EN-1固化土体的微观特性的试验分析

杨利民

摘要：为探究EN-1固化剂的材料属性及固化土的微观固化机理。本文采用IR spectrum、elemental analysis、X射线衍射测试、比表面积测试、SEM等微观试验来分析。研究结果表明：EN-1固化剂含有C、N、H三种元素，总含量很少，其固化剂土体未产生新的矿物。EN-1固化剂内含链式结构，可提高土颗粒的粘结力。随着EN-1掺量增加，比表面积减小，但固化土体强度增强。

Abstract： In order to explore the material properties of EN-1 curing agent and the micro solidification mechanism of solidified soil， this report were analyzed by infrared spectroscopy， elemental analysis， XRD test， specific surface area test， scanning electron microscope and other microscopic tests. The research result shows that EN-1 curing agent contains C， N and H.， but little total content of them and no new mineral is produced in the solidified agent soil. EN-1 curing agent contains chain structure， which can enhance the cohesive force between soil particles. The more the amount of EN-1， the smaller the specific surface area and the stronger the strength of solidified soil.

关键词：EN-1;固化土;微观试验;固土机理

Key words： EN-1;solidified soil;microscopic tests;curing mechanism

中图分类号：TU411.2                                    文献标识码：A                                  文章编号：1006-4311（2019）14-0108-03

0  引言

对边坡浅表层灾害进行处理时，生态土壤固化剂的使用即能提高边坡抗冲刷能力，也有利于生态环境恢复。同时生态土壤固化剂具有诸多优点，包括环保、无污染、成本造价低、施工方法简单等。对此，国内外的学者们做了大量有关土壤固化剂各方面的研究，研究表明土壤固化剂不仅可以有效地提高土壤颗粒的聚集度，减少地表径流冲刷造成的土壤流失[1-4]，而且根据配合比不同，固化土的力学性质可以得到一定的增強[5-6]。

关于固化剂国内外很多专家开展过大量研究，尤其是在其加固土壤的固化机理和耐久性等方面，并取得许多成果，而在对于能显著提高土壤抗崩性、抗冲性及土壤浸水容量的EN-1固化剂方面上的研究却较少[7-9]，对于EN-1固化剂微观特性的研究不足。因此本文的重点是围绕EN-1固化剂进行研究，并结合相关的室内试验对EN-1固化土体的微观特性进行分析。此外，该研究具有良好的社会效益，它对于避免水土流失和保护生态环境具有重要作用。

1  红外光谱

1.1 制样方法

1.1.1 配土方法

①素土：依照设计干密度和含水率，称取适当的与之相应的干土和水，然后拌合均匀。

②固化土样：把EN-1固化剂按照干土质量比划分，分别为：0.1%、0.15%、0.2%与所需含水率为17.5%的水充分混合后，再将其与干土搅拌在一起，使二者进行充分搅拌。

完成土样拌合之后，先密封并静置12h，然后在水分得到充分且均匀的迁移的基础上，开展下一环节的制样操作。

1.1.2 制样

将按照上述操作完成的土样分为四层，之后装入模具并压实，分层厚度分别为：0mm、10mm、10mm。

①采用KBr压片法，对直接取出的EN-1固化剂进行红外光谱测试。

②采用上述的制样方法，将含有0.1%、0.15%、0.2%的EN-1固化剂掺量的EN-1的固化土体制备出来，待其自然风干后，取适当样品开展红外光谱测试，采用的方法是KBr压片法。

1.2 试验结果分析

图1为试验结果图。

由图（a）可知，3066cm-1处出现的为羟基（-OH）吸收峰，该羟基属于硫磺酸，1097cm-1处为S=O键的吸收峰，891cm-1处为S-O键的吸收峰，两者均属于硫磺酸;2500cm-1、1663cm-1处的吸收峰均为R基;由此可知，EN-1固化剂中含有硫磺酸、硫化油等剂，具有良好的减薄水膜的作用。由图（b）可知1663cm-1处的吸收峰依然在，EN-1固化剂的吸收峰并未消失，且新的官能团也未出现。

2  元素分析

本次试验采用适量EN-1固化剂进行测试，固化剂中的元素含量如表1所示。从表中可知：EN-1固化剂中C、N、H三种元素中，H元素最多，C元素次之，N元素含量非常少，且三种元素的含量总量很少。

3  X射线粉末衍射

3.1 制样方法

首先制作固化土样，要求每个样品具有不同剂量的EN-1固化剂，然后将准备好的土样放入到烘箱中，待其烘干后，再利用研钵研磨固化土体，研磨结束的标准是土样成为没有颗粒感的粉末，最后完成压片操作。本试验选用的试验仪器就是X/Pert3 PRO型X射线粉末衍射仪，该设备是由荷兰PANalytical公司首先提出的。

3.2 试验结果分析

固化土体和素土的XRD图谱如图2所示。

由图2可知：①图中可知SiO2的衍射峰较强，这表明二氧化硅大量存在，并且出现了钙长石CaAl2Si2O8·4H2O的特征衍射峰，说明有石英、长石等矿物存在土壤中;高岭石Al2Si2O5（OH）4存在较明显的衍射峰，该产物形成的主要原因是长石和其他硅酸盐矿物发生蚀变导致的，其成分主要包括花岗岩的重要组成成分和硅酸钙Ca2SiO4等各类矿物质。通过分析得出，土壤中的矿物主要有花岗岩、长石、石英等。②由于EN-1固化剂土体并未存在新的衍射峰，表明并未形成新矿物，但是对于矿物的衍射峰不同，其峰强也略有不同。

4  比表面积

测定中孔、微孔等材料的表面积和孔结构特性即为比表面积测试。测试仪器选用的是ASAP 2020M，该仪器来自美国Micrometric公司。制作EN-1固化土体，放入烘箱中烘干后，进行测试。具体测试结果如表2。

由表2可知，PAM固化土体的比表面积在加入掺量时会突然下降，随着掺量的增加，比表面积下降的较慢，但整体上比表面积和掺量呈反比，随着掺量的增加比表面积会减小。对土颗粒而言，固化剂具有团聚的作用，且土颗粒之间的粘结力也随之增强，这使得土颗粒之间的排列更加紧密，从而使土体的加固作用得以实现。

5  扫描电镜

5.1 制作试样

制作固化土样自然风干，取一定量土样掰断，得到较平整的新鲜断面，用导电胶上粘贴在样品台上，并将其表面的扰动颗粒用吸哑球除去，获取较为完整的试样，然后进行喷金处理，即为观测断面，进行电镜扫描。选用试验仪器为S-4800型场发射扫描电子显微镜，该仪器来自日本Hitachi公司。

5.2 扫描电镜结果分析

图3为素土EN-1固化土体的SEM结果。

分析图3发现：①素土试样的孔隙较为发达，压实作用和较微弱的毛细水作用会将土颗粒连接在一起，但是这种连接力是非常小的，因此无法将土体连接为一个整体。②有明显的团聚体结构和堆叠结构存在于EN-1固化土体中，这使得土体结构能紧密的连接在一起，结构单元体面-面接触明显，土颗粒形成一个整體，从而土体强度增强了。

6  结论

①EN-1固化剂链式结构有利于土颗粒的加固，具有较强的吸收峰，其不会被土体完全覆盖，也没有在结合土体后生成新物质。②EN-1固化剂中的三种元素C、N、H，它们的含量分别为：H元素最多，C次之，N元素含量非常少，但它们三个元素的总含量都很少。③该土壤中矿物主要有花岗岩、长石、石英等。在试验中，EN-1固化剂土体中的衍射峰未发生变化，表明新矿物并未出现，且不同矿物衍射峰的峰强并不一致。④随着掺量的增加EN-1固化土体的比表面积会逐渐减少，这表明EN-1固化剂的存在会增加土颗粒之间的粘结力，让土颗粒更加紧实，从而实现土体加固的目的。⑤EN-1固化土体中有明显的团聚体结构和堆叠结构，土体结构连接紧密，结构单元体面面接触明显，土颗粒形成一个整体，增强了土体强度。

参考文献：

[1]P. V. Sivapullaiah，H. Lakshmi Kantha，K. Madhu Kiran. Geotechnical properties of stabilised Indian red earth[J]. Geotechnical and Geological Engineering， 2003（4）.

[2]EA E， M M， J L. Interactions between water quality and polymer treatment on infiltration rate and clay migration[J]. Soil Technology， 1991， 4（4）： 221-231.

[3]García-Orenes， F， Guerrero， C， Mataix-Soler C. Factors controlling the aggregate stability and bulk density in two different degraded soils amended with biosolids. Soil and Tillage Research. 2005.

[4]Onyejekwe S， Ghataora G S.Soil Stabilization Using Proprietary Liquid Chemical Stabilizers： Sulphonated Oil and A Polymer.  Bulletin of Engineering Geology and the Environment. 2015.

[5]张峰君，刘瑾，陈晓明，朱鑫，朱文锋.新型水溶性高分子土体固化剂对不同组成土的固化剂性能研究[J].安徽建筑工业学院学报（自然科学版），2004（02）.

[6]单志杰.EN-1离子固化剂加固黄土边坡机理研究[D].中国科学院研究生院（教育部水土保持与生态环境研究中心），2010.

[7]郭玉珊，耿玉清，张艳，等.EN-1固化剂对土壤抗崩性的影响[J].水土保持通报，2015，35（3）：214-217，221.

[8]郭玉珊.EN-1固化剂对土壤理化及生物学性质的影响[D]. 北京林业大学，2015.

[9]Ali Reza Zandieh， S. Shahaboddin Yasrobi. Study of Factors Affecting the Compressive Strength of Sandy Soil Stabilized with Polymer[J]. Geotechnical and Geological Engineering， 2010 （2）.