水泥基固化劑固化南沙軟土的力學及微觀試驗研究

梁仕華，張 朗，周世宗

(廣東工業(yè)大學土木與交通工程學院，廣東廣州510006)

廣州南沙地區(qū)軟土多為高含水量的淤泥和淤泥質(zhì)土，具有壓縮性高、承載力低、結(jié)構(gòu)性強等不良工程特征［1-4］，須妥善處理方可滿足工程建設(shè)需要.用固化劑加固土體，是工程上常用的軟基處理方法之一.最常用的土壤固化劑是水泥，但對于某些土質(zhì)，僅僅采用水泥加固效果不佳，從而限制了該技術(shù)的應(yīng)用范圍，此外，該技術(shù)需耗用大量水泥，因此，開發(fā)適應(yīng)于各類土質(zhì)的固化劑，降低成本，是軟土地基水泥加固技術(shù)發(fā)展中亟待解決的重要課題.

現(xiàn)有研究表明:利用水泥、石灰漿體攪拌地基加固技術(shù)能降低工程造價［5-6］;加固土體的強度隨水泥、石灰的摻入量增大而增大，二者可發(fā)揮各自的優(yōu)點，提高地基土體強度，地基強度隨齡期增長而增大［7］;當粉質(zhì)黏土中水泥摻入比為15%時，石灰中所含氫氧化鈣對水泥土的增強作用有限，但總體規(guī)律為隨著氫氧化鈣摻量的增加石灰水泥土強度在增大［8］;利用工業(yè)廢石膏與水泥配合加固軟土地基，與單用水泥加固相比，土體強度可成倍提高，具有一定的經(jīng)濟效應(yīng)，不同土體石膏的最佳摻入量不同［9-11］.工程實踐也表明，與單用水泥相比，用磷石膏與水泥配合加固軟土地基可大幅度提高加固土強度，拓寬水泥加固技術(shù)適用的范圍，技術(shù)、經(jīng)濟和環(huán)境效益顯著［12］;有學者認為單從宏觀力學方面不能很好的評估土壤加固，還需要研究微觀層面鈣礬石地形成［13］;隨著齡期的延長，水泥－石灰處理過的淤泥土中微孔填充作用更明顯，這是強度提高的重要微觀層面原因［14］;含石膏與不含石膏的水泥加固土在水化反應(yīng)程度與物理微結(jié)構(gòu)方面均存在著較為顯著的差異，并導致了加固土體宏觀強度表現(xiàn)上的不同［15］.也有學者建立神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型來分析軟土的微觀結(jié)構(gòu)［16］.但就目前看來，針對珠江三角洲地區(qū)軟土的固化研究還不完善.本文立足現(xiàn)有成果，以廣州市南沙區(qū)軟土作為為研究對象，分別用石灰、石膏、膨潤土伴以水泥進行加固，研究各種固化劑與水泥共摻時對南沙軟土的加固效果.

1 原狀土物理力學特性

本次研究以廣州市南沙區(qū)環(huán)市大道與雙山大道交匯處淤泥作為試驗用土.其基本參數(shù)如表1所示.

表1 試驗軟土的物理指標Tab.1 Physical parameters of soft soil in experiment

2 試驗方法

2.1 試樣制備

將取來的土樣放入烘箱烘干.將烘干后的土樣擊碎，過2 mm篩，將篩余的土置于塑料桶密封備用.

直剪試驗試樣由直徑61.8 mm高20 mm的環(huán)刀制備.無側(cè)限抗壓試驗試樣，由內(nèi)徑39 mm高80 mm的三瓣模制備.制備方法:按一定配比(如表2所示)稱取適量干土、水泥及與之搭配的固化劑，置于配樣桶中，充分混合.按照70%的含水量及0.5的水灰比所需水量取適量水摻入，攪拌均勻.將洗凈的三瓣模組裝好，內(nèi)壁涂一層薄機油，置于涂有機油的玻璃片上，將土體分3～5層加入模中搗實、整平、覆蓋玻璃片，放入塑料袋密封，置于底部有少量水的密封箱中，至齡期試驗.環(huán)刀制樣與三瓣模類似.留少許加固后土做掃描試驗，養(yǎng)護條件相同.本實驗所用到的固化劑有:廣州產(chǎn)石井牌42.5級普通硅酸鹽水泥、石灰、石膏、膨潤土.

表2 固化劑配合比1)Tab.2 Mix proportion of curing agents

2.2 選用試驗

本次研究選用直剪試驗、無側(cè)限抗壓試驗及電鏡掃描試驗.環(huán)刀制備的土樣用于直剪試驗，用應(yīng)變控制式直剪儀進行試驗，得到固化土樣的內(nèi)摩擦角及黏聚力.三瓣模制備的土樣用于無側(cè)限抗壓試驗，用液晶全自動壓力試驗機進行試驗，得到固化土樣的無側(cè)限抗壓強度.備用的少許土樣用JSM6490LV型掃描電子顯微鏡進行試驗，研究固化土樣的微觀結(jié)構(gòu)特征.

3 試驗結(jié)果及分析

3.1 水泥單摻試驗

目前，國內(nèi)水泥土的水泥摻入比一般為5%～25%［17］，試驗選10%、15%、20%、25%4個摻入比，7 d、15 d、28 d 3個齡期試驗結(jié)果見表3.

如表3所示，相同水泥摻量固化土樣的抗剪強度及無側(cè)限抗壓強度隨齡期的增加而增大，同一齡期隨水泥摻入比增大而增大.從齡期28 d數(shù)據(jù)看，當水泥含量從10%增加到15%時，土體內(nèi)摩擦角、黏聚力、無側(cè)限抗壓強度分別提高了48.38%、72.65%和144.81%，當水泥摻入比由15%增加到20%時，這3個參數(shù)的增長率分別為49.31%、23.93%和46.14%，水泥摻入比由10%增加到15%時強度上升的幅度最大.分析7 d時數(shù)據(jù)，也能得出類似結(jié)果.結(jié)合工程常用摻入比，綜合考慮選取15%的水泥摻入比為基準.

表3 單摻水泥固化南沙淤泥試驗數(shù)據(jù)Tab.3 Test data of Nansha silt reinforced by cement merely

3.2 其他固化劑與水泥同時加固數(shù)據(jù)及分析

以15%基準水泥摻入比和70%基準含水量為基礎(chǔ)，分別添加石灰、石膏、膨潤土.不同摻入比、不同齡期的土體各強度指標如表4所示.由表4看出，與水泥單摻試驗類似，同一摻入比下土體的抗剪強度及無側(cè)限抗壓強度隨齡期的增加而增大，同一齡期隨各種固化劑摻入比增大而增大，但各自的影響效果不盡相同.

表4 水泥－其它固化劑固化南沙淤泥實驗數(shù)據(jù)Tab.4 Test data of Nansha silt reinforced by cement and other agents

3.2.1 水泥－石灰加固土體試驗數(shù)據(jù)分析

在水泥基準摻入比為15%的基礎(chǔ)上，將石灰按不同摻入比加入其中與水泥一起加固南沙淤泥，實驗數(shù)據(jù)如表4所示.由表4中數(shù)據(jù)可得出以下結(jié)論:

(1)后期強度:以齡期28 d數(shù)據(jù)為例，石灰摻入比為1.5%時，較之單摻水泥試驗，土體的內(nèi)摩擦角、黏聚力、無側(cè)限抗壓強度分別增加了14.4%，9.7%和15.3%.這說明石灰的加入對水泥固化南沙淤泥有一定幫助.當摻入比由1.5%增加到3%時，這3個指標的增長率分別為18.7%、5.1%和65.4%，整體上有較大的提升，這說明石灰摻入比會影響水泥對南沙淤泥的加固效果.而當石灰的摻入比升高至4.5%時，這3個參數(shù)的增長率為6.9%、2.0%和9.0%，增加幅度顯著下降，這說明，在基準水泥摻入比不變的情況下，固化土的強度隨石灰摻入比的增加，在3%左右的石灰摻入比下效果最佳.將石灰摻入比為3%的數(shù)據(jù)與單摻水泥的數(shù)據(jù)比較得出，摻入3%的石灰后土體的內(nèi)摩擦角、黏聚力、無側(cè)限抗壓強分別增長了35.8%、15.4%和90.6%，效果理想.

(2)早期強度:以7 d數(shù)據(jù)為例，相比于單摻水泥數(shù)據(jù)，摻入3%的石灰后土體的內(nèi)摩擦角、黏聚力、無側(cè)限抗壓強分別增長了63.7%、33.2%和25%，效果比較理想.這說明石灰能一定程度提高水泥加固南沙淤泥的早期強度.但與結(jié)論(1)中的分析數(shù)據(jù)相比，整體上看，石灰對水泥加固南沙淤泥的后期強度影響較為明顯.

3.2.2 水泥－石膏加固土體試驗數(shù)據(jù)分析

在水泥基準摻入比為15%的基礎(chǔ)上，將石膏按不同摻入比加入，與水泥一起固化南沙淤泥，實驗數(shù)據(jù)如表4所示.由表中數(shù)據(jù)可得出以下結(jié)論:

(1)從28 d數(shù)據(jù)看，以與石灰相同的方法分析可以得出石膏的最佳摻入比為1.5%.

(2)從7 d數(shù)據(jù)看，較之單摻水泥試驗，摻入1.5%的石膏后土體的內(nèi)摩擦角、黏聚力、無側(cè)限抗壓強分別增長了56.2%、32%和92%，效果很好.這說明石膏能較大幅度提高水泥加固南沙淤泥的早期強度.

(3)以齡期為變量來分析數(shù)據(jù)，石膏摻入量為1.5%時，土體7 d的內(nèi)摩擦角、黏聚力及無側(cè)限抗壓強已經(jīng)達到其28 d強度各個指標的86.4%、76.3%和84.9%.這說明石膏的加入能加快水泥加固南沙淤泥后土體強度形成速率.

(4)當石膏摻入量為1.5%時，土體內(nèi)摩擦角、黏聚力及無側(cè)限抗壓強度分別為15.89°、127kPa和1 013 kPa，而單摻20%水泥這3個參數(shù)分別為18.41°、123.52 kPa和966 kPa，兩組數(shù)據(jù)大體上已經(jīng)持平.這說明，在同一強度要求下，石膏的加入可以降低加固南沙軟土水泥的使用量，減小幅度在25%左右.

3.2.3 水泥－膨潤土加固土體試驗數(shù)據(jù)分析

在水泥基準摻入比為15%的基礎(chǔ)上，將膨潤土按不同摻入比加入其中與水泥一起固化南沙淤泥，試驗數(shù)據(jù)如表4所示，由表4可知:

(1)從28 d數(shù)據(jù)看，膨潤土最佳配比應(yīng)在1.5%～3%之間，再結(jié)合7天強度數(shù)據(jù)，可知在3%左右.

(2)從7 d數(shù)據(jù)看，較之單摻水泥試驗，摻入3%的膨潤土后土體的內(nèi)摩擦角、黏聚力、無側(cè)限抗壓強分別增長了70.3%、35.7%和123.2%.這說明膨潤土能大幅度提高水泥加固南沙淤泥的早期強度.

(3)膨潤土摻入比為3%時，28 d內(nèi)摩擦角、黏聚力及無側(cè)限抗壓強度分別為20.44°、156.21 kPa和1 200 kPa，已經(jīng)超過單摻20%水泥時的數(shù)值，而且接近單摻25%水泥時數(shù)值.這說明，強度要求相同時，膨潤土的加入可以降低加固南沙軟土所需水泥25%～40%的使用量.

3.3 微觀試驗結(jié)果分析

土體所表現(xiàn)出的各種物理力學特性均與它的微觀結(jié)構(gòu)直接相關(guān)，用固化劑固化軟土的方法其實質(zhì)就是從土體結(jié)構(gòu)方面去改善土體特性.為了進一步研究固化劑對南沙淤泥的固化效果，本文對原狀土樣和固化后土樣分別進行掃描電子顯微鏡觀測，根據(jù)電鏡掃描的結(jié)果，從微觀角度來分析土體的結(jié)構(gòu)變化與宏觀物理力學性質(zhì)之間的聯(lián)系.

3.3.1 原狀土及水泥加固土微觀結(jié)構(gòu)特征

圖1為南沙原狀淤泥電鏡掃描圖片，從圖中可以看出，土體由不規(guī)則片狀土顆粒組成，一些土顆粒散亂分布在土體內(nèi)部，其骨架松散、孔隙較大，土顆粒之間主要是接觸連接.

圖1 原狀土SEM照片F(xiàn)ig.1 SEM picture of undisturbed soil

圖2為單摻15%水泥的固化試樣電鏡掃描圖片，從圖中可以看出，土體內(nèi)部片狀結(jié)構(gòu)不再那么明顯，土中出現(xiàn)了一定數(shù)量的桿狀、球狀和纖維狀物質(zhì)，使土顆粒集聚成團.這是由于水泥水化所產(chǎn)生的大量Ca2+與黏土礦物反應(yīng)生成的纖維狀物質(zhì)附著在土顆粒和膠凝體表面，把它們膠結(jié)在一起，使得顆粒之間的孔隙減小，土體變得相對致密，顆粒間的相互作用增強，強度得以提高.

圖215 %水泥加固SEM照片F(xiàn)ig.2 SEM picture(15%cement)

3.3.2 水泥－石灰加固土微觀結(jié)構(gòu)特征

以石灰摻入比為3%時為例，如圖3所示，相比于圖2，與之類似的是有一定數(shù)量的桿狀、球狀和纖維狀物質(zhì)使土顆粒集聚成團，不同的是土體的顆粒團更大.這是由于石灰加入后，使土體中的Ca(OH)2、Ca2+、OH－含量大大提高，更多的Ca2+與土骨架SiO2表面的Na+、K+進行當量吸附交換，膠體吸附層減薄，使大量的土顆粒形成較大的顆粒團.而且，Ca(OH)2的結(jié)晶反應(yīng)使石灰吸水形成含水晶格(Ca(OH)2·nH2O)形成的晶體相互結(jié)合，并與土顆粒結(jié)合形成共晶體，把土顆粒膠結(jié)成整體.

圖33 %石灰SEM照片F(xiàn)ig.3 SEM picture(3%lime)

3.3.3 水泥－石膏加固土微觀結(jié)構(gòu)特征

以石膏摻入比為1.5%時為例，如圖4所示.與圖2相比，顆粒排布更有規(guī)律，顆粒團更大.與圖3相比，土體中桿狀、纖維狀物質(zhì)含量增多，這是由于石膏與水泥中的含鋁相水化物反應(yīng)生成大量的鈣礬石晶體，鈣礬石晶體是較粗大的針柱狀晶體，它們在孔隙中相互交叉，并與水化硅酸鈣一起構(gòu)成空間結(jié)構(gòu)，起到支撐孔隙、減小加固土平均孔徑的作用，彌補了土體孔隙造成的強度損失，使加固土強度進一步提高.

圖41 .5%石膏SEM照片F(xiàn)ig.4 SEM picture(1.5%gypsum)

3.3.4 水泥－膨潤土加固土微觀結(jié)構(gòu)特征

以膨潤土摻入比為3%時為例，如圖5所示.與圖3相比，圖中出現(xiàn)一些簇在一起的珊瑚狀物質(zhì).這與膨潤土的特殊性質(zhì)有關(guān).膨潤土的主要成分是蒙脫石，蒙脫石具有很強的吸濕性，能吸附相當于自身體積8～20倍的水而膨脹至30倍，蒙脫石和軟土混合后具有可塑性和黏結(jié)性，能使周圍的顆粒團簇在一起.膨潤土吸水可減少土體自由水含量并填充原有孔隙，減小固化土孔隙大小，并與水化硅酸鈣一起構(gòu)成空間結(jié)構(gòu)，因而使土體具有更高的強度.

圖53 %膨潤土SEM照片F(xiàn)ig.5 SEM picture(3%bentonite)

4 結(jié)論

(1)在15%的水泥基準摻入比的情況下，摻加石灰、石膏、膨潤土能較大幅度提高南沙固化軟土強度.

(2)石灰的最佳摻入比為3%，相當于水泥摻量的20%左右.相對于單摻水泥，齡期28 d強度有較大提高，其中無側(cè)限抗壓強度甚至提高了90%以上.

(3)石膏的最佳摻量為水泥摻量的10%左右，石膏能大大提高水泥加固南沙淤泥土的早期強度，當其含量為水泥10%時，齡期7 d無側(cè)限抗壓強度較之單摻水泥提高了92%，同時提高水泥加固南沙淤泥強度的形成速率.在強度要求相同的條件下，摻入占水泥10%左右的石膏能使水泥用量減少25%左右.

(4)膨潤土的最佳摻量為水泥摻量的20%左右.膨潤土能大幅提高水泥加固南沙淤泥的早期強度，當其摻量為水泥的20%時，齡期7 d無側(cè)限抗壓強度比單摻水泥提高了1倍有余，而且在此摻入比下，就28 d強度來看，能使水泥使用量減少25%～40%.

(5)土體微觀結(jié)構(gòu)的改變是影響其宏觀力學性質(zhì)變化的重要影響因素，不同固化劑摻入時土體的內(nèi)部結(jié)構(gòu)各不相同，因而會表現(xiàn)出不同的物理力學特性.

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