易昕政，駱睿棟，高 游，于海浩，鐵 寧，姚夢晗

(1.寧波大學(xué)土木與環(huán)境工程學(xué)院，寧波 315000；2.廣西巖土力學(xué)與工程重點(diǎn)實(shí)驗室，桂林 541004)

0 引 言

隨著沿海城市建設(shè)的高速發(fā)展，產(chǎn)生了大量高含水率和低強(qiáng)度的工程廢棄軟黏土[1-2]。這些廢棄軟黏土不能直接用作工程填料，需要經(jīng)過固化處理，才能達(dá)到地基承載和變形的要求[3]。目前最常用的固化劑是水泥，水泥固化土可以達(dá)到很高的強(qiáng)度要求，但其具有成本高、能耗高等缺點(diǎn)。因此，低成本且環(huán)境友好型復(fù)合固化劑的研究具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

相關(guān)研究表明，以水泥和粉煤灰等作為主劑，并添加外加劑(如石膏、水玻璃等)在堿激發(fā)作用下，能很好改善軟黏土、疏浚淤泥、泥漿等的強(qiáng)度特性。朱思迪等[4]研究了外加劑石膏和氯化鋁對水泥-水玻璃復(fù)合固化含水率大于75%軟黏土的效果，指出石膏有利于早期強(qiáng)度增長而高濃度氯化鋁對后期強(qiáng)度的增長有利。孫秀麗等[5]采用水玻璃作為堿激發(fā)劑激發(fā)粉煤灰和礦粉的活性來固化疏浚淤泥，研究了固化土的力學(xué)特性及微觀結(jié)構(gòu)。王偉齊等[6]等以工業(yè)廢棄電石渣、原狀灰作為主要固化劑，硅酸鈉、硫酸鈉等作為外加劑，通過無側(cè)限抗壓強(qiáng)度研究了各外加劑的作用效果。在堿金屬硅酸鹽(Na2SiO3、K2SiO3)激發(fā)作用下，固化土體系內(nèi)的水化反應(yīng)程度、水化產(chǎn)物含量和抗壓強(qiáng)度均能顯著提升[7-9]。綜上所述，堿激發(fā)作用下復(fù)合固化技術(shù)的研究取得了不少成果，但其在軟塑狀態(tài)軟土工程中的應(yīng)用相對較少，主要是軟塑狀態(tài)的海相軟土黏性強(qiáng)，無法和復(fù)合固化劑均勻攪拌，影響其固化效果。

本文以寧波某一基坑工程中廢棄的軟黏土為研究對象，選取吸水性強(qiáng)的生石灰作為高黏性軟土的分散劑，水泥和粉煤灰作為固化主劑，水玻璃作為外加劑對軟黏土進(jìn)行固化。首先，對單一固化劑的固化機(jī)理、強(qiáng)度特性與水穩(wěn)定性進(jìn)行分析。其次，在單一固化劑的固化效果基礎(chǔ)上對復(fù)合固化劑固化軟黏土的強(qiáng)度特性和水穩(wěn)定性進(jìn)行了研究。在相近較低成本條件下，探討了配合比、齡期和水穩(wěn)定性對復(fù)合固化劑固化效果的影響。最后，給出了復(fù)合固化劑的推薦配合比，供實(shí)際軟黏土固化工程參考。

1 實(shí) 驗

1.1 材 料

試驗用土為廢棄的軟黏土，取自寧波某地，取土深度約2.0～2.5 m，其基本物理指標(biāo)見表1。土顆粒比重為2.72，原狀樣的初始含水率為36.0%～40.2%(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，下文含量均為質(zhì)量分?jǐn)?shù))，初始孔隙比為0.98～1.09，最大干密度為1.74 g/cm3。

表1 軟黏土的基本物理指標(biāo)

分別使用水泥、生石灰、粉煤灰和水玻璃為固化劑，對軟黏土進(jìn)行固化特性的相關(guān)試驗研究。圖1為4種固化劑照片。水泥：華英凈化牌普通硅酸鹽水泥，主要氧化物中CaO約占51.02%，SiO2約占29.5%，Al2O3約占6.03%。粉煤灰：龍澤牌F類粉煤灰。石灰：惠灰牌工業(yè)級生石灰，純度約為87%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))。水玻璃：欣銘硅制品廠產(chǎn)水玻璃(38波美度)，其主要成分為Na2SiO3?？紤]到實(shí)際工程建設(shè)中簡便計算的需求，將固化劑的質(zhì)量與濕土的質(zhì)量的比值定義為固化劑的摻入比(MR)。

圖1 固化劑的照片

1.2 試驗方案

研究內(nèi)容主要包括兩個方面：(1)單一固化劑的固化機(jī)理、強(qiáng)度特性、水穩(wěn)定性分析，及其攪拌過程中的打散效果分析；(2)在配合比條件下復(fù)合固化劑的強(qiáng)度特性、水穩(wěn)定性及其微觀機(jī)理分析。具體的研究方案如表2所示，表中字母C、F、L、S分別表示水泥、粉煤灰、生石灰和水玻璃。

表2 試驗方案

1.3 試驗方法

無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗：固化劑的攪拌使用小型砂漿攪拌機(jī)，待攪拌均勻后裝入保鮮袋內(nèi)臨時密封(主要防止制樣過程中多余土樣的水分蒸發(fā))，同時快速進(jìn)行試樣的制備。試樣采用分層壓實(shí)，每個配比制備三組平行試樣進(jìn)行對比，其高度與直徑分別為80 mm和39.1 mm。將制備好的試樣進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)。最后，將標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)好的固化土試樣分別浸水0 h和8 h后進(jìn)行強(qiáng)度試驗。試驗儀器采用南京土然儀器廠的應(yīng)變控制三軸儀器，圍壓為0(即σ3=0)，試驗過程中以1 mm/min的速率進(jìn)行加載直至試樣破壞，取三組試驗的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度平均值作為最終結(jié)果。

選取不摻固化劑的試樣A和兩組復(fù)合固化劑條件下的試樣B和C(其C、F、L和S的配合比分別為2.5 ∶7 ∶1 ∶2與3 ∶7 ∶1.5 ∶1)進(jìn)行XRD測試(儀器型號：ADVANCE Da Vinci)。選取不摻固化劑的試樣A和三組復(fù)合固化劑條件下的試樣(其C、F、L和S的配合比3 ∶7 ∶1 ∶1，2.5 ∶7 ∶1 ∶2與3 ∶7 ∶1.5 ∶1)進(jìn)行SEM測試(儀器型號：NOVA NanoSEM 230)，觀察固化土的微觀形貌特征。

2 結(jié)果與討論

圖2為不同初始含水率(約為21.0%和36.5%)軟黏土壓實(shí)試樣的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度。所有試樣的密度控制約為1.9 g/cm3，由圖可知，兩種壓實(shí)軟黏土試樣的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度(約為110 kPa)很低，無法作為路基墊層與基礎(chǔ)回填料等重復(fù)利用。

圖2 不同初始含水率土樣的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度

2.1 單摻試驗的固化效果分析

圖3為單摻水泥、粉煤灰、生石灰和水玻璃固化軟黏土在不同養(yǎng)護(hù)條件下的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度。由圖3(a)可知，隨著齡期的增加和水泥摻量的增大，試樣的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度隨之提高，但浸水48 h后的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度弱化較明顯。因此，在低的摻入比下，單一采用水泥作為固化劑是不可行的，并且攪拌過程中水泥的吸水性有限，不利于軟黏土與固化劑的均勻拌和。

如圖3(b)所示，粉煤灰摻量對軟黏土的強(qiáng)度增強(qiáng)效果不明顯，且延長養(yǎng)護(hù)時間對固化效果作用不佳。這是由于粉煤灰的主要化學(xué)成分為SiO2和Al2O3，其所含的化學(xué)鍵Si—O和Al—O強(qiáng)度很高，潛在活性很難被激活。此外，粉煤灰固化軟黏土?xí)r，試樣在浸水過程中發(fā)生崩解破壞，因此試樣在浸水48 h后的數(shù)據(jù)缺失(見圖4(a))。

圖3(c)為生石灰固化軟黏土在不同養(yǎng)護(hù)齡期的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度。試驗過程中，浸水48 h的生石灰固化軟黏土試樣全部發(fā)生崩解破壞(見圖4(b))，導(dǎo)致相應(yīng)數(shù)據(jù)的缺失。試樣發(fā)生崩解主要是因為生石灰水化產(chǎn)物的膠結(jié)性弱，水穩(wěn)定性差。生石灰摻量為6%的所有試樣全部破壞，主要原因是摻量較大時，生石灰發(fā)生水化反應(yīng)吸水并產(chǎn)生大量Ca(OH)2，與未摻黏土相比體積增大約1倍，黏土原始結(jié)構(gòu)被破壞而分散，故生石灰可作為分散劑。生石灰摻量為2%時固化效果較好，Hilt等[10]給出了生石灰摻量的經(jīng)驗計算公式：

圖3 軟黏土在不同單獨(dú)固化劑摻量下的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度

圖4 浸水后固化土的崩解

(1)

式中：ML為生石灰的摻入比；P2為顆粒小于2 μm的含量。根據(jù)該式，建議生石灰摻入比小于3%。生石灰的具體摻量可根據(jù)淤泥質(zhì)軟黏土含水率和實(shí)際壓實(shí)密度等適當(dāng)增減。

圖3(d)為在不同摻量下水玻璃固化寧波軟黏土在不同齡期養(yǎng)護(hù)后以及養(yǎng)護(hù)7 d并浸水48 h后的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度。由圖可知，水玻璃固化軟黏土在浸水48 h后強(qiáng)度弱化非常明顯。同時，單一采用液體水玻璃在攪拌過程中，土樣容易成團(tuán)且固化劑攪拌不均勻，不適合實(shí)際工程現(xiàn)場使用。

綜上所述，單一固化劑條件下，固化效果不佳，只有較高摻量水泥的固化效果能達(dá)到水泥粉煤灰類基底層最低強(qiáng)度(1.0 MPa)[11]，但其成本高且不容易均勻攪拌，其余各組的強(qiáng)度指標(biāo)均未達(dá)到要求。

根據(jù)以上試驗結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，隨著固化劑摻量的增大，其強(qiáng)度特性、耐久性和水穩(wěn)定性等均會得到明顯的提升，但是在實(shí)際工程中需要綜合考慮到用料成本。因此需要控制成本因素進(jìn)行固化劑配合比試驗?；谏鲜鰡我还袒瘎┕袒涴ね恋慕Y(jié)果，水泥的摻量過高，固化劑的成本會明顯提高，故建議控制在3%左右；粉煤灰在堿性條件下潛在活性會被激活，且其原料成本較低，可適當(dāng)增大摻量，建議控制在5%～10%。生石灰可以作為軟黏土的分散劑，且其摻量在一定范圍內(nèi)對強(qiáng)度有利，故生石灰的摻量建議控制在2%左右。波美度38水玻璃價格較高，且摻入較多水玻璃不利于攪拌，建議摻量1%～2%。因此，基于上述單一固化劑固化效果等多方面因素的分析，需進(jìn)一步進(jìn)行配合比試驗。

2.2 復(fù)合固化劑的固化效果分析

圖5表示利用復(fù)合固化劑固化初始含水率約為21.0%和36.5%軟黏土的無側(cè)抗壓強(qiáng)度，C、F、L和S的配合比分別選取3 ∶7 ∶2 ∶1和3 ∶7 ∶2 ∶2。在配合比相同條件下，初始含水率的影響較大，其抗壓強(qiáng)度隨著含水率的增大而下降。此外，抗壓強(qiáng)度隨著摻量的增加而增大，說明水玻璃在適當(dāng)范圍內(nèi)的增加對強(qiáng)度有一定的貢獻(xiàn)。

圖5 含水率對無側(cè)限抗壓強(qiáng)度的影響

圖6表示不同配合比下和初始含水率21.0%和36.5%試樣在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)7 d后的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度。由圖6(a)可知，初始含水率為21.0%，在水泥，粉煤灰和水玻璃摻量相同情況下，將生石灰摻量增加0.5%有利于強(qiáng)度的增長；在其余摻量相同條件下，水泥摻入比降低1%，其強(qiáng)度減小約200 kPa。在生石灰和粉煤灰摻量相同下，將水泥摻量減少0.5%，水玻璃摻入比增大1%，其強(qiáng)度有較明顯提高。此外，由圖6(b)可以看出，軟黏土的初始含水率為36.5%，在水泥、粉煤灰和生石灰摻量相同情況下，可以適當(dāng)提高水玻璃的摻量。在其余摻量相同條件下，生石灰摻入比由2%減小至0%，其強(qiáng)度減小約375 kPa，同時添加固化劑很難攪拌均勻。綜上所述，建議初始含水率為21.0%和36.5%固化軟黏土試樣的最優(yōu)配合比分別為3 ∶7 ∶1.5 ∶1和3 ∶7 ∶2 ∶2。同時，可以看出，隨著含水率的提高，分散劑生石灰的含量需要適當(dāng)提高，根據(jù)強(qiáng)度的要求堿性激發(fā)劑的量也要適當(dāng)增大，故其處理成本也會相應(yīng)提升。

圖6 不同配合比下固化土試樣標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)7 d的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度

圖7表示初始含水率為21.0%的固化土試樣在不同養(yǎng)護(hù)條件下的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度。由圖7(a)可以看出，不同配合比固化土試樣在浸水48 h后的強(qiáng)度均存在一定程度的降低。由試驗結(jié)果可知，強(qiáng)度值較好的兩組C、F、L和S配合比為3 ∶7 ∶1.5 ∶1與2.5 ∶7 ∶1 ∶2。由于水玻璃的成本較高，綜合成本因素，較優(yōu)C、F、L和S配合比推薦為3 ∶7 ∶1.5 ∶1。此外，由圖7(b)可知，試樣標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)28 d后，所有試樣的強(qiáng)度均大于1.0 MPa；除水泥摻量為2%的固化土試樣，其余組固化土試樣的強(qiáng)度均在1.35～1.45 MPa之間。按上述較優(yōu)配合比固化劑的成本約為60～70元/t，與道基回填塘渣的成本較為接近，而且比市售的固化劑成本(約120元/t)略低，因此成本控制較好。綜上所述，結(jié)合強(qiáng)度特性、水穩(wěn)定性以及固化劑成本等指標(biāo)，對于含水率為21.0%試樣復(fù)合固化劑C、F、L和S的推薦配合比為3 ∶7 ∶1.5 ∶1。

圖7 初始含水率21.0%試樣在不同養(yǎng)護(hù)條件下的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度

2.3 XRD 物相分析

圖8為在不同配合比條件下固化軟黏土的XRD譜。由分析可知，不摻固化劑的試樣A中存在石英、鈉長石、鉀長石等礦物成分，其中石英(其成分為SiO2)的含量最多。添加復(fù)合固化劑后的試樣B和C中石英的衍射峰均有所降低，最高衍射峰值強(qiáng)度下降明顯，主要原因有兩個：一是水泥中的硅酸三鈣和硅酸二鈣發(fā)生水化反應(yīng)消耗大量SiO2產(chǎn)生水化硅酸鈣；二是粉煤灰中硅鋁玻璃體的大部分Si—O鍵在堿性環(huán)境下斷裂，從而與OH-、Ca2+以及剩余石膏等反應(yīng)進(jìn)而消耗SiO2，產(chǎn)生水化硅酸鈣。但是試樣B和C中水化硅酸鈣的衍射峰強(qiáng)度峰值均較低，主要是XRD檢測要求物質(zhì)有較高的結(jié)晶度和分散度[12]，且水化產(chǎn)物的晶體發(fā)育可能不完善導(dǎo)致的。

圖8 不同配合比條件下固化軟黏土的XRD譜

2.4 微觀結(jié)構(gòu)特征分析

圖9為未加復(fù)合固化劑的試樣和在不同配合比復(fù)合固化劑下固化土試樣在養(yǎng)護(hù)7 d后的SEM照片。通過對比分析可知：

(1)復(fù)合固化劑添加后引起試樣內(nèi)部微觀孔隙結(jié)構(gòu)發(fā)生明顯變化。土體內(nèi)部微細(xì)觀孔隙結(jié)構(gòu)等演化規(guī)律是了解土體宏觀特性的基礎(chǔ)[13]。由圖9(a)可以看出，在相同放大倍數(shù)條件下，未添加復(fù)合固化劑的試樣，集聚體團(tuán)粒很明顯，集聚體間孔隙很大。由圖9(b)、(c)和(d)可發(fā)現(xiàn)，添加復(fù)合固化后固化土試樣內(nèi)部的集聚體間大孔隙明顯減少，小孔隙增多。生石灰發(fā)生水化反應(yīng)后吸水，同時體積膨脹使集聚體團(tuán)粒破壞而分散開，有利于其他固化劑的水化反應(yīng)，水化產(chǎn)物等填充孔隙的能力也隨之增強(qiáng)。

(2)由圖9(b)、(c)和(d)還可以明顯看出，添加復(fù)合固化劑后大集聚體被分散，大量的片狀結(jié)構(gòu)產(chǎn)生，原始的大孔隙被填充。如圖9(c)可以明顯看出粉煤灰顆粒在水玻璃等激發(fā)下發(fā)生的水化反應(yīng)的產(chǎn)物(圓狀團(tuán)粒)填充孔隙，使結(jié)構(gòu)更加均勻。此外，集聚體間的膠結(jié)作用明顯加強(qiáng)，主要是軟黏土在添加復(fù)合固化劑后，試樣內(nèi)部可產(chǎn)生水化硅酸鈣等網(wǎng)狀膠凝物質(zhì)，可增強(qiáng)黏土團(tuán)粒間的膠結(jié)。因此，添加本文提出的復(fù)合固化劑可以明顯提升固化土的強(qiáng)度和水穩(wěn)定性。

圖9 不同配合比固化軟黏土養(yǎng)護(hù)7 d SEM照片

2.5 復(fù)合固化劑的化學(xué)反應(yīng)機(jī)理

固化土的強(qiáng)度主要來源于水泥的水化反應(yīng)與粉煤灰活性激發(fā)后(水玻璃為堿性激發(fā)劑)的強(qiáng)度，生石灰作為軟黏土的分散劑用來吸收水分以使其余固化劑易于攪拌，同時生石灰水化反應(yīng)產(chǎn)生Ca(OH)2，可以提高部分固化土強(qiáng)度。粉煤灰呈弱酸性[14]，在堿性環(huán)境中其活性最容易被激發(fā)。因此生石灰的存在有利于粉煤灰活性激發(fā)，但此堿性環(huán)境較弱，且Ca(OH)2微溶于水，對粉煤灰的活性激發(fā)效果很有限。目前，常見的堿激發(fā)劑有NaOH、KOH、Ca(OH)2和水玻璃(Na2SiO3)等。本文采用水玻璃作為堿激發(fā)劑以增強(qiáng)堿性環(huán)境，使粉煤灰活性得以充分發(fā)揮。

水泥主要通過水化反應(yīng)產(chǎn)生水化硅酸鈣、鈣礬石等物質(zhì)產(chǎn)生強(qiáng)度，且生成Ca(OH)2。Na2SiO3作為一種強(qiáng)堿弱酸鹽，在水中發(fā)生水解反應(yīng)產(chǎn)生H2SiO3和OH-，使環(huán)境處于堿性。水玻璃加入水泥中主要有兩方面的作用：一是作為漿液成分，參與水化反應(yīng)，與水泥水化產(chǎn)物中的Ca(OH)2會發(fā)生反應(yīng)生成鈣礬石，并加速Ca(OH)2轉(zhuǎn)化為強(qiáng)度更高的水化硅酸鈣凝膠[15]，提升了固化土的強(qiáng)度;二是作為速凝劑，加速漿液的凝結(jié)，快速提升強(qiáng)度。

3 結(jié) 論

(1)由強(qiáng)度特性和水穩(wěn)定性等綜合指標(biāo)評價得到利用單一固化劑固化廢棄軟黏土的效果不佳。主要體現(xiàn)在低摻入量下，單一固化劑與軟黏土的攪拌困難，且在較低成本下，單一固化劑固化軟黏土的強(qiáng)度與水穩(wěn)定性差。

(2)由復(fù)合固化劑的固化試驗可知，對于初始含水率為21.0%和36.5%的廢棄軟黏土推薦水泥、粉煤灰、生石灰與水玻璃的最優(yōu)配合比分別為3 ∶7 ∶1.5 ∶1和3 ∶7 ∶2 ∶2。標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)后的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度能夠達(dá)水泥粉煤灰類基底層最低強(qiáng)度1.0 MPa的要求。

(3)微觀試驗結(jié)果分析可知，新型復(fù)合固化劑的固化機(jī)理主要是改變試樣內(nèi)部微觀孔隙結(jié)構(gòu)和團(tuán)粒間的膠結(jié)作用。主要體現(xiàn)在固化土內(nèi)部集聚體被打散，產(chǎn)生大量的片狀結(jié)構(gòu)，大孔隙被填充，小孔隙明顯增多；同時，穩(wěn)定性結(jié)晶化合物、水化硅酸鈣等網(wǎng)狀膠凝物質(zhì)生成，團(tuán)粒間的膠結(jié)作用明顯提高，最終提高固化土的強(qiáng)度和水穩(wěn)定性。