化學改良湖相泥炭質土的配合比設計及其應用

阮永芬，楊 冰，吳 龍，劉克文，朱 強

(1.昆明理工大學建筑工程學院,昆明 650500;2.中鐵十一局集團城市軌道工程有限公司，武漢 430074； 3.云南建投第一勘察設計有限公司，昆明 650031；4.中鐵十六局集團北京軌道交通工程建設有限公司，北京 101100)

0 引 言

滇池湖相沉積的泥炭質土有機質含量高，屬于特殊的區(qū)域性軟土，極差的工程特性[1-2]對泥炭質土場地上的工程設計及施工產生了非常大的影響，出現很多工程事故，需對其進行處理才能滿足工程需要。對湖相泥炭質土改良劑方面的研究成為了熱點[3-4]。

改良劑的種類很多，工程上常用水泥作為改良劑[5-7]。蔣卓吟等[8]研究水泥、固化劑的用量及齡期對固化泥炭土強度增長的影響規(guī)律。李琳等[9]確定了最佳固化劑質量分數配合比方案:水泥6%、石灰6%、石膏粉0.5%。桂躍等[10]提出利用微生物技術制備原生菌高濃度菌液，用來加快土中有機質分解速率，實現在較短時間內顯著降低有機質含量、改善土工程性質的目的。但存在外加劑種類少、基本都是基于室內試驗、只選擇一個工點的泥炭質土進行試驗研究的問題。同時微生物改良雖選擇多個場地泥炭質土進行室內試驗，通過分解泥炭質土有機質中腐殖酸來變相提高強度，但改良后的強度并沒有明顯增長，時間成本及改良成本都較高。

針對以上問題，本文選擇3個場地的泥炭質土，通過添加水泥、氫氧化鈉、三乙醇胺、硫酸鈉、氯化鈉、粉煤灰、石灰、聚羧酸高效減水劑、西卡等11種外加劑，進行23種配合比方案，選擇兩種水灰比進行試驗，對在不同齡期下室內拌制土樣進行無側限抗壓強度試驗，選擇出最佳改良效果的配合比方案，按選出的水灰比配制漿液，通過三軸深攪法將漿液拌入泥炭質土場地，在不同齡期下取樣進行無側限抗壓強度試驗，同時也在現場進行圓錐輕型動力觸探試驗，研究最佳外加劑配合比下的實際工程應用效果。

1 泥炭質土的物理力學性質指標

室內試驗土樣取自地鐵5號線的金海新區(qū)及興體路站基坑，現場試驗土樣取自錦慧中心。幾個取土場地及統計分析站點位置如圖1所示。

圖1 取土位置圖Fig.1 Location map of earth collection

從各基坑位置取土后用塑料保鮮袋包裹，密封儲存于實驗室待用。原狀泥炭質土的物理力學性質指標如表1所示。由表1可知：泥炭質土的含水量(w)高，平均值在100%～280%；密度(ρ)較大；孔隙比(e)較大，平均值在3～7；有機質含量(wu)高，平均值在17%～58%；液限(Il)和塑限(Ip)大；抗剪強度指標，粘聚力(c)和內摩擦角(φ)低；無側限抗壓強度(qu)較低[11]。

表1 泥炭質土物理力學性質指標Table 1 Physical and mechanical properties of peat soil

2 實 驗

2.1 室內改良試驗

在金海新區(qū)及興體路站點基坑處取泥炭質土進行室內改良試驗。選取顆粒粗大且廉價的工業(yè)廢料如粉煤灰來改善泥炭質土含水量高的缺陷，同時采用可促進水泥水化速度的早強劑如硫酸鈉、氯化鈉、三乙醇胺、氫氧化鈉，以及可生成凝膠材料提高土體強度的石灰[12]，6種添加劑配合普通硅酸鹽水泥來完成對土樣的改良試驗，大量研究表明水泥摻入量為25%(文中各用量均為質量分數)適宜[8,13]。

由于泥炭質土的特殊性，室內無法配制重塑土樣?，F場施工時，水泥漿和濕土進行攪拌，為了模擬現場施工情況，試樣制作時，每組取原狀濕泥炭質土質量5 kg，摻入不同配合比化學添加劑，控制其水灰比，人工一次均勻攪拌成型，稱取每個試件所需改良土，分層裝入試模內予以壓實。同組試件質量的極差不超過質量平均值的3%。將混合料密封悶料24 h放入濕度為95%、溫度為20 ℃的恒溫恒濕箱中養(yǎng)護至規(guī)定齡期。然后進行無側限抗壓強度試驗，平行試驗3個，以0.03～0.08 kN/s的速率連續(xù)均勻加荷，直至試件破壞，記錄破壞荷載，平行試驗的極差不超過20%。不同摻量配合比方案如表2所示。

表2 9種外加劑配合比試驗方案及無側限抗壓強度Table 2 Test plans of 9 kinds of admixtures and unconfined compressive strength

續(xù)表

為了測試更多的外加劑改良土方案，又在興體路站的5～12 m深處取泥炭質土進行不同配合比試驗，方案(1)～(5)在水泥中摻入減水劑：聚羧酸和西卡YP-1、SP-1、SP-2，方案(6)～(11)采用早強劑硫酸鈉、氯化鈉、三乙醇胺，方案(12)～(14)添加輔助膠凝材料消石灰(氫氧化鈣)及粉煤灰，共采用9種外加劑14種配合比進行室內改良試驗，水灰比均為1 ∶1，對比分析不同類型添加劑加固效果。外加劑配合比試驗方案及7 d、28 d養(yǎng)護齡期的無側限抗壓強度試驗結果如表3所示。

表3 14種外加劑配合比試驗方案及無側限抗壓強度Table 3 Test plans of 14 kinds of admixtures and unconfined compressive strength

2.2 現場改良試驗

為進一步驗證室內試驗研究出的改良泥炭質土的最佳改良劑配合比方案在實際工程中的應用效果，選擇建筑場地錦慧中心的泥炭質土進行改良試驗，并對改良后土體進行現場及室內試驗。從前面試驗結果分析得出，摻入25%水泥、6%生石灰及早強劑改良效果最好，所以采用42.5的普通硅酸鹽水泥，水灰比控制在1.0～1.2，水泥摻入量為25%，早強劑+減水劑為水泥用量的3%，生石灰用量為水泥用量的5%～8%。

采用三軸深攪機對現場攪拌深度范圍內的素填土、有機質黏土、泥炭質土及粉土4層土加入配制漿液進行攪拌，并嚴格控制攪拌機下沉及提升速度在0.5～1.0 m/min以內，注漿泵壓力控制0.8～1.0 MPa進行不間斷供漿，漿液流量為90 L/min。

3 結果與討論

3.1 室內改良試驗結果及分析

對按要求配制好的土樣，根據養(yǎng)護齡期要求取樣進行無側限抗壓強度試驗，研究不同外加劑配合比、水灰比和養(yǎng)護齡期下改良泥炭質土無側限抗壓強度qu的變化規(guī)律，從而得到最佳外加劑配合比方案。不同外加劑摻量配合比方案及無側限抗壓強度試驗結果如表2所示，表2中的齡期增幅是用齡期60 d的qu值減去7 d齡期的所得。根據表2試驗結果，得到不同外加劑配合比、水灰比和齡期下改良泥炭質土qu的變化曲線，如圖2、圖3所示。

圖2 無側限抗壓強度與齡期的關系Fig.2 Relationship between unconfined compressive strength and age

圖3 無側限抗壓強度與水灰比的關系Fig.3 Relationship between unconfined compressive strength and water-cement ratio

從圖2及表2中都可看出，改良土的qu都隨養(yǎng)護齡期的增長而增大，隨著齡期的增加，達到28 d時無側限抗壓強度趨于平緩。這是因為水泥不斷進行水解水化反應，水泥加固主要是由水泥水化產物Ca(OH)2與土中活性物質火山灰發(fā)生反應，產生膠結作用使土體強度提高，固化過程包括水泥水化和水解以及水泥水化產物與土顆粒相互作用兩個方面[13-15]。

(1)水泥水化和水解

硅酸鹽水泥主要包括提高早期強度的硅酸三鈣(3CaO·SiO2)、增強后期強度的硅酸二鈣(2CaO·SiO2)、促進早凝的鋁酸三鈣(3CaO·Al2O3)、促進早期強度但強度低、含量較少的鐵鋁酸四鈣(4CaO·Al2O3·Fe2O3)和硫酸鈣(CaSO4)等[16]。水泥在加固土體時發(fā)生化學反應如下：

2(3CaO·SiO2)+6H2O→3CaO·2SiO2·3H2O+3Ca(OH)2

(1)

反應(1)生成強度高的凝膠形態(tài)水化硅酸鈣和晶體狀氫氧化鈣。

2(3CaO·SiO2)+4H2O→3CaO·2SiO2·3H2O+Ca(OH)2

(2)

3CaO·Al2O3+6H2O→3CaO·Al2O3·6H2O

(3)

4CaO·Al2O3·Fe2O3+ 2Ca(OH)2→3CaO·Al2O3·6H2O+3CaO·Fe2O3·6H2O

(4)

土顆粒周圍吸附著水化硅酸鈣和水化鋁酸鈣，形成緊密的網狀，使水泥土強度提高。

(2)土顆粒與水化產物作用

水泥生成水化產物后，一方面繼續(xù)與土體反應生成使強度提高的物質，另一方面凝結硬化，構成水泥土骨架。主要的作用力包括火山灰反應，硅酸鈣類及鋁酸鈣類水化產物晶體與土顆粒結合形成牢固的空間聯結，土體強度得以提高[17]。水泥中的Ca2+、Al3+與腐殖酸發(fā)生反應生成鈣、鋁鍵等復合體，影響了水泥固化效果，但強度整體處于上升趨勢，說明隨著養(yǎng)護齡期不斷增加，有機質的影響會逐漸減弱[18]。

無側限抗壓強度均在60 d時最大，但增幅不一致，從7 d到60 d，方案7的強度增幅最大，達到612.52 kPa；在相同配合比條件下水灰比對改良土的qu值影響也大，如圖3所示，改良劑配合比相同時，水灰比為1 ∶1的方案3、5的改良土的qu明顯高于水灰比為0.6 ∶1的方案4、6。從表2也可看出，方案3的qu明顯高于方案4，最大差100.58 kPa發(fā)生在齡期為14 d時，方案5的qu明顯高于方案6，最大差176.56 kPa發(fā)生在齡期為60 d時，而在方案8、9中，又是水灰比為0.6 ∶1的qu高，平均提高284.75 kPa。水灰比代表了一種分散相體積的大小，水灰比高代表水泥中空間大，較為分散，隨著水泥水化的進行，水化產物逐漸搭接形成穩(wěn)定的網絡結構[19]。因此，隨著齡期增加，qu隨水灰比增加而減小，水灰比相同時，水泥摻量的影響也非常明顯。

通過以上比較分析可知，影響改良土的因素有很多。比較9種外加劑配合比方案改良后土樣的qu值，方案5即25%水泥+6%生石灰+1%粉煤灰的改良劑配合比最好。邵玉芳等[20]的研究結果表明，通過添加工業(yè)廢料粉煤灰可較好地消除胡敏酸及富里酸對水泥土的影響。尤其在土樣含水量大的情況下，粉煤灰可有效地改善這一情況[21]。其次是摻入25%水泥的方案2，且都隨著養(yǎng)護齡期的增大，qu提高最明顯，方案5的qu的齡期增幅達到432.90 kPa，盡管方案2的qu齡期增幅較小，但在泥炭質土中加入25%的水泥后，在齡期小于28 d以前qu值在所有方案中最高，只是齡期為60 d時，方案5的qu最高，其次是方案7，第3才到只加水泥的方案2。

在地鐵的站點，對于盾構始發(fā)、接受洞口段以及盾構施工過程中，都對加固(改良)土提出其無側限抗壓強度qu需大于等于1 MPa的要求，所以方案2、5及7都滿足要求，但方案5最好。另外在對加固土強度要求不是很高的情況下，單一摻入水泥對泥炭質土的改良效果也可以，加入水泥qu提高很快，但水泥摻入量不得小于25%，如方案1中，盡管水泥摻量已經達到20%，但隨養(yǎng)護齡期增長，qu提高并不大，在9種方案中，qu均最低，但水泥摻量超過25%后，強度提高，但提高幅度有所緩和，說明25%時水泥水化反應達到峰值。如果把水泥與其他外加劑混合對泥炭質土進行改良，qu會隨養(yǎng)護齡期的增長而提高更多，如方案5。

從表3中可知，28 d養(yǎng)護齡期的強度高于7 d，28 d后的qu除方案(8)外，都不小于150 kPa，改良后土體qu都比原狀土提高很多，前5種添加減水劑的改良方案經過28 d的養(yǎng)護后qu均提高了10～20 kPa，但方案(2)中qu增長為0 kPa，與方案(1)相比方案(2)的聚羧酸含量卻提高了0.5%，這是由于聚羧酸減水劑含量增加后，水泥顆粒表面吸附的聚羧酸減水劑分子抑制其早期水化反應，同時大量未吸附的分子又與Ca2+發(fā)生絡合反應，使水泥顆粒更難發(fā)生水化。

方案(6)～(11)在水泥中添加早強劑對土進行改良，當水泥含量保持在20%或26%時，不斷增加早強劑的含量，qu降低，添加早強劑后縮短了水泥水化誘導期，加快了水泥的反應，當硫酸鈉、氯化鈉、三乙醇胺摻量分別為2%、0.5%、0.05%時出現峰值，在過量摻入早強劑時qu不再提高。而隨著齡期增長，方案(11)的qu增加最大，達到了30 kPa，強電解質提高水泥中的離子強度，促進水泥的反應，同時硫酸鈉與水化產物氫氧化鈣反應生成石膏和氫氧化鈉，溶液pH值升高，促進粉煤灰溶解，當硫酸鈉摻量達2%以上時，可有效減緩粉煤灰對水泥水化早期的抑制作用[22]。

表2與表3相比，表2中改良劑的配合比方案中，水泥摻量基本都高于表3，而其他外加劑的摻量都低于表3，qu值都高于表3。在表3中，方案(14)的qu最大，其和表2中方案5、6、7使用的外加劑材料基本相同，qu值在兩個表中均最大，說明生石灰或消石灰(氫氧化鈣)、水泥和粉煤灰的外加劑組合對泥炭質土改良效果最好[23]。添加石灰后發(fā)生消化放熱反應使土膨脹擠密，同時與空氣或土中的CO2反應生成CaCO2和MgCO3，具有微結晶性能的產物使土粒聯結，也可產出與水泥類似的膠凝物質，提高水泥土的強度，加入一定量的石灰可改變土的黏結性，增強土粒間的結合，形成土骨架，但加入的石灰過量后會破壞土顆粒原始膠結能力，強度下降[24]。表2中方案5、6、7中粉煤灰摻量為1%，但在表3的方案(14)中增加到16%，qu沒有增大，粉煤灰在與泥炭質土反應時會生成較多金屬氧化物，不同于水泥，無法生成能使土體穩(wěn)定的骨架結構物質，所以粉煤灰的摻入對改良土的強度影響不明顯[25]。

結合兩地試驗研究可以看出，添加水泥對泥炭質土的改良起著至關重要的作用，配合其他外加劑改良土體，能有效提高其強度。

3.2 現場改良試驗結果及分析

對經過攪拌改良后的4層土，采用輕型圓錐動力觸探試驗分別檢測成樁后3 d、7 d、14 d、28 d的錘擊數。由于14 d及28 d齡期的攪拌樁因樁身強度太高，動力觸探試驗無法貫入，故取消試驗。試驗結果如表4所示，表中為動力觸探的平均擊數。

從表4可看出，經過改良后每一層土體的動力觸探擊數都提高很多，與其他土層相比，泥炭質土改良后動力觸探擊數提高最大，即改良后的土體強度增長很快，改良效果較好。養(yǎng)護3 d的擊數提高232%，是原來土層的3.32倍，7 d時提高598%，是原來土層的6.98倍。養(yǎng)護7 d時，按擊數提高的幅值由大到小排序，分別為泥炭質土、有機質土、粉土及素填土。從選用添加劑的機理分析，水泥主要與土中的有機質反應，所以對粉土及素填土改良效果不大，而泥炭質土具有含水率高、密度大等特點，早強劑、生石灰又可以很好地改良這一性狀，所以泥炭質土比有機質土強度提高大。

表4 輕型圓錐動力觸探試驗結果Table 4 Results of light cone dynamic penetration tests

對成樁后7 d、14 d、28 d的深層攪拌樁采用薄壁取土器鉆芯法取樣。鉆芯取樣法，如泥炭質土是在其深度范圍的攪拌樁體上、中、下部位，每一處鉆孔取樣6件，進行室內無側限抗壓強度試驗后取平均值。室內qu試驗的結果如表5所示，表5中分別給出14 d及28 d齡期的qu與7 d齡期相比提高的幅值。

表5 無側限抗壓強度試驗結果Table 5 Results of unconfined compressive strength tests

從表5中可看出，攪拌樁加入外加劑進行攪拌改良后，無論哪一種土層中僅14 d養(yǎng)護齡期的qu都已大于1 MPa，強度提高非?？?，提高幅值都超過了200%。與表2及表3中改良后土體的無側限抗壓強度測試值相比，qu都提高很多，改良效果比室內試驗的效果好。因為現場攪拌與室內攪拌試驗相比，現場取出改良后的泥炭質土已經不完全是泥炭質土中加入外加劑，采用三軸攪拌設備對加入場地中的漿液進行兩噴三攪時，已經帶入上下的填土、有機質土及粉土進入泥炭質土中進行拌和、置換，所以強度提高很快，遠高于室內改良后的土體強度值。

4 結 論

(1)土體強度隨齡期的延長而增大，齡期大于28 d時，強度增長效果最佳。

(2)外加劑中，水泥含量決定了湖相泥炭質土的改良效果,將42.5普通硅酸鹽水泥摻入量維持在25%時效果最好。

(3)通過比較23種配合比方案改良土體的無側限抗壓強度，在摻入比為25%水泥+6%生石灰+1%粉煤灰，水灰比為1 ∶1時，強度最大時達到1 171.38 kPa。

(4)通過室內試驗得到最佳配合比方案，即42.5普通硅酸鹽水泥摻量為25%，生石灰摻量為5%～8%，早強劑+減水劑為水泥用量的3%，水灰比為1 ∶1。

(5)試驗場地對泥炭質土的改良效果存在差異，現場對泥炭質土進行攪拌時，會把相鄰土體帶入攪拌、置換，改良后土體強度提高非常大，使得現場改良處理效果比室內改良試驗效果好。