周冬青，邵 艷，曹慶文，張寶良，李季佩(安徽建筑大學(xué) 土木工程系，安徽 合肥 230601)

合肥濱湖新區(qū)湖積軟土固化配方試驗(yàn)研究

周冬青，邵 艷，曹慶文，張寶良，李季佩
(安徽建筑大學(xué) 土木工程系，安徽 合肥 230601)

湖積軟土在合肥濱湖新區(qū)分布廣泛，其性能難以滿足工程建設(shè)需要，需進(jìn)行固化處理。采用固化助劑粒化高爐礦渣(GGBS)和激發(fā)劑CaO、石膏，通過組合配比對(duì)加固體進(jìn)行室內(nèi)無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)。以GGBS、CaO和石膏的摻量作為影響因子，以7 d和28 d固化體的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度作為響應(yīng)值，采用Box-Behnken法進(jìn)行試驗(yàn)。結(jié)果表明：7 d時(shí)，GGBS與石膏的交互作用顯著；28d時(shí)，石膏與CaO的交互作用顯著。通過交互作用分析，最終得出3種外添劑GGBS、CaO和石膏在7 d和28 d的最優(yōu)配比分別為12.18%、3.62%、3.71%(7 d) 和11.6%、4.08%、4.50%(28 d)。將GGBS固化土與水泥土的固化效果進(jìn)行對(duì)比分析，驗(yàn)證新型固化材料GGBS作為軟土固化劑的可行性。

GGBS固化土；無側(cè)限抗壓強(qiáng)度；Box-Behnken法；最優(yōu)配比

軟土固化是軟土地區(qū)應(yīng)用最廣泛的地基加固方法[1]，重要內(nèi)容之一是考慮軟土的成因來選擇固化劑的種類及配比。合肥濱湖新區(qū)廣泛分布著河湖相軟土層，屬第四紀(jì)沉積物，厚度約為10 m，土層大多為含水豐富的淤泥或淤泥質(zhì)黏土[2]，具有承載力低、地基沉降變形大等特點(diǎn)，不利于濱湖地區(qū)城市建設(shè)[3]。?；郀t礦渣微粉(GGBS)具有潛在的水化活性，水化產(chǎn)物與水泥相同，可以替代水泥作為湖積軟土的固化劑。采用?；郀t礦渣微粉替代或者部分替代水泥作為軟土固化劑不僅可以減少水泥生產(chǎn)過程帶來的環(huán)境影響，同時(shí)還能夠提高軟土固化效果，降低工程造價(jià)[4-5]。

Box-Behnken法是一種能夠同時(shí)考慮多個(gè)影響因子來尋求最優(yōu)目標(biāo)值的試驗(yàn)方法，它不僅可以建立影響因子與目標(biāo)值之間的函數(shù)關(guān)系，還可分析不同影響因子之間的交互作用規(guī)律。將Box-Behnken法應(yīng)用于合肥湖積軟土固化劑配方的研制，分析三種添加劑礦渣微粉GGBS、CaO和石膏的交互作用規(guī)律，建立添加劑和強(qiáng)度目標(biāo)值之間的函數(shù)模型，進(jìn)而確定固化劑和復(fù)合激發(fā)劑之間的最優(yōu)配比。以合肥濱湖新區(qū)地基軟土為試驗(yàn)對(duì)象，選取?；郀t礦渣(GGBS)替代常用的水泥作為軟土固化劑，選用CaO和石膏作為GGBS的激化劑對(duì)軟土進(jìn)行固化，通過將礦渣類固化土與水泥土的固化效果進(jìn)行對(duì)比，分析GGBS軟土固化劑的可行性。

1 試驗(yàn)方法

1.1 試驗(yàn)材料

本次試驗(yàn)所用土取自合肥濱湖地區(qū)某工程地基軟土，基本物理指標(biāo)見表1。試驗(yàn)所用的材料包括粒化高爐礦渣(GGBS)、純度為98%的CaO以及常用的建筑石膏。

表1 土樣的基本物理指標(biāo)

1.2 試樣的制作與養(yǎng)護(hù)

將取回的軟土放置于105 ℃～110 ℃的烘箱中烘干，取出擊碎，過2 mm篩，去除雜質(zhì)，置于塑料袋內(nèi)密封備用。根據(jù)已有的單摻試驗(yàn)成果[6]，初步給出摻量范圍：GGBS為8%～14%，CaO為2%～5%，石膏為2%～5%。將過篩后的干土、水、GGBS、CaO和石膏按比例放入攪拌機(jī)中攪拌均勻，制成固化土混合料，然后將其放入三瓣模(直徑為39.1 mm，高為80.0 mm)內(nèi)分層擊實(shí)。試樣制作完成后在三瓣模的兩端蓋上玻璃片以防止水分流失(見圖1)，靜置24 h后脫模取出放入不透氣的保鮮袋內(nèi)密封，標(biāo)記配比含量以及日期(見圖2)后放于養(yǎng)護(hù)器皿中養(yǎng)護(hù)，直至養(yǎng)護(hù)齡期取出進(jìn)行試驗(yàn)。

圖1 三瓣膜放置試樣 圖2 保鮮膜密封養(yǎng)護(hù)

1.3 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

本次Box-Behnken試驗(yàn)設(shè)計(jì)[7]采用三因素(X1，X2，X3)、三水平(-1，0，+1)布置試驗(yàn)，試驗(yàn)總數(shù)為2K·(K-1) +C0。其中：K表示因素的個(gè)數(shù)，C0表示中心試驗(yàn)點(diǎn)的重復(fù)次數(shù)，本次試驗(yàn)K=3，C0=5。利用Design Expert軟件對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，建立二階經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ?。模型為?/p>

(1)

式中：Y為預(yù)測(cè)響應(yīng)值；β0為常數(shù)；βi為線性系數(shù)；βij為交互作用系數(shù)；βii為平方系數(shù)；k為因子數(shù)。

本次試驗(yàn)中，變量因子分別為GGBS(X1)、CaO(X2)、石膏(X3)，其三水平分別記作-1、0、+1，見表2。

表2 自變量及其編碼水平

采用Box-Behnken法建立試驗(yàn)設(shè)計(jì)方案，以7d齡期和28d齡期的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度作為響應(yīng)值，依次進(jìn)行試驗(yàn)，試驗(yàn)安排與試驗(yàn)結(jié)果見表3。

表3 三因素三水平的Box-Behnken試驗(yàn)設(shè)計(jì)方案

2 試驗(yàn)結(jié)果與數(shù)據(jù)分析

2.1 模型的建立與分析

利用Design-Expert軟件，對(duì)表3試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行二次多項(xiàng)式回歸擬合，得到二階模型方程各項(xiàng)系數(shù)及其方差分析結(jié)果如表4所示。

注：7d模型 R2=0.9655；28d模型R2=0.9508。

由方差分析可知：7d齡期和28d齡期的模型均顯著(P=0.000 3，0.000 9)，表明模型與實(shí)際情況擬合很好。據(jù)此對(duì)于7d齡期，各因素對(duì)固化土強(qiáng)度的線性效應(yīng)和曲面效應(yīng)均顯著，X1X3的交互作用顯著；28d齡期，各因素對(duì)強(qiáng)度的線性效應(yīng)和曲面效應(yīng)均顯著，X2X3的交互作用顯著。對(duì)于7d的回歸分析結(jié)果，通過Design-Expert軟件剔除不顯著項(xiàng)X1X2、X2X3，給出二階模型為：

Y7=1452.80+110.13X1+37.00X2+49.88X3-53.00X1X3-128.15X12-163.40X22-105.15X32

(2)

對(duì)于28d的回歸分析結(jié)果，剔除項(xiàng)為X1X2、X1X3，二階模型為：

Y28=2752.20+305.88X1+318.00X2+277.37X3+239.25X2X3-614.35X12-600.60X22-268.35X32

(3)

2.2 交互作用與固化機(jī)制分析

由上述分析可知，7d齡期時(shí)GGBS與石膏的交互作用顯著，在式(2)中將X2固定在0水平，便得到GGBS與石膏摻量間交互作用對(duì)強(qiáng)度影響的響應(yīng)面圖和等高線圖，見圖3。

圖3 GGBS和石膏對(duì)7 d齡期的強(qiáng)度交互作用的響應(yīng)面和等高線圖

對(duì)于28d齡期，CaO與石膏的交互作用顯著，在式(3)中將X1固定在0水平，便得到CaO與石膏摻量間交互作用對(duì)強(qiáng)度影響的響應(yīng)面圖和等高線(見圖4)。

圖4 CaO和石膏對(duì)28d齡期的強(qiáng)度交互作用的響應(yīng)面和等高線圖

由圖4可知：CaO和石膏的交互作用明顯，當(dāng)CaO摻量在2%～5%時(shí)，Y28隨石膏摻量的增大呈現(xiàn)先增大后減小的變化趨勢(shì)。另外，固化土強(qiáng)度同樣隨CaO摻量的增加呈先增大后減小的變化趨勢(shì)。這是由于在起初石膏含量逐漸增加時(shí)，鈣礬石的生成量也是在不斷增加，由于鈣礬石的膨脹作用不斷填充加固土的孔隙，使得土體強(qiáng)度得到提高，當(dāng)隨著石膏的不斷增加達(dá)到一個(gè)峰值后，生成的多余鈣礬石會(huì)破壞生石灰，經(jīng)過一系列水化反應(yīng)生成水化硅酸鈣(CSH)導(dǎo)致固化土強(qiáng)度的整體降低。

2.3 配方優(yōu)化分析

通過Design-Expert軟件對(duì)7d和28d齡期的交互作用分析，可以得出GGBS、CaO、石膏的最優(yōu)配合比。對(duì)于7d齡期，最優(yōu)配比為12.18% 、3.62% 、3.71%，在此配比下Y7=1 479.33kPa。對(duì)于28d齡期試樣，最優(yōu)配比為11.6%、4.08%、4.50%，Y28=2 936.78kPa。

為了檢驗(yàn)?zāi)Ｐ偷膶?shí)用性，將對(duì)應(yīng)的編碼帶入式(2)、式(3)，計(jì)算所得的預(yù)測(cè)值與試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，見表5。由表5可知：預(yù)測(cè)值與實(shí)際值比較接近，說明該法對(duì)于固化土在實(shí)際工程中的配比設(shè)計(jì)具有重要意義。

表5 實(shí)測(cè)值與預(yù)測(cè)值對(duì)比

3 GGBS固化土與水泥固化土力學(xué)性質(zhì)的對(duì)比分析

上述試驗(yàn)和分析證明了GGBS、CaO和石膏可以有效固化湖積軟土，提高土體的強(qiáng)度。工程上一般以28d強(qiáng)度作為檢測(cè)值，為了驗(yàn)證GGBS、CaO和石膏混合固化劑在工程中的可行性，將水泥固化土的試驗(yàn)結(jié)果與最優(yōu)配比為11.6%、4.08%、4.50%的GGBS固化土進(jìn)行對(duì)比。

3.1 固化土強(qiáng)度變化規(guī)律的對(duì)比

選用水泥對(duì)軟土進(jìn)行加固，試驗(yàn)條件和養(yǎng)護(hù)條件與上述礦渣固化土相同，水泥的摻入比分別為8%、11%、14%，水泥固化土含水率取自然含水率(32.51%)，圖5為水泥土與GGBS固化土無側(cè)限抗壓強(qiáng)度比較曲線。

圖5 水泥土與GGBS固化土無側(cè)限抗壓強(qiáng)度比較曲線

由圖5可知：固化土的強(qiáng)度隨水泥摻量的增加而增大，其3條增長(zhǎng)曲線近乎平行。水泥摻量為8%的固化土養(yǎng)護(hù)3d后強(qiáng)度即達(dá)到700kPa，之后其強(qiáng)度增長(zhǎng)速率較低，強(qiáng)度增長(zhǎng)曲線整體趨于平緩，養(yǎng)護(hù)28d后水泥固化土強(qiáng)度為988kPa，其3d無側(cè)限抗壓強(qiáng)度就已達(dá)到28d強(qiáng)度的75%。摻量為11%和14%的水泥固化土強(qiáng)度高于摻量為8%水泥固化土，但其強(qiáng)度增長(zhǎng)曲線與摻量為8%的水泥固化土相近，養(yǎng)護(hù)初期其強(qiáng)度增長(zhǎng)迅速，水泥摻量為11%固化土的 3d側(cè)限抗壓強(qiáng)度可以達(dá)到28d強(qiáng)度的62%，摻量為14%的固化土3d強(qiáng)度可以達(dá)到28d的61%以上。不同配比的水泥固化土無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)表明：隨著養(yǎng)護(hù)齡期的增長(zhǎng)和水泥摻入比的增加，固化土強(qiáng)度也隨之增長(zhǎng)，在養(yǎng)護(hù)初期固化土強(qiáng)度增長(zhǎng)迅速，可以很快形成一定強(qiáng)度，其固化土3d無側(cè)限抗壓強(qiáng)度基本上可以達(dá)到28d強(qiáng)度的60%以上。

配比為11.6%、4.08%、4.50%的GGBS固化土初期強(qiáng)度與水泥摻量為11%的固化土相近，但是隨著養(yǎng)護(hù)齡期的增長(zhǎng)，礦渣固化土的28d強(qiáng)度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于摻量為11%的水泥固化土；與摻入比為14% 的固化土相比，養(yǎng)護(hù)初期礦渣固化土強(qiáng)度要小于摻量為14%的水泥固化土，但是隨著養(yǎng)護(hù)齡期的增長(zhǎng)其強(qiáng)度很快超過14%的水泥固化土。與水泥固化土相比，礦渣固化土的初期強(qiáng)度較低，其7d抗壓強(qiáng)度僅達(dá)到了28d強(qiáng)度的41%，與水泥土的60%相比有較大差距；但礦渣固化土的后期強(qiáng)度增長(zhǎng)潛力較大，其28d抗壓強(qiáng)度比3d增長(zhǎng)了約157%。

3.2 固化土應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系比較分析

水泥和GGBS固化土都可以有效提高軟土的強(qiáng)度，但是水泥和GGBS對(duì)固化土的影響也有不同。選取養(yǎng)護(hù)28d后的水泥和配比為11.6%、4.08%、4.50%的GGBS固化土的應(yīng)力應(yīng)變曲線進(jìn)行對(duì)比，如圖6所示。

圖6 28d水泥土與GGBS固化土應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系曲線比較 圖7GGBS固化土的破壞形態(tài)

由圖6可知：3個(gè)摻入比不同的水泥固化土應(yīng)力應(yīng)變曲線相近，基本上呈脆性破壞，試驗(yàn)初期應(yīng)力應(yīng)變曲線呈直線上升，臨近破壞時(shí)進(jìn)入塑性階段，其塑性階段十分短暫試樣很快達(dá)到破壞，強(qiáng)度急劇降低。3個(gè)摻入比不同的水泥固化土均在應(yīng)變約為2.5%時(shí)強(qiáng)度達(dá)到最大值，試樣破壞。

配比為11.6%、4.08%、4.50%的固化土應(yīng)力應(yīng)變曲線與水泥固化土相似，但與水泥固化土相比，GGBS固化土強(qiáng)度更高，其應(yīng)力應(yīng)變曲線上升更加陡峭，當(dāng)應(yīng)變?yōu)?.1%時(shí)試樣即遭到破壞，其塑性階段比水泥固化土更加短暫，破壞方式更趨近于脆性破壞。其試樣破壞如圖7所示，試樣破壞時(shí)固化土沒有明顯變形，在試樣上形成了一個(gè)由上而下呈45°的通縫，土體的破壞性質(zhì)越來越接近混凝土的受壓破壞，屬于脆性破壞。

4 結(jié)論

(1)根據(jù)回歸方程的方差分析，7d齡期時(shí)，三因素對(duì)固化土強(qiáng)度的線性效應(yīng)和曲面效應(yīng)均顯著，GGBS與石膏的交互作用顯著；28d齡期時(shí)，各因素對(duì)強(qiáng)度的線性效應(yīng)和曲面效應(yīng)均顯著，CaO與石膏的交互作用顯著。

(2)采用Box-Behnken法設(shè)計(jì)優(yōu)化了GGBS、CaO、石膏三者的配比：對(duì)于7d齡期，最佳配合比為12.18% 、3.62% 、3.71%，在此配比下Y7達(dá)到1 479.33kPa；對(duì)于28d齡期，最佳配合比為11.6%、4.08%、4.50%，Y28達(dá)到2 936.78kPa。驗(yàn)證試驗(yàn)的結(jié)果表明，預(yù)測(cè)值與實(shí)測(cè)值比較接近。說明對(duì)合肥湖積軟土的固化配方研究具有廣闊的應(yīng)用前景。

(3)將水泥固化土與礦渣固化土的固化效果進(jìn)行對(duì)比，分析表明：礦渣可以有效固化合肥湖積軟土，其配比為11.6%、4.08%、4.50%的礦渣固化土28d強(qiáng)度完全可以超過摻入比為14%的水泥固化土，同時(shí)礦渣固化土前期強(qiáng)度比水泥固化土低，但試樣的后期強(qiáng)度增長(zhǎng)潛力較大。

(4)GGBS固化土與水泥固化土應(yīng)力應(yīng)變曲線對(duì)比表明：配比為11.6%、4.08%、4.50%的GGBS固化土更趨近于脆性破壞，其應(yīng)變?yōu)?.1%時(shí)試樣即達(dá)到破壞，可以極大地降低軟土的壓縮性，減小軟土變形引起的破壞。

[1] 張大捷, 田曉峰, 侯浩波, 等. 礦渣膠凝材料固化軟土的力學(xué)性狀及機(jī)制[J]. 巖土力學(xué), 2007(9):1987-1991.

[2] 徐小磊. 合肥市濱湖新區(qū)地質(zhì)調(diào)查與城市地質(zhì)研究[J]. 安徽地質(zhì), 2007(2):81-84.

[3] 邵艷,王仕傳,李長(zhǎng)勇.合肥濱湖新區(qū)軟土物理力學(xué)特性相關(guān)性分析[J].工業(yè)建筑, 2013, 43(5): 86-89.

[4] 易耀林, 李晨, 孫川,等. 堿激發(fā)礦粉固化連云港軟土試驗(yàn)研究[J]. 巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào), 2013(9):1820-1826.

[5] 易耀林, 卿學(xué)文, 莊焱, 等. ?；郀t礦渣微粉在軟土固化中的應(yīng)用及其加固機(jī)理[J]. 巖土工程學(xué)報(bào), 2013, 35(s2): 382-384.

[6] 邵艷, 邢維忠, 魏源.GGBS及其激發(fā)劑固化合肥湖積軟土的試驗(yàn)研究[J]. 實(shí)驗(yàn)力學(xué), 2015(3):367-372.

[7]BoxG.E.P..PALMERGM.ResponseSurfaceMethodologyolog-Revisited[J].CerealFoodScience,1976(21):432-445.

[8] 黃雨, 周子舟, 柏炯, 等. 石膏添加劑對(duì)水泥土攪拌法加固軟土地基效果影響的微觀試驗(yàn)分析[J]. 巖土工程學(xué)報(bào), 2010(8): 1179-1183.

[9] 吳蓬. 粒化高爐礦渣膠凝性能的活化工藝及水化機(jī)理研究[D]. 青島：山東科技大學(xué), 2013.

[10] 吳蓬, 呂憲俊, 胡術(shù)剛等. ?；郀t礦渣膠凝性能活化研究進(jìn)展[J]. 金屬礦山, 2012(10): 157-161.

[11] 黃新, 胡同安. 水泥—廢石膏加固軟土的試驗(yàn)研究[J]. 巖土工程學(xué)報(bào),1998(5):72-76.

Experiment research on mixture ratio of stabilizing lacustrine soft soil in Binhu New Area of Hefei Province

ZHOU Dong-qing, SHAO Yan, CAO Qing-wen, ZHANG Bao-liang, LI Ji-pei
(DepartmentofCivilEngineering,AnhuiJianzhuUniversity,Hefei230601,China)

The lacustrine soft soil is widely distributed in Binhu New Area of Hefei Province, and its performance is difficult to meet the need of project construction, which needs to be cured. (GGBS) and activator CaO, gypsum were used to control the indentation strength of the solidified body by the combination ratio. The effects of GGBS, CaO and gypsum as the influencing factors were studied by Box-Behnken method with the unconfined compressive strength of 7 d and 28 d. At 28 days, the interaction between gypsum and CaO was significant. The optimal ratios of GGBS, CaO and gypsum were 12.18%, 3.62%, 3.71% (7 d) and 11.6% and 4.08% respectively at 7 d and 28d, respectively, by interaction analysis. 4.50% (28 d). The feasibility of GGBS solidified soil and cement soil was compared and analyzed to verify the feasibility of the new curing material GGBS as soft soil curing agent.

GGBS stabilized soil; unconfined compressive strength; Box-Behnken method; optimum mixture ratio

2016-12-31

安徽省自然科學(xué)基金項(xiàng)目(1508085ME76)

周冬青(1991—)，男，安徽宿州人，碩士研究生。

1674-7046(2017)02-0053-08

10.14140/j.cnki.hncjxb.2017.02.010

TU472

A