新型固化劑GSC固化軟土的力學(xué)性能試驗研究

孫家瑛，沈建生，2

（1.浙江大學(xué)寧波理工學(xué)院 綠色建材與廢棄物資源化研究中心，浙江 寧波 315100；2.浙江大學(xué) 建筑工程學(xué)院，杭州 310058）

堅持可持續(xù)發(fā)展道路，是中國一項長期的基本國策，工業(yè)廢渣的再生利用，環(huán)境的綜合治理，一直是可持續(xù)發(fā)展的核心內(nèi)容。脫硫石膏和鋼渣是常見的2種工業(yè)廢棄物，隨著工業(yè)規(guī)模的不斷擴(kuò)大，上述2種廢棄物產(chǎn)量也在逐年增加，給城市的環(huán)境帶來沉重的負(fù)擔(dān)［1－3］。目前在巖土工程中利用工業(yè)廢渣進(jìn)行土體改良非常廣泛，有文獻(xiàn)研究表明，固化劑HS［4］、MBER［5］均是由水泥與工業(yè)廢渣混合制成的，武漢大學(xué)發(fā)明的HAS固化劑是以礦渣渣為主要原料的一種新型灰渣膠凝材［6］。但尚未有文獻(xiàn)載明利用鋼渣、脫硫石膏等工業(yè)廢渣混合，在不摻水泥的情況下作為軟土的固化劑的研究。

研究表明：1）礦渣激發(fā)后水化產(chǎn)物除了與硅酸鹽相同的C－S－H凝膠外，還產(chǎn)生了難溶的、高強(qiáng)的沸石類礦物［7］；2）鋼渣粉的化學(xué)成分和礦物相組成與水泥熟料相似，具有一定的活性［8］；3）脫硫石膏含有較多的二水硫酸鈣（CaSO4·2H2O），其固化后產(chǎn)生鈣礬石，具有支撐及充填性作用［9］；施惠生等［10］研究發(fā)現(xiàn)，脫硫石膏對礦渣具有改性作用。如果將鋼渣、礦渣、石膏三者混合運用于軟土的固化，不僅可以減少燃煤電廠及冶金廠廢渣的堆放場地，減少二次污染，而且可以減少天然石膏的開采量，保護(hù)天然石膏資源，節(jié)省開礦費用，符合中國可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略和循環(huán)經(jīng)濟(jì)理念，具有重要的現(xiàn)實意義。

本文以鋼渣、脫硫石膏、礦渣為主要原料，摻入水泥熟料作為礦物激發(fā)劑，制成脫硫石膏及鋼渣礦渣復(fù)合膠凝材料（以下簡稱GSC）。將此材料用于固化軟土。通過GSC固化土的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度與水泥土無側(cè)限抗壓強(qiáng)度的比較，來探討其固化軟土的力學(xué)性能，并用似水灰比指標(biāo)對GSC固化劑的固化效果進(jìn)行預(yù)測，以探討GSC在實際工程應(yīng)用中的可行性。

1 原材料及試驗方法

1.1 試驗用原材料

水泥：P·O 42.5R普通硅酸鹽水泥；脫硫石膏為北侖電廠的工業(yè)廢料；礦渣、鋼渣微粉由上海寶鋼冶金公司生產(chǎn)，通過正交試驗確定各原料的配合比，GSC其組成為：m（脫硫石膏）∶m（鋼渣微粉）∶m（礦渣粉）∶m（水泥熟料）＝12∶43∶40∶5。水泥及GSC的物理力學(xué)性能見表1。GSC中鋼渣微粉的主要化學(xué)成分見表2。

土樣為寧波典型的淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土，土樣的基本物理力學(xué)指標(biāo)見表3。

表1 水泥及GSC的物理力學(xué)性能

表2 鋼渣微粉的主要化學(xué)成分

表3 試驗土樣物理力學(xué)性能

1.2 試驗方法

固化劑的摻入比aw為8%、10%、12%、15%、20%，摻入比aw指的是摻入固化材料質(zhì)量與濕土質(zhì)量的比值。養(yǎng)護(hù)齡期為7、14、28、60、90d。具體試樣制備如下：

1）將原狀土風(fēng)干碾碎，過2mm篩后加入適量的水，將含水率調(diào)至37%，采用B10型攪拌機(jī)攪拌均勻。

2）往原狀土中分別加入指定比例的水泥和GSC進(jìn)行混合，并攪拌均勻，水泥按8%、10%、12%、15%摻入，水灰比為0.5；GSC按8%、10%、12%、15%、20%摻入，水灰比為0.3、0.4、0.5。

3）將攪拌均勻的混合料分層振實成型，制成直徑為39.1mm、高為80mm的圓柱體試樣，用袋養(yǎng)的方法把試樣放入標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)箱內(nèi)養(yǎng)護(hù)至指定的齡期。

將養(yǎng)護(hù)至設(shè)計齡期的試樣進(jìn)行無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗。試驗采用應(yīng)變式三軸剪力儀，加荷速率為0.8mm／min，在室溫條件下進(jìn)行單軸壓縮試驗。

2 試驗結(jié)果與分析

2.1 固化土無側(cè)限抗壓強(qiáng)度隨齡期的變化規(guī)律

圖1給出了GSC固化土在不同摻入比，不同水灰比下無側(cè)限抗壓強(qiáng)度隨齡期的變化曲線。從圖中可以看出，無側(cè)限抗壓強(qiáng)度隨齡期的增大而不斷增大。

從圖1中可以發(fā)現(xiàn)，GSC在齡期達(dá)到7d以前固化效果不明顯；當(dāng)齡期達(dá)到7d以后，GSC固化土的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度增長較為明顯；當(dāng)齡期超過28d時，強(qiáng)度仍有較大的增長，但增長的幅度隨著齡期的增加而逐漸降低。圖中曲線從下到上觀察可以發(fā)現(xiàn)，隨著齡期的增長，強(qiáng)度的增長上面較下面明顯，說明摻入比高的固化土隨著齡期的增長較快。

圖1 GSC固化土tqu關(guān)系曲線

2.2 固化土無側(cè)限抗壓強(qiáng)度隨摻入比的變化規(guī)律

圖2給出了GSC固化土在水灰比0.3時，不同齡期固化土無側(cè)限抗壓強(qiáng)度隨摻入比的變化規(guī)律。從圖中可以看出：無側(cè)限抗壓強(qiáng)度隨摻入比的增大而不斷增大，齡期達(dá)到60d后強(qiáng)度的增長較少。圖中各曲線的斜率為遞增關(guān)系，說明強(qiáng)度增長速率隨著摻入比的增大而增大。

圖2 GSC固化土aw qu關(guān)系曲線（水灰比0.3）

圖3給出了GSC固化土在不同水灰比時，在齡期達(dá)到28d后固化土無側(cè)限抗壓強(qiáng)度隨摻入比的變化規(guī)律。從圖中可以看出：相同條件下，無側(cè)限抗壓強(qiáng)度隨著水灰比的增大而減小，間接說明了土的含水量對水泥土的強(qiáng)度存在影響。當(dāng)土中的水含量加大時，土的有效應(yīng)力就小，相應(yīng)的土的抗壓強(qiáng)度就削弱。圖1中后期強(qiáng)度的提高有一部分因素是水泥基固化材料的水化作用，使得土中的水分減少，孔隙由水化膠結(jié)物填充，土的有效應(yīng)力增加，固化土的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度也相應(yīng)的提高。

圖3 GSC固化土aw qu關(guān)系曲線

2.3 GSC和水泥固化效果的比較分析

圖4表明，GSC固化土無側(cè)限抗壓強(qiáng)度隨齡期的變化規(guī)律與水泥固化土的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度變化規(guī)律一致，GSC固化土的早期強(qiáng)度較水泥土的早期強(qiáng)度要低。

圖4 GSC、水泥tqu關(guān)系比較曲線

從圖4（a）中可以發(fā)現(xiàn)當(dāng)GSC水灰比0.3；水泥土水灰比0.5時，在同一摻入比下，當(dāng)齡期達(dá)到60d以后，兩者的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度相當(dāng)。圖4（b）中表明：當(dāng)GSC摻入比高于水泥摻入比5%時，在GSC固化土的水灰比和水泥土的水灰比均為0.5的情況下，齡期達(dá)到28d后，兩者的強(qiáng)度相當(dāng)；相同條件下，當(dāng)GSC固化土水灰比降低時，在齡期達(dá)到28d后，GSC固化土的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度均大于水泥固化土。

當(dāng)GSC摻入比高于水泥摻入比3%時（見表4），在齡期達(dá)到28d時，水灰比0.3的GSC固化土強(qiáng)度高于水灰比0.5的水泥土強(qiáng)度3%；當(dāng)齡期達(dá)到60d時，GSC固化土強(qiáng)度高于水泥土強(qiáng)度30%；達(dá)到90d時，GSC固化土強(qiáng)度高于水泥土強(qiáng)度37%。當(dāng)水灰比均為0.5時，GSC固化土28d強(qiáng)度低于水泥土強(qiáng)度23%，當(dāng)齡期達(dá)到60d時，GSC固化土強(qiáng)度低于水泥土強(qiáng)度21%，達(dá)到90d時，GSC固化土強(qiáng)度低于水泥土強(qiáng)度15%。

表4 固化土強(qiáng)度隨齡期的變化值

當(dāng)GSC摻入比與水泥摻入比均為12%時（表4），在齡期達(dá)到28d時，水灰比0.3的GSC固化土強(qiáng)度低于水灰比0.5的水泥土強(qiáng)度37%，當(dāng)齡期達(dá)到60d時，GSC固化土強(qiáng)度低于水泥土強(qiáng)度26%，達(dá)到90d時，GSC固化土強(qiáng)度低于水泥土強(qiáng)度22%。

2.4 似水灰比與加固土無側(cè)限抗壓強(qiáng)度的關(guān)系

似水灰比R［11］，指單位體積GSC固化土在配置前水的質(zhì)量與GSC的質(zhì)量之比，最大似水灰比與土的性質(zhì)有關(guān)［12］。中國有很多學(xué)者研究了關(guān)于水泥土無側(cè)限抗壓強(qiáng)度與水灰比、水泥用量之間的關(guān)系［13－16］，運用似水灰比R，考慮水灰比、摻入比、含水量的關(guān)系，見式（1）。

式中：M為水灰比，%；ωn為土的天然含水量，%；aw為摻入比，%。

通過試驗結(jié)果可得到GSC固化土無側(cè)限抗壓強(qiáng)度qu與似水灰比1／R成直線關(guān)系（見圖5）。

式中KE為直線斜率，稱為GSC加固土的加固系數(shù)，大量研究表明，水泥土的加固系數(shù)KE隨著齡期的增大而增大［15－17］。從圖5可以發(fā)現(xiàn)，GSC固化土的KE也存在此規(guī)律。直線與橫坐標(biāo)的交點為1／R0，R0為最大似水灰比，式（2）表明某一種土的R0可視為常量，通過回歸分析如圖5所示，可以得出該種土的R0＝4.1。

3.5 GSC固化土加固系數(shù)KE與齡期的關(guān)系

圖5 無側(cè)限抗壓強(qiáng)度與似水灰比之間的關(guān)系

在實際工程中，水泥土的強(qiáng)度常常通過28d取樣來測試其固化效果，為了更好的了解固化土后期強(qiáng)度的發(fā)展，就要對其進(jìn)行強(qiáng)度預(yù)測，如Sakka等［15］、Horpibulsk等［17］都提出了相應(yīng)的預(yù)測公式。本文通過含1／R，KE的預(yù)測公式（2）來研究GSC固化劑的固化效果及在工程應(yīng)用中的可行性。KE／K28與齡期t的關(guān)系見圖6。通過回歸分析得到：

由式（2）、（3）可以得到：

圖6 KE／K28與齡期之間的關(guān)系

當(dāng)已知某種似水灰比R及其在齡期28d時的強(qiáng)度系數(shù)K28，就可以通過式（4）計算出GSC固化土在任意齡期的強(qiáng)度。圖7為實測強(qiáng)度與預(yù)測強(qiáng)度進(jìn)行了比較，兩者的相關(guān)系數(shù)為0.98，具有很好的相關(guān)性，因此用公式（4）對GSC固化土進(jìn)行強(qiáng)度預(yù)測是可行的。

圖7 實測強(qiáng)度與預(yù)測強(qiáng)度的比較

3 結(jié) 論

1）通過大量的試驗得到，當(dāng)GSC摻入比越大，對軟土的固化效果越好，當(dāng)GSC固化土水灰比與水泥土的水灰比相同時，在齡期達(dá)到28d后，當(dāng)GSC摻入比高于水泥摻入比3%時，GSC固化土強(qiáng)度略低于水泥土且隨著齡期的增長，差距相應(yīng)的縮小。當(dāng)GSC固化土水灰比降低時，在齡期達(dá)到28d后，當(dāng)GSC摻入比高于水泥摻入比3%時，GSC固化土的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度均大于水泥固化土且隨著齡期的增長，差距相應(yīng)的增大。因此用GSC替代水泥作為軟土固化劑可以滿足固化土強(qiáng)度要求。

2）GSC固化土早期強(qiáng)度低，后期強(qiáng)度增長潛力大，因此有待對此水泥基材料的早期強(qiáng)度進(jìn)一步研究，使后期強(qiáng)度能夠提早激發(fā)出來。

3）GSC固化劑摻入比及水灰比對土的加固效果有著顯著的影響，當(dāng)水灰比增大時，固化強(qiáng)度降低；摻入比增大時，固化強(qiáng)度提高。

4）對現(xiàn)有公式進(jìn)行修正，得到GSC固化土強(qiáng)度預(yù)測公式，能夠較為準(zhǔn)確的預(yù)測固化土后期強(qiáng)度。

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