邱豪杰， 姚佳良， 陳鑫， 郝桂禹

(長(zhǎng)沙理工大學(xué) 交通運(yùn)輸工程學(xué)院， 湖南 長(zhǎng)沙 410114)

采用水泥作為固化劑的攪拌樁對(duì)于一些土質(zhì)的處理效果并不明顯，限制了攪拌樁處理軟土地基的使用范圍。地聚合物是一種通過(guò)土工合成物的化學(xué)反應(yīng)獲得的礦物質(zhì)聚合物，是由四面體鋁硅酸鹽單元冷凝產(chǎn)生的框架結(jié)構(gòu)，其中堿金屬離子平衡了四面體鋁的電荷。地聚合物的合成溫度一般為25～80 ℃，用地聚合物代替OPC可減少CO2排放對(duì)環(huán)境的破壞。此外，地聚合物還具有類似于水泥基材料的抗壓強(qiáng)度及優(yōu)異的耐熱性、有機(jī)溶劑性和耐酸性。Dai Y. S.等以高爐渣和粉煤灰為原料，采用無(wú)機(jī)聚合物作為砼結(jié)構(gòu)修補(bǔ)材料，地聚合物黏結(jié)的砼基層抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)表明，修復(fù)率可達(dá)120%；通過(guò)與硅酸鹽水泥對(duì)比，證明了礦渣/粉煤灰基聚合物水泥漿具有良好的工程發(fā)展?jié)摿Αuo W. T.等以粉煤灰/磨細(xì)高爐渣地質(zhì)聚合物(FGG)為主要水泥材料作為砼修補(bǔ)材料，隨著液固比的增加，F(xiàn)GG修補(bǔ)材料的抗剪強(qiáng)度和劈拉強(qiáng)度降低，粉煤灰取代率為10%時(shí)可獲得良好的修補(bǔ)效果。Phetchuay C.等研究電石渣(CCR)和粉煤灰(FA)基地聚合物穩(wěn)定海洋黏土的強(qiáng)度發(fā)展和碳足跡，高強(qiáng)度下碳足跡的減少表明FA地聚合物可用作傳統(tǒng)硅酸鹽水泥的替代品和綠色土壤穩(wěn)定劑。地聚合物能克服普通硅酸鹽水泥堿集料反應(yīng)、收縮性大、水化熱高、耐腐蝕性差等不足，還具有較低的收縮潛力和團(tuán)聚體的良好附著力，同時(shí)它是一種環(huán)保型材料，其原材料來(lái)源廣泛、能耗低、對(duì)環(huán)境污染小、制備簡(jiǎn)易，可作為一種有效的土壤穩(wěn)定劑。該文通過(guò)試驗(yàn)，研究地聚合物代替水泥作為攪拌樁固化劑處理軟土的可行性。

1 材料與方法

1.1 材料

1.1.1 軟土

從試驗(yàn)路段取得軟土土樣，將其破碎后放入烘箱烘干，然后用5 mm篩孔篩分。軟土的的技術(shù)指標(biāo)見(jiàn)表1。

表1 軟土土樣的技術(shù)指標(biāo)

1.1.2 地聚合物

以高鈣粉煤灰、礦渣、偏高嶺土、石灰為礦物原材料，以模數(shù)為3.10的硅酸鈣加入一定量NaOH調(diào)制成模數(shù)為1.50的硅酸鈉作為堿激發(fā)劑，再加適量添加劑制配成復(fù)合型地聚合物，其物理力學(xué)性能見(jiàn)表2。

表2 地聚合物的物理力學(xué)性能指標(biāo)

1.2 地聚合物的改性軟土機(jī)理

地聚合物與土團(tuán)粒充分接觸后，通過(guò)內(nèi)在的縮聚水化反應(yīng)生成無(wú)機(jī)膠凝體，這些膠凝體一部分會(huì)硬化形成地聚合物骨架，一部分會(huì)包裹黏土顆粒形成裹覆體，一部分填充土團(tuán)粒間的多余孔隙。地聚合物形成的骨架支撐著裹覆體，形成一個(gè)相互聯(lián)結(jié)的結(jié)構(gòu)系統(tǒng)，在宏觀上表現(xiàn)為軟土體系強(qiáng)度提高。

離子交換的團(tuán)?；饔茫和令w粒表面帶有Na+或K+，它們與地聚合物水化物中的Al+進(jìn)行當(dāng)量吸附交換，使較小的土顆粒不斷吸附交換形成較大土團(tuán)粒，使土體強(qiáng)度得到提高。

凝結(jié)硬化反應(yīng)：軟土中的SiO2、Al2O3與地聚合物中少量存在的Ca(OH)2發(fā)生發(fā)應(yīng)，生成凝膠物質(zhì)，起到填充顆粒間孔隙和連接軟土顆粒的作用。其反應(yīng)式如下：

SiO2+Ca(OH)2+nH2O→CaO·SiO2·

(n+1)H2O

(1)

Al2O3+Ca(OH)2+nH2O→CaO·Al2O3·

(n+1)H2O

(2)

地聚合物對(duì)軟土顆粒界面的深入作用：地聚合物具有堿性，能與土顆粒表面的自由水結(jié)合，同時(shí)能滲入強(qiáng)弱結(jié)合水中并生成膠凝結(jié)構(gòu)物。與水泥或其他材料加固軟土相比，地聚合物不僅能起到水泥所起的填充和包裹作用，還能與軟土顆粒界面內(nèi)的活性物質(zhì)反應(yīng)生成新的無(wú)機(jī)高分子膠凝體。

地聚合物中堿液與軟土的反應(yīng)：地聚合物中的堿激發(fā)劑會(huì)與土中可溶性及其交換性堿土金屬陽(yáng)離子發(fā)生置換反應(yīng)，使土體成為鈉飽和土，且在土體顆粒表面及周圍生成堿土金屬的氫氧化物沉淀。置換反應(yīng)結(jié)束后剩下的激發(fā)劑溶液與土顆粒發(fā)生反應(yīng)，在土顆粒外面形成一層外殼，主要成分為鋁酸鹽和鈉硅酸鹽的膠膜。化學(xué)反應(yīng)式如下：

2NaOH+nSiO2→Na2O·SiO2+H2O

(3)

2NaOH+mAl2O3→Na2O·mAl2O3+H2O

(4)

對(duì)原狀土和地聚合物穩(wěn)定土進(jìn)行掃描電鏡觀察，得到土壤的微觀形態(tài)(見(jiàn)圖1)。從圖1可看出：原狀土中孔隙率較大，土顆粒之間沒(méi)有結(jié)合在一起，因而軟土的強(qiáng)度非常低。而地聚合物穩(wěn)定土中有很多如蜘蛛網(wǎng)一樣的白色結(jié)晶體，具有更致密的表面形貌、更好的連通性和填充性，將土顆粒膠結(jié)成一個(gè)更完整的整體，這是因?yàn)榈鼐酆衔锼a(chǎn)生的類沸石前驅(qū)體凝膠脫水會(huì)形成非晶相，從而降低軟土的孔隙率和孔隙尺寸，土體強(qiáng)度提高。

圖1 原狀土和地聚合物穩(wěn)定土SEM圖

1.3 基于正交法的地聚合物土配合比優(yōu)化設(shè)計(jì)

1.3.1 地聚合物土試件制備

地聚合物摻量(地聚合物與被加固軟土質(zhì)量之比)取10%、12%、14%，地聚合物穩(wěn)定土含水率按軟土天然含水率±3%控制，水灰比取0.5。

稱取地聚合物粉末、軟土土樣、水，先把土樣和地聚合物放入攪拌鍋充分?jǐn)嚢瑁倮眯⌒蛧娝畨鼐鶆驗(yàn)⒉妓?，繼續(xù)攪拌直至均勻。將攪拌均勻的地聚合物穩(wěn)定土裝模，成型后將試模放入恒溫養(yǎng)護(hù)箱，1 d后試塊形成一定強(qiáng)度后脫模。將脫模的試塊放入溫度為(20±2) ℃、濕度為75%的養(yǎng)護(hù)箱中養(yǎng)護(hù)至相應(yīng)齡期(見(jiàn)圖2)。

圖2 地聚合物穩(wěn)定土成型試件

1.3.2 基于正交法的地聚合物穩(wěn)定土配合比設(shè)計(jì)

采用正交表L9(33)，以地聚合物摻量、軟土含水率和攪拌時(shí)間為影響因素，影響因素的水平，地聚合物摻量為10%、12%、14%，軟土含水率為46%、49%、52%，攪拌時(shí)間為240、480、720 s。通過(guò)無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度和抗剪強(qiáng)度試驗(yàn)，對(duì)比各因素水平對(duì)地聚合物穩(wěn)定土力學(xué)性能的影響，優(yōu)選出地聚合物處理軟土最優(yōu)水平組合。正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)方案見(jiàn)表3。

表3 正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)方案

1.4 試驗(yàn)路地聚合物土攪拌樁性能測(cè)試

(1) 工程概況。試驗(yàn)路段位于浙江省104國(guó)道改擴(kuò)建工程，將地聚合物作為固化劑，水灰比采用0.5，地聚合物摻量為14%，軟土面積約為25 m2。設(shè)置攪拌樁10根，其中5根為地聚合物攪拌樁，5根為水泥+地聚合物攪拌樁(水泥和地聚合物摻量各占50%)，按等邊三角形布置。

(2) 地聚合物土攪拌樁的性能。根據(jù)GB 50007-2011《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》及工程設(shè)計(jì)基本參數(shù)對(duì)試驗(yàn)路段深層攪拌樁進(jìn)行計(jì)算，結(jié)果見(jiàn)表4。由表4可知：地聚合物土攪拌樁的技術(shù)指標(biāo)均滿足規(guī)范要求。

表4 地聚合物土攪拌樁的技術(shù)指標(biāo)

2 試驗(yàn)段地聚合物攪拌樁試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 地聚合物土配合比優(yōu)選

地聚合物穩(wěn)定土試件無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度和抗剪強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表5，試驗(yàn)結(jié)果的極差分析結(jié)果見(jiàn)表6、表7，各因素與抗壓強(qiáng)度、抗剪強(qiáng)度的關(guān)系分別見(jiàn)圖3、圖4。

表5 L9(33)正交試驗(yàn)結(jié)果

表6 抗壓強(qiáng)度的極差分析

表7 抗剪強(qiáng)度的極差分析

圖3 各因素與抗壓強(qiáng)度的關(guān)系

圖4 各因素與抗剪強(qiáng)度的關(guān)系

由表6、表7可知：影響地聚合物穩(wěn)定土抗壓、抗剪強(qiáng)度的主次順序依次為地聚合物摻量α、軟土含水率β、攪拌時(shí)間γ，地聚合物穩(wěn)定土的最優(yōu)水平為α3β1γ3。

由圖3、圖4可知：地聚合物穩(wěn)定土各齡期抗壓強(qiáng)度和抗剪強(qiáng)度隨著各因素變化呈相似的變化趨勢(shì)。地聚合物摻量由10%增大到14%，地聚合物穩(wěn)定土的強(qiáng)度增長(zhǎng)顯著。地聚合物穩(wěn)定土的強(qiáng)度在后期28～90 d的增長(zhǎng)速率比7～28 d時(shí)更快，表明地聚合物穩(wěn)定土在后期發(fā)展更完全?？紤]到經(jīng)濟(jì)性，在保證地聚合物穩(wěn)定土強(qiáng)度達(dá)到要求的基礎(chǔ)上選擇14%作為地聚合物摻量用于實(shí)際工程。地聚合物穩(wěn)定土的強(qiáng)度隨著軟土含水率的增加而減少，含水率大小同樣會(huì)影響攪拌的均勻性，可借鑒水泥處理軟土的經(jīng)驗(yàn)取得最佳含水率。

2.2 原狀土、水泥穩(wěn)定土與地聚合物穩(wěn)定土的強(qiáng)度性能對(duì)比

對(duì)原狀軟土、水泥穩(wěn)定土、地聚合物穩(wěn)定土的90 d無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果見(jiàn)圖5。固化劑摻量取10%、12%、14%。

圖5 不同固化劑不同摻量下穩(wěn)定土抗壓強(qiáng)度對(duì)比

由圖5可知：隨著固化劑摻量的增加，穩(wěn)定土的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度增大。當(dāng)固化劑摻量為10%時(shí)，90 d齡期地聚合物穩(wěn)定土、水泥穩(wěn)定土的抗壓強(qiáng)度分別為3.60、2.98 MPa，比原狀軟土的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度0.04 MPa分別提高90、75倍，地聚合物穩(wěn)定土的強(qiáng)度比水泥穩(wěn)定土提高121%。固化劑摻量為14%時(shí)，地聚合物穩(wěn)定土、水泥穩(wěn)定土的抗壓強(qiáng)度分別為4.45、3.43 MPa，比原狀軟土的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度分別提高112、86倍，地聚合物穩(wěn)定土的強(qiáng)度比水泥穩(wěn)定土提高130%。用水泥和地聚合物作為固化劑處理軟土均能大幅度提高其強(qiáng)度。在相同條件下，地聚合物穩(wěn)定土的強(qiáng)度比水泥穩(wěn)定土的高，且隨著摻量的增加，地聚合物穩(wěn)定土的強(qiáng)度增幅比水泥穩(wěn)定土更大，用地聚合物替代水泥作為固化劑處理軟土地基可行。

2.3 CT掃描結(jié)果分析

28 d齡期地聚合物穩(wěn)定土不同截面高度的CT掃描結(jié)果見(jiàn)圖6、圖7。

由圖6、圖7可知：隨著地聚合物摻量的增加，試件的孔隙率減少，大孔隙的比例也減少，表明地聚合物對(duì)軟土發(fā)揮了填充作用。地聚合物摻量相同時(shí)，同一試件不同截面高度的孔隙分布不同，表明孔隙的發(fā)展并沒(méi)有貫穿整個(gè)試件。當(dāng)然試件的孔隙和試件的制備也有必然聯(lián)系。CT掃描結(jié)果與地聚合物穩(wěn)定土SEM圖及宏觀試驗(yàn)結(jié)果一致，地聚合物水化產(chǎn)生類沸石前驅(qū)體凝膠，降低了土體的孔隙率和孔隙尺寸，使土體顆粒之間更緊密，因而土的強(qiáng)度提高。

圖6 地聚合物穩(wěn)定土截面高度60 cm時(shí)的CT掃描結(jié)果

圖7 地聚合物穩(wěn)定土截面高度70 cm時(shí)的CT掃描結(jié)果

2.4 試驗(yàn)路地聚合物土攪拌樁性能評(píng)價(jià)

(1) 鉆孔取芯法檢測(cè)。施工完成28 d后，在抽取的6根攪拌樁樁體的三等分處各取一個(gè)芯樣(見(jiàn)圖8)，檢測(cè)結(jié)果見(jiàn)表8。設(shè)計(jì)樁長(zhǎng)16 m，設(shè)計(jì)樁徑700 mm，設(shè)計(jì)強(qiáng)度≥0.06 MPa。根據(jù)對(duì)芯樣的觀測(cè)和抗壓強(qiáng)度結(jié)果，攪拌樁樁身完整性、長(zhǎng)度及無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度均滿足設(shè)計(jì)要求。

3 結(jié)論

(1) 影響地聚合物穩(wěn)定土強(qiáng)度的主要因素是地聚合物摻量和軟土含水率，次要因素是攪拌時(shí)間；地聚合物加固軟土的最佳摻量為14%。地聚合物穩(wěn)定土的強(qiáng)度隨著養(yǎng)護(hù)齡期和地聚合物摻量的增加而增加，隨著軟土含水率的增加而減小。

(2) 地聚合物水化產(chǎn)生類沸石前驅(qū)體凝膠，這些凝膠脫水會(huì)形成非晶相，使土體孔隙率減少，大孔隙比重降低。結(jié)合宏觀力學(xué)試驗(yàn)分析，地聚合物漿體與軟土團(tuán)粒充分接觸后，水化產(chǎn)物能填充土團(tuán)粒間的多余孔隙，從而提高軟土體系強(qiáng)度。

圖8 地聚合物(水泥)土攪拌樁芯樣圖

表8 攪拌樁鉆孔取芯檢測(cè)結(jié)果

(3) 結(jié)合試驗(yàn)路段對(duì)地聚合物攪拌樁復(fù)合地基進(jìn)行穩(wěn)定性驗(yàn)算，驗(yàn)算指標(biāo)均滿足要求。從現(xiàn)場(chǎng)抽取芯樣的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度和靜載荷試驗(yàn)結(jié)果來(lái)看，樁身完整，無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度、單樁承載力極限值均滿足設(shè)計(jì)要求。