doi：10.3969/j.issn.1001-5922.2024.02.025

摘 要：解決傳統(tǒng)的巖土邊坡深層水泥攪拌樁對水泥材料的依賴性較高，工程建設(shè)成本長期居高不下的問題。深層水泥攪拌樁是提高巖土邊坡尤其軟土邊坡地基力學(xué)性能的重要手段，研究以粉煤灰-礦渣聚合物巖土邊坡深層水泥攪拌樁為例，嘗試?yán)梅勖夯?礦渣等制備一種特殊聚合物水泥，對這種通過粉煤灰、礦渣等形成的聚合物原材料的綜合性能進(jìn)行分析。結(jié)果表明，當(dāng)?shù)V渣與粉煤灰的配合比為30∶70時(shí)，巖土邊坡深層水泥攪拌樁的聚合物硬化時(shí)間最短，當(dāng)堿濃度為2.5 "mol/L時(shí)，能夠獲得最佳的材料壓縮強(qiáng)度。

關(guān)鍵詞：粉煤灰；礦渣；巖土邊坡；水泥攪拌樁；性能分析

中圖分類號(hào)：U213.1⁺3；TQ172.79" " " "文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A" " " "文章編號(hào)：1001-5922（2024）02-0092-04

Preparation and characterization analysis of polymer materials for deep cement mixing piles on geotechnical slopes

GUI Yang1，CAI Xianqing1，LAI Jun2

（1.Sichuan Communications Survey and Design Institute Co.，Ltd.，Chengdu 610017，China；

2.China Railway Eryuan Engineering Group Co.，Ltd.，Chengdu 610031，China）

Abstract：In order to solve the problem that the traditional deep cement mixing pile on geotechnical slope is highly dependent on cement materials and the construction cost of the project has remained high for a long time.Deep cement mixing pile is an important means to improve the mechanical properties of the foundation of rock and soil slope，especially soft soil slope.Taking fly ash-slag polymer cement mixing pile in deep soil slope as an example，trying to prepare a special polymer cement by fly ash-slag，etc.，and analyzing the comprehensive properties of the polymer raw materials formed by fly ash and slag.The results showed that when the mixture ratio of slag and fly ash was 30∶70，the polymer hardening time of cement mixing pile in deep soil slope was the shortest，and the best compressive strength of material can be obtained when the alkali concentration was 2.5 mol/L.

Key words：fly ash;slag;rock and soil slope;cement mixing pile;performance analysis

巖土邊坡深層水泥攪拌樁指的是一種以水泥為固化劑，通過在巖土邊坡工程中布設(shè)深層攪拌機(jī)械，在邊坡地基將軟土或沙等和固化劑強(qiáng)制攪拌，從而增強(qiáng)軟土地基硬結(jié)程度進(jìn)而提高巖土邊坡地基強(qiáng)度的工藝。這種工藝適合用于軟土地基處理，在淤泥、砂土、淤泥質(zhì)土等邊坡處理過程中效果明顯。傳統(tǒng)的巖土邊坡深層水泥攪拌樁多利用水泥中的Ca（OH）₂與軟土中的Al₂O₃、SiO₂等發(fā)生反應(yīng)，從而形成硬化凝結(jié)物質(zhì)，進(jìn)而提升地基整體性及其強(qiáng)度^[1-4]。不過這種方法對水泥材料的依賴性較高，工程建設(shè)成本長期居高不下。因此，研究嘗試?yán)梅勖夯?礦渣等制備一種特殊聚合物水泥，并對這種水泥應(yīng)用于巖土邊坡深層水泥攪拌樁中的效果進(jìn)行分析，旨在驗(yàn)證這類聚合物材料的綜合性能，降低相關(guān)材料和工藝的應(yīng)用成本。

1"實(shí)驗(yàn)材料與方法

1.1"實(shí)驗(yàn)材料與設(shè)備

1.1.1"實(shí)驗(yàn)材料

粉煤灰-礦渣聚合物的制備需要用到粉煤灰、礦渣、NaOH、KOH、SiO₂等^[5-7]。其中，粉煤灰選擇河北捷貴礦產(chǎn)品有限公司生產(chǎn)的一級(jí)低鈣灰；礦渣選擇河北輝浩環(huán)?？萍加邢薰旧a(chǎn)的礦渣超細(xì)粉；硅酸鉀水玻璃在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下進(jìn)行配置，按照SiO₂、KOH質(zhì)量比為1.25∶2的比例進(jìn)行調(diào)配。利用X射線熒光分析法得到的粉煤灰和礦渣的化學(xué)成分質(zhì)量分?jǐn)?shù)如表1所示。

1.1.2"實(shí)驗(yàn)設(shè)備

實(shí)驗(yàn)針對粉煤灰-礦渣聚合物的反應(yīng)硬化時(shí)間、反應(yīng)狀態(tài)、壓縮強(qiáng)度等進(jìn)行測試和分析。主要用到的實(shí)驗(yàn)設(shè)備：EDX8300 X射線熒光分析儀，蘇州三值精密儀器有限公司;ZK-087維卡儀，廣東匯泰制冷設(shè)備有限公司;界FRINGEX射線衍射儀，蘇州浪聲科學(xué)儀器有限公司;DRX-I-PC/PB壓縮強(qiáng)度測試儀，湘潭華豐儀器制造有限公司。

1.2"實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1"聚合物制備

制備的聚合物主要為粉煤灰-礦渣聚合物。在制備聚合物過程中利用NaOH、水玻璃等作為堿硅酸鹽激發(fā)劑生產(chǎn)適合用于巖土邊坡軟基深層水泥攪拌樁工藝的聚合物材料^[8-11]。實(shí)驗(yàn)聚合物配比方案如表2所示。

在進(jìn)行聚合物制備時(shí)，選取適量的NaOH、水玻璃經(jīng)過充分?jǐn)嚢枰院笾频脡A硅酸鹽激發(fā)劑與粉煤灰-礦渣混合物進(jìn)行融合攪拌形成砂漿，經(jīng)過成型、脫模等工藝后獲得成品。粉煤灰-礦渣聚合物制備流程如圖1所示。

在聚合物砂漿成型過程中，首先需要快速攪拌90 s，然后慢速攪拌30 s；將攪拌后的砂漿添加至ISO水泥膠砂三聯(lián)試模中進(jìn)行成型、凝固；之后在振動(dòng)臺(tái)上進(jìn)行60 s的振動(dòng)；最后，在室溫環(huán)境下靜置24 h即可獲得最終的聚合物成品。

1.2.2"測試內(nèi)容

在模擬粉煤灰-礦渣聚合物巖土邊坡深層水泥攪拌工藝時(shí)，需要對聚合物的硬化時(shí)間、晶體狀態(tài)、壓縮強(qiáng)度等進(jìn)行測試。

聚合物硬化時(shí)間主要通過維卡儀進(jìn)行測試，如果維卡儀中的針入深度等于零則表示此時(shí)聚合物的聚合反應(yīng)已經(jīng)較為充分，此時(shí)聚合物已經(jīng)完全硬化，如果大于零則表示還沒有完成固結(jié)硬化^[12-15]。

聚合物的X射線衍射分析測試（XRD測試）是利用X射線衍射儀對聚合物進(jìn)行衍射，在0.02°/s的狀態(tài)下對聚合物內(nèi)部成分晶體狀態(tài)進(jìn)行測試，分析聚合物內(nèi)部的聚合反應(yīng)情況。

聚合物的壓縮強(qiáng)度測試主要利用GB/T 17671《水泥膠砂強(qiáng)度檢驗(yàn)方法》對室溫狀態(tài)下的聚合物成品進(jìn)行7、14、21、24 d時(shí)長測試，并利用壓縮強(qiáng)度測試儀分析其壓縮強(qiáng)度。

黃土/聚合物無側(cè)限壓縮強(qiáng)度測試則是將粒徑小于2 mm的黃土與聚合物分別以70∶30、80∶20、90∶10的比例進(jìn)行混勻作為混合物，再經(jīng)過圖1所示流程獲得的成品，將其在溫度（20±2）℃、相對濕度大于等于95%的養(yǎng)護(hù)室內(nèi)進(jìn)行7、14、21、24 d時(shí)長的測試，最后對聚合物樣品進(jìn)行無側(cè)限壓縮強(qiáng)度測試。

2"結(jié)果與分析

2.1"聚合物硬化時(shí)間對比結(jié)果

聚合物不同硬化時(shí)間對比分析結(jié)果如表3所示。

由表3可知，當(dāng)?shù)V渣與粉煤灰質(zhì)量比為60∶40時(shí)，整個(gè)實(shí)驗(yàn)過程中聚合物中的粉煤灰都沒有發(fā)生硬化，此時(shí)礦渣硬化時(shí)間為52 min；而其余30∶70、40∶60、50∶50不同占比條件下，粉煤灰的硬化時(shí)間略有不同，分別為180、180、240 min，此時(shí)礦渣的硬化時(shí)間均為48 min。

不同的粉煤灰礦渣配比能夠明顯影響聚合物的硬化時(shí)間。因此，由實(shí)驗(yàn)得到礦渣與粉煤灰質(zhì)量比為30∶70時(shí)，聚合物的整體硬化時(shí)間最佳。

2.2"聚合物XRD測試結(jié)果

原始粉煤灰、礦渣與經(jīng)過堿硅酸鹽激發(fā)劑激發(fā)以后的聚合物內(nèi)部晶體情況檢測對比結(jié)果如表4所示。

由表4可知，從晶體數(shù)量來看，經(jīng)過堿硅酸鹽激發(fā)劑激發(fā)前后原始混合物和聚合物內(nèi)部都存在大量晶體，整體晶體數(shù)量沒有發(fā)生明顯變化^[16-17]。從礦渣狀態(tài)來看，原始混合物中礦渣始終處于非晶態(tài)，但在聚合物中由于受到堿硅酸鹽激發(fā)劑激發(fā)而呈現(xiàn)晶態(tài)。顯然，經(jīng)過堿硅酸鹽激發(fā)劑激發(fā)以后的聚合物內(nèi)部結(jié)晶狀況更為理想。理想的結(jié)晶狀態(tài)能夠保證更為穩(wěn)定的聚合物性能和結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。

2.3"壓縮強(qiáng)度測試結(jié)果

不同堿濃度環(huán)境下，室溫環(huán)境分別為7（試樣1）、14（試樣2）、21（試樣3）和24 d（試樣4）時(shí)長的聚合物試樣壓縮強(qiáng)度測試結(jié)果如表5所示。

由表5可知，在相同堿濃度條件下，對比4個(gè)試樣1、2、3、4的壓縮強(qiáng)度對比結(jié)果分析，隨著放置時(shí)間的增長，試樣的壓縮強(qiáng)度均呈現(xiàn)出逐漸增大的變化狀態(tài)，表明放置時(shí)間的延長有助于增強(qiáng)聚合物的壓縮強(qiáng)度；但增大至一定程度以后便不會(huì)再明顯提升^[18-19]。

從單獨(dú)試樣壓縮強(qiáng)度隨堿濃度變化分析，4個(gè)試樣的壓縮強(qiáng)度隨堿濃度的提升呈先增長后下降最后趨于穩(wěn)定的變化狀態(tài)。在4個(gè)試樣中，當(dāng)堿濃度為2.5 mol/L時(shí)材料的壓縮強(qiáng)度普遍最高，分別為7.6、10.5、14.9、15.3 MPa。當(dāng)堿濃度為2.5 mol/L時(shí)，能夠獲得最佳的材料壓縮強(qiáng)度。

2.4"無側(cè)限壓縮強(qiáng)度測試結(jié)果

按照之前部分測試結(jié)果將礦渣與粉煤灰質(zhì)量比為30∶70時(shí)的聚合物作為研究對象，控制聚合物與黃土的摻混比為10∶90、20∶80、30∶70，分別添加相同濃度的氫氧化鈉融合，得到7、14、21、24 d時(shí)的試樣無側(cè)限壓縮強(qiáng)度測試結(jié)果，如表6～表8所示。

由表6～表8可知，從單一試樣在聚合物與黃土的摻混比在10∶90、20∶80、30∶70變化時(shí)的無側(cè)限壓縮強(qiáng)度結(jié)果來看，隨著聚合物與黃土的摻混比的提升，材料的無側(cè)限壓縮強(qiáng)度值均呈現(xiàn)出明顯的提升。例如，在7 d及聚合物與黃土的摻混比為30∶70時(shí)，試樣1的無側(cè)限壓縮強(qiáng)度分別較10∶90、20∶80狀態(tài)下提升了2.3、1.2 MPa，其余3種試樣均獲得提升且提升幅度極為接近。由此可見，聚合物與黃土的摻混比為30∶70時(shí)混合物的無側(cè)限壓縮強(qiáng)度值普遍更高^[20-23]。

當(dāng)聚合物與黃土的摻混比為30∶70時(shí)，試樣1、試樣2、試樣3和試樣4的無側(cè)限壓縮強(qiáng)度均隨堿濃度的提升而呈現(xiàn)先提升后下降的變化趨勢，這一變化趨勢與表5分析結(jié)果類似。

綜合來看，當(dāng)堿濃度為2.5 mol/L，聚合物與黃土的摻混比為30∶70時(shí)，不論室溫下放置時(shí)間為多久，聚合物的無側(cè)限壓縮強(qiáng)度值均較為理想。

3"結(jié)語

粉煤灰-礦渣聚合物巖土邊坡水泥攪拌樁工藝是一種針對軟基所開展的地基加固工藝。研究針對影響該工藝中聚合物材料性能的幾種參數(shù)進(jìn)行分析，得到了如下結(jié)論：

（1）當(dāng)?shù)V渣與粉煤灰質(zhì)量比為30∶70時(shí)，聚合物中礦渣和粉煤灰的硬化時(shí)間分別為180 min和48 min，此時(shí)聚合物的整體硬化時(shí)間最佳;

（2）當(dāng)堿濃度為2.5 mol/L時(shí)，聚合物材料的壓縮強(qiáng)度普遍最高，在7、14、21、24 d時(shí)的試樣壓縮強(qiáng)度分別為7.6、10.5、14.9、15.3 MPa;

（3）當(dāng)聚合物與黃土的摻混比為30∶70時(shí)，在7、14、21、24 d時(shí)的試樣無側(cè)限壓縮強(qiáng)度值最高；在堿濃度為2.5 mol/L時(shí)，聚合物材料的無側(cè)限壓縮強(qiáng)度值分別達(dá)到了4.8、5.2、7.1、7.8 MPa。

綜合來看，當(dāng)?shù)V渣與粉煤灰質(zhì)量比為30∶70、堿濃度為2.5 mol/L、聚合物與黃土的摻混比為30∶70時(shí)，材料的綜合力學(xué)性能最佳。

【參考文獻(xiàn)】

[1]張占洋.工業(yè)固體廢棄物在綠色建筑砂漿中的應(yīng)用研究[J].工程技術(shù)研究，2022，7（23）：110-112.

[2]李華偉，范家俊，孫浩旭，等.堿激發(fā)膠凝材料的研究現(xiàn)狀與應(yīng)用分析[J].建材世界，2022，43（6）：6-9.

[3]高永濤，張夢，季毛偉，等.煤礦新型充填膠凝材料研發(fā)與工業(yè)應(yīng)用[J].礦業(yè)研究與開發(fā)，2023，43（2）：55-61.

[4]周春煦，趙立財(cái)，朱俊高.鋁土礦渣制備生態(tài)混凝土的力學(xué)性能及微觀特征[J].礦業(yè)研究與開發(fā)，2023，43（2）：70-75.

[5]申壯，梁進(jìn).復(fù)合穩(wěn)定劑對黃土滲透性的影響[J].山西建筑，2022，48（24）：79-81.

[6]郭慶，徐立新，王松，等.黃土/礦渣基地質(zhì)聚合物多孔材料的研究[J].蘭州交通大學(xué)學(xué)報(bào)，2022，41（06）：108-113.

[7]許祥云，盛善望，張靚，等.工業(yè)固廢穩(wěn)定大粒徑碎石基層施工工藝與質(zhì)量控制[J].交通節(jié)能與環(huán)保，2023，19（01）：27-30.

[8]姚山，楊忠平，葛文杰，等.超高性能混凝土工作及力學(xué)性能分析[J].建筑結(jié)構(gòu)，2023，53（2）：142-147.

[9]肖力光，岳喜智.稻殼灰復(fù)合摻合料與纖維協(xié)同作用對地鐵混凝土性能的影響[J].應(yīng)用化工，2023，52（1）：102-105.

[10]韓宇棟，郭奕群，李嘉豪，等.高密實(shí)多元復(fù)合水泥漿體組成設(shè)計(jì)與抗侵蝕性能研究[J].材料導(dǎo)報(bào)，2023，37（3）：158-164.

[11]李卓文，譚林，何昀，等.高爐礦渣協(xié)同處理垃圾滲濾液的性能研究[J].燒結(jié)球團(tuán)，2022，47（6）：146-153.

[12]汪志艷，方從啟.銅礦渣用于地鐵防水的研究進(jìn)展[J].山西建筑，2023，49（3）：1-8.

[13]繆丹.不同摻量礦粉對水工混凝土影響分析[J].黑龍江水利科技，2023，51（1）：17-20.

[14]鄒偉斌.管磨機(jī)超細(xì)粉磨系統(tǒng)異常狀況分析及對策[J].新世紀(jì)水泥導(dǎo)報(bào)，2023，29（1）：34-43.

[15]鄭亮亮.一種改性地質(zhì)聚合膠凝料制備及軟土加固應(yīng)用測試[J].粘接，2023，50（1）：102-104.

[16]林俊濤，夏宇，李偉，等.地聚物穩(wěn)定廢舊瀝青混合料的強(qiáng)度與微觀結(jié)構(gòu)研究[J].硅酸鹽通報(bào)，2023，42（1）：364-372.

[17]崔建明.超高性能混凝土中的摻合料應(yīng)用研究[J].合成材料老化與應(yīng)用，2022，51（6）：132-134.

[18]呂炎，白二雷，王志航，等.粉煤灰-礦渣基地聚物混凝土不同齡期動(dòng)態(tài)力學(xué)性能[J].空軍工程大學(xué)學(xué)報(bào)，2022，23（6）：99-106.

[19]龔致遠(yuǎn)，顧炳偉，鄒金麗，等.不同配合比下UHPC的早期性能研究[J].新型建筑材料，2022，49（12）：27-30.

[20]李曉東，楊林，宋子陽，等.高強(qiáng)石膏基膠凝材料配合比設(shè)計(jì)及凍融和耐水性能研究[J].新型建筑材料，2022，49（12）：62-66.

[21]"周業(yè)梅，梅啟林，丁國民.SSA土壤固化劑改良雜填土的影響機(jī)理[J].武漢理工大學(xué)學(xué)報(bào)，2022，44（12）：22-28.

[22]"安邦，趙家琦，丁平祥，等.基于通用旋轉(zhuǎn)組合設(shè)計(jì)的跨海通道海工混凝土配合比研究[J].建筑結(jié)構(gòu)，2022，52（S2）：1119-1124.

[23]"黃結(jié)友.活性粉末混凝土的性能影響因素研究[J].黑龍江交通科技，2022，45（12）：28-30.

收稿日期：2023-10-16；修回日期：2024-01-18

作者簡介：桂"陽（1988-），男，碩士，高級(jí)工程師，研究方向：高速公路特殊路基設(shè)計(jì)與巖土勘察;E-mail：hfut20063410@163.com。

引文格式：桂"陽，蔡先慶，賴"君.一種巖土邊坡深層水泥攪拌樁用聚合物材料制備及特性分析[J].粘接，2023，51（2）：92-95.