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砂质边坡安全保障新技术研究室内试验结果分析
发布时间:2022年05月24日

钾水玻璃模数和固含量对固化砂强度的影响

使用不同模数和固含量的钾水玻璃制作试样。分 析试样 14 d 时的无侧限抗压强度,试验结果见表 1。

表 1 试样 14 d 时的无侧限抗压强度

由试验结果可知,风积砂在固砂剂 TD–1 的作 用下形成了一定的强度,试样在 14 d 时的固砂强度 均超过了 700 kPa。磷酸硅在钾水玻璃溶液中水解 出 H+ ,代替钾水玻璃中易引起水解的 K+ ,并与钾 水玻璃溶液中的硅酸离子反应生成硅酸二聚体,并 进一步融合生成多硅酸,多硅酸聚合形成 SiO2。当 形成的 SiO2 含量超过一定量时便凝聚形成凝胶网 络结构。形成的凝胶与砂粒混合后,在砂粒表面形 成一层黏结膜,使松散的砂粒黏结在一起,产生一 定的强度。没有参与反应的钾水玻璃、硅酸锂、硅 溶胶也会在砂粒表面形成黏结膜,增加固化砂试样 的强度。

由图 1 可知,添加相同固含量的钾水玻璃和磷 酸硅,固化砂试样的强度随着钾水玻璃模数的增大 呈现增长的趋势。钾水玻璃的模数越高,在混合溶 液中形成的凝胶网络结构也就越多。固化砂试样的 表层先失水发生凝结硬化,形成一层坚硬的外壳, 之后由外向内逐步硬化。

图 1 不同模数钾水玻璃对试样强度的影响曲线

 

由图 2 可知,在到达 14 d 龄期时,使用钾水玻 璃固含量为 3 % 的试样,试样强度大于使用钾水玻 璃固含量为 2 % 和 4 % 的试样。当添加的钾水玻璃 固含量从 2 % 提高到 3 % 时,试样强度有明显的增 长;当固含量超过 3 % 以后,试样强度增长速率 放缓,甚至强度有所下降。当钾水玻璃固含量为 3 % 时,已经基本能够在砂粒表面形成一层包覆的 黏结膜,并使相邻的砂粒通过黏结膜连接起来形成黏结桥。当钾水玻璃固含量超过 3 % 时,作为 骨料的风积砂相对含量有所降低,试样结构的稳 定性受到了影响,无法形成更高的强度。

图 2 钾水玻璃固含量对试样强度的影响曲线

 

改性剂对固化砂强度的影响

测定龄期 14 d 试样的无侧限抗压强度。添加改 性剂与不添加改性剂试样的强度对比如表 2 所示。

 

表 2 不添加改性剂试样与添加改性剂试样的强度对比

 

添加改性剂后,龄期 14 d 的试样强度均能达到 1 000 kPa 以上,相对于不添加改性剂的试样强度增 长了 32.5 % ~ 60.8 %。添加的改性剂能够产生类似 于沸石的致密胶凝结构,使砂土颗粒之间的黏结力 增强。产生的胶凝产物填充于骨架之间,使孔隙变 小,界面趋于密实。添加改性剂后,在酸性环境下 不受腐蚀,有较好的耐酸性。

 固化砂的渗透性能

为了能与客土喷播植草结合使用,固化砂需要 有一定的渗透能力,为此进行了固化砂的渗透试验。 由于风积砂添加固砂剂后形成的固化砂与单纯的砂 土不同,所以对龄期 7 d 的试样使用变水头法进行 渗透试验。试验完成后,试样无明显孔隙,渗透试 验如图 3 所示。

图 3 渗透试验

 

使用模数为 3.20 钾水玻璃的试样渗透系数为 1.69×10–4 cm/s,使用模数为 3.45 钾水玻璃的试样 渗透系数为 8.25×10–5 cm/s,固化砂具有一定的渗 透能力。固砂剂在砂粒周围形成黏结膜,黏结膜互 相连接,但仍有孔隙存在。在渗透过程中,水从黏 结膜间的孔隙经过。使用高模数钾水玻璃的试样, 试样内部黏结膜较多,孔隙小于使用低模数钾水玻 璃的试样,所以渗透能力相对较低。

固化砂干湿循环特性

为模拟沽源地区夏季多雨情况,防止边坡表层固化砂经过雨水冲蚀和自然干燥后发生开裂、 坍塌的现象,采用常规的浸水饱和、自然蒸干的 方法进行干湿循环试验。固砂试样分别进行 0 次、 1 次、2 次、3 次、4 次、5 次干湿循环。进行 0 次 循环的试样不浸水,到 28 d 龄期后直接测试其强 度。其余每次干湿循环都将试样浸水饱和 24 h, 之后干燥 48 h 再测定其强度。饱水是将试样直接 放入水中,水面完全没过试样,经过饱水 24 h 后, 试样没有在水中溃散,表面有小部分砂粒脱落。 干湿循环后,对试样进行无侧限抗压强度试验, 结果如图 4 所示。

图 4 试样强度随干湿循环次数的变化

 

由图 4 可知,随着干湿循环次数的增加,试样 的强度逐渐下降。经过 1~3 次循环,试样强度下降 速率快;经过 3 次循环之后强度基本趋于稳定;经 过 5 次循环之后,试样强度均在 600 kPa 以上。

固砂试样经过多次干湿循环之后,能够保持一 定的强度。在配制固砂剂时,钾水玻璃与磷酸硅反 应生成的凝胶网络结构不易在水中溶解,硅溶胶和 硅酸锂形成的黏结膜耐水性良好。但是钾水玻璃自行脱水形成的黏结膜在饱水情况下容易被破坏。在 饱水过程中,固砂剂形成的黏结膜部分溶解于水中, 使试样的强度有所下降。在 3 次循环之后,剩余部 分的黏结膜不溶于水中,形成的结构不易被破坏。


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