坡沟防护背景下的环保MBER土壤固化剂的研发与应用_阎敬.pdf

1引言纳米级二氧化硅在土壤固化过程中具有较好的填充效果和固结性能，能够改善土壤的力学性质和抗侵蚀能力1。坝体防护、坡防护和固化土干硬性工艺等施工方案和方法，可以实现对坡沟防护的全方位管理和控制，提高防护效果的稳定性和可靠性。鉴于此，研究提出融入纳米材料的环保MBER土壤固化剂，以期为环境保护提供可行的参考方案。2纳米环保 M BER土壤固化剂的研发在土壤稳定性差的地区，土壤固化剂可以使用本地存在的土壤进行固结，达到降低土壤防渗率和增强土壤强度的目的2。研究使用水泥熟料、粉煤灰、核心原料等进行混合研磨，将成分粒径研磨至0.075 mm以下，制成MBER土壤固化剂。进行土壤固化时，MBER土壤固化剂和土壤、水按照一定的配比混合。固化剂中的一部分组分与土壤混合形成胶结土颗粒，一部分组分的表面活性提升离子的交换反应速度，还有一部分组分与其他组分发生反应，生成物质可以对固结土体内部的空腔进行填充。MBER土壤固化剂还有一定的性能改善空间，现研究加入纳米材料进行固化剂改性以提升性能。球形颗粒类纳米材料能够加速水泥基材料的水化，使作为材料强度主体的水化硅酸钙凝胶生成速度加快，提升化学反应的充分度。纳米材料的颗粒尺寸较小，在固化剂浆体内部的分散更为均匀，可以填补材料内存在的微孔隙，增强范德华力，提高材料内聚性。纳米级二氧化硅无味无毒且不具有污染性，能够提高其他材料的强度和耐化学性，本研究选用纳米级二氧化硅作为MBER土壤固化剂的添加剂3，对固化后土层试块的抗折强度、抗压强度等宏观力学性能以及微观分形特征进行分析。抗折强度和抗压强度都受养护时间影响，抗折强度的计算公式为：E1=a1-b1-c1T1（T13）（1）E2=a2-b2-c2T2（T23）（2）式中，E1为抗折强度，MPa；T1、T2为养护龄期，d；E2为试块抗压强度，MPa；a1、a2、b1、b2、c1、c2为材料参数，由纳米掺量推算得出。【作者简介】阎敬（1985），男，山西太原人，工程师，从事环保节能研究。坡沟防护背景下的环保 M BER土壤固化剂的研发与应用Development and Application of Environmentally Friendly MBER SoilSolidifying Agent Under the Background of Slope and Gully Protection阎敬（阶梯项目咨询有限公司太原分公司，太原 030000）YAN Jing(JetConsultingCo.Ltd.TaiyuanBranch,Taiyuan030000,China)【摘要】研究提出了一种新的环保 MBER 土壤固化剂。通过山西西部的土壤固化性能测试可知，该研究方法制成的固化土胶砂的抗压强度在养护龄期为 60d 时达到 55.03MPa；固化土颗粒中值粒径保持在 40m 以下，解决了水土流失地区坡沟防护中的材料选用问题，实现了坡沟防护工程的性能材料就地选取和标准化流程施工。【A b s t r a c t】AnewenvironmentallyfriendlyMBERsoil solidification agent hasbeen proposed.Accordingto the soil curingperformance testinwesternShanxi,thecompressivestrengthofthesolidifiedsoilmortarmadebytheresearchmethodreaches55.03MPawhenthecuringageis60 days.The median particle size of solidified soil particles is kept below 40 m,which solves the problem of material selection in slopeprotection in soil erosion area,and realizes the local selection of performance materials and standardized process construction of slopeprotectionengineering.【关键词】坡沟防护；土壤固化剂；纳米材料；水土流失；施工方法【K e y w o r d s】slopeandgullyprotection;soilstabilizer;nanomaterials;soilerosion;constructionmethods【中图分类号】U414【文献标志码】B【文章编号】1007-9467（2023）06-0209-03【DOI】10.13616/ki.gcjsysj.2023.06.268Construction Technology工程施工技术209Construction&DesignForProject工程建设与设计dd材料抗压强度的计算公式为：Ec=-1+1nTc()（3）式中，Ec为材料整体抗压强度，MPa；、m、n均为模型参数。土颗粒尺寸的微观分形特征分析模型如式（4）所示：MM0=didmax()-D（4）式中，dmax为固化后土颗粒的最大直径，m；di为两筛分粒级的平均值；M为粒径小于平均值的体积分数，%；M0为固化后土颗粒的总体积，m3；为测量码尺标准值；D为盒子分数维。以计算结果对纳米成分的具体成分参数进行调整，得到满足使用需求的纳米环保MBER土壤固化剂。3环保 M BER土壤固化剂在坡沟防护中的应用以下研究环保MBER土壤固化剂在坡沟防护中应用。以山西西部地区为例，山西西部的黄土丘陵沟壑区的年平均降雨量约为400 mm，土壤侵蚀模数最高达到25 000 t/（km2a），是受水土流失困扰最为严重的地区。沟壑区内黄土土壤中粒径为0.0050.05 mm的粉制沙粒比重达到58%以上。坡沟防护是黄土丘陵沟壑区重要的水土保持措施，研究使用土壤固化剂对土体进行加固施工，通过建设具有防渗心墙结构的坝体配合坝顶防蚀道路达到沟道坝体防渗和抗冲的目的。研究设计坝体防护工程的示例结构中心墙结构，位于坝体正中位置，心墙总高1.2 m，厚0.6 m，长25 m；顶部道路宽1.5 m，厚0.2 m，长25 m，路基与心墙顶部直接连接。施工前首先进行施工放样，布设施工中线、边线并进行高程测量。之后进行坝基开挖并对地基进行夯翻，开挖时沿心墙中线进行垂直开挖，预留10 cm进行人工修整，控制夯翻后的地基厚度，将底部夯至重度不小于1.6 g/cm3，使地基较为平整。处理完基坑后需要对立壁进行洒水浸润，确保混合装料时立壁的含水率不小于混合料的最低含水率，条件允许则控制在大于最优含水率2%3%。然后将配成的环保MBER土壤固化剂和处理后的开挖土块进行混合，使用机械进行拌和，将混合料进行不少于3次的加水混合以满足施工要求。最后，将混合料分层填入槽中并进行夯实处理，直到心墙在密度大于1.7 g/cm3且达到设计高程时结束砌筑。对心墙顶面做拉毛处理，以衔接防蚀道路施工。坝顶防蚀道路使用固化土干硬性工艺，首先，使用搅拌机对材料进行材料拌和，将混合料拌和均匀。之后进行每次10 cm厚的松铺，人工摊平，在混合料和模板接触处需进行预先压实。完成整形后的混合料在处于最优含水率时完成夯实，利用人工和冲击夯搭配进行夯实。待路面凝固成型后使用机器每隔5 m进行伸缩缝切割，确保路面在热胀冷缩情况下的强度和完整性。最后进行覆盖养护，连续洒水7 d以上以保证环保纳米固化土的内部水化凝结反应充分进行。研究设计使用环保MBER土壤固化剂的坡防护工程由蓄排水工程和配套道路组成。道路使用固化土进行施工，道路路面宽3.5 m，第一层固化土压实后厚18 cm，第二层夯实土厚24 cm，最下层为原状土。施工时，首先进行土料填铺并压实，在压实时视实际需求设计边侧排水渠道并同时施工。在固化土凝前使用切缝机对土块进行切割，去除多余土块并对路面进行整平。蓄排水工程主体是蓄水池，研究设计干硬性施工技术结合降雨径集流技术进行施工。在施工前需要先进行施工放样和水池开挖，在水池模板搭建前将混合料进行拌和并平铺30 cm在水池底部，使用电夯进行底部夯实。然后搭建模板，将混合料分层按设计厚度进行填装，用冲击夯对蓄水池立壁进行夯实，对混合料进行分层夯实。在工程主体完工8 h后进行脱模，对立壁和底部进行防渗处理，在立壁上涂抹23 cm厚的塑性固化土。最后在蓄水池一侧设置沉砂池，四周安装围栏和排水设施。4环保 M BER土壤固化剂性能分析对山西西部地区使用环保MBER土壤固化剂固化的土壤进行性能测试。首先，对固化剂制成固化土的胶砂抗压强度进行测试，结果如图1所示。养护龄期/d抗压强度/MPaP O32.5 水泥环保 MBER 固化剂普通固化剂图 1固化剂胶砂抗压强度由图1可见，在60 d的养护期中，普通固化剂、PO32.5水泥和研究方法制成固化土胶砂的抗压强度都随着养护龄期的延续而增高，增高速度随养护龄期的延续逐渐下降。普通固dd210化剂制成的固化土胶砂刚制成时的抗压强度约为17.62 MPa，养护龄期达到10 d时上升到约26.98 MPa，30 d时上升到约32.21 MPa，60 d时上升到约34.75 MPa。PO32.5水泥制成固化土胶砂在刚制成时的抗压强度为约28.12 MPa，养护龄期达到10 d时上升到约39.85 MPa，30 d时上升到约44.73 MPa，60 d时上升到约48.56 MPa。本文研究方法制成固化土胶砂在刚制成时的抗压强度为约33.51 MPa，养护龄期达到10 d时上升到约46.32 MPa，30 d时上升到约53.13 MPa，60 d时上升到约55.03 MPa。由此可见，制成的固化土胶砂的抗压强度更高，说明研究方法制成固化土的力学性能更好。对制成的固化土的微观分形维数进行分析，如图2所示。log（di/dmax）log（M/M0）a环保 M BER固化剂处理后的固化土log（di/dmax）log（M/M0）b普通固化土图 2固化土分形维数特征由图2可见，分形维数特征图以分析模型两侧表达式的对数为横纵坐标，在坐标轴中生成7个坐标点，将7个坐标点数据使用线性回归拟合得到一条拟合直线，通过直线斜率求得分形维数值。不使用纳米材料的普通固化土的分形维数为约2.57，使用研究方法的纳米固化土的分形维数为约2.62。研究方法的土壤颗粒分形维数更大，说明研究方法有效改善了材料界面的过渡形式。对固化土的颗粒比表面积和中值粒径进行对比。在含水量为12%时，水泥土龄期为7 d时的比表面积为0.398 cm2/g，龄期为90 d时的比表面积为0.336 cm2/g；普通固化土龄期为7 d时的比表面积为0.439 cm2/g，龄期为90 d时的比表面积为0.363 cm2/g；纳米固化土龄期为7 d时的比表面积为0.561 cm2/g，龄期为90 d时的比表面积为0.462 cm2/g。水泥土龄期为7 d时的中值粒径为58.20 m，龄期为30 d时的 中 值 粒 径 为52.12 m，龄 期 为90 d时 的 中 值 粒 径 为56.07 m；普通固化土龄期为7 d时的中值粒径为48.11 m，龄期为30 d时的中值粒径为47.93 m，龄期为90 d时的中值粒径为51.10 m；纳米固化土普通固化土龄期为7 d时的中值粒径为34.75 m，龄期为30 d时的中值粒径为32.11 m，龄期为90 d时的中值粒径为38.83 m。研究方法制成的土体颗粒比表面积更大，中值粒径更小，说明土体的单元结构更复杂，颗粒分散性更好。5结论本研究通过将纳米级二氧化硅材料作为MBER土壤固化剂添加剂的方式，提出了一种纳米环保MBER土壤固化剂，设计了配套的坝体防护工程和坡防护工程的标准施工方法和施工实例结构，对研究方法的性能进行了分析。在试验结果中，研究方法制成固化土胶砂在刚制成时的抗压强 度达 到约33.51 MPa