水泥-生石灰固化吹填土無側(cè)限抗壓強度試驗研究

劉 科，沈 揚，劉漢龍

(1.河海大學(xué) 巖土力學(xué)與堤壩工程教育部重點實驗室， 江蘇 南京 210098；2.中國人民解放軍海軍91954部隊， 湖南 永州 425042)

隨著我國沿海城市經(jīng)濟建設(shè)的飛速發(fā)展，土地的需求量日益增加，呈現(xiàn)出寸土寸金的趨勢，為適應(yīng)城市化的發(fā)展要求，人工填(海)筑地基與吹(沖)填造陸技術(shù)為解決這一問題提供了一種新的思路與途徑。

所謂吹填土，是通過絞吸船把原狀淤泥在水中攪拌成一定比例濃度的泥漿經(jīng)過管道水力吹至圍堤內(nèi)沉積的過程[1]。在實施填海工程的地區(qū)通常擁有大量的海底淤泥，由于此時的淤泥含水率較高(高達100%以上)、壓縮性較高(一般壓縮系數(shù)av>2.0 MPa-1)、孔隙比大(大于2.5)、靈敏度很高、抗剪強度低(十字板抗剪強度小于10 kPa)、滲透系數(shù)和固結(jié)系數(shù)較小(滲透系數(shù)在10～6 cm/s以下量級)，無側(cè)限抗壓強度在50 kPa以下，呈軟塑狀態(tài)。一般需要進行有效的加固處理后才能應(yīng)用到工程建設(shè)中。采用水泥和生石灰作為固化劑進行固化處理是一種有效的處理方法，當淤泥與水泥或生石灰相接觸后，固化劑顆粒表面的礦物很快與粘土中的水發(fā)生水解、水化反應(yīng)以及凝硬、碳酸化作用，生成堅硬的鈣化物，使土體具有一定的強度而達到加固的效果。

本文從我國國情和應(yīng)用性出發(fā), 考慮大面積處理和推廣，探討低價格淤泥固化技術(shù)，研究低水泥和石灰摻量條件下淤泥固化土的工程力學(xué)性質(zhì)。通過大量試驗，分析了固化劑含量和養(yǎng)護齡期兩個因素對固化土無側(cè)限抗壓強度增長的影響，為吹填淤泥固化技術(shù)的推廣提供一定的經(jīng)驗。

1 試驗材料與方法

1.1 試驗材料

試驗用的淤泥取自浙江省溫州民營科技產(chǎn)業(yè)基地永興園區(qū)吹填淤泥試驗場地，該基地軟基處理面積160萬m2，其中科研試驗研究場地20萬m2，淤泥的物理性質(zhì)指標如表1所示。由表1可見，經(jīng)真空預(yù)壓處理后，含水率不高，低于液限，處于可塑狀態(tài)。根據(jù)淤泥液限和塑性指數(shù)，可以確定該淤泥的分類為中塑性黏土(CI)。淤泥的級配曲線如圖1所示。顆粒組成中，小于0.005 mm的含量為42%，介于0.005～0.075 mm的含量為57.3%，大于0.075 mm的含量為0.7%。試驗用的水泥為南京江南水泥廠生產(chǎn)的“鐘山牌”32.5#普通硅酸鹽水泥，生石灰采用Ⅱ級鈣質(zhì)石灰。

表1 試驗淤泥物理性質(zhì)指標

1.2 試驗方法

無側(cè)限抗壓強度試樣的制備方法是在淤泥中按照設(shè)計比例加入固化劑和水后用機械攪拌機強制攪拌均勻后，無側(cè)限抗壓強度試樣分三層裝入內(nèi)徑3.91 cm、高8.0 cm的鋼制模具內(nèi)，每層經(jīng)小擊實錘擊實到特定高度后，用土工刀刮毛后再裝入下一層，直到裝滿。

圖1 試驗淤泥的顆粒分布曲線

土樣裝入模具后用聚乙烯塑料袋密封并置于(20±2) ℃、濕度﹥90%的養(yǎng)護箱中養(yǎng)護24 h后進行脫模，脫模后的試樣用塑料袋密封后繼續(xù)養(yǎng)護到指定天數(shù)在無側(cè)限抗壓強度儀器上進行試驗，每個配比測定3個平行樣，取其平均值。試驗結(jié)果見表2。試驗配比SS-X-Y中，X代表X%的水泥摻量(干土的質(zhì)量比)，Y代表Y%的生石灰摻量。

表2 淤泥固化土強度試驗結(jié)果

2 試驗結(jié)果分析

2.1 單一水泥固化強度分析

2.1.1水泥摻入比與強度的關(guān)系

從圖2中單一水泥摻量與強度的關(guān)系可以看出，在工程實用范圍內(nèi)，可以用式(1)來表示水泥摻入比與固化土強度的直線關(guān)系，而且各個齡期的相關(guān)度都在0.95以上。

qu=k(ac-a0)

(1)

式中，qu為固化土無側(cè)限抗壓強度；k為水泥固化系數(shù)，反映水泥固化效果；ac為水泥摻入比；a0為最低水泥摻入比。從圖2中擬合的三個公式可推出：該吹填淤泥固化的最低水泥摻入比為1%，當水泥摻入比低于1%時，固化土幾乎沒有強度。最低摻入比隨著齡期的變化而變化不大[2]，據(jù)此可認為，對于同一淤泥，a0基本不受齡期的影響。水泥固化系數(shù)k是反映水泥固化效果的指標，k值越大表明水泥的固化效果越好，由圖2可看出k值隨著齡期的增長而增加，固化土的前期強度增長較快，到后期增長趨緩。

圖2 固化土抗壓強度與水泥摻入比的關(guān)系

圖3 水泥固化系數(shù)與齡期的關(guān)系

水泥固化系數(shù)k與齡期的關(guān)系，可以用式(2)的乘冪關(guān)系來表示，見圖3?？煞奖愦_定某個齡期的固化系數(shù)。朱偉等[3]利用水泥加固海洋疏浚泥得到過類似的結(jié)果。

k=23.35t0.29

(2)

2.1.2齡期與強度的關(guān)系

Mitchell[4]給出了水泥固化土的無側(cè)限抗壓強度預(yù)測公式，公式表明無側(cè)限抗壓強度與齡期具有對數(shù)關(guān)系，李義喜[5]對水泥和石灰固化淤泥質(zhì)軟土的研究也得出了類似的結(jié)論。筆者分析了水泥固化吹填土在28 d養(yǎng)護期內(nèi)，固化土的強度與齡期的關(guān)系呈對數(shù)關(guān)系(見圖4)，這與Mitchell和李義喜的研究結(jié)果是一致的。本試驗中，對于不同的水泥摻入比，強度隨齡期的變化也不相同，當水泥摻入比為2%時，強度隨著齡期的增長速度較慢，而水泥摻入比為5%時，強度隨齡期增長較快。圖表還表明：水泥固化土的28 d強度比7 d強度可提高1.5～1.6倍，14 d強度比7 d強度可提高1.1～1.2倍，固化土的強度在28 d以后還有一定的增長趨勢。《地基處理手冊》[6]的經(jīng)驗總結(jié)，水泥土的90 d無側(cè)限抗壓強度約為28 d的2倍左右，可見，水泥土的強度在短期可以達到工程的預(yù)可值。

圖4 固化土抗壓強度與齡期的關(guān)系

2.2 單一生石灰固化強度分析

2.2.1生石灰摻入比與強度的關(guān)系

圖5可以看出，低配比石灰加固吹填淤泥的抗壓強度隨著石灰摻入比的增加而線性增長，強度增長幅度沒有水泥土的大，隨著摻入比的增加，強度是等幅增長。但研究表明[6]，隨著生石灰摻量的增加，強度并不是一直增大，增大到一定值后，反而降低了，這表明，生石灰的摻量存在一個最佳摻入比?？紤]到大面積推廣和經(jīng)濟性，這里暫未通過試驗得到該吹填淤泥的生石灰最佳摻入比。

圖5 固化土抗壓強度與石灰摻入比的關(guān)系

2.2.2齡期與強度的關(guān)系

圖6 固化土抗壓強度與齡期的關(guān)系

圖6中可見，石灰土的無側(cè)限抗壓強度在低配比下，隨著齡期的增長，強度不斷增大，2%到3%這一過程強度增長較快，3%到5%區(qū)間增長較慢。在同一含水率下，對比水泥土，同一低配比下的石灰土固化效果要稍好于水泥土，原因在于：生石灰提供鈣離子的能力及生成氫氧化鈣的數(shù)量要強于水泥。

2.3 水泥和生石灰雙摻固化強度分析

2.3.1水泥和生石灰雙摻摻入比與強度的關(guān)系

從雙摻效果圖7中可發(fā)現(xiàn)，隨著等比雙摻的增加，強度與摻入比是呈線性增長的，但是前期強度增長緩慢，后期增加明顯，如等比1%摻量時，28 d強度值與14 d的強度值差不多，等比5%摻量時，28 d強度值增至14 d的強度值的兩倍，原因在于水泥摻量存在最低摻量，這時起固化作用的是生石灰，隨著等質(zhì)量的水泥和生石灰摻入量增加，鈣離子濃度和溶液的堿性環(huán)境增強，加速了水化產(chǎn)物的穩(wěn)定和析出，從而加強了土顆粒之間的連接，使土體強度得以增強。

圖7 固化土抗壓強度與水泥-石灰摻入比的關(guān)系

2.3.2水泥和生石灰雙摻，強度與齡期的關(guān)系

由圖8可見，低配比雙摻的強度值與齡期的關(guān)系是近似線性關(guān)系，齡期為7 d和14 d時的強度增長較緩慢，當齡期為28 d的時候強度急劇增長，這說明水泥和生石灰雙摻固化時，早期強度增長較緩慢，后期強度增長很快，能達到工程的強度要求值。

圖8 固化土抗壓強度與齡期的關(guān)系

2.3.3水泥和生石灰雙摻對比分析

選擇有代表性的2%配比和4%配比作為分析，由圖9和圖10可知，單一水泥或者生石灰的固化效果明顯差于同比例的雙摻效果，水泥和生石灰各1%雙摻的強度是單一2%水泥和單一2%生石灰的總和還大，水泥和生石灰各2%雙摻的強度雖不及單一4%水泥和單一4%生石灰的總和，但都大于單一配比固化劑摻量強度，這說明：水泥和生石灰雙摻固化的效果，要優(yōu)于單一的固化效果，另外，低配比下的單一水泥土強度是差于同比例摻量的石灰土強度的，但水泥土的強度隨著水泥的摻量增加，相比石灰土的強度增長是較快的。

圖9 固化土抗壓強度與齡期的關(guān)系

圖10 固化土抗壓強度與齡期的關(guān)系

3 結(jié) 論

(1) 在一定含水率下的固化土，采用低配比的水泥或生石灰作為固化劑能有效提高吹填土的強度，但水泥固化土存在一個最低摻入比a0，當水泥摻入比低于a0時，固化效果不明顯，當水泥摻入比超過最低摻入比時，強度隨著摻入比的增加而增大。且對于同一吹填土，水泥固化系數(shù)與齡期呈乘冪關(guān)系，最低水泥摻入比基本不受齡期的影響。對于石灰土而言，則存在一個最佳摻入比，低于這一值時，強度隨著摻入比而增長，大于這一值時，強度反而下降。這對于工程實際應(yīng)用，有一定的指導(dǎo)作用，實際工程中，要通過室內(nèi)試驗來尋找這一水泥最低摻入比和石灰最佳摻入值。

(2) 在低配比條件下，水泥土的強度，可以通過對數(shù)曲線來預(yù)測，石灰土的強度，可通過線性關(guān)系來預(yù)測，水泥石灰土，也可以近似用線性關(guān)系曲線來預(yù)測強度值，以便指導(dǎo)工程實際。

(3) 水泥土早期強度不及石灰土早期強度增長的快，但隨著摻入比的增加，水泥土的后期固化效果要優(yōu)于石灰土后期固化效果。

(4) 水泥和生石灰雙摻固化效果，要優(yōu)于單一水泥或生石灰的固化效果。等質(zhì)量的水泥和生石灰摻入后，鈣離子濃度和溶液的堿性環(huán)境增強，加速了水化產(chǎn)物的穩(wěn)定和析出，從而加強了土顆粒之間的連接，使土體強度得以增強。生石灰與水泥相比是一種比較廉價的固化材料，生石灰和水泥共同作用可節(jié)省出等質(zhì)量的水泥，考慮到大面積吹填固化和經(jīng)濟性，可大大降低工程的造價。

[1] 曹 星, 陳元明, 董建軍, 等. 吹填法[M]. 北京：水利水電出版社, 2006.

[2] 湯怡新, 劉漢龍, 朱 偉. 水泥加固土工程特性實驗研究[J]. 巖土工程學(xué)報, 2000, 22(5): 449-554.

[3] 朱 偉, 張春雷, 高玉峰, 等. 海洋疏浚泥固化處理土基本力學(xué)性質(zhì)[J]. 浙江大學(xué)學(xué)報(工學(xué)版), 2005, 39(10): 1561-1565.

[4] Mitchell J K. The properties of cement-stabilized soil[M]. McGraw-Hill: McGraw-Hill Publishing, 1976.

[5] 李義喜. 水泥、石灰加固淤泥土無側(cè)限抗壓強度試驗研究[J]. 廣西城鎮(zhèn)建設(shè), 2009, 14(8): 101-104.

[6] 《地基處理手冊》編寫委員會. 地基處理手冊(第2版)[M]. 北京: 中國建筑工業(yè)出版社, 2000.

[7] 繆志萍, 劉漢龍. 疏浚土工程特性的試驗研究[J], 四川建筑科學(xué)研究, 2005, 31(6): 109-112.