新型CG-SF固化土的力學特性研究

張琬昕 杜曉麗 徐鳳旺 葛單單 鄒天民

(安徽理工大學 土木建筑學院， 安徽 淮南 232001)

0 前 言

在基礎設施建設中，軟土加固是非常重要的施工環(huán)節(jié)[1]。對于軟土層，通常需使用土壤固化劑來固化土體，以提高土體的抗壓強度[2]。在生產(chǎn)當中普遍將水泥作為固化劑材料，其缺點是會產(chǎn)生許多有害氣體，不利于環(huán)保[3]。為了尋求更為環(huán)保、并能提高固化土力學性能和耐久性能的方法，研究人員嘗試采用其他外摻料替代部分水泥固化劑[4]。王文軍等人研究發(fā)現(xiàn)，加入納米硅粉可以很好地改善水泥固化土的力學特性[5]。Amu等人研究發(fā)現(xiàn)，復摻水泥、粉煤灰的固化土試塊承載力優(yōu)于單摻同比例水泥的固化土[6]。徐菲等人研究發(fā)現(xiàn)，加入離子固化劑既能減小水泥土的體積膨脹度，又能提高水泥土的早期強度[7]。陳鑫等人研究發(fā)現(xiàn)，將水泥、鋼渣、礦渣和脫硫石膏及其他外加劑作為固化劑注入土體，可增強土體的長期強度[8]。Paul等人研究發(fā)現(xiàn)，將水泥和石灰以灌漿的方式注入土體，可顯著提高其承載力[9]。

高爐礦渣是高爐煉鐵過程中的主要工業(yè)副產(chǎn)品[10]，具有潛在的活性，其主要成分是SiO2。優(yōu)質(zhì)礦渣粉在生態(tài)環(huán)保方面的功效優(yōu)于普通水泥，是公認的低碳環(huán)保綠色建材產(chǎn)品[11]。硅灰具有比表面積大、活性強的特點[12-13]。本次研究充分地利用了礦渣和硅灰的環(huán)保性和穩(wěn)定性優(yōu)勢，將其作為外摻料以一定比例與水泥混合而制成新型CG-SF固化劑，其中C表示普通硅酸鹽水泥，G表示高爐礦渣，SF表示硅灰。同時，通過室內(nèi)無側(cè)限抗壓強度試驗，觀察和分析新型固化土的力學性能。

1 試驗方法

1.1 準備材料

試驗土體為黃褐色，取自安徽省淮南市某建筑工地深3～4 m的基坑。待土體自然風干后，碾碎，再過0.6 mm孔篩制成試驗土樣。試驗土樣的基本物理參數(shù)是：黏土，最大干密度為1.95 g/cm3，風干含水率為4.70%，最優(yōu)含水率為22.78%，液限為44.50%，塑限為22.50%，塑性指數(shù)為22%。

表1所示為試驗土樣及材料的化學組分。其中，高爐礦渣為S105礦渣粉，其比表面積為506 m2/kg，呈細粉末狀、白色；硅灰為粉末狀，淺灰色；水泥為普通硅酸鹽水泥PO 42.5，其主要成分為CaO與SiO2。

表1 試驗土樣及材料的化學組分 (質(zhì)量分數(shù)) 單位：%

1.2 試驗內(nèi)容

1.2.1 確定固化劑材料最佳配合比

通過控制變量的方法，觀察固化劑摻量、養(yǎng)護齡期、種類等因素對土體承載力的影響，并分析復摻礦渣與硅灰的固化土強度特性。常用的固化劑摻量(固化劑材料與土體質(zhì)量的比值)為5%～20%[14]，根據(jù)實際工程中固化劑的使用量初步將CG-SF固化劑的摻量設定為15%。其中，水泥占固化劑總摻量的9%，礦渣與硅灰共占固化劑總摻量的6%。

觀察不同配合比條件下固化劑材料對固化土承載力的影響，從而確定固化劑的最佳配合比。取 6組固化土進行預試驗，保持水泥摻量不變，其中礦渣與硅灰的摻量配合比分別為1∶2、2∶3、1∶1、3∶2、2∶1、4∶1，以齡期7 d的無側(cè)限抗壓強度作為影響承載力的判斷指標。圖1所示為不同摻量配合比固化土的無側(cè)限抗壓強度對比情況。為避免出現(xiàn)偶然誤差，每組制作3個試塊，取其無側(cè)限抗壓強度均值。

圖1 不同摻量配合比固化土的無側(cè)限抗壓強度對比

結(jié)果表明，在CG-SF固化劑摻量固定為15%時，水泥、礦渣、硅灰的最佳配合比為9∶4∶2。

1.2.2 制定試驗分組方案

根據(jù)前面預試驗所得的最佳配合比，分析固化劑摻量、種類、養(yǎng)護齡期等因素對土體承載力的影響。取5組固化土樣(B)，其中CG-SF固化劑的總摻量分別設定為12%、15%、18%、24%、30%，養(yǎng)護齡期均為3、7、14、28 d。然后，針對這5組摻入 CG-SF固化劑的土樣分別設計一組單摻水泥固化劑的對照組(A)，各自進行對比(見表2)。同時，為避免出現(xiàn)偶然誤差，每組制作3個試塊，取其均值。

表2 試驗分組方案 單位：%

1.2.3 確定試驗步驟

試驗過程主要分為以下3個步驟：

(1) 稱重。將試驗所需的水泥、礦渣及硅粉等材料按照使用量稱重，混合并進行物理攪拌。外摻水量按照《公路工程無機結(jié)合料穩(wěn)定材料試驗規(guī)程》(JTGE 51 — 2009)中的方法來計算，如下式所示：

式中：Qw—— 外摻水量，g；

Qc—— 外摻物質(zhì)的質(zhì)量，g；

mn—— 干土質(zhì)量，g；

wn—— 干土含水率，%；

wc—— 外摻物質(zhì)的含水率，%；

w—— 目標含水率，%。

(2) 攪拌。先將混合后的外摻物質(zhì)、稱取的土樣及拌合水倒入攪拌機內(nèi)拌合均勻，再將已攪拌均勻的混合物分3～4次填入直徑為50 mm、高度為100 mm的模具中，采用靜壓法制樣。

(3) 養(yǎng)護。將所制試樣養(yǎng)護24 h，然后拆模，并轉(zhuǎn)入標準養(yǎng)護室養(yǎng)護至相應齡期。采用WAW-1000微機控制電液伺服萬能試驗機進行固化強度特性試驗，以試驗壓力下降20%作為試驗結(jié)束的條件。

2 固化土強度特性分析

2.1 固化劑對固化土強度的影響

圖2所示為各組固化土在養(yǎng)護齡期3、7、14、28 d的無側(cè)限抗壓強度變化規(guī)律。

圖2 不同齡期條件下各組固化土無側(cè)限抗壓強度變化規(guī)律

可以看出，CG-SF土樣與對照土樣的強度變化規(guī)律具有一致性。在同一齡期條件下，固化劑摻量越多，其抗壓強度就越大；在同一摻量條件下，CG-SF固化土的抗壓強度大于對照土樣。對比齡期28 d的各組固化土發(fā)現(xiàn)：Ⅰ-B組比Ⅰ-A組的抗壓強度大35.80%; Ⅱ-B組比Ⅱ-A組的抗壓強度大30.68%: Ⅲ-B 組比Ⅲ-A組的抗壓強度大17.73%；Ⅳ-B組比Ⅳ-A組的抗壓強度大15.22%；Ⅴ-B組比Ⅴ-A組的抗壓強度大16.86%。這些數(shù)據(jù)充分表明，在同一養(yǎng)護齡期與摻量條件下，CG-SF固化土的抗壓效果明顯優(yōu)于水泥土樣。這是因為，礦渣、硅灰與水泥發(fā)生水化反應而生成的Ca(OH)2會進一步發(fā)生火山灰反應，使土體結(jié)構(gòu)的內(nèi)部包裹性及致密性得以加強。

在不同的養(yǎng)護齡期，固化劑的含量與抗壓強度呈正相關性。隨著養(yǎng)護齡期的延長，固化劑的水化反應與火山灰反應進行得更加充分，反應產(chǎn)物會填充土體內(nèi)部空隙，使顆粒間的結(jié)構(gòu)更加穩(wěn)定，從而使固化土的抗壓強度增強。因此，在進行黏土固化時，應優(yōu)先選用CG-SF固化劑。

2.2 養(yǎng)護齡期對強度的影響

圖3所示為固化土養(yǎng)護齡期與無側(cè)限抗壓強度的變化規(guī)律。當固化土的養(yǎng)護齡期從7 d持續(xù)到 28 d時：Ⅰ-A組的抗壓強度增長了88.03%，Ⅱ-A組的抗壓強度增長了86.78%，Ⅲ-A組的抗壓強度增長了67.80%，Ⅳ-A組的抗壓強度增長了62.3%，Ⅴ-A組的抗壓強度增長了49.36%；Ⅰ-B組的抗壓強度增長55.80%，Ⅱ-B組的抗壓強度增長了54.82%，Ⅲ-B組的抗壓強度增長了50.98%，Ⅳ-B組的抗壓強度增長了47.88%，Ⅴ-B組的抗壓強度增長了44.38%。在不同固化劑摻量條件下，CG-SF土樣和對照土樣在各齡期的抗壓強度變化規(guī)律均具有一定的相似性，且強度隨著齡期的延長而提高。究其原因，是因為固化劑水化反應的生成物對土體的抗壓強度具有積極影響。水化反應越完全，固化土的抗壓強度就越大。同時，隨著養(yǎng)護齡期的延長，固化劑的水化反應更加充分，其生成物也在不斷增多，使得顆粒的膠結(jié)性加強、結(jié)構(gòu)更加穩(wěn)定，固化土的抗壓強度隨之提高。

圖3 固化土養(yǎng)護齡期與無側(cè)限抗壓強度的變化規(guī)律

由圖3所示曲線斜率變化可知，隨著養(yǎng)護齡期延長，CG-SF土樣和對照土樣的無側(cè)限抗壓強度增長逐漸減緩。在3、14 d養(yǎng)護齡期，固化土的抗壓強度增長較快；而在14、28 d養(yǎng)護齡期，固化土的抗壓強度增長減緩。其原因是，養(yǎng)護后期只有微弱的水化反應，水化產(chǎn)物的生成有限，使得抗壓強度的升幅低于前期；同時，前期的水化反應生成物附著于固化劑表面，阻礙了固化劑與水的接觸，從而延緩了水化反應，導致固化土的抗壓強度增幅降低。

2.3 固化劑摻量對強度的影響

圖4所示為不同摻量固化土的無側(cè)限抗壓強度變化規(guī)律。

圖4 不同摻量固化土無側(cè)限抗壓強度的變化規(guī)律

各齡期條件下的固化土抗壓強度均隨著固化劑摻量的增加而升高，CG-SF土樣與對照土樣的抗壓強度特性保持一致。這是因為，固化劑的水化反應生成物對土體顆粒起到了包裹作用，在土體顆粒外部形成了固化體骨架。在養(yǎng)護齡期、含水率、溫度、濕度等養(yǎng)護條件固定時，水化反應生成物的量與反應物種類有關，即固化劑摻量越大，其生成物越多。因此，在一定范圍內(nèi)，固化劑摻量與固化土的抗壓強度呈正相關性。試驗結(jié)果顯示，5組CG-SF固化土養(yǎng)護7、14、28 d的最低抗壓強度分別為1.534、1.735、2.234、2.519、2.929 MPa。在總摻量為12%時，養(yǎng)護7 d固化土的抗壓強度就可達到1.2 MPa及以上，滿足規(guī)范要求。

高爐礦渣(GGBS)結(jié)構(gòu)疏松多孔，是水化活性較強的火山灰材料，需要用激發(fā)劑激發(fā)其活性。礦渣中的富硅相活性比較強，Si — O鍵容易水解斷裂，而硅氧四面體中Si原子的核外電子云會向著O原子產(chǎn)生一定偏移，導致硅的核外電子云密度降低、Si2p軌道的激發(fā)能升高，最后使富硅相水解生成水化硅酸鹽[15]。硅灰和水泥可作為激發(fā)劑促進礦渣發(fā)生水化反應，生成水化硅酸鈣、水化鋁酸鈣、鈣礬石等水化產(chǎn)物[16]。固化土的抗壓強度主要源于水泥水化產(chǎn)物C-S-H、C-A-H凝膠，這兩類凝膠與 Ca(OH)2反應后會生成具有膨脹性的鈣釩石(AFt)。AFt結(jié)合大量結(jié)晶水后，其體積可比原固相體積增大94%。同時，Al2O3會促進AFt的產(chǎn)生[17]。礦渣中含有大量的CaO，其中的Ca2+會與固化土中的Na+進行離子交換，硅灰中的SiO2對硅氧四面體的產(chǎn)生有積極影響，可促進凝膠相的產(chǎn)生?；钚怨枧cCa2+發(fā)生反應后，會生成C-S-H凝膠[18]，促進礦渣中的Ca(OH)2二次水化，最后生成大量的水化硅酸鈣和埃洛石等水化產(chǎn)物[19]。硅灰中的惰性顆粒還可以起到填充孔隙的作用，能夠進一步提高土體的強度。

3 固化土的變形特性分析

圖5所示為不同齡期的固化土應力-應變曲線。

圖5 不同養(yǎng)護齡期的固化土應力-應變曲線

不同齡期的固化土應力-應變曲線變化趨勢一致。隨著齡期的延長，同一摻量條件下固化土的破壞應變逐漸增大，表明土體抵抗破壞的性能和塑性逐漸增強；而且，隨著固化劑的摻量增加，應力-應變曲線的峰值應力也在升高。在同一齡期，隨著摻量增加，固化土的峰值應力升高，曲線變化都較快。這些變化特征表明，土體塑性減弱、脆性增強，呈現(xiàn)明顯的脆性破壞特征。應力-應變曲線的變化規(guī)律大致可分為以下4個階段：

(1) 壓密階段。在外界壓力的作用下，土體中的孔隙受到擠壓。

(2) 彈性變形階段。應力-應變曲線呈上升趨勢，土體被充分壓密，骨架受壓趨向均勻。

(3) 塑性變形階段。應力-應變曲線呈非線性增長并趨近頂峰，土體內(nèi)部骨架逐漸被破壞而呈現(xiàn)細微裂縫。

(4) 破壞階段。土體應力達到抗壓強度的極限值之后，曲線快速下降，出現(xiàn)明顯的破壞跡象。

4 結(jié) 語

本次研究中，將礦渣、硅灰作為外摻材料與水泥以一定比例相混合而制成新型CG-SF固化劑，并通過對比試驗分析了固化劑種類、養(yǎng)護齡期、摻量等因素對固化土力學特性的影響。研究發(fā)現(xiàn)，固化土的初期強度與養(yǎng)護齡期呈正相關性，養(yǎng)護齡期越長，初期強度就越大。在養(yǎng)護齡期7 d至28 d，CG-SF固化土的無側(cè)限抗壓強度最大可提高88.03%，最小可提高44.38%。養(yǎng)護前期的抗壓強度增速較快，養(yǎng)護后期的抗壓強度增速較緩。隨著固化劑的摻量增加，固化土的抗壓強度逐漸提高，固化效果趨好。固化劑摻量越大，水化反應的生成物就越多，對土體顆粒所起到的包裹作用與骨架作用就越明顯。在同一齡期與摻量條件下，相比傳統(tǒng)的水泥固化劑，CG-SF固化劑的固化性能更佳。以CG-SF為固化劑時，固化土的變形過程可分為壓密、彈性變形、塑性變形、破壞等4個階段。相比傳統(tǒng)的水泥固化劑，CG-SF固化劑具有增強土體強度及脆性的優(yōu)勢特性。因此，對于黏土的固化，建議優(yōu)先選用新型 CG-SF固化劑。