筑若干個(gè)用于堆放余土的花池，在花池底部逐層填筑并壓實(shí)余土中顆粒較大的碎石、砂礫土，頂部填筑余土中剩余的細(xì)顆粒土及耕植土，在耕植土表面種植植物，實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定土體和美化環(huán)境的目的。

天然土體顆粒間的黏結(jié)弱，直接壓制的塊體強(qiáng)度低、水穩(wěn)性差。需在土體中摻入一定量的黏合劑以增大土體顆粒之間的黏結(jié)力，提高壓制砌塊的強(qiáng)度、水穩(wěn)性，以滿足作為砌體砌筑的要求。

通過理論分析及室內(nèi)試驗(yàn)，研制出摻入土體的黏合劑配方對(duì)于利用施工余土現(xiàn)場壓制砌塊具有重要的理論意義和實(shí)用價(jià)值。

1 土壤黏合劑原材料選擇及其加固土體機(jī)理

1.1 土壤黏合劑原材料選擇

目前尚缺少在實(shí)際工程中應(yīng)用的利用施工余土壓制砌塊的土壤黏合劑配方[1-8]。

為便于工程推廣應(yīng)用，本項(xiàng)試驗(yàn)選擇的土壤黏合劑原材料具有價(jià)格低廉、無毒無害、采購方便、保存容易、配方操作簡單的特點(diǎn)。

選取水玻璃（硅酸鈉水溶液）、氯化鈣、環(huán)氧樹脂、普通硅酸鹽水泥和粉煤灰作為土壤黏合劑配方試驗(yàn)的原材料。

1.2 土壤黏合劑加固土作用機(jī)理

1.2.1 水玻璃加固土作用機(jī)理

水玻璃化學(xué)成分是Na2SiO3·9H2O，具有一定的耐酸耐熱性，黏結(jié)性能良好。水玻璃中的硅酸鈉會(huì)發(fā)生電離，電離后游離的硅酸根離子能夠與土體中帶正電的金屬離子結(jié)合，形成硅膠顆粒填充至土孔隙中。水玻璃溶液本身的物理膠黏特性也能黏結(jié)土體中細(xì)小的顆粒，增大顆粒與顆粒之間的作用力，從而提高土體的強(qiáng)度。

在加入氯化鈣溶液后，水玻璃能和氯化鈣溶液發(fā)生復(fù)分解反應(yīng)，生成白色沉淀，白色沉淀的主要成分是硅酸鈣，硅酸鈣呈針狀，不溶于水，強(qiáng)度較高，隔熱耐熱，無毒性無異味。

1.2.2 環(huán)氧樹脂加固土作用機(jī)理

環(huán)氧樹脂是一種含有環(huán)氧基的高分子聚合物液體樹脂，在堿的作用下，由環(huán)氧氯丙烷和雙酚基丙烷（雙酚A）縮聚而成。環(huán)氧樹脂是具有線性結(jié)構(gòu)的熱塑性聚合物，加熱呈塑性，當(dāng)添加一定量的固化劑時(shí)，將與固化劑發(fā)生交聯(lián)和固化反應(yīng)[9]，形成具有網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的高分子聚合物固體，不溶于水。其性能也從熱塑性改變?yōu)闊峁绦?。固化后的環(huán)氧樹脂強(qiáng)度較高，黏結(jié)能力強(qiáng)，化學(xué)穩(wěn)定性好，由于環(huán)氧樹脂在固化過程中不會(huì)沉淀出低分子物質(zhì)，其收縮率較小[10-11]。

1.2.3 水泥加固土作用機(jī)理

普通硅酸鹽水泥的主要化學(xué)成分有SiO2、Al2O3、CaO、SO3、Fe2O3、MgO，主要礦物成份有硅酸三鈣、硅酸二鈣、鋁酸三鈣等。水泥在土體中發(fā)生水化反應(yīng)，生成氫氧化鈣和水化硅酸鈣。水化硅酸鈣具有超高的內(nèi)比表面積，凝膠膠粒之間具有較強(qiáng)的結(jié)合力，增強(qiáng)了水泥石的致密性，還能與游離的金屬離子如Al3+、Fe2+、Fe3+、Mg2+等離子和氧化物產(chǎn)生吸附作用，提高土體強(qiáng)度。水泥完成初始凝結(jié)之后，加固土內(nèi)部仍然會(huì)持續(xù)發(fā)生水化反應(yīng)[12]。

1.2.4 各外加劑組合使用時(shí)的作用機(jī)理

水玻璃和水泥組合使用時(shí)，能發(fā)揮兩種材料各自的優(yōu)勢，具有凝結(jié)時(shí)間快、穩(wěn)定性好、固化率及強(qiáng)度較高等優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)具有表面活性作用，能夠與土較好地結(jié)合在一起。水玻璃水解呈堿性，利于水泥發(fā)生水化反應(yīng)。

環(huán)氧樹脂和水泥組合使用時(shí)，由于水泥早期水化反應(yīng)完成度較高，強(qiáng)度增長較快，能夠彌補(bǔ)環(huán)氧樹脂早期強(qiáng)度較低的不足，水泥水化過程中釋放出的熱量也在一定程度上促進(jìn)了環(huán)氧樹脂完成交聯(lián)固化反應(yīng)；在養(yǎng)護(hù)中后期，水泥的水化反應(yīng)程度減緩，強(qiáng)度增長較低，而隨著環(huán)氧樹脂交聯(lián)固化的逐漸完成，土體強(qiáng)度得以提高。

2 黏合劑配方室內(nèi)試驗(yàn)

2.1 試驗(yàn)土體與試驗(yàn)方法

2.1.1 試驗(yàn)土體

考慮到山區(qū)施工余土多為殘積粉質(zhì)黏土。試驗(yàn)取用具有代表性的殘積粉質(zhì)黏土，土樣取自廣東省東莞市樟木頭鎮(zhèn)樟洋社區(qū)東側(cè)1km 左右的丘陵地區(qū)輸電線路鐵塔基礎(chǔ)側(cè)，取土深度為2.0~3.0m。

試驗(yàn)用土的基本物理性質(zhì)指標(biāo)如表1 所示。

表1 土的基本物理性質(zhì)指標(biāo)

2.1.2 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)方法為：試塊的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)、經(jīng)歷多次干濕循環(huán)后試塊的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)。

2.2 試樣配比及制備

2.2.1 試樣配比

選取15%、20%和30%作為外加劑總摻量，分別將水玻璃-氯化鈣、環(huán)氧樹脂、水泥、粉煤灰設(shè)置為不同的比例，研究不同的梯段配合比對(duì)試塊齡期7d、28d、60d、90d強(qiáng)度的影響。

2.2.2 試樣制備

將原狀土樣放入烘干機(jī)烘干，105℃持續(xù)24h，烘干后進(jìn)行破碎篩分，取篩分后的土樣，按照預(yù)定的配比加入外加劑及適量水（根據(jù)土體最優(yōu)含水量確定），攪拌均勻后人工振搗入模成型，采用50mm×50mm（直徑×高）的圓柱體試模。試塊制備完成后，在上方覆蓋重塊，靜壓12h 之后及時(shí)脫模并放入標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室進(jìn)行養(yǎng)護(hù)，養(yǎng)護(hù)室溫度20±2℃，濕度在95%以上，養(yǎng)護(hù)齡期分別為7d、28d、60d及90d。

共制作試塊1200 組，每組3 個(gè)平行試塊。

2.3 無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果

2.3.1 未摻入外加劑情況

無任何外加劑的粉質(zhì)黏土試塊各齡期無側(cè)限抗壓強(qiáng)度值如表2 所示。

由表2 中數(shù)據(jù)看出：無任何外加劑的壓制粉質(zhì)黏土試塊強(qiáng)度隨齡期增長，但增長速度緩慢。各齡期強(qiáng)度均較低，不能作為砌塊使用。

表2 未摻入外加劑的粉質(zhì)黏土試塊各齡期無側(cè)限抗壓強(qiáng)度值

2.3.2 摻入水玻璃-氯化鈣和環(huán)氧樹脂情況

摻入總量為土體重量的20%、30%水玻璃-氯化鈣和環(huán)氧樹脂，養(yǎng)護(hù)7d、28d、60d、90d 的土樣無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果如圖1-圖4。

在圖1-圖4 中，水玻璃-氯化鈣與環(huán)氧樹脂配比10-0、7-3、5-5、3-7、0-10 分別表示水玻璃-氯化鈣與環(huán)氧樹脂的重量比為10∶0、7∶3、5∶5、3∶7、0∶10，水玻璃：氯化鈣為固定比例2∶1，而N20、N30 表示水玻璃-氯化鈣和環(huán)氧樹脂共摻入土體重量的20%、30%。

由圖1-圖4 中的試驗(yàn)結(jié)果看出：

圖1 摻入水玻璃-氯化鈣與環(huán)氧樹脂養(yǎng)護(hù)7d 土樣強(qiáng)度

圖4 摻入水玻璃-氯化鈣與環(huán)氧樹脂養(yǎng)護(hù)90d 土樣強(qiáng)度

（1）在同一齡期，隨著環(huán)氧樹脂的摻入和其占比的不斷提升，試塊的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度值呈現(xiàn)出增長的趨勢。

（2）隨著齡期的增長，試塊的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度值增長。

（3）早期（7d）、中期（28d）強(qiáng)度增長速率大于后期（60d、90d）強(qiáng)度增長速率。

（4）外加劑總摻量30%的試塊強(qiáng)度大于相同配合比、相同齡期的外加劑總摻量為20%的試塊強(qiáng)度。

圖2 摻入水玻璃-氯化鈣與環(huán)氧樹脂養(yǎng)護(hù)28d 土樣強(qiáng)度

圖3 摻入水玻璃-氯化鈣與環(huán)氧樹脂養(yǎng)護(hù)60d 土樣強(qiáng)度

2.3.3 摻入水泥和環(huán)氧樹脂情況

外加劑為32.5 普通硅酸鹽水泥和環(huán)氧樹脂。

摻入總量為土體重量的20%、30%水泥和環(huán)氧樹脂，養(yǎng)護(hù)7d、28d、60d、90d 的土樣無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果如圖5-圖8。

圖5 摻入水泥與環(huán)氧樹脂養(yǎng)護(hù)7d 土樣強(qiáng)度

圖6 摻入水泥與環(huán)氧樹脂養(yǎng)護(hù)28d 土樣強(qiáng)度

圖7 摻入水泥與環(huán)氧樹脂養(yǎng)護(hù)60d 土樣強(qiáng)度

圖8 摻入水泥與環(huán)氧樹脂養(yǎng)護(hù)90d 土樣強(qiáng)度

在圖5-圖8 中，水泥與環(huán)氧樹脂配比10-0、7-3、5-5、3-7、0-10 分別表示水泥與環(huán)氧樹脂的重量比為10∶0、7∶3、5∶5、3∶7、0∶10，而C20、C30 表示水泥和環(huán)氧樹脂共摻入土體重量的20%、30%。

由圖5-圖8 中的試驗(yàn)結(jié)果看出：

（1）早期（7d）隨著環(huán)氧樹脂占比的提升，試塊的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度值下降，而中、后期（28d、60d、90d）隨著環(huán)氧樹脂占比的提升，試塊的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度值卻呈現(xiàn)出增長趨勢。

（2）對(duì)于水泥與環(huán)氧樹脂配比3∶7 和5∶5 而言，無論外加劑總摻量的占比為20%或30%，試塊均能夠在早期即可達(dá)到較高的強(qiáng)度，后期強(qiáng)度會(huì)進(jìn)一步增長。

2.3.4 摻入其他外加劑情況

對(duì)土體中摻入粉煤灰、粉煤灰與水玻璃組合、粉煤灰與水泥組合、粉煤灰與水玻璃水泥三者組合的試塊也做了不同摻入比例、不同齡期試塊的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果表明其對(duì)土體強(qiáng)度雖有提高，但無法達(dá)到砌塊強(qiáng)度的要求，其試驗(yàn)數(shù)據(jù)不再贅述。

2.4 經(jīng)歷干濕循環(huán)后試件的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果

對(duì)于多變的氣候環(huán)境條件下的實(shí)際工程需考慮壓制砌塊受降雨影響的長期穩(wěn)定性，為此，在實(shí)驗(yàn)室對(duì)摻入水玻璃-氯化鈣和環(huán)氧樹脂，水泥和環(huán)氧樹脂，粉煤灰水玻璃水泥組合，不同摻入比例及7d、28d、60d、90d 齡期試塊進(jìn)行了1、3、5、10 次干濕循環(huán)條件下的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)。

摻入水玻璃-氯化鈣和環(huán)氧樹脂的試塊，其7d、28d、60d、90d 齡期試塊在經(jīng)歷1、3、5、10 次干濕循環(huán)條件下的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度均降低。

摻入粉煤灰水玻璃水泥的試塊，其7d、28d、60d、90d齡期試塊在經(jīng)歷1、3、5、10 次干濕循環(huán)條件下的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度大部分降低，僅有水泥摻入量大于土體重量的10%以上的試塊強(qiáng)度穩(wěn)定或略有增長。

摻入水泥和環(huán)氧樹脂的試塊，其7d、28d、60d、90d 齡期試塊在經(jīng)歷1、3、5、10 次干濕循環(huán)條件下的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度均增長。

3 結(jié)論

通過室內(nèi)試驗(yàn)可得出如下結(jié)論：

（1）摻入水泥和環(huán)氧樹脂的試塊，在養(yǎng)護(hù)的不同齡期經(jīng)歷干濕循環(huán)后，都表現(xiàn)出了較好的穩(wěn)定性。

（2）水泥與環(huán)氧樹脂配比3∶7 和5∶5，其總摻入量占土重20%或以上時(shí)，試塊的90d 無側(cè)限抗壓強(qiáng)度超過5MPa，且具有良好的水穩(wěn)性，可作為砌塊的黏合劑配方。隨著水泥、環(huán)氧樹脂摻入量的增加，強(qiáng)度還可繼續(xù)提高。