溶洞回填黏土快速固化配方試驗(yàn)研究

倪嘉卿 李忠，2 朱帥

1.上海工程技術(shù)大學(xué)城市軌道交通學(xué)院 201620

2.蘭州理工大學(xué)土木工程學(xué)院 730050

引言

在巖溶發(fā)育地層樁基成孔施工過程中針對中小型無填充或半填充溶洞，傳統(tǒng)處理方法為片石黏土回填，然而黏土結(jié)構(gòu)松散、強(qiáng)度低、力學(xué)性能差［1］，常造成漏漿、回填次數(shù)多、進(jìn)度緩慢等問題。通過對黏土進(jìn)行固化來改善其力學(xué)性能就成了解決上述問題的一種方法。

國內(nèi)外學(xué)者對土壤固化已進(jìn)行了諸多研究，Tingle［2］等發(fā)現(xiàn)木質(zhì)素能夠有效提高土體抗壓強(qiáng)度。王連銳［3］等使用巴氏桿菌微生物方法固化黏土，試驗(yàn)結(jié)果表明：改良后的土樣密度增加，孔隙比下降，抗剪強(qiáng)度和無側(cè)限抗壓強(qiáng)度提高。董邑寧［4］等將新型固化劑Ι＃與普通硅酸鹽水泥進(jìn)行對比，試驗(yàn)結(jié)果表明，固化劑Ι＃對黏土的加固效果優(yōu)于水泥，固化土的強(qiáng)度為水泥土的1.5 ～2.4 倍。有機(jī)聚合物、微生物或無機(jī)結(jié)合料都證明固化黏土能有效改善其力學(xué)性能，提高強(qiáng)度。然而一般方法固化速度較慢，白應(yīng)華［5］等使用Na2SiO3激發(fā)礦渣-粉煤灰膠凝材料，證明當(dāng)堿當(dāng)量為8%時(shí)能最有效增快抗壓強(qiáng)度增長。杜天玲［6］等使用水玻璃激發(fā)礦渣粉煤灰地聚物，來加速地聚物的水化反應(yīng)。多年來土體固化技術(shù)被廣泛應(yīng)用于路基、橋梁、隧道［7-9］等工程中。

現(xiàn)有諸多研究針對上述工程，僅考量固化較長時(shí)間后土體的抗壓強(qiáng)度，缺少對前期抗剪強(qiáng)度發(fā)展的研究。本文使用無機(jī)結(jié)合料固化黏土，將Na2SO4與CaO 作為激發(fā)劑，測試黏土的前期固化程度變化以及抗剪強(qiáng)度參數(shù)。

1 礦渣水泥快速固化黏土的機(jī)理

礦渣表面的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)保護(hù)層，導(dǎo)致了礦渣的水化速度緩慢［10-13］。SO2-4具有一定激發(fā)礦渣的作用，但在堿性環(huán)境中才能充分發(fā)揮作用。

式（2）中的OH-與Na＋，在堿性環(huán)境中，使礦渣中富鈣相發(fā)生分解反應(yīng)，溶出Ca2＋：

富鈣相溶解，礦渣解體，富硅相暴露，OH-對礦渣中的Si-O-Si 或Si-O-Al 共價(jià)鍵進(jìn)行作用，破壞礦渣玻璃體結(jié)構(gòu)：

并在Na＋作用下發(fā)生如下反應(yīng)：

式（2）中生成的CaSO4·2H2O 晶粒微小，比直接摻入石膏粉分散度大，活性大，C3A 反應(yīng)速度加快，消耗Ca（OH）2又促進(jìn)了C3S 水化反應(yīng)。

2 礦渣水泥快速固化回填黏土試驗(yàn)

2.1 試驗(yàn)?zāi)康?/h3>

保持在素土中添加的礦渣與水泥熟料總量不變，改變兩者的比例，找到固化黏土最優(yōu)的配比，并在此基礎(chǔ)上通過單摻Na2SO4和復(fù)摻Na2SO4＋CaO達(dá)到加速上述無機(jī)膠結(jié)材料的水化反應(yīng)速度，快速固化黏土的目的。

2.2 試驗(yàn)材料

本試驗(yàn)選用桂林市平樂縣沙子鎮(zhèn)的黏土作為試驗(yàn)用土，呈紅褐色。水泥為海螺牌普通硅酸鹽水泥P.O 42.5。礦渣為白色S95 ?；郀t礦渣。Na2SO4和CaO 為西隴化工分析純試劑。通過XRF測試，分別測試黏土與礦渣的化學(xué)組成，具體化學(xué)成分及含量見表1。

由表1可以發(fā)現(xiàn)礦渣中CaO、Al2O3和SiO2的含量高達(dá)85.23%。黏土中SiO2的含量為51.33%，與此黏土實(shí)際含沙量較多的情況相吻合。

表1 黏土及礦渣化學(xué)組成Tab.1 Chemical composition of clay and slag

2.3 試驗(yàn)方案

1.方案1

保證總凝膠材料用量為素土質(zhì)量的10%，改變水泥和礦渣的比例，比較凝結(jié)時(shí)間，尋找到最優(yōu)配比。具體配比方案見表2。

表2 水泥和礦渣配比方案Tab.2 Cement＆Slag ratio schemes

其固化劑名稱中“C”指水泥熟料，“S”指?；郀t礦渣，字母前數(shù)字為兩者所占比例。

2.方案2

綜合考慮工程成本與凝結(jié)時(shí)間，以方案1 中編號Ⅳ為基礎(chǔ)，單摻Na2SO4來比較其對加速固化的作用，Na2SO4摻量為礦渣的質(zhì)量百分?jǐn)?shù)，具體配比方案見表3。其中“Na”指Na2SO4，“Ca”指CaO，字母前的數(shù)字代表該種材料占礦渣質(zhì)量的百分?jǐn)?shù)。

表3 單摻Na2SO4 配比方案Tab.3 Single admixture Na2SO4 ratio scheme

3.方案3

選取方案2 中對加速固化黏土效果最好的30Na0Ca為基礎(chǔ)，并摻入CaO，其摻量為礦渣的質(zhì)量百分?jǐn)?shù)，具體配比方案見表4。

表4 復(fù)摻Na2SO4 ＋CaO配比方案Tab.4 Mixed Na2SO4 ＋CaO ratio scheme

2.4 試驗(yàn)過程及方法

1.凝結(jié)時(shí)間測試試驗(yàn)

由于黏土回填溶洞橋梁樁基的功法對于黏土物理形態(tài)的特殊性要求，本研究采用維卡儀試針距離試模底部距離來衡量拌合后土樣的凝結(jié)速度快慢，從干料（黏土和固化劑）加水拌合開始計(jì)時(shí)。同一配方下制樣3 個(gè)，在前6h 內(nèi)，每隔半小時(shí)測試一組數(shù)據(jù)，6h ～72h 內(nèi)每12h 測試一組數(shù)據(jù)，每組數(shù)據(jù)測試5 次。具體步驟參考《土工試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》（GB／T 50123—2019）與《水泥土配合比設(shè)計(jì)規(guī)程》（JGJ／T 233—2011）。

2.直接剪切試驗(yàn)

同一配方下制樣60 個(gè)，12 個(gè)為一組分別自然養(yǎng)護(hù)1d、2d、3d、5d、7d?？辜魪?qiáng)度試驗(yàn)采用ZJ型應(yīng)變控制式直剪儀（四聯(lián)剪），軸向應(yīng)力控制在100kPa、200kPa、300kPa、400kPa。

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 凝結(jié)時(shí)間

以維卡儀試針距底高度來衡量固化劑水化反應(yīng)速率與凝結(jié)時(shí)間，相同時(shí)間下距底高度越高，意味著水化反應(yīng)速率越快，凝結(jié)所需時(shí)間越短。凝結(jié)時(shí)間按方案分別分析。

1.方案1

圖1 為水泥礦渣總量為干土質(zhì)量10%摻量下，不同水泥礦渣比例下維卡儀試針距離模具底部高隨時(shí)間變化曲線。分析可知：在固定水泥與礦渣總量不變的情況下，隨著水泥含量的增加在6h處的距底高度呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢，其中編號Ⅲ在6h處的距底最大為28.5mm，也意味著在前6h 中固化劑50C50S 的水化反應(yīng)最為迅速，前6h 平均增長速率為4.75mm／h。而50C50S在6h ～72h 內(nèi)高度增量僅為3.6mm，為總增量的11.2%，意味著編號Ⅲ固化土在前6h內(nèi)反應(yīng)生成了絕大多數(shù)的水化凝膠產(chǎn)物。在6h ～72h內(nèi)距底高度增長最快的為10C90S 變化量為23mm，為總增量的100%，即前6h 固化劑10C90S反應(yīng)速度緩慢，不能提供固化土所需的水化凝膠產(chǎn)物。

圖1 10%摻量下不同水泥礦渣配比Fig.1 Different cement slag ratio under 10% dosage

當(dāng)水泥含量為50%時(shí)，能夠最有效的0 ～6h內(nèi)固化黏土，繼續(xù)增加水泥含量反而會(huì)使0 ～6h內(nèi)固化速度減慢。并且水泥在黏土固化早期起到主導(dǎo)作用，提供了早期水化凝膠產(chǎn)物，而礦渣的水化反應(yīng)速度較慢，承擔(dān)6h ～72h 內(nèi)黏土固化的主要作用。

2.方案2

在工程中礦渣的成本低于水泥，結(jié)合實(shí)際工程成本和試驗(yàn)結(jié)果考慮，選用30C70S 作為黏土固化劑的基礎(chǔ)。在30C70S 的條件下，單獨(dú)添加Na2SO4作為加速礦渣水化反應(yīng)的激發(fā)劑。由圖2可知，隨著Na2SO4含量的增加，其固化效果也隨之改善，并在30% Na2SO4出現(xiàn)拐點(diǎn)。以其中效果最好的30Na0Ca為例，其6h高度為17.3mm，

圖2 水泥礦渣3∶7 條件下不同含量配比Fig.2 Ratio of Na2SO4 with different contents in cement slag at 3∶7

與30C70S相比增加了103.5%，在6h ～72h 高度增量為21.5mm，而30C70S 在相同時(shí)間內(nèi)的增量為20.3mm，兩者相差僅為1.2mm。

由此可見，單獨(dú)摻和Na2SO4對礦渣的激發(fā)作用有一定的效果，但是對6h ～72h 內(nèi)加速礦渣水化反應(yīng)效果有限。

3.方案3

在30%Na2SO4摻量情況下贈(zèng)加CaO，由圖3可知，30Na20Ca 在6h 處距底高度為20.3mm，與30Na0Ca 相比增加了17.1%。相較于單獨(dú)摻和Na2SO4，加入CaO 對前6h 凝結(jié)效果并不明顯，但對6h ～12h 后加速水化反應(yīng)效果顯著，30Na20Ca在6h ～12h內(nèi)高度增量為18.4mm，增長率為90.6%。30Na30Ca 在24h 后的試針距底高位為40mm，可以認(rèn)為固化后黏土已經(jīng)擁有一定強(qiáng)度。以距底高度25mm為固化標(biāo)準(zhǔn)，無外加劑所需時(shí)間為60h，最優(yōu)配比即在水泥礦渣之比3∶7 條件下30Na20Ca所需時(shí)間為6.6h。

圖3 水泥礦渣3∶7， 30%Na2SO4 條件下不同CaO 含量Fig.3 Different contents of CaO in cement slag 3∶7，30%Na2SO4

3.2 抗剪強(qiáng)度

由于回填溶洞固化黏土的特殊性，測試1d、2d、3d、5d、7d 養(yǎng)護(hù)齡期下抗剪強(qiáng)度參數(shù)，即黏聚力c。得到圖4 抗剪強(qiáng)度參數(shù)隨齡期的變化規(guī)律：總體呈現(xiàn)黏聚力c隨時(shí)間增長的趨勢，特別的30C70S 在2d 后出現(xiàn)了黏聚力下降的現(xiàn)象，而30Na20Ca黏聚力c 隨養(yǎng)護(hù)齡期增長而增大，且大致為30C70S 的10 倍，100C0S 的1.5 ～3倍，但30Na20Ca 單日黏聚力增量即每間隔24h后黏聚力變化量由18.56kPA 降至3.57kPA，并未出現(xiàn)如張小芳等［10］文獻(xiàn)中黏聚力c與養(yǎng)護(hù)齡期呈線性增長的趨勢。證明了30Na20Ca 具有一定減少工程成本的作用，前5d 內(nèi)大量膠結(jié)材料已被消耗發(fā)生水化反應(yīng)，Na2SO4和CaO 對水泥礦渣固化劑具有良好的激發(fā)作用。

圖4 黏聚力-養(yǎng)護(hù)齡期變化曲線Fig.4 Cohesion-curing age

4 結(jié)論

1.不考慮成本情況下，使用質(zhì)量比為7∶3的水泥礦渣固化黏土在不同水泥礦渣配比綜合所需凝結(jié)時(shí)間最短。

2.單一摻和Na2SO4對于水泥礦渣固化劑有一定激發(fā)作用，但效果有限。Na2SO4激發(fā)礦渣在堿環(huán)境作用下才能得到充分的發(fā)揮。

3.復(fù)摻Na2SO4＋CaO，能有效增加固化土的黏聚力c，黏聚力c并隨養(yǎng)護(hù)齡期增長而提升。

4.本研究將無機(jī)凝膠材料總量控制在素土質(zhì)量的10%，缺少凝膠總量對固化土影響的研究，存在改變凝膠材料總量能大幅縮短凝結(jié)時(shí)間、提高固化土強(qiáng)度的可能。

后續(xù)研究可以考慮固化后土壤前期對解決工程困難、縮短工期、提高施工效率等問題，更可以將固化土壤在長期時(shí)間下性能的損失等問題納入研究的范圍。