王立鵬， 王金昌

（浙江大學(xué)交通工程研究所，杭州 310030）

0 引言

杭州地區(qū)軟土具有天然含水量高、壓縮性高、承載力低的特點(diǎn)［1］，給工程施工造成了不利的影響，因此將浙江省地區(qū)的軟土進(jìn)行固化處理，可以在提升軟土地基路用性能的同時(shí)，提高道路路基結(jié)構(gòu)的均勻性，緩解道路不均勻沉降的問(wèn)題。

現(xiàn)有的研究發(fā)現(xiàn)粉煤灰和脫硫石膏與水泥、基土經(jīng)過(guò)一系列物理化學(xué)反應(yīng)后，能夠生成膠體填充在土體縫隙中，進(jìn)而顯著提高固化土的物理力學(xué)性能［2-5］，但工程實(shí)踐表明，此類水泥固化土存在早期強(qiáng)度不高的問(wèn)題，選擇適宜的外加劑改善固化土性能是解決這些問(wèn)題的重要途徑。

納米材料能夠在保證固化土力學(xué)性能的基礎(chǔ)上，提高固棄物的利用率。同時(shí)由于高嶺土的標(biāo)準(zhǔn)化以及成分的相似性，其可作為一種代替黏土的試驗(yàn)材料來(lái)進(jìn)行模擬［6］，為此文中將以高嶺土為代表，研究濱海地區(qū)軟土固化劑配比和固化劑摻量對(duì)固化土路用性能指標(biāo)的影響規(guī)律，為固化土的應(yīng)用提供參考建議。

1 試驗(yàn)材料及試樣制備

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)用土選用標(biāo)準(zhǔn)高嶺土進(jìn)行試驗(yàn)，取土后按照規(guī)范要求進(jìn)行了液塑限試驗(yàn)、標(biāo)準(zhǔn)固結(jié)試驗(yàn)和擊實(shí)試驗(yàn)等，測(cè)定其物理指標(biāo)如表1所示，土樣電鏡微觀樣貌如圖1所示。

圖1 高嶺土微觀形貌

表1 試驗(yàn)土物理性質(zhì)指標(biāo)

水泥選用P·O42.5普通硅酸鹽水泥，指標(biāo)符合GB 175-2007評(píng)定所測(cè)項(xiàng)目，具體指標(biāo)見(jiàn)下表2，其他工業(yè)廢渣外加劑粉煤灰選用F類II級(jí)灰，其化學(xué)成分主要是Al2O3和SiO2，微觀形態(tài)呈現(xiàn)均勻球形顆粒狀，石膏選用脫硫石膏，其主要成分為SO3和CaO，微觀形態(tài)為不均勻多面體形狀。

表2 水泥物理性質(zhì)指標(biāo)

研究所用納米碳酸鈣，材料多呈現(xiàn)聚集態(tài)，整體表現(xiàn)為絮狀，顆粒尺寸在60nm左右。所購(gòu)納米碳酸鈣純度達(dá)到了98%以上，比表面積比普通輕質(zhì)碳酸鈣大8倍以上，同時(shí)表面經(jīng)過(guò)活化處理，活性度達(dá)到99%以上，為實(shí)驗(yàn)室級(jí)高純度、高活性納米材料。

1.2 試樣制備

根據(jù)《公路工程無(wú)機(jī)結(jié)合料穩(wěn)定材料試驗(yàn)規(guī)程》［7］選取尺寸（直徑×高）50mm×50mm的試模進(jìn)行試驗(yàn)，試件制備前一天將試驗(yàn)基土、粉煤灰、脫硫石膏進(jìn)行充分混合，放入塑料袋中悶料備用；在試件成型前1h內(nèi)，在混合料中加入各摻量預(yù)定數(shù)量的水泥、納米碳酸鈣和水，使混合料達(dá)到最佳含水量，試模壓入過(guò)程采用靜力壓實(shí)法，試件在脫模機(jī)上進(jìn)行脫模后，立即放到塑料袋中進(jìn)行封閉，并用潮濕的毛巾覆蓋，移放到標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室進(jìn)行試件養(yǎng)護(hù)。

2 配比試驗(yàn)及結(jié)果分析

2.1 正交分析試驗(yàn)

為方便研究固化劑中不同外加劑對(duì)試件性能的影響效果，利用正交性選擇均勻分散、能代表因素水平作用的點(diǎn)進(jìn)行試驗(yàn)，通過(guò)正交試驗(yàn)可以較為全面地獲取因素水平對(duì)無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度的影響，同時(shí)合理減少試驗(yàn)次數(shù)［8］。

由于固化土中水泥的水化反應(yīng)對(duì)固化土強(qiáng)度提升起到主要作用，而粉煤灰和脫硫石膏主要起到促進(jìn)水化作用的進(jìn)行，納米碳酸鈣用量較小同時(shí)作為誘導(dǎo)早期水化進(jìn)程的成核位點(diǎn)，故利用正交試驗(yàn)對(duì)固化劑配合比進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，選擇水泥含量（X）、粉煤灰與脫硫石膏比例（Y）和納米碳酸鈣與水泥比例（Z）三個(gè)因素對(duì)試件無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度的影響，每個(gè)因素分別設(shè)置三個(gè)水平，故采取L9（34）正交表，通過(guò)三個(gè)因素的不同比例水平正交獲取9個(gè)配合比，具體的固化劑配合比正交設(shè)計(jì)表如表3所示。表3中均表示質(zhì)量比，其中水泥含量為水泥與總固化劑之比。

表3 固化劑配合比正交試驗(yàn)表

根據(jù)規(guī)范設(shè)置無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)，每個(gè)配合比設(shè)置6個(gè)平行試驗(yàn)，以獲取固化土試件3d和7d的測(cè)試結(jié)果，其變異系數(shù)均在規(guī)范要求的范圍內(nèi)，計(jì)算平行試件的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度值見(jiàn)表4，通過(guò)分析固化土7d無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)結(jié)果可得到正交試驗(yàn)極差分析結(jié)果，見(jiàn)表5。

表4 固化劑配合比設(shè)計(jì)無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度值 MPa

表5 固化劑配合比設(shè)計(jì)極差分析結(jié)果

根據(jù)極差分析結(jié)果可知，水泥含量對(duì)固化土試件7d無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度影響最大，納米碳酸鈣與水泥的比例其次。當(dāng)水泥含量越高時(shí)，試件內(nèi)的水化反應(yīng)更劇烈。將生成更多的凝聚物，增大土體間的黏結(jié)力，而納米碳酸鈣的超細(xì)微和高流動(dòng)性，填充了早期固化土土顆粒間的空隙，對(duì)固化土試件早期強(qiáng)度的提升有一定影響。

2.2 單摻試驗(yàn)

通過(guò)正交試驗(yàn)的分析結(jié)果，粉煤灰與脫硫石膏比例對(duì)強(qiáng)度影響結(jié)果較小，故可以取試驗(yàn)最優(yōu)值，固定比例系數(shù)為0.2。首先控制水泥摻量不變，納米碳酸鈣與水泥的比例由0.02變化為0.05，獲取固化土試件7d的測(cè)試結(jié)果，其變異系數(shù)均在規(guī)范要求的范圍內(nèi)，具體強(qiáng)度指標(biāo)見(jiàn)圖2。

圖2 控制變量試驗(yàn)7d無(wú)側(cè)限強(qiáng)度值（納米碳酸鈣）

7d無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度值隨著比例的增大呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì)，范圍值在0.563～0.627之間，約在納米碳酸鈣含量位于1%～2%區(qū)間內(nèi)達(dá)到最大值。分析是因?yàn)榧{米碳酸鈣具備超細(xì)微和高流動(dòng)性的特點(diǎn)，在材料內(nèi)部能夠起到空隙填充的作用，同時(shí)也能作為成核位點(diǎn)促進(jìn)早期水化反應(yīng)，但隨著納米碳酸鈣含量的增加，空隙填充作用達(dá)到臨界值，同時(shí)納米碳酸鈣疏水性使得其對(duì)分散性產(chǎn)生了抑制作用［9］，納米碳酸鈣的選用存在一個(gè)最優(yōu)值，最終確定納米碳酸鈣與水泥的比例為0.3。

隨后控制其他因素比例不變，將水泥摻量由0.5變化到1，考慮經(jīng)濟(jì)性和適用條件，選擇最優(yōu)配合比，具體強(qiáng)度指標(biāo)見(jiàn)圖3。

圖3 控制變量試驗(yàn)7d無(wú)側(cè)限強(qiáng)度值（水泥）

7d無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度值值同樣隨著比例的增大呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì)，7d無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度范圍值在0.52～0.57之間，約在納米碳酸鈣含量位于0.6區(qū)間內(nèi)達(dá)到最大值，分析原因隨著水泥摻量的增加，固化土中因水化反應(yīng)而生成的水化產(chǎn)物增加，進(jìn)而引起固化土強(qiáng)度的增長(zhǎng)，但隨著水泥摻量的增加，固化劑中粉煤灰、石膏等材料含量減小，對(duì)水化反應(yīng)的促進(jìn)作用減弱，水化反應(yīng)進(jìn)行不充分，導(dǎo)致固化土的早期強(qiáng)度不高。結(jié)合正交試驗(yàn)和控制變量試驗(yàn)的試驗(yàn)結(jié)果，最終確定固化劑最優(yōu)配合比，固化劑各組分質(zhì)量比為水泥：粉煤灰：脫硫石膏：納米碳酸鈣=300：32：159：9。

3 力學(xué)試驗(yàn)及結(jié)果分析

3.1 無(wú)側(cè)限抗壓試驗(yàn)

為研究摻量和水泥齡期對(duì)固土無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度的影響，設(shè)置摻量梯度為6%、10%、14%和18%，分別在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)條件下養(yǎng)生7d、14d和28d的試件取出后，在DTS-30多功能試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行抗壓測(cè)試，根據(jù)規(guī)范要求，選擇測(cè)試速度為1mm/min，無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖4。

圖4 無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度與固化劑摻量關(guān)系

隨著固化劑摻量的增加，固化土無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度隨之增大。對(duì)于7d無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度，10%、14%和18%固化劑摻量下的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度分別為6%固化劑摻量的1.23倍、1.46倍和1.68倍；對(duì)于14d無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度，10%、14%和18%固化劑摻量下的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度分別為6%固化劑摻量的1.27倍、1.45倍和1.73倍；對(duì)于28d無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度，10%、14%和18%固化劑摻量下的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度分別為6%固化劑摻量的1.36倍、1.53倍和1.87倍；由此可知，當(dāng)固化劑摻量增加時(shí)，固化土無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度發(fā)展速度也在加快。

隨著養(yǎng)護(hù)齡期的增加，不同配比無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度也在增加。其中14d無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度約為7d抗壓強(qiáng)度的1.04～1.08倍，28d無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度約為7d抗壓強(qiáng)度的1.07～1.20倍，根據(jù)結(jié)果可以看出來(lái)，納米固化土抗壓強(qiáng)度前期增長(zhǎng)程度要遠(yuǎn)大于后期增長(zhǎng)的，7d無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度能夠達(dá)到28d無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度的85%左右。固化土養(yǎng)護(hù)齡期越長(zhǎng)，固化劑中以水泥為主的水化反應(yīng)越充分，從而表現(xiàn)出更大的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度，通過(guò)分析強(qiáng)度結(jié)果可知，隨著養(yǎng)護(hù)齡期的增加，固化土無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度發(fā)展速度變慢。

3.2 間接拉伸強(qiáng)度試驗(yàn)

為了獲得不同齡期和不同固化劑摻量下固化土的抗拉強(qiáng)度，根據(jù)規(guī)范要求，為了固定試件，試驗(yàn)按照規(guī)范要求選取間接拉伸試驗(yàn)夾具，其他試驗(yàn)方法與無(wú)側(cè)限抗壓試驗(yàn)相同。

根據(jù)間接抗拉試驗(yàn)的試驗(yàn)結(jié)果，固化土間接抗拉強(qiáng)度隨固化劑摻量的增加而增大，以28d間接抗拉強(qiáng)度為例，固化劑摻量由6%變化為18%時(shí)，強(qiáng)度由0.07MPa增長(zhǎng)到0.128MPa，10%、14%和18%固化劑摻量下的間接抗拉強(qiáng)度分別為6%固化劑摻量的1.37倍、1.47倍和1.82倍；同時(shí)隨著養(yǎng)護(hù)齡期的增加，固化土的間接抗拉強(qiáng)度也在增加，其中14d間接抗拉強(qiáng)度約為7d抗拉強(qiáng)度的1.09～1.25倍，28d間接抗拉強(qiáng)度約為7d抗拉強(qiáng)度的1.27～1.43倍。分析原因，生成的水化產(chǎn)物不但使得固化土土壤顆粒間隙減小、密實(shí)度增加，而且水化產(chǎn)物本身的機(jī)械咬合作用也對(duì)固化土試件的間接拉伸強(qiáng)度起到重要影響。

3.3 強(qiáng)度對(duì)比分析

通過(guò)統(tǒng)計(jì)不同固化劑摻量和不同齡期的無(wú)側(cè)限壓縮強(qiáng)度f(wàn)c及間接拉伸強(qiáng)度f(wàn)t可以得到兩者的數(shù)據(jù)對(duì)比如表5所示。

表5 無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度與間接抗拉強(qiáng)度對(duì)比

為了更便于研究固化土無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度與間接拉伸強(qiáng)度之間的關(guān)系，文中給出了兩者的擬合曲線和對(duì)應(yīng)的曲線參數(shù)，如圖5所示。

圖5 間接拉伸強(qiáng)度與固化劑摻量關(guān)系

圖5 無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度與間接拉伸強(qiáng)度關(guān)系

根據(jù)曲線可知，固化土無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度基本與間接拉伸強(qiáng)度保持正比例關(guān)系，故可以采用正比例函數(shù)進(jìn)行擬合，擬合公式如式1，其中t為線性擬合參數(shù)。

擬合得到各齡期無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度與間接拉伸強(qiáng)度參數(shù)如表6所示，其中R2表示相關(guān)系數(shù)，其越接近1，說(shuō)明擬合效果越好。

從表6線性關(guān)系來(lái)看，不同齡期下的試件均滿足，無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度值越大對(duì)應(yīng)的間接拉伸強(qiáng)度值越大的規(guī)律，當(dāng)固化土齡期由7d增大到28d，線性關(guān)系斜率值在0.136～0.148之間變化。這是由于固化劑中水泥發(fā)生水化反應(yīng)生成的C-S-H凝膠結(jié)構(gòu)為強(qiáng)度較大的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，隨著水化反應(yīng)的進(jìn)行，水化產(chǎn)物對(duì)試件的壓縮、拉伸強(qiáng)度均有明顯提升，但由于固化土受壓時(shí)壓力主要由膠凝結(jié)構(gòu)和土顆粒共同承擔(dān)，而受拉強(qiáng)度基本由膠凝結(jié)構(gòu)提供，因此抗拉強(qiáng)度仍遠(yuǎn)小于抗壓強(qiáng)度，但與軟土相比已有較大提升。

表6 無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度與間接拉伸強(qiáng)度關(guān)系曲線參數(shù)

4 結(jié)語(yǔ)

文中以水泥作為主固化劑，以納米碳酸鈣和其他固棄物作為外加劑，進(jìn)行了固化土的固化劑配合比設(shè)計(jì)，獲取最優(yōu)配合比后，研究了不同固化劑摻量和不同齡期下固土的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度和間接拉伸強(qiáng)度值，并分析了兩者關(guān)系并進(jìn)行了擬合。

（1） 對(duì)納米固化劑進(jìn)行配方設(shè)計(jì)，通過(guò)正交試驗(yàn)和單摻試驗(yàn)最終確定固化劑最優(yōu)配合比，固化劑各組分質(zhì)量比為水泥：粉煤灰：脫硫石膏：納米碳酸鈣=300：32：159：9。

（2） 隨著摻量和齡期的增加，固化土無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度和間接拉伸強(qiáng)度隨之增大，納米固化土強(qiáng)度前期增長(zhǎng)程度要遠(yuǎn)大于后期增長(zhǎng)程度，7d無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度能夠達(dá)到28d無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度的85%左右。

（3） 固化土無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度基本與間接拉伸強(qiáng)度保持正比例關(guān)系，從線性關(guān)系來(lái)看，不同齡期下的試件均滿足，無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度值越大對(duì)應(yīng)的間接拉伸強(qiáng)度值越大的規(guī)律，線性關(guān)系斜率值在0.136～0.148左右。