王觀次，郭躍飛，羅正東

（1、岳陽市公路橋梁基建總公司 湖南 岳陽 414000；2、湘潭大學(xué)土木工程與力學(xué)學(xué)院 湖南 湘潭 411105）

0 引言

湖相軟土在我國南方地區(qū)分布廣泛，土質(zhì)多為高含水率、高壓縮性且富含有機質(zhì)的軟土，具有特殊的工程特征。近些年來，我國基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)范圍不斷擴大，這對湖相軟土固化技術(shù)提出了更高的要求［1］。水泥攪拌樁是一種應(yīng)用最為廣泛的軟弱地基處治技術(shù)［2］，然而水泥土在施工和服役過程中存在干縮大、易開裂、水穩(wěn)性差等問題，并且水泥固結(jié)性能受土質(zhì)影響較大，尤其是對含水率高、塑性指數(shù)大及含有有機質(zhì)的軟土固化效果不夠理想［3-4］。另外，水泥在生產(chǎn)過程中不僅需要消耗大量能源，而且碳酸鹽分解會產(chǎn)生大量的CO2，帶來了巨大的環(huán)保問題［5］。

地聚物作為一種綠色膠凝材料，有著比普通硅酸鹽水泥更好的力學(xué)性能，被認為是最有可能代替水泥的新型固化劑［6］。眾多學(xué)者采用地聚物對軟土進行固化處理，如王東星等人［7-8］采用堿激發(fā)粉煤灰膠凝材料對淤泥進行固化處理，相比于水泥，地聚物固化淤泥具有更高的無側(cè)限抗壓強度，并獲得了較佳的抗變形能力。此外，相關(guān)研究表明，粉煤灰/鋼渣基地聚物攪拌樁加固軟土地基具有更高的無側(cè)限抗壓強度值［9-10］。

上述研究雖與地聚物固化土密切相關(guān)，但均未依據(jù)實際工程背景提出具體的配合比方案。此外，礦渣-粉煤灰-金礦渣基地聚物對湖區(qū)軟土固化土的強度影響規(guī)律研究還鮮有報道。因此，本文以處治湖區(qū)軟土為例，在前期試驗的基礎(chǔ)上，研究固化劑含量、礦渣-粉煤灰-金礦渣比對地聚物固化土試樣7 d、28 d無側(cè)限抗壓強度的影響，同時，設(shè)置一組固化劑含量相同的水泥土進行對比。以期為地聚物處治湖區(qū)軟土地基提供參考，為實際工程提供指導(dǎo)。

1 試驗材料

1.1 試驗土

試驗土取自湖南省岳陽市洞庭湖區(qū)某施工工地現(xiàn)場，根據(jù)《土工試驗方法標(biāo)準(zhǔn)：GB/T 50123—2019》，測得軟土的物理力學(xué)試驗指標(biāo)如表1所示。

表1 軟土的物理力學(xué)參數(shù)Tab.1 Physical and Mechanical Parameters of Soft Soil

1.2 固化劑

水泥選用市售P.O.42.5級普通硅酸鹽水泥。地聚物主要成分包括硅鋁原材料（礦渣、粉煤灰和金礦渣）和堿激發(fā)劑；其中，粉煤灰為F 類低鈣粉煤灰，礦渣為S95 級礦粉，礦渣、粉煤灰和金礦渣的化學(xué)成分如表2所示；堿激發(fā)劑由模數(shù)為3.31的硅酸鈉溶液和市售固體氫氧化鈉（NaOH）片劑攪拌而成。

表2 礦渣粉、粉煤灰和金礦渣的成分分析Tab.2 XRF Composition Analysis of Slag，F(xiàn)ly Ash and Gold Mine Tailing in the Present Study

2 試驗方案

重塑土與天然含水率相同，即50%；水泥和地聚物加固軟黏土的固化劑摻量分別為8%、12%和16%；并在12%地聚物摻量基礎(chǔ)上，設(shè)置3種礦渣-粉煤灰-金礦渣比例，分別為8∶1∶1、6∶2∶2和4∶3∶3，具體試驗方案如表3所示。

表3 試驗方案Tab.3 Test Plan

3 試驗過程

3.1 試樣制備

試樣制作及養(yǎng)護：①根據(jù)上述試驗方案，稱量相應(yīng)干土粉及水，用室內(nèi)攪拌機攪拌2 min，制成含水率為50%的重塑土，裝入密封袋中悶1 d備用；②將模數(shù)為3.31的液體硅酸鈉與一定質(zhì)量的NaOH片劑采用磁力攪拌器均勻混合制得模數(shù)為1.2 的堿激發(fā)劑，再將堿激發(fā)劑和拌合水預(yù)先混合，待冷卻至室溫，最后摻入混合均勻的礦渣-粉煤灰-金礦渣干粉中以形成地聚物漿料；③將制備完成的固化劑漿料連續(xù)均勻地摻入重塑土樣攪拌鍋中，并繼續(xù)攪拌直至混合物達到均勻狀態(tài)；④按照《水泥土配合比設(shè)計規(guī)程：JGJ/T 233—2011》，制作邊長為70.7 mm 的立方體試樣，每組土樣均制作6組平行試樣；⑤制備完成后，將試樣用保鮮膜密封放置在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護室內(nèi)養(yǎng)護24 h后脫模，然后繼續(xù)置于標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護箱中養(yǎng)護至目標(biāo)齡期。

3.2 試驗方法

待固化土樣養(yǎng)護至相應(yīng)齡期后，采用型號為CMT5105的萬能試驗機進行無側(cè)限抗壓強度試驗。如圖1所示。軸向應(yīng)變速率設(shè)置為1 mm/min，當(dāng)測力計讀數(shù)出現(xiàn)峰值時，繼續(xù)進行3%～5%的應(yīng)變后停止試驗，當(dāng)讀數(shù)無峰值時，試驗應(yīng)進行到應(yīng)變達20%為止，均勻加荷直至試件破壞，記錄最大壓力值，然后轉(zhuǎn)換為最大抗壓強度值。強度代表值取6組平行試樣強度的平均值。

圖1 無側(cè)限抗壓強度試驗Fig.1 Unconfined Compressive Strength Test

4 試驗結(jié)果及分析

4.1 強度與固化劑類型及摻量的關(guān)系

從圖2可以看出，固化劑類型、摻量和養(yǎng)護齡期對于固化土強度體系的形成影響較大。當(dāng)水泥摻量為8%～16%時，水泥土的28 d強度分別為1.21 MPa、1.33 MPa和1.45 MPa，呈現(xiàn)出線性增長規(guī)律，這是由于隨著固化劑摻量的提高，水化產(chǎn)物增多，促使水化產(chǎn)物與土顆粒形成豐富的膠凝相，土體逐漸固化形成更加穩(wěn)定的整體［11］。但同時，水泥摻量的增加并不利于經(jīng)濟性和環(huán)保需求，因此，需根據(jù)實際工況優(yōu)選摻量。

圖2 固化劑類型及摻量對固化軟土無側(cè)限抗壓強度的影響Fig.2 Effect of Curing Agent Type and Dosage on the Unconfined Compressive Strength of Stabilized Soft Soil

由圖2 可知，當(dāng)固化劑摻量從8%增加到12%時，地聚物固化土的28 d 無側(cè)限抗壓強度提高了39.4%，當(dāng)固化劑摻量繼續(xù)增加到16%時，B-16 的28 d 強度比B-12僅提高了9.2%，分析其原因：16%摻量的地聚物固化土中，堿在體系中的含量增大，抑制了原料的溶解，并且使得部分原料產(chǎn)生沉積，減弱了固化土強度的提升幅度［12］。因此，從經(jīng)濟角度出發(fā)，在實際應(yīng)用中地聚物摻量推薦取12%。

此外，對比水泥固化土和地聚物固化土的強度值可知，相同條件下地聚物固化土的無側(cè)限抗壓強度整體高于水泥。其中，B-12 的28 d 強度為1.84 MPa，較A-12 提高了38.3%。由此可見，地聚物相較于水泥，有對湖區(qū)軟土具有更顯著的固化效果。這可能是由于地聚物作為具有一定活性的含鋁硅酸鹽物質(zhì)，在堿的作用下向土相中溶出堿根離子，然后逐漸聚合形成-Si-O-Al-或-Si-O-Al-O-Si-O-或-Si-O-Al-OSi-O-Si-O-結(jié)構(gòu)的聚合硬化體，土體的黏聚力得到很大程度的改善，整體強度上升［12］。由此可見，地聚物固化土中發(fā)生的硬化與水泥固化土強度形成過程有著本質(zhì)區(qū)別。

4.2 地聚物固化土強度與礦渣-粉煤灰-金礦渣比例的關(guān)系

除固化劑類型、摻量外，地聚物固化土強度還與礦渣-粉煤灰-金礦渣比例密切相關(guān)。設(shè)計3 種礦渣-粉煤灰-金礦渣比例，分別為8∶1∶1、6∶2∶2 和4∶3∶3，其地聚物固化土樣的7 d、28 d無側(cè)限抗壓強度結(jié)果如圖3所示?？梢钥闯?，隨著礦渣摻量的降低，地聚物固化土試樣的強度逐漸降低，與高礦渣摻量固化土（C-12）相比，B-12 的28 d 強度下降了7.0%，而D-12 的28 d強度下降了20.7%。這是由于礦渣屬于高鈣原材料，為地聚物固化土強度的形成提供了豐富的鈣組分，但又由于其水化反應(yīng)活性較高，反應(yīng)速度過快，易導(dǎo)致凝結(jié)時間不夠穩(wěn)定，影響施工質(zhì)量。而粉煤灰和金尾礦屬于高硅低鈣材料，活性較低，適度增大粉煤灰和金尾礦的比例可調(diào)控地聚物的凝結(jié)硬化速率，增加其穩(wěn)定性［13］。另外，粉煤灰和金尾礦均屬于工業(yè)廢棄物，具有產(chǎn)量大、價格低廉的優(yōu)勢。因此，綜合考慮，推薦選用6∶2∶2 作為礦渣-粉煤灰-金礦渣較佳比例用于地聚物固化湖區(qū)軟土。

圖3 礦渣-粉煤灰-金礦渣比例對固化軟土無側(cè)限抗壓強度的影響Fig.3 Effect of Slag-fly Ash-gold Mine Tailing Ratios on the Unconfined Compressive Strength of Stabilized Soft Soil

5 結(jié)論

通過礦渣-粉煤灰-金礦渣地聚物固化湖區(qū)軟土無側(cè)限抗壓強度試驗及機理分析，得到以下幾點結(jié)論：

⑴水泥和地聚物固化湖區(qū)軟土的無側(cè)限抗壓強度隨著固化劑摻量和齡期的增長而有所提高。當(dāng)固化劑摻量相同時，地聚物固化湖區(qū)軟土的無側(cè)限抗壓強度高于水泥。因此地聚物可以替代水泥作為固化湖區(qū)軟土的固化劑。

⑵地聚物摻量從8%增加至12%的強度提升幅度明顯高于12%～16%。因此，考慮實際工程需要及經(jīng)濟性要求，地聚物摻量宜取12%。

⑶當(dāng)?shù)鼐畚飺搅恳欢〞r，固化土的強度隨礦渣摻量的增加而增加，但提高粉煤灰和金礦渣所占比例可有效改善地聚物固化土的工作性能和降低成本。因此，宜取6∶2∶2作為礦渣-粉煤灰-金礦渣的較佳比例。