利用粉煤灰-礦渣地聚合物的軟基淤泥改良*

劉勇文，胡 畔，馬 力

(1.黃河水利職業(yè)技術(shù)學(xué)院土木與交通工程學(xué)院，河南 開封475004；2.鄭州大學(xué) 土木工程學(xué)院，河南 鄭州 450001)

我國長江、黃河中下游沿河岸區(qū)廣泛分布著軟土層，在航道整治中一般需要先進行地基加固再修筑護岸，軟基處置問題一直是水運巖土工程領(lǐng)域的重要研究內(nèi)容之一[1]。深層攪拌樁技術(shù)是一種常見的軟基處置技術(shù)，該方法將水泥或石灰作為改良劑，通過攪拌機械將軟土和改良劑拌合而形成具有一定強度的樁體，改良劑的含量一般控制在20%～30%[2-3]。

然而，生產(chǎn)水泥和石灰的過程本身具有一定的環(huán)境污染性，尋求可替代的環(huán)保膠凝材料具有重要意義[4]。Ding等[5]通過控制粉煤灰、水泥和軟土的比例，發(fā)現(xiàn)粉煤灰在一定水泥摻量條件下能充分發(fā)揮火山灰反應(yīng)、明顯提高軟土強度。James等[6]通過對比礦渣粉與石灰粉的改良效果發(fā)現(xiàn)，兩者進行聯(lián)合改良產(chǎn)生的改良土UCS值最高。王東星等[7]采用激發(fā)粉煤灰作為改良材料，發(fā)現(xiàn)鎂碳酸鹽是碳化改良聯(lián)合技術(shù)提高軟土強度的關(guān)鍵因素。邵俐等[8]指出，在石灰提供的堿性條件下，高爐礦渣能夠更好地進行水化反應(yīng)、增加改良土強度。粉煤灰(FA)和礦渣(S)都是工業(yè)廢料，相對水泥改良劑更加經(jīng)濟，兩者均富含鋁和硅，若與堿激發(fā)液(L)混合，容易形成由AlO4和SiO4四面體結(jié)構(gòu)單元組成三維立體網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的粉煤灰-礦渣地聚合物，化學(xué)式為Mn[(Si-O2)m-Al-O]n·qH2O，其中M為堿金屬，m可以為1、2、3，n為聚合度，q為結(jié)合水量[9]。地聚合物為非金屬材料，屬于復(fù)雜的多晶和多相聚集體，包括晶態(tài)、玻璃態(tài)、膠凝態(tài)及氣孔等，具有優(yōu)良的機械性能和耐酸堿、耐火、耐高溫的性能[10]，在軟基處理深層攪拌技術(shù)中有取代普通水泥的趨勢，相比普通水泥，地聚合物的CO2排放可減少約 70%，但目前利用FA和S生成地聚合物實現(xiàn)軟基改良的相關(guān)研究較少。

鑒于此，本文針對某航道整治工程軟基的深層攪拌技術(shù)處理，研究利用粉煤灰(FA)-礦渣(S)地聚合物進行淤泥改良的規(guī)律。對現(xiàn)場淤泥質(zhì)土加入10%、20%和30%的地聚合物改良劑和傳統(tǒng)改良劑，配置了不同的含水率試樣，進行了無側(cè)限抗壓強度(UCS)試驗、彎拉模量試驗和掃描電子顯微鏡(SEM)成像測試，以分析改良土力學(xué)性質(zhì)和微觀結(jié)構(gòu)的變化特征，旨在為類似工程利用地聚合物改良方法進行軟基處理提供參考。

1 試驗材料

山東省菏澤市某航道是京杭運河的重要支線航道之一，其復(fù)航工程全長61.1 km，為Ⅲ級航道，沿線為平原、丘陵地貌，地勢由西北向東南傾斜，地質(zhì)構(gòu)造較復(fù)雜。該復(fù)航工程涉及疏浚工程、堤壩工程、道路工程、環(huán)水保工程等，其中堤壩工程地基以淤泥為主，部分位置存在淤泥、粉土、粉質(zhì)黏土交錯互層，厚度在20 m左右，最大處接近30 m。地基淤泥(MS)含水率高、承載力低，天然含水率超過55%，為棕黑色流塑狀，現(xiàn)場計劃采用深層攪拌樁法對其進行處置。

試驗材料取自淤泥頂面以下2～3 m，將其存放在塑料袋里轉(zhuǎn)移至實驗室，其物理特性為：比重2.71，砂粒含量10.3%、粉粒含量48.4%、黏粒含量41.3%，液限wL為48.3%、塑性指數(shù)IP為16.1%，pH值為7.8，有機質(zhì)含量4.3%。該淤泥中粉粒和黏粒含量合計為89.7%，其主要化學(xué)成分為SiO2(68.61%)、Al2O3(13.65%)、CaO(2.54%)、MgO(2.12%)。試驗涉及的改良地聚合物為粉煤灰(FA)-礦渣(S)地聚合物，原材料FA、S、水泥和石灰均來自山東本地的供應(yīng)商。其中FA中主要化學(xué)元素為硅(23.35%)和鋁(13.62%)；S中主要化學(xué)元素為鈣(20.98%)和硅(14.01%)；用于改良的水泥為普通硅酸鹽水泥P42.5，主要化學(xué)成分為CaO和SiO2，兩者含量約占82%，燒失量為0.95%；生石灰主要化學(xué)成分為CaO(76.56%)和MgO(0.38%)。MS、FA、S的SEM圖像見圖1，可以看出MS顆粒呈現(xiàn)不規(guī)則的團簇狀、FA顆粒呈大小不一的球形、S顆粒呈半多邊形形狀。

圖1 SEM圖像

2 試驗方法

在36.2%、48.3%、60.4%這3種含水率下研究不同改良劑對軟土工程性質(zhì)和微觀結(jié)構(gòu)的影響，這3種含水率對應(yīng)的液限分別為0.75wL、1.00wL和1.25wL。具體的配合比見表1。

表1 改良土試樣的配合比

為了制備地聚合物改良試樣，采用攪拌裝置將MS、FA、S混合3 min，同時加入富含鈉離子的堿激發(fā)液，其質(zhì)量與FA+S的質(zhì)量之比為1:1。充分攪拌后再加入水分混合3 min。對于傳統(tǒng)改良劑(水泥、水泥+石灰、石灰)改良試樣，同樣采用了6 min的混合攪拌時間。UCS試驗和彎拉回彈模量試驗參照JTG E51—2009《公路工程無機結(jié)合料穩(wěn)定材料試驗規(guī)程》[11]開展，在此不做詳述。樣品制作完成后立刻用塑料薄膜包裹，放置在恒溫(23±1)℃的房間中進行養(yǎng)護，養(yǎng)護時間分別為7 d和28 d。UCS試驗結(jié)束后，在試樣上切取樣品再進行SEM測試，以分析試樣的微觀結(jié)構(gòu)。

3 試驗結(jié)果分析

3.1 UCS試驗

7 d和28 d養(yǎng)護條件下，改良劑摻量對改良土UCS值的影響見圖2。文獻[12]指出采用深層攪拌樁處置軟基，樁體的UCS值至少應(yīng)達到1.034 MPa以上，該值在圖中以黑色水平虛線表示。可以看出，當(dāng)改良劑摻量為10%時，除了含水率為0.75wL時的水泥改良土，其余所有改良土的UCS都沒有達到要求。對于該工程，MS的天然含水率遠高于0.75wL，因此無論采用何種改良劑，10%的改良劑摻量都難以取得理想的處置效果。

注：虛線為7 d養(yǎng)護，實線為28 d養(yǎng)護。

當(dāng)改良劑摻量達到20%和30%時，地聚合物改良土(MS+FA+S)的UCS值最高，其次是水泥改良土，再次為水泥+石灰改良土和石灰改良土。當(dāng)改良劑摻量為30%、含水率為0.75wL時，地聚合物改良土與水泥改良土相比，7 d和28 d養(yǎng)護條件下UCS分別提高75.9%和93.5%。地聚合物改良土的UCS較高是因為同時發(fā)生了火山灰反應(yīng)(式(1)～(3))和地聚合反應(yīng)(式(4)～(5))。

3Ca(OH)2+2SiO2→3CaO·2SiO2·3H2O

(1)

6CaO+3SiO2+H2O→6CaO·3SiO2·H2O

(2)

Ca(OH)2+Al2O3+2SiO2+3H2O→

CaO·Al2O3·2SiO2·4H2O

(3)

n(OH)3-Si-O-Al-O-Si-(OH)3

(4)

(Na)(-Si-O-Al-O-Si-)+4H2O

(5)

圖3 不同含水率下的改良土UCS值

因此，對于地聚合物改良土，含水率不宜過高?？紤]到經(jīng)濟成本，20%的地聚合物改良劑摻量(5%FA+15%S)較為理想，而且適用的含水率范圍較廣，即0.75wL～1.25wL。

為了評估MS改良后剛度的變化，利用彈性模量E50作為剛度評價指標(biāo)，即UCS試驗中應(yīng)力-應(yīng)變曲線上0.5UCS處對應(yīng)的切線模量。圖4顯示了各類改良劑作用下改良土E50與UCS的關(guān)系。可以看出，隨著UCS的增加，地聚合物改良土和傳統(tǒng)改良土的E50都有所增加，后者增速更快，E50-UCS具有較好的線性關(guān)系。同時可以看出，在同一UCS下，地聚合物改良土剛度相對水泥改良土的更小，但差別不大。

圖4 改良土剛度與UCS的關(guān)系

3.2 彎拉模量試驗

當(dāng)進行彎拉模量試驗時，試樣的上部和下部分別承受壓應(yīng)力和拉應(yīng)力，壓縮和拉伸都導(dǎo)致試樣彎拉破壞，但后者的影響占主導(dǎo)。7 d和28 d養(yǎng)護條件下，改良劑對改良土彎拉模量R的影響見圖5，影響規(guī)律跟UCS的相似，但略有一些差異?？傮w來看，水泥改良土的R值最高，其次是地聚合物改良土、水泥+石灰改良土和石灰改良土。含水率對于R的影響不明顯。含水率為1.00wL、養(yǎng)護28 d時，改良劑摻量由10%增加至20%，上述4種改良土的R分別增加0.43、0.79、0.21、0.10 MPa。

注：虛線為7 d養(yǎng)護，實線為28 d養(yǎng)護。

對于地聚合物改良土，摻量從20%增加到30%時，R值有所下降，而且28 d養(yǎng)護時的R值低于7 d養(yǎng)護時的R值。從彎拉模量來看，地聚合物改良劑摻量控制在20%是最優(yōu)的。圖6顯示了各類改良劑作用下改良土R與UCS的關(guān)系。可以看出，對于傳統(tǒng)改良土，隨著UCS增加，R快速提高；但是對于地聚合物改良土，R隨著UCS增加而先增后減。

圖6 改良土彎拉模量R與UCS的關(guān)系

3.3 SEM測試

為了解改良土的微觀結(jié)構(gòu)，采用掃描電鏡(SEM)對試樣放大3 000倍進行觀察。SEM試樣取自經(jīng)歷了UCS試驗的試樣，養(yǎng)護時間統(tǒng)一為28 d，含水率統(tǒng)一為1.00wL。圖7顯示了不同改良劑作用下改良土的微觀結(jié)構(gòu)。在圖7a)中，可以看出FA與S充分發(fā)揮了作用，產(chǎn)生了均勻的絮狀凝膠產(chǎn)物，與周邊顆粒緊密膠結(jié)，土體結(jié)構(gòu)更加密實。而從圖7b)可以看出，盡管水泥也發(fā)揮了作用，但是微觀結(jié)構(gòu)不夠密實，初始的孔隙被用線條圈住，以便于與UCS試驗形成的破損和表面不均勻區(qū)分。不夠密實的微觀結(jié)構(gòu)也導(dǎo)致了水泥改良土的UCS相對較低，僅為3.1 MPa，而地聚合物改良土的UCS達到了5.1 MPa。對于圖7c)和圖7d)，可以看出明顯出現(xiàn)了孔隙，尤其當(dāng)石灰單獨使用時，可以觀察到海綿狀的結(jié)構(gòu)，這導(dǎo)致水泥+石灰改良土和石灰改良土的UCS都很低，分別為1.2、0.3 MPa。

圖7 改良土的SEM圖像

不同地聚合物改良劑摻量下的改良土SEM圖像見圖8，含水率統(tǒng)一為1.00wL。在圖8a)中，沒有發(fā)現(xiàn)明顯的地聚合反應(yīng)，這是由于改良劑摻量較少所致，甚至還可以看見原始的團聚狀淤泥顆粒，這與宏觀試驗得出的較低UCS值(0.2 MPa)相吻合。而對于圖8b)和圖8c)，可以看出結(jié)構(gòu)逐漸密實，UCS分別高達5.1 MPa和7.2 MPa。

圖8 不同地聚合物改良劑摻量下的改良土微觀結(jié)構(gòu)

4 結(jié)論

1)對于本工程軟基淤泥，采用水泥+水灰和石灰作為改良劑的改良效果較差。對于地聚合物改良劑和水泥改良劑，當(dāng)摻量大于10%時，改良土的UCS逐漸增加，相對于水泥改良劑，地聚合物改良劑提升UCS的效果更加明顯。

2)隨著UCS的增加，地聚合物改良土和傳統(tǒng)改良土的E50都有所增加，E50與UCS具有較好的線性關(guān)系，在同一UCS下，地聚合物改良土剛度相對水泥改良土的略小。

3)彎拉模量R值隨著改良劑摻量的增加而上升，整體變化趨勢跟UCS相似，總體來看，水泥改良土的R值最高，其次是地聚合物改良土、水泥+石灰改良土和石灰改良土。含水率對于R的影響不明顯。

4)考慮到經(jīng)濟成本，20%的地聚合物改良劑摻量(5%FA+15%S)較為理想，而且適用的含水率范圍較廣，即0.75wL～1.25wL。

5)從微觀結(jié)構(gòu)來看，地聚合物改良土中，F(xiàn)A與S充分發(fā)揮了作用，產(chǎn)生了均勻的絮狀凝膠產(chǎn)物，與周邊顆粒緊密膠結(jié)，土體結(jié)構(gòu)更加密實；水泥改良土微觀結(jié)構(gòu)的密實程度欠佳；水泥+石灰改良土和石灰改良土的孔隙較為明顯，尤其當(dāng)石灰單獨使用時，可以觀察到海綿狀的結(jié)構(gòu)，這導(dǎo)致水泥+石灰改良土和石灰改良土的UCS都很低。