摘要：為有效再利用工程廢土，降低碳排放，減少水泥用量，研發(fā)新型環(huán)保土壤GGL固化劑，并用于高等級公路路面基層的填筑工程。在工程廢土最佳含水率下，采用正交試驗方法，設(shè)計了25種配合比的復(fù)合材料試驗，通過無側(cè)限抗壓強度試驗，運用方差分析和曲線擬合分析，確定復(fù)合土壤固化劑的最優(yōu)配合比；通過X射線衍射（XRD）、掃描電鏡（SEM）分析，闡明了新型固化土（GGL固化土）作用機理。研究結(jié)果表明：水泥和GGL固化劑均可提高GGL固化土的無側(cè)限抗壓強度；采用水泥摻量8%和GGL固化劑摻量3‰時，GGL固化土的7天無側(cè)限強度可達到5.0MPa；加入新型復(fù)合固化劑，改變了土壤的多孔網(wǎng)絡(luò)，提高土體性能。

關(guān)鍵詞：道路工程；固化土；無側(cè)限抗壓強度；土壤固化劑；微觀分析；正交試驗

中圖分類號：U412.22""""""""""""""""""""""""""""" 文獻標(biāo)識碼：A"""""""""""""""""""""""""""""""""" 文章編號：1673?6478（2023）04-0121-06

Optimization Design and Mechanism Analysis of Low Carbon Composite Curing Agent Stabilize Engineering Abandoned Soil Ratio

GUO Shipeng ZHAO Mingzhe LI Haoran GU Xingqing CEN Feng GAO Peiwei

（1. Nanjing University of Aeronautics and Astronautics， Nanjing Jiangsu 210016， China; 2. CCCC Third Highway Engineering Co.， Ltd.， Beijing 101300， China）

Abstract： In order to effectively reuse engineering abandoned soil， reduce carbon emission and cement consumption， a new environmentally friendly soil GGL curing agent was developed and used in the filling project of high?grade highway pavement base. Under the optimal moisture content of engineering abandoned soil， the orthogonal test method was used to design the composite material tests with 25 fitting ratios， and the optimal fitting ratio of the composite soil curing agent was determined through the unconfined compressive strength test， ANOVA and curve fitting analysis. The mechanism of action of the new solidified soil （GGL solidified soil） was elucidated by X?ray diffraction （XRD） and scanning electron microscopy （SEM） analysis. The results show that both cement and GGL solidified agent can improve the unconfined compressive strength of GGL solidified soil， and the 7?day unconfined strength of GGL cured soil can reach 5.0 MPa when using 8% of cement and 3‰ of GGL curing agent; the addition of new composite curing agent changes the porous network of soil and improves the soil performance.

Key words： road engineering; solidified soil; unconfined compressive strength; soil curing agent; microscopic analysis; orthogonal test

0 引言

在松散、膨脹和分散的土層上建設(shè)基礎(chǔ)設(shè)施時，存在較多地質(zhì)工程問題。使用土壤固化劑進行土壤固化是解決該類問題的有效手段之一，其旨在將問題土的物理和工程性質(zhì)提高到規(guī)范要求，其中以提高土體強度和承載力為目的的化學(xué)固化技術(shù)是目前最受關(guān)注、經(jīng)濟效益最好的方法[1?3]。將總量豐富、成本低廉的廢土進行固化改性后，用作路面基層和工程填筑用料，減少砂石用量和運輸成本，降低碳排放。

國外在土壤固化方面的研究要早于國內(nèi)[4?7]，隨著技術(shù)的發(fā)展，正在由傳統(tǒng)的以水泥、石灰等為原料的無機土壤固化劑逐步向有機類、離子類及生物酶類的土壤固化劑慢慢發(fā)展，并針對不同的土壤條件研究開發(fā)了不同類型的土壤固化劑，對各類固化劑固化土壤的效果和機理已有較多分析[8?9]。國內(nèi)在該領(lǐng)域也進行了一定的研究[10?11]，但相對滯后，且國內(nèi)外使用的固化劑種類和土壤類別不同，因此研究固化劑對土壤的固化效果和機理具有較大的必要性。我國公路建設(shè)基層、底基層填料仍以石灰、水泥、礦渣、沙以及這些材料的混合物為主，隨著公路環(huán)境保護工程要求的不斷提高，碳排放的限制，這些資源的開發(fā)將受到嚴(yán)格限制。當(dāng)前固化土在許多工程中得到陸續(xù)應(yīng)用，但在路面基層中應(yīng)用較少，且碳排放量高，土壤固化劑作為一種新型的基層填料，無論在技術(shù)方面還是環(huán)境方面都具有十分重要的現(xiàn)實意義。無側(cè)限抗壓強度是固化土作為路面基層的重要技術(shù)指標(biāo)，從礦物學(xué)、形態(tài)學(xué)和分子學(xué)角度分析GGL固化土的強度發(fā)展是本研究的重點，研究其微觀結(jié)構(gòu)特征（構(gòu)造和水泥黏結(jié)）對于了解固化材料工程性能的改善及其影響因素同樣具有重要意義[12?13]。

試驗選用安徽銅陵地區(qū)黏性土，通過無側(cè)限抗壓強度（UCS）對不同摻量下固化土的強度特性進行評價。采用X射線衍射（XRD）和掃描電子顯微鏡（SEM）試驗，研究固化過程、機理以及水泥摻量、GGL固化劑摻量對強度發(fā)展的影響，完善固化土強度形成機理的理論基礎(chǔ)，以期為固化土應(yīng)用于施工提供技術(shù)經(jīng)驗，為路面基層中更合理地應(yīng)用固化土提供理論支?撐。

1 原材料和測試方案

1.1 原材料

1.1.1 工程廢土

試驗土取自安徽銅陵某公路改建工程廢土場，其物理性質(zhì)和化學(xué)組成見表1。原材料性能試驗依據(jù)《公路土工試驗規(guī)程》（JTG 3430—2020）及《土工試驗方法標(biāo)準(zhǔn)》（GB/T 50123—2019）進行。

1.1.2 GGL固化劑

土壤固化劑為課題組自主調(diào)配而成，主要成分為改性無機物（SBL）和有機物（JAZ），性能參數(shù)如表2所示。固化后，可以快速在土壤表面及內(nèi)部形成空間網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，將土壤顆粒黏結(jié)在一起，填補土壤顆粒的孔隙。經(jīng)固化材料處理后的土壤壓實效果更好，土壤變得更加密實，強度提高明顯，并在一定程度上減少水泥用量。

1.1.3 水泥

水泥為江蘇南京某廠生產(chǎn)的 "42.5普通硅酸鹽水泥，各項性能指標(biāo)均符合《通用硅酸鹽水泥》（GB 175—2007）要求。

1.2 正交試驗設(shè)計

為了探究在工程廢土最佳含水率下，復(fù)合固化劑中各成分水平對固化廢棄土的加固效果，以水泥摻量（A%：2、4、6、8、10）、GGL固化劑摻量（B‰：1、2、3、4、5）作為正交試驗，2因素、5水平，選用L25（5²）正交表，依據(jù)《水泥土配合比設(shè)計規(guī)程》（JGJ/T 233—2011）規(guī)定制備試驗樣品，參照《公路路基施工技術(shù)規(guī)范》（JTG/T 3610—2019）和《公路瀝青路面設(shè)計規(guī)范》（JTG D50—2017）要求進行配比設(shè)計。

2 最優(yōu)配比試驗研究

2.1 正交試驗結(jié)果與分析

素土及所有GGL固化土的7天無側(cè)限抗壓強度如表3所示。

由表3可見：隨水泥摻量增加，固化土7天無側(cè)限抗壓強度基本上呈先上升后下降的趨勢。素土的無側(cè)限抗壓強度為0.7MPa，摻有4%水泥、3‰固化劑的樣品18的無側(cè)限抗壓強度達到了2.5MPa，提高了257.1%；樣品13比樣品18提高了40.0%；樣品8比樣品13提高了42.9%；樣品3比樣品18提高了80%。

固化劑摻量為2‰～4‰、水泥摻量為6%～10%時，無側(cè)限抗壓強度存在峰值。樣品8的無側(cè)限抗壓強度達到了5.0MPa，樣品3為4.5MPa，降低了10%；樣品7也只有4.7MPa，降低了6.0%。

上述性質(zhì)與石灰固化土存在最佳摻量的性質(zhì)相似。水泥摻量較低時，固化土的強度都較低，約為1～2MPa，因為水是石灰類固化土的重要組成部分，促使石灰類固化土發(fā)生物化反應(yīng)，包括水泥的水化硬化反應(yīng)等，生成氫氧化鈣和其他水化產(chǎn)物，形成水泥石骨架或與土體間相互作用形成強度[14?15]。

水泥摻量增加會提高樣品的強度，但也會增大對水分的消耗，當(dāng)水泥摻量大于最佳摻量時，未參與到反應(yīng)中的水泥存留在孔隙間，影響土料黏結(jié)，對固化過程產(chǎn)生副作用，使土體強度下降。

固化劑與一定水分的水泥和帶負(fù)電的土壤混合后，固化劑能打開土粒和水分子之間的化學(xué)鍵，使土粒重新按照正負(fù)電位結(jié)合，為水泥的離子交換作用創(chuàng)造有利的條件；固化劑內(nèi)高分子鏈上的基團將通過氫鍵和分子間作用力與土顆粒結(jié)合，在土壤內(nèi)部形成網(wǎng)格狀穩(wěn)固結(jié)構(gòu)；還與水泥水化產(chǎn)生的氫氧化鈣反應(yīng)生成具有一定強度的水化硅酸鈣凝膠體，穿插在土壤顆?？障堕g形成強度骨架。

當(dāng)固化劑摻量相對較少時，相對較多的水分可以充分稀釋固化劑，使之與土壤的拌和更均勻，使固化劑與土壤的化學(xué)反應(yīng)進行地更加徹底。當(dāng)固化劑摻量超過一定界限時，形成的堅硬物質(zhì)過多，使得固化土內(nèi)部膨脹，破壞了形成的骨架；同時多余部分的固化劑產(chǎn)生的固化作用低，存留在土壤中，在受壓時反而會加劇破壞。

2.2 方差分析

根據(jù)方差分析可知，借助SPSS軟件利用雙因素方差分析研究水泥和GGL固化劑對于無側(cè)限抗壓強度的影響作用，結(jié)果見表4～5。

從表4～5 可見：GGL 固化劑呈現(xiàn)出顯著性（ =3.769， = 0.024 lt; 0.05），說明GGL 固化劑會對強度產(chǎn)生差異關(guān)系，不同固化劑樣本對于無側(cè)限抗壓強度會表現(xiàn)出顯著性差異。水泥呈現(xiàn)出顯著性（ =127.876， = 0.000 lt; 0.05），說明主效應(yīng)存在，水泥會對無側(cè)限抗壓強度產(chǎn)生差異關(guān)系，不同水泥樣本對于無側(cè)限抗壓強度呈現(xiàn)出顯著性差異，水泥對固化土標(biāo)養(yǎng)7 天無側(cè)限抗壓強度影響最為顯著，GGL 固化劑對7 天無側(cè)限抗壓強度影響較為顯著。

根據(jù)方差分析綜合來看，為了提升GGL土壤固化劑對工程廢土的無側(cè)限抗壓強度，在綜合考慮材料成本、運輸成本、碳排放和強度等要求的基礎(chǔ)上，結(jié)合標(biāo)養(yǎng)條件下7d的無側(cè)限抗壓強度正交分析，確定了水泥（A）摻量8%、GGL固化劑（B）摻量3‰作為GGL固化土的最優(yōu)摻量，此時GGL固化土的7天無側(cè)限抗壓強度為5.0MPa。

2.3 無側(cè)限抗壓強度與摻量相關(guān)性研究

采用Design?expert軟件對表3中數(shù)據(jù)進行函數(shù)擬合，得到擬合結(jié)果如圖1所示，擬合函數(shù)如下：

n= ?2.19 + 4.92238 ? 1.42952

+0.35662y? 1.63923² + 0.50048²

?0.029758²? 0.012551²

+0.21802³ ? 0.14333³

+0.00586735²² ? 0.000520833³

?0.008333333

?0.00963542⁴ + 0.016667⁴

式中，n為無側(cè)限抗壓強度；為水泥；為GGL固化劑。相關(guān)系數(shù)R²為0.994，說明所采用的擬合函數(shù)可以很好地體現(xiàn)無側(cè)限抗壓強度與摻量的關(guān)系。

? 3 微觀機理分析

基于固化土的無側(cè)限抗壓強度測試結(jié)果，選取樣品8、對照組1（0%水泥、3‰固化劑）、對照組2（8%水泥、無固化劑）及素土作為代表樣，探尋GGL固化土宏微觀性能的作用機制。

3.1 X射線衍射分析

X射線衍射（XRD）作為一種常用基礎(chǔ)探測技術(shù)被廣泛應(yīng)用于土壤礦物的分析，通過分析水泥和固化劑所引起的土壤結(jié)構(gòu)礦物學(xué)變化，可判斷并識別固化過程中是否形成新的晶體化合物，GGL固化土樣品8及對照組2的XRD譜圖如圖2所示。

? 由圖2可見：XRD圖譜與試驗土化學(xué)組成相符，其主要成分有SiO₂和Al₂O₃等。水泥摻量8%時，反應(yīng)生成的主要產(chǎn)物為鈣礬石、C?S?H和C?A?H等。注意到在2 28°～33°的范圍內(nèi)存在連續(xù)的微弱的衍射峰。相關(guān)研究表明[16?18]，這些微弱的衍射峰產(chǎn)生于水泥土中的水化硅酸鈣C?S?H以及部分被Al取代的水化硅酸鈣C?A?S?H。同時反應(yīng)生成的Ca（OH）₂一方面可以促進水泥水化反應(yīng)，另一方面其電離出來的Ca²⁺可與土壤中的離子及水泥的水化物反應(yīng)，生成鈣礬石；土壤中游離的Ca（OH）₂還可以與空氣中的?CO₂反應(yīng)，生成不溶于水的碳酸鈣，也能一定程度上使固化土的強度得到增長[19?20]。

添加了3‰固化劑的樣品8相比于對照組2，原有的特征峰得到了加強，且沒有新的特征峰產(chǎn)生，說明在摻入8%水泥的情況下，摻入固化劑，水泥土中化學(xué)反應(yīng)類型或生成產(chǎn)物未產(chǎn)生巨大改變。

3.2 微觀形貌分析

利用掃描電鏡圖像對比觀察樣品的微觀形貌，可清晰地了解GGL固化土的孔隙結(jié)構(gòu)和物質(zhì)成分的變化情況。樣品8，對照組1、2及素土的SEM圖如圖3所示。

從上述SEM圖可以看出：

（1）素土樣品（圖a）呈現(xiàn)出最為松散的微觀形貌，土顆粒呈棱角狀，土顆粒不規(guī)則、松散地堆積在一起，無明顯的膠凝物質(zhì)黏結(jié)，并且有較為明顯的孔隙。經(jīng)強度測試，素土的無側(cè)限抗壓強度為0.7MPa。

（2）摻入3‰的固化劑后，樣品的微觀形貌如圖3（b）所示。可見孔隙內(nèi)充填有少量的膠凝產(chǎn)物，使樣品孔隙率減少；但土顆粒形態(tài)仍為棱角狀和次棱角狀，棱角清晰，土中顆粒多呈點接觸，接觸面積小。其無側(cè)限抗壓強度為1.0MPa，與素土土樣相比，略有提高。

（3）摻入8%的水泥后，微觀形貌的密實程度比素土樣品顯著提升，且團聚狀大顆粒增多。可看到對照組2（圖c）中部分土顆粒被絮狀的C?S?H凝膠所覆蓋或連接，但仍可看見土顆粒之間的縫隙。土顆粒形態(tài)以次棱角狀和次圓形為主，增大了土顆粒之間的接觸面積，顆粒間的連接力和膠結(jié)能力得到加強，使土顆粒黏結(jié)形成一個整體，結(jié)構(gòu)更為密實，無側(cè)限抗壓強度達到3.9MPa，與素土樣品和對照組1相比，強度有明顯提升。

（4）摻入8%的水泥和3‰的固化劑后，從圖d中可清晰地看到網(wǎng)絡(luò)狀的水化產(chǎn)物C?S?H凝膠和六方棱柱狀A(yù)Ft搭接，插入或填充在原有的孔隙之中，形成“微加筋土”結(jié)構(gòu)[21]。固化劑的加入可提高反應(yīng)進程，將土顆粒更有效地黏結(jié)起來，同時填充土顆粒之間的孔隙，形成堅固的結(jié)構(gòu)，其無側(cè)限強度顯著增強，水穩(wěn)、抗凍、耐久性等性能也將得到提升。

4 結(jié)論

本文通過無側(cè)限抗壓強度（UCS）對不同摻量下固化土的強度特性進行評價。采用X射線衍射（XRD）和掃描電子顯微鏡（SEM）測試，研究了固化過程、機理以及水泥摻量、GGL固化劑摻量對強度的影響。主要結(jié)論如下：

（1）通過方差分析得知，水泥和GGL固化劑都會對無側(cè)限抗壓強度產(chǎn)生影響，水泥的摻量對固化工程廢土的加固效果影響最為顯著，GGL固化劑摻量的影響較為顯著。

（2）在土壤最佳含水率的條件下，采用水泥和GGL固化劑對工程廢土進行土體固化，得到GGL固化土強度與固化劑摻量的變化擬合結(jié)果，最終可以得到GGL固化土強度隨著水泥摻量的增長基本上呈先增長后下降的趨勢；GGL固化土強度隨著GGL固化劑摻量的增長基本上呈先增長后下降的趨勢。

（3）在綜合考慮材料成本、運輸成本、環(huán)保和強度要求的基礎(chǔ)上，選取水泥摻量8%、GGL固化劑摻量3‰作為最優(yōu)摻量，此時GGL固化土的7天無側(cè)限抗壓強度為5.0MPa。

（4）GGL固化劑和水泥的加入可以提高反應(yīng)的進程，將土顆粒更有效地黏結(jié)起來，填充土顆粒之間的孔隙，減小孔隙率，形成堅固的結(jié)構(gòu)，與素土土樣相比，無側(cè)限抗壓強度提高614.3%。

（5）C?S?H、AFt是構(gòu)成固化土強度的主體，改變了土壤的多孔網(wǎng)絡(luò)，共同提高土體的工程性能。

參考文獻：

1. 張俊， 翁興中， 劉軍忠， 等. 復(fù)合固化砂土力學(xué)及水穩(wěn)性能試驗研究[J]. 材料導(dǎo)報， 2014， 28（24）： 115?119+124.
2. 沈化榮， 高培偉， 李浩鞠， 等. 高等級公路路面開裂機理與快速修補材料的研究[J]. 地下空間與工程學(xué)報， 2012， 8（1）： 1580?1583.
3. 李沛， 楊武， 鄧永鋒， 等. 土壤固化劑發(fā)展現(xiàn)狀和趨勢[J]. 路基工程， 2014（3）： 1?8.
4. G. Bell. Lime stabilization of clay minerals and soils[J]. Engineering Geology， 1996， 42（4）： 223?237.
5. Ga?tan Blanck， Olivier Cuisinier， Farimah Masrouri. Soil treatment with organic non?traditional additives for the improvement of earthworks[J]. Acta Geotechnica， 2014， 9（6）： 1111?1122.
6. A. Basha et al. Stabilization of residual soil with rice husk ash and cement[J]. Construction and Building Materials， 2004， 19（6）： 448?453.
7. Abdullah Al?Khanbashi， Shihab W. Abdalla. Evaluation of three waterborne polymers as stabilizers for sandy， soil[J]. Geotechnical and geological engineering， 2006， 24（6）： 1603?1625.
8. 任永強. 筑路工程用土壤固化劑的研究進展[J]. 甘肅科技， 2006（8）： 185?188.
9. 黃新， 周國鈞. 水泥加固土硬化機理初探[J]. 巖土工程學(xué)報， 1994（1）： 62?68.
10. 劉瑾. 新型高分子土壤穩(wěn)定劑的研制及其應(yīng)用研究[D]. 南京： 南京大學(xué)， 2011.
11. 芮凱軍， 李俊才， 楊宇， 等. 不同土質(zhì)水泥土性質(zhì)的室內(nèi)試驗[J]. 南京工業(yè)大學(xué)學(xué)報 （自然科學(xué)版） ， 2019， 41（2）： 173?178.
12. 潘湘輝， 桂嵐， 李躍軍. 不同土壤固化劑對土質(zhì)固化性能影響的對比試驗研究[J]. 公路工程， 2014， 39（1）： 59?62.
13. 黃河， 施斌， 劉瑾， 等. STW型生態(tài)土壤穩(wěn)定劑改性土強度試驗研究[J]. 防災(zāi)減災(zāi)工程學(xué)報， 2008（1）： 87?90+97.
14. 黃小梅. 路用水泥基復(fù)合穩(wěn)定土材料初步研究[D]. 長沙： 中南大學(xué)， 2008.
15. 屠晨陽. 水泥固化砂質(zhì)粉土的強度試驗及其機理研究[D]. 杭州： 浙江理工大學(xué)， 2018.
16. 徐菲， 蔡躍波， 錢文勛， 等. 脂肪族離子固化劑改性水泥土的機理研究[J]. 巖土工程學(xué)報， 2019， 41（9）： 1679?1687.
17. Fei Xu et al. Composite alkaline activator on cemented soil： Multiple tests and mechanism analyses[J]. Construction and Building Materials， 2018， 188： 433?443.
18. Suksun Horpibulsuk et al. Analysis of strength development in cement?stabilized silty clay from microstructural considerations[J]. Construction and Building Materials， 2010， 24（10）： 2011?2021.
19. 紀(jì)文棟， 張宇亭， 顏容濤， 等. 高吸水材料改善高含水率淤泥流動性的試驗研究[J]. 巖土力學(xué)， 2015， 36（S1）： 281?286.
20. 丁建文， 洪振舜， 劉松玉. 疏浚淤泥流動固化處理與流動性試驗研究[J]. 巖土力學(xué)， 2011， 32（1）： 280?284.
21. 樊恒輝， 吳普特， 高建恩， 等. 水泥基土壤固化劑固化土的微觀結(jié)構(gòu)特征[J]. 建筑材料學(xué)報， 2010， 13（5）： 669?674.