(1.成都理工大學(xué) 四川 成都 610059;2.江蘇大學(xué)土木工程與力學(xué)學(xué)院 江蘇 鎮(zhèn)江 212013)

引言

過(guò)去幾年，天津?yàn)I海新區(qū)由于工程建設(shè)需要進(jìn)行圍海造陸。由于該地區(qū)建設(shè)用砂較少，因此將航道疏浚土作為吹填土[1]。但航道疏浚土由于其塑性指數(shù)高、孔隙比大等特點(diǎn)導(dǎo)致其地基承載力較差。因此需要進(jìn)行地基處理以增強(qiáng)其承載力[2-4]。本文以以天津LNG管道填海段作為軟土地區(qū)不均勻沉降量控制技術(shù)研究案例，采用固化材料SD對(duì)吹填土進(jìn)行加固，對(duì)天津?yàn)I海新區(qū)的工程建設(shè)提出指導(dǎo)和建議。

一、研究區(qū)高礦化度軟土加固過(guò)程特性研究

吹填土的物理力學(xué)性質(zhì)與土中含鹽量的多少有著密切的聯(lián)系。當(dāng)含鹽量在百分之0.5以下時(shí)，土的礦化性對(duì)其物理力學(xué)性質(zhì)影響不大；但當(dāng)土中的含鹽量在百分之0.5以上時(shí)，土的礦化性對(duì)其性質(zhì)影響明顯；而當(dāng)土中的含鹽量高于百分之3時(shí)，鹽分的具體種類與種類之間的占比關(guān)系則主要影響著土的物理力學(xué)性質(zhì)[9]。研究區(qū)的吹填土其含鹽量為4.66%，其中以顆粒細(xì)小的粉質(zhì)粘土為主，局部夾雜薄層粉土以及粉砂。當(dāng)土中水分蒸發(fā)，含水率降低，結(jié)晶的鹽顆粒部分充填于土顆粒的孔隙間，其余部分的結(jié)晶鹽顆粒則充當(dāng)了土的骨架。土中的鹽分受其顆粒形態(tài)的影響，使得吹填土成為了一種帶電體系，最終導(dǎo)致了土的性質(zhì)發(fā)生變化[10]。目前對(duì)高礦化度吹填土的沉降控制技術(shù)從化學(xué)途徑上來(lái)控制改善吹填土的強(qiáng)度特性和鹽脹特性則研究較少。因此本文通過(guò)采用多種對(duì)比試驗(yàn)來(lái)研究新型固化劑對(duì)天津LNG管道填海段高礦度吹填土的強(qiáng)度和鹽脹變形特性的影響及其作用機(jī)理。

(一)試驗(yàn)方法

通過(guò)室內(nèi)試驗(yàn)揭示了天津LNG管道填海段的吹填土主要為氯鹽吹填土，硫酸吹填土居次要位置。氯鹽是主要控制吹填土強(qiáng)度的因素，而硫酸鹽是主要控制吹填土膨脹的因素。因此為了研究不同鹽類作用的加固材料性質(zhì)，以天津LNG管道填海段軟土含鹽量為參考，配制人工試塊。

室內(nèi)試驗(yàn)配制的水灰比為0.6，水泥和吹填土的質(zhì)量比為0.12，控制固化劑摻量以水泥摻入量的2.5 %和5 %兩種變量情況進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn)。先按照特定順序制備水泥漿，待攪拌機(jī)攪拌完成后，將其混入試樣中繼續(xù)攪拌，待攪拌均勻?yàn)橹埂?/p>

(二)試驗(yàn)結(jié)果分析

1.新型固化劑對(duì)吹填土強(qiáng)度特性的影響

為研究新型固化劑對(duì)天津LNG管道填海段吹填土無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度的影響，向試樣中加入的固化劑含量分別為水泥含量的2.5%(A組)以及水泥含量的5%(B組)，進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn)。

從通過(guò)試驗(yàn)結(jié)果可以得出：加入了SD材料的試樣相比較于純水泥加固的試樣，抗壓強(qiáng)度有了顯著的提高，固化劑摻入量越高，則抗壓強(qiáng)度也越大。新型固化劑摻量為2.5%，5%的吹填土28d時(shí)的抗壓強(qiáng)度分別為1.05 MPa，1.31 MPa，相對(duì)于純水泥土的抗壓強(qiáng)度分別增加了56.72%，95.52%。在試驗(yàn)前7d時(shí)，抗壓強(qiáng)度顯著提升，隨著時(shí)間推移，抗壓強(qiáng)度表現(xiàn)為緩慢增長(zhǎng)。摻入了新型固化劑的試驗(yàn)對(duì)象，其抗壓強(qiáng)度可以在短時(shí)間內(nèi)得到顯著的提高。

圖1-1 無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度曲線

圖1-2 試驗(yàn)線膨脹量

2.新型固化劑對(duì)吹填土膨脹性的影響

為研究該新型固化劑對(duì)天津LNG管道填海段吹填土膨脹性的影響，向試樣中加入的固化劑含量分別為水泥含量的2.5%(A組)以及水泥含量的5%(B組)，進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果如下：

從圖中可以看出：加入了固化劑的試樣相比較于純水泥加固的試樣，線膨脹量有了顯著的降低，固化劑摻入量越高，則膨脹性呈遞減趨勢(shì)。固化劑摻量為0%，2.5%，5%，時(shí)，在養(yǎng)護(hù)齡期為28 d時(shí)試樣的平均線膨脹率為1.62%，0.337%，0.301%，純水泥加固試樣的線膨脹量約為添加了固化劑試樣線膨脹量的5倍。由此可得出該新型固化劑可有效抑制吹填土水泥試塊的膨脹，且隨固化劑含量的增加，水泥加固土的膨脹率逐漸降低。試樣膨脹主要集中在前5d，而后試樣基本無(wú)膨脹現(xiàn)象。

二、新型固化劑SD對(duì)吹填土的加固機(jī)理

通過(guò)室內(nèi)試驗(yàn)揭示了天津LNG管道填海段的吹填土主要為氯鹽吹填土，硫酸吹填土居次要位置。氯鹽和水泥水化發(fā)生化學(xué)反應(yīng)生成C3A·CaCl2·10H2O，這種物質(zhì)強(qiáng)度低，而且無(wú)法聯(lián)結(jié)，從根本上導(dǎo)致了其強(qiáng)度的降低，反應(yīng)方程式如下：

Ca(OH)2+2NaCl=CaCl2+2Na++2OH-

C3A+CaCl2+10H2O→C3A·CaCl2·10H2O

主要控制吹填土膨脹因素的硫酸鹽發(fā)生反應(yīng)生成鈣礬石，導(dǎo)致體積膨脹，反應(yīng)方程式如下：

3CaSO4+4CaO·Al2O3·19H2O+14H2O →3 CaO·Al2O3·3 CaSO4·32 H2O + Ca(OH)2

對(duì)此，要想解決吹填土帶來(lái)的工程危害問(wèn)題，首當(dāng)其沖就是先要抑制其土中的鹽離子與鋁酸鈣反應(yīng)。新型固化劑中含有大量二氧化硅，與氫氧化鈣反應(yīng)生成水化硅酸鈣，這種物質(zhì)是一種不溶性鹽類晶體，分布在顆粒之間的孔隙中，增強(qiáng)粘結(jié)能力，反應(yīng)方程式如下：

SiO2+Ca(OH)2+H2O→CSH

現(xiàn)階段研究現(xiàn)狀表明氯鹽和水泥水化發(fā)生化學(xué)反應(yīng)生成C3A· CaCl2· 10H2O會(huì)隨著二氧化硅含量的增加而減少。這是因?yàn)槎趸枋沟盟嗤恋膲A度降低，氯酸三鈣也會(huì)得到稀釋，導(dǎo)致C3A· CaCl2· 10H2O的溶解度增加，從而提高了強(qiáng)度。同時(shí)鈣礬石的含量也會(huì)因?yàn)闅溲趸}濃度的降低而減少，最終固化土的體積膨脹也會(huì)得到有效控制。

三、結(jié)論

(1)通過(guò)試驗(yàn)可以看出：加入了新型固化劑SD的試樣相比較于純水泥加固的試樣，抗壓強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度都有了極為顯著的提高。

(2)加入了固化劑的試樣，其線膨脹量有了顯著的降低，固化劑摻入量越高，則膨脹性呈遞減趨勢(shì)。試樣膨脹主要集中在前5d，而后試樣基本無(wú)膨脹現(xiàn)象。

(3)加入了新型固化劑中含有大量二氧化硅，導(dǎo)致水泥土堿度的降低，低pH值可導(dǎo)致C3A· CaCl2· 10H2O含量的降低，從而提高了強(qiáng)度。同時(shí)鈣礬石的含量也會(huì)因?yàn)闅溲趸}濃度的降低而減少，最終固化土的體積膨脹也會(huì)得到有效控制。