基于無機膠粘巖土的抗滲性能實驗研究

摘 要：為更好地剖析巖土滲透性能，以無機膠粘巖土為研究對象，提出相應的滲透性評價指標測定方法，測試了9個試樣pH值，測定了試樣的金屬元素含量，開展抗滲實驗，分析X射線衍射的成分。實驗結果表明，巖土pH值普遍低于7，呈明顯酸性，在提升巖土抗滲性能方面具有重要作用；巖土金屬元素含量的變化，對巖土抗滲性能影響微乎其微；巖土滲透系數與抗滲標號之間存在負相關關系;氟硅酸鈉的改變，會增加對巖土抗滲性能的影響程度。研究結果為相關人員提供有效的借鑒和參考。

關鍵詞：無機粘接劑；混凝土；抗滲性能

中圖分類號：

TQ430.7+75

文獻標志碼：

A文章編號：

1001-5922（2024）01-0049-04

Experimental study on the impermeability performance of inorganic adhesive rock and soil

FU Min

（Hunan Provincial Communications Planning，Survey amp; Design Institute Co.，Ltd.，Changsha 410200，China）

Abstract：In order to better analyze the permeability performance of rock and soil，inorganic adhesive rock and soil was taken as the research object，and the corresponding permeability evaluation index measurement method was proposed.The pH values of 24 samples were tested，the metal element content of the samples was determined，impermeability performance experiments were carried out，and the components of X-ray diffraction were analyzed.The experimental results showed that the pH value of rock and soil was generally lower than 7，showing an obvious acidity，which played an important role in improving the impermeability performance of rock and soil.The change of metal element content in rock and soil had minimal impact on its impermeability performance.There was a negative correlation between the permeability coefficient of rock and soil and the impermeability grade.The change of sodium fluorosilicate increased the degree of impact on the impermeability performance of rock and soil.The research results provide effective reference and reference for relevant personnel.

Key words： inorganic adhesive;concrete;impermeability performance

目前，水利工程、鐵路工程等建設，均用到土砂混合物，如果使用某種膠粘劑材料與土的混合物，可以在保證工程抗壓強度的基礎上，提高其抗滲性能、耐水性，這在邊坡加固、沙漠治理等工程建設中發揮出重要作用［1］。現階段國內外在巖土抗滲性能評價、以及抗滲性能試驗方面存在一定的差異，國際上主要采用滲透水量法，對巖土的滲透系數進行測定，國內主要采用滲透壓力法，對巖土的抗滲標號進行測定，2種方法存在很大的不同［2］。對于巖土而言，其抗滲性能可以真實有效地反映巖土抵抗壓力水滲透能力，抗滲性能好的巖土可以表現較高的耐久性。

1 實驗設計

1.1 膠粘劑配制

當膠粘劑屬于硅酸鹽型時，將其與土壤膠結進行充分混合后，可以表現出良好的膠結性能。在進行實驗時，將水溶性較高的硅酸鈉設置為基礎材料，將氟硅酸鈉設置為無機膠粘劑，然后，對土壤進行膠結處理。在本次實驗中，主要選用模數大于3的高模硅酸鈉，可以確保膠粘劑膠結后形成較高的抗滲性能［3］。

1.2 巖土對比和選用

巖土作為常見的巖石風化產物，其形成過程具有一定的復雜性。巖土主要是由礦物顆粒、氣體、水資源等部分組成，該物質屬于典型的散體物質。對于膠體而言，當其比表面積不斷增加時，其物理化學活性、水分子結合能力變得越來越強，同時，還增加顆粒之間的凝結性。在進行抗滲實驗時，選取云南地區、山沙、寒帶土、紅土、長江堤壩土、溫帶土、亞粘土、粘土、溫帶紅土、泥沙土9種樣品進行實驗。同時，還要選用型號為WPF2的2 m平面光柵攝譜儀，對以上9種土樣的金屬元素含量進行精確化測定，測定結果如表1所示。

選用型號為PHS—2C酸度計，對以上9種土樣的pH值進行精確化測定；并借助密度測量儀器，測量以上9種土樣的密度，測量結果如表2所示。

由表2可知，不同種類土樣的pH值和密度幾乎一致，并不存在較大的差別。因此，對膠結土性能影響相對較小［4］。因此，研究的膠粘劑可以廣泛地應用于以上9種巖土，這表明該膠粘劑應用表現出較高的廣泛性，在此重點研究紅土這一巖土的抗滲性能。

1.3 膠結土指標控制

膠結土主要指標：（1）粒度。粒度大小，直接影響膠結土性能。在本次實驗時，將巖土的粒度設置在0.8 mm以下，粒度越小，說明膠結土性能越高。同理，需要將氟硅酸鈉的粒度設置在0.8 mm以下，以提高巖土的膠結性能。（2）安全性。膠結土安全性主要是指巖土與膠混合后，其體積變化表現出一定的均勻性和安定性。因此，在實驗時，要優先選用安全性高的膠結土。

2 實驗方法

2.1 抗滲試件制備

一組抗滲試件中，含有6個圓臺試件，該圓臺試件頂面直徑、底面直徑、高度分別為180、190、200 mm。在正式實驗之前，需要擦干凈試模，并將機油薄薄地涂抹在試模表面［5］。在制備土樣時，要選用紅土，將該紅土的粒度控制在0.8 mm以下，將該紅土與配置好的膠粘劑進行充分攪拌混合，將攪拌混合好的混合物放置到圓臺型模子中，并輕輕刮掉表面多余的膠結土，使用抹刀對其進行抹平處理，當該混合物自然凝固后，將其制造成四組砌塊，對其進行3 d養護，然后，對其抗滲性能進行有效測試［6］。

2.2 抗滲標號確定

借助單組6個試件中的不存在滲水問題的最大壓力，對抗滲標號進行表示［7］。在測定抗滲標號時，需要采用逐次加壓法，對其進行精確測定，也就是說6個試件必須從0.2 MPa壓力開始，借助試件底部進行水壓施加，平均每隔8 h，增加0.2 MPa水壓，當3個試件頂面出現滲水現象時，需要暫停實驗操作，并記錄此時所對應的水壓，該水壓用“H”表示，抗滲標號計算公式：

S=10H-1（1）

式中：S代表抗滲標號；H代表6個試件中的水壓值。當水壓不斷增加，并增加至所設定的標準值時，需要將6個試件中的表面滲水的試件數量控制在2個以下，則試件所對應的抗滲標號超過所設定的標準值。

2.3 滲透系數確定

借助滲透系數，可以有效地評定膠結土的抗滲性能［8］。在確定滲透系數時，在水壓恒定不變的情況下，選用抗滲儀器，對膠結土的滲水深度進行精確化計算，計算公式：

Sk=WD2m/2TH（2）

式中：Sk、Dm、H、T、W分別代表相對滲透系數、平均滲水深度、水壓力、恒壓經過時間、巖土吸水率。

2.4 抗滲實驗過程

在抗滲實驗時，需要嚴格按照水工混凝土實驗規程，選用如圖1所示的數顯抗滲儀裝置，該裝置型號為HS-40W。在套模處理試件之前，需要將石蠟等密封材料涂抹于試件表面，在涂抹石蠟期間，要盡可能避免試件端面位置，同時，還要借助加壓裝置，向烘熱好的試件套模上壓入指定試件，此時，石蠟等密封材料一旦遇到高溫，會出現受熱熔化現象，采用間隙密封的方式，將試件于套模進行有效地分離，避免水資源從間隙中滲出。

6個試件水壓從0.2 MPa開始，將水壓施加到試件底部，平均每隔8 h，增加0.2 MPa水壓，當3個試件頂面出現滲水現象時，需要暫停實驗操作，并記錄此時所對應的水壓［5］。

3 實驗結果與分析

3.1 pH值測試

選用PHS-2C酸度計，對紅土pH值進行測量，經過測量，發現紅土的pH值為5.8，這表明紅土呈現出酸性，可以為巖土提供多個氫離子，活化處理硅酸鈉，從而形成所需要的硅酸溶膠。

當硅酸鈉水溶性較高時，通常會用到氟硅化物固化劑，由于氟硅化物固化劑結構與硅酸鈉極其類似，因此，二者混合后，會形成較高的凝膠強度，促使空間網狀結構變得更加密實化，從而降低滲透性，確保其抗滲性能達到較佳狀態［6-8］。

3.2 金屬元素測定

在測定巖土金屬元素時，選用型號為WPF2的平面光柵攝譜儀，最終測試結果如表3所示。

由表3可知，巖土金屬元素含量的改變，并不會對其抗滲性能產生較大的影響。

3.3 抗滲實驗

在進行巖土抗滲實驗時，選用型號為HS-40W數顯抗滲儀，每組試樣統一設置為6塊，然后，對6塊相對滲透系數進行科學測定，并計算出其平均值，測試結果如圖2所示。

由圖2可知，在第1組試驗中，所添加的氟硅酸鈉最少，對改組平均相對滲透系數進行測量，發現該系數較小，滲水量減小，表現出良好的抗滲性能［9］。

抗滲標號與平均相對滲透系數之間的關系如圖3所示。

由圖3可知，巖土滲透系數與抗滲標號之間存在負相關關系，巖土抗滲標號會隨著其平均相對滲透系數的減小而呈現出不斷增加的趨勢；反之，當巖土平均相對滲透系數增加時，巖土抗滲標號不斷減小［10］。

3.4 X射線衍射

脫模后的試塊四周會出現大量白毛，該白毛呈現出片狀或者絨毛狀。但是，當該試塊表面白毛被太陽長時間曝曬后，會明顯減少，利用X射線衍射（XRD）對白毛進行測試，發現該白毛中含有大量NaF、Na2HPO4等化合物，其中，Na2HPO4含量最多，在第1組實驗中，所形成的4#、6#膠結土的XRD譜圖分別如圖4（a）、（b）所示。

由圖4可知，4#膠結土相對滲透系數為4.5×10-7cm/s；6#膠結土相對滲透系數為3.64×10-7 cm/s，而平均相對滲透系數為4.84×10-7cm/s，說明4#、6#膠結土相對滲透系數遠遠低于平均相對滲透系數。這表明Na2HPO4物質適量添加，可以促使相對滲透系數不斷減小，使得試塊表現出較高的抗滲性能［11］。此外，從圖4還可看出，白毛中的NaF物質明顯減小，完全滿足環保相關標準和要求，這是由于NaF屬于有毒性的化合物，該化合物的存在必須滿足環保相關指標。

4 結語

（1）巖土金屬元素含量的改變，并不會對其抗滲性能產生較大的影響;

（2）當巖土的pH值低于7時，巖土表現出較高的抗滲性能;

（3）氟硅酸鈉的適量添加，可以確保巖土的抗滲性能達到較佳狀態，完全符合環保相關標準和要求。

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