淤泥質(zhì)軟弱路基土的固化改良試驗(yàn)研究

陳中友

（安徽省城建設(shè)計(jì)研究總院股份有限公司，安徽 合肥 230041)

0 引言

淤泥質(zhì)土是指天然含水率大于液限、天然孔隙比在1.0～1.5之間的黏性土，是路基軟弱土的主要類型，在路基處理過程中，淤泥質(zhì)土是重點(diǎn)關(guān)注對(duì)象，是工程上必須處理的問題，它具有長(zhǎng)期性、大量性、特殊性等特點(diǎn)。這種土主要分布在我國(guó)東南沿海地區(qū)和內(nèi)陸的大江、大河、大湖沿岸及周邊區(qū)域，由于其具有壓縮性較高、強(qiáng)度低的特點(diǎn)，容易導(dǎo)致地基沉降大，且多為不均勻沉降，極易造成建筑物墻體開裂、建筑物傾覆。

研究表明，化學(xué)固化改良法相較于其他幾種處理方法具有節(jié)約資源、控制成本、改良效果明顯等優(yōu)勢(shì)[1]，是淤泥質(zhì)軟弱路基土處理方法中較為理想的方法。本文對(duì)淤泥質(zhì)土的固化改良機(jī)理進(jìn)行分析，并通過試驗(yàn)驗(yàn)證淤泥質(zhì)軟弱路基土的固化改良效果，找到固化劑合適的摻量，為淤泥質(zhì)軟弱路基土的固化改良提供參考。

1 淤泥質(zhì)不良土的固化改良機(jī)理

目前，在實(shí)際工程應(yīng)用中，淤泥質(zhì)土固化材料的類型較多，按其主要成分可分為五大類：有機(jī)化合物類、無機(jī)化合物類、離子交換類、生物酶類和復(fù)合型固化劑。就固化材料發(fā)展過程和實(shí)用性而言，一般主要分成傳統(tǒng)的無機(jī)化合物類和新型的復(fù)合型固化劑兩大類。

（1）無機(jī)化合物類固化材料及其加固機(jī)理。傳統(tǒng)的無機(jī)化合物類固化材料，一般是指以水泥為代表的粉末狀膠凝材料，如石灰、石膏、粉煤灰、工業(yè)礦渣以及幾種膠凝材料的混合物等。這類傳統(tǒng)固化劑加固改良淤泥質(zhì)不良土?xí)r主要是通過顆粒表面的礦物質(zhì)和土體中水發(fā)生水解反應(yīng)和水化反應(yīng)，生成的水化產(chǎn)物主要是水化硅酸鈣、氫氧化鈉以及鈣礬石等混合膠凝物質(zhì)。

（2）復(fù)合型固化材料及其加固機(jī)理。新型復(fù)合型土壤固化材料通常是指兩種或兩種以上的化學(xué)試劑按一定配比制作而成的對(duì)土壤具有一定加固改良能力的新型固化劑。輔助材料還可以通過與淤泥質(zhì)土中的礦物質(zhì)發(fā)生物理、化學(xué)反應(yīng)，在一定程度上能增強(qiáng)骨架結(jié)構(gòu)，提升固化土的總體強(qiáng)度。且有些輔助材料之間能反應(yīng)產(chǎn)生膨脹性物質(zhì)，充填固化土顆粒間的孔隙，提高骨架結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，增強(qiáng)固化土強(qiáng)度[2]。

就不同固化劑類型而言，無論是無機(jī)固化劑、復(fù)合型固化劑還是有機(jī)高分子材料固化劑，在固化改良淤泥質(zhì)土?xí)r都會(huì)發(fā)生一系列的化學(xué)反應(yīng)，生成膠凝物質(zhì)，改善軟土的骨架結(jié)構(gòu)。不同類型固化劑與淤泥質(zhì)土反應(yīng)的化學(xué)方程式是不同的，反應(yīng)產(chǎn)物也有所不同，導(dǎo)致其固化效果有所不同。因此，研究固化劑的固化改良作用有著重要的意義。

2 淤泥質(zhì)不良土固化劑的選擇

2.1 主固化劑

在軟弱土體固化改良的研究領(lǐng)域，水泥是大部分學(xué)者研究固化土的首選固化材料，同時(shí)也是被采用最多的固化材料，且隨著水泥品種的多樣化，相關(guān)固化技術(shù)也已達(dá)到成熟狀態(tài)。目前，水泥品種的多樣化按水泥性能和用途分為普通水泥、專用水泥和特性水泥，按水泥主要成分分為硅酸鹽類水泥、硫酸鹽類水泥、磷酸鹽類水泥以及鋁酸鹽類水泥等。就建筑行業(yè)而言，所使用的水泥普遍以抗壓強(qiáng)度42.5MPa的普通硅酸鹽水泥為主，且軟土固化劑研究領(lǐng)域大部分都是水泥固化土，采用的亦為普通硅酸鹽水泥[3]。基于此，本文采用強(qiáng)度等級(jí)為42.5級(jí)的普通硅酸鹽水泥作為淤泥質(zhì)土固化改良的主固化劑。

2.2 外摻劑

（1）水玻璃：采用無色透明黏稠狀硅酸鈉水溶液，其化學(xué)分子式為Na2SiO3·nH2O，相對(duì)密度為2.66g/cm3，分子量為284.2，折射率為1.522。水玻璃溶液易溶于水，溶于稀氫氧化鈉溶液，不溶于酸和乙醇，且水解呈堿性，又因?yàn)槭侨跛猁}，所以遇鹽酸、硫酸、硝酸、二氧化碳都能析出硅酸。

（2）碳酸鈣：采用成都市永源建材有限公司生產(chǎn)的碳酸鈣，是一種白色微細(xì)結(jié)晶粉末狀無機(jī)化合物，其化學(xué)式為CaCO3，呈中性，基本上不溶于水，溶于酸。分子量為100，相對(duì)密度為2.632g/cm3。

（3）生石膏：采用國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司生產(chǎn)的白色粉末狀生石膏粉，主要化學(xué)成分為CaSO4·2H2O，其密度為2.27g/cm3，分子量為172，微溶于水。

（4）FDN高效減水劑：無毒、無味不易燃的棕色粉末，具有明顯的減水分散效果，減少泌水，提高抗離析性，其減水率在15%～25%。

（5）三乙醇胺：一種具有強(qiáng)吸濕性的淡黃色或無色黏稠狀液體，其pH呈弱堿性，胺的含量在99%～110%，密度約1.5g/cm3，折光率則1.480～1.47，其主要成分C6H15NO3的含量在75.0%以上。

2.3 固化劑的配制

水玻璃：不良土中Ca2+和OH-的濃度是決定C-S-H生成量的重要因素。故可通過摻入Na2O·n Si O2、NaOH和CaO中和黏?？紫度芤褐械乃幔岣遬H值，使得黏粒孔隙溶液中的Ca（OH）2處于飽和狀態(tài)，以便水化反應(yīng)的進(jìn)行。其中水玻璃的反應(yīng)化學(xué)式如式（1）：

碳酸鈣：摻入碳酸鈣后，使得溶液中的Ca2+增加。通過離子交換，用高價(jià)離子取代低價(jià)離子，實(shí)現(xiàn)水化離子半徑縮小化，來達(dá)到雙電層變薄，以使黏土顆粒之間易于凝聚。常見陽離子的交換能力如下：

生石膏：采用摻入膨脹性組分生石膏，與水化鋁酸鈣的反應(yīng)后生成具有膨脹性的水化物鈣礬，填充于黏粒之間孔隙中以及擠壓填充團(tuán)粒內(nèi)的孔隙，使得固體體積膨脹性有所增加。

3 固化劑的單摻試驗(yàn)

基于淤泥質(zhì)土的物化性質(zhì)以及針對(duì)性固化對(duì)策，初步選定無機(jī)材料水泥為主固化劑，水玻璃、碳酸鈣、生石膏、FDN高效減水劑以及三乙醇胺作為固化劑的外摻試劑，對(duì)外摻試劑進(jìn)行單摻配比試驗(yàn)，目的是確定外摻劑合適的摻量（摻量為土試樣質(zhì)量的百分比）范圍以及外摻試劑在水泥為主固化劑下固化效果的影響規(guī)律。

水泥作為主固化劑，水泥漿水灰比控制為0.4時(shí)，土體抗壓強(qiáng)度隨水泥摻量變化關(guān)系如圖1所示。由圖1可知，固化土隨著水泥摻量逐漸增加，7d抗壓強(qiáng)度基本上呈直線增長(zhǎng)，當(dāng)水泥摻量從6%增加至15%時(shí)，強(qiáng)度提升約179%，隨后從15%增至24%，其強(qiáng)度提升約64%。因此，單摻水泥的最佳摻量應(yīng)控制在15%左右。初步確定水灰比為0.4，固化土試樣基準(zhǔn)配比的水泥摻量為15%。

圖1 土體抗壓強(qiáng)度隨水泥摻量變化關(guān)系圖

在水泥摻量為15%的條件下下進(jìn)行不同含水量試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如圖2所示，由圖2可知，含水量為44%時(shí)，水泥固化土的抗壓強(qiáng)度達(dá)到最大。同時(shí)，在試驗(yàn)時(shí)發(fā)現(xiàn)抗壓強(qiáng)度最大值對(duì)應(yīng)的含水量與淤泥質(zhì)土液限的45.7%接近?，F(xiàn)以含水量為44%，水泥摻量為15%，水灰比為0.4為基準(zhǔn)配比，對(duì)各配比進(jìn)行試驗(yàn)分析，配比方案如表1所示，并通過7d無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)測(cè)得強(qiáng)度為192kPa。

圖2 土體抗壓強(qiáng)度隨含水量變化關(guān)系圖

表1 改良土基準(zhǔn)配比方案表

在基準(zhǔn)配比下，各外摻試劑單摻試驗(yàn)結(jié)果分別見圖3～圖6所示。

通過圖3、圖4可以發(fā)現(xiàn)，淤泥質(zhì)土的土體抗壓強(qiáng)度與水玻璃和碳酸鈣摻量呈正相關(guān)，摻量較低時(shí)，淤泥質(zhì)土體強(qiáng)度增長(zhǎng)速度較低，水玻璃摻量在4%以內(nèi)時(shí)，土體強(qiáng)度幾乎和水玻璃摻量呈正比，超過4%后，淤泥質(zhì)土強(qiáng)度呈指數(shù)增長(zhǎng)趨勢(shì)，原因在于水玻璃中的Ca2+和OH-的濃度在摻量較低時(shí)，化學(xué)反應(yīng)較慢，當(dāng)達(dá)到一定濃度時(shí)，離子的反應(yīng)速度迅速增加，土體強(qiáng)度不斷提高，同時(shí)由于OH-離子的增加，水中的pH值也不斷上升，堿性環(huán)境促進(jìn)了Ca(OH)2快速進(jìn)入飽和狀態(tài)，加快了水化反應(yīng)的進(jìn)行[4]。

圖3 土體抗壓強(qiáng)度隨水玻璃摻量變化關(guān)系圖

圖4 土體抗壓強(qiáng)度隨碳酸鈣摻量變化關(guān)系圖

圖5 土體抗壓強(qiáng)度隨生石灰摻量變化關(guān)系圖

圖6 土體抗壓強(qiáng)度隨FDN減水劑摻量變化關(guān)系圖

碳酸鈣在摻量在0.6%～1.0%時(shí)候，淤泥質(zhì)土體強(qiáng)度曲線斜率迅速上升，這是因?yàn)镃a2+增加使得淤泥質(zhì)土液體中的低價(jià)鈣離子置換成高價(jià)鈣離子，釋放水化熱，反應(yīng)物溫度上升，加快化學(xué)反應(yīng)的進(jìn)程。從經(jīng)濟(jì)成本及反應(yīng)物合理利用的角度出發(fā)，水玻璃摻量10%和碳酸鈣摻量1.0%是較為理想的摻量。

從圖5、圖6可以發(fā)現(xiàn)，土體抗壓強(qiáng)度隨生石灰和FDN減水劑摻量的增加表現(xiàn)為先增大后減小的趨勢(shì)，土體抗壓強(qiáng)度存在峰值，峰值分別出現(xiàn)在生石灰摻量2%和FDN減水劑摻量1.5%時(shí)。試驗(yàn)結(jié)果表明，生石灰摻量為2%時(shí)，土體抗壓強(qiáng)度最大。同樣，減水劑的加入也會(huì)產(chǎn)生類似現(xiàn)象，帶緩凝引氣的減水劑如果過量，就會(huì)引起混凝土凝結(jié)過慢，含氣量高，導(dǎo)致混凝土強(qiáng)度降低[5-6]，試驗(yàn)結(jié)果表明，1.5%的FDN減水劑摻量是最佳單摻量。

根據(jù)以上試驗(yàn)結(jié)果，配制含量為最佳摻量的固化劑用于淤泥質(zhì)土的固化改良，水玻璃摻量10%、碳酸鈣摻量1.0%、生石灰摻量2%、FDN減水劑摻量1.5%，對(duì)比試驗(yàn)設(shè)置一組原狀土，兩組對(duì)照組，原狀土為某工程現(xiàn)場(chǎng)淤泥質(zhì)土，對(duì)照組分別采用合格路基填料及固化改良處理土，試驗(yàn)結(jié)果采用室內(nèi)試驗(yàn)測(cè)取土體物理力學(xué)參數(shù)，分別從土體容重、彈性模量、泊松比、內(nèi)摩擦角及黏聚力5個(gè)土力學(xué)參數(shù)進(jìn)行對(duì)比分析，試驗(yàn)結(jié)果統(tǒng)計(jì)于表2中。

表2 改良土基準(zhǔn)配比方案表

對(duì)比結(jié)果顯示：換填法及固化改良處置后的路基土相對(duì)于原狀淤泥質(zhì)土體各力學(xué)參數(shù)均有較大程度提高，其中最為顯著的參數(shù)為彈性模量，換填合格路基填料后，路基彈性模量為1200MPa，已經(jīng)符合路基彈性模量要求，固化改良之后的土體彈性模量達(dá)1500MPa，較合格路基填料的彈性模量提升了25%，同時(shí)泊松比下降，容重及內(nèi)摩擦角小幅度上升，黏聚力顯著增加，原狀淤泥質(zhì)土黏聚力僅為10kPa，固化改良后的路基土黏聚力增加至150kPa。說明固化改良對(duì)處置淤泥質(zhì)不良土具有良好的效果，主要體現(xiàn)在土體彈性模量、黏聚力的增加，和泊松比的降低等方面。

4 結(jié)束語

本文以工程中常見的淤泥質(zhì)土為研究對(duì)象，通過對(duì)淤泥質(zhì)土的固化改良，使之成為能夠滿足工程應(yīng)用條件的合格填料。首先從淤泥質(zhì)土固化改良劑的改良原理出發(fā)，對(duì)離子固化改良的化學(xué)過程進(jìn)行了研究，并進(jìn)行各固化改良劑的單摻試驗(yàn)研究，得到了4種淤泥土的固化改良最佳單摻量，在此基礎(chǔ)上對(duì)比了原狀淤泥質(zhì)土、換填土、固化改良后的路基土力學(xué)參數(shù)。試驗(yàn)結(jié)果表明：在最佳單摻量條件下，固化改良后的淤泥質(zhì)土具有良好的力學(xué)性質(zhì)，能夠作為良好的路基填料來使用。