南京河西地區(qū)軟土快速固化劑的研制

沈 正，仲 達(dá)，滕世明

（南京工程學(xué)院，江蘇 南京 211167）

南京河西地區(qū)軟土快速固化劑的研制

沈 正，仲 達(dá)，滕世明

（南京工程學(xué)院，江蘇 南京 211167）

軟土地基的快速處理是縮短道路施工工期，確保施工質(zhì)量的有效措施。該研究結(jié)合南京河西地區(qū)長江漫灘軟土，研制一種高效經(jīng)濟(jì)的軟土固化劑。選擇主固化材料水泥與輔助固化材料電石渣、石膏、三乙醇胺、氫氧化鈉和聚丙烯纖維，通過配比設(shè)計(jì)對南京河西地區(qū)軟土分別進(jìn)行固化試驗(yàn)。通過無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)，確定固化土的強(qiáng)度特性，最終得出快速固化劑的最終配比為：9%水泥，4%電石渣，2%石膏，2%氫氧化鈉。

軟土；快速固化；無側(cè)限抗壓強(qiáng)度；最佳配比

0 引言

南京河西地區(qū)位于長江東側(cè),區(qū)內(nèi)地表水系發(fā)育,地勢寬廣低平,地面高程在5.21～7.70 m之間，地貌單元上,屬于長江漫灘區(qū),其新近沉積的漫灘軟土極為軟弱,且分布極不均勻。這種軟土的存在對河西地區(qū)的開發(fā)將產(chǎn)生不良的工程地質(zhì)作用,尤其是修筑市政道路。傳統(tǒng)軟基處理方法包括堆載預(yù)壓、真空預(yù)壓、砂樁、碎石樁等排水固結(jié)方法[1-3]，但采用傳統(tǒng)軟基處理方法需要經(jīng)歷較長時(shí)間，極大地延緩了工程的施工進(jìn)度，因此，尋求快速有效的軟土地基的處理方法是目前市政工程建設(shè)領(lǐng)域亟需解決的難題，而研制高性能的軟土固化劑是解決上述難題的一個(gè)主要途徑之一。

本研究首先對固化劑進(jìn)行選擇，通過室內(nèi)力學(xué)試驗(yàn)，對固化材料加固軟土效果進(jìn)行對比和篩選，對南京河西地區(qū)長江漫灘相軟土開展固化的早期強(qiáng)度試驗(yàn)研究，獲得提高固化土早期強(qiáng)度的固化劑。

1 固化劑的選擇

在現(xiàn)階段的軟土固化劑中，應(yīng)用最廣泛的一種固化劑就是水泥。水泥通過水泥與土之間發(fā)生的各種物理化學(xué)反應(yīng)而有效的提高了軟土的早期強(qiáng)度，達(dá)到快速固化的效果，這些反應(yīng)包括水化反應(yīng)和硬化反應(yīng)。水泥經(jīng)過與土體中的水發(fā)生水化反應(yīng)形成凝膠，促進(jìn)了土壤顆粒之間的連接，包容了有害物質(zhì)。同時(shí)，水泥與水調(diào)和時(shí)，隨著時(shí)間推移會(huì)逐漸失去可塑性，產(chǎn)生硬化效果，促使土體構(gòu)成一個(gè)堅(jiān)固的整體，增強(qiáng)土體強(qiáng)度。水化反應(yīng)完成后，土粒中的顆粒還會(huì)與水化反應(yīng)產(chǎn)物形成相互作用，促進(jìn)軟土力學(xué)性質(zhì)的提高。

經(jīng)過研究發(fā)現(xiàn)，軟土中的有機(jī)物質(zhì)對水泥固化土的早期強(qiáng)度形成有非常大的影響，包括阻礙水泥的水化反應(yīng)以及影響土粒之間的相互作用。為了解決這一問題，保證水泥水化反應(yīng)的進(jìn)行，國內(nèi)的一些學(xué)者尋找到了一些解決方法，如減薄黏土雙電層厚度，提高土壤pH值等[4]。根據(jù)上述理論，本試驗(yàn)中先考慮摻入石灰粉，石灰中所含的鈣離子可以和土體中的鉀離子和鈉離子發(fā)生離子交換，從而達(dá)到減薄黏土雙電層厚度的目的。同時(shí)由于本試驗(yàn)研制的固化劑需要在短時(shí)間能達(dá)到固化要求，可以考慮采用電石渣代替石灰，電石渣可以消耗軟土中大量水分，降低軟土的最優(yōu)含水量，提高軟土的強(qiáng)度。

除了電石渣外，還可以考慮在軟土中添加膨脹成分生石膏（CaSO4·H2O），提供足夠的膨脹性水化物鈣礬石（3CaO·Al2O3·3CaSO4·31H2O）使固體體積膨脹增加94%，填充土顆粒間的孔隙和擠壓填充土團(tuán)粒內(nèi)的孔隙，由于土體間的孔隙被填滿，土壤的力學(xué)性能顯著提高，因此能夠迅速提高固化土的早期強(qiáng)度。

同時(shí)考慮在水泥土中摻入早強(qiáng)劑，可以提高水泥土的早期強(qiáng)度。三乙醇胺是目前工程上常用的早強(qiáng)劑。三乙醇胺的使用可以改善和促進(jìn)了水泥水化及凝結(jié)硬化。三乙醇胺的早強(qiáng)作用在于其能促進(jìn)C3A的水化。在C3A-2CaSO4-2H2O體系中,它能加快鈣礬石的生成，鈣礬石能夠有效的填充土壤之間的空隙，同時(shí)促進(jìn)水泥等固化劑與土壤以及土體之間的各種物理化學(xué)反應(yīng)，有利于水泥土的早期強(qiáng)度發(fā)展[5]。

除了三乙醇胺之外，氫氧化鈉也是一種常用的早強(qiáng)劑，氫氧化鈉的加入可以中和土壤中的酸，提高土壤中的pH值，保證反應(yīng)中產(chǎn)生的氫氧化鈣能夠充滿土壤縫隙中，保證了水泥的水化反應(yīng)不會(huì)受到影響，從而提高了固化土的早期強(qiáng)度。

最后，有研究表明纖維能夠顯著提高固化土的力學(xué)性能和抗裂能力[6]。纖維可以與水泥水化物形成空間網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，有效的約束土粒變形。因此本試驗(yàn)考慮在固化劑中加入聚丙烯纖維。聚丙烯纖維是以聚丙烯為主要材料，經(jīng)過特殊工藝加工而成的纖維材料。具有很好的環(huán)保效應(yīng)，同時(shí)有很高的抗變形能力，對固化土早期強(qiáng)度的形成起到了一定促進(jìn)作用。

根據(jù)上述分析，本次試驗(yàn)中需要驗(yàn)證的固化劑成分初步確定為主劑水泥，輔助添加劑電石渣、石灰粉、石膏、三乙醇胺、氫氧化鈉、聚丙烯纖維。在上述成分中選擇固化效果最好的組合以及配比。

2 試驗(yàn)材料與方案

固化劑的主要材料為水泥、電石渣、石膏，強(qiáng)度激發(fā)劑為三乙醇胺、氫氧化鈉、硫酸鈉，通過無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)來測定軟土的力學(xué)性質(zhì)以及確定加入固化劑后的軟土早期強(qiáng)度，尋找出一種最適合的復(fù)合型固化劑。

取自南京河西地區(qū)典型土層淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土作為原料土，水泥、電石渣、石膏、聚丙烯纖維作為主要固化材料輔以三乙醇胺、氫氧化鈉、硫酸鈉作為強(qiáng)度激發(fā)劑，通過無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)，獲取固化土早期強(qiáng)度，研究不同固化材料對淤泥質(zhì)軟土快速固化效果，嘗試配制一種適合于提高南京河西地區(qū)軟土早期固化強(qiáng)度的經(jīng)濟(jì)復(fù)合型固化劑。

2.1 軟土物理指標(biāo)

試驗(yàn)土樣取自南京河西地區(qū)典型土層，為達(dá)到最佳的試驗(yàn)效果，試驗(yàn)中采用的土樣均為勘察鉆探所取得的原狀土樣，試驗(yàn)取土深度為4～5 m，基本物理特性指標(biāo)見表1。

2.2 軟土固化劑配方的研制

2.2.1 選擇固化劑組成成分

首先對一些常用的主成分固化劑進(jìn)行單一固化材料的試驗(yàn)，為輔助成分的固化材料的挑選提供參考依據(jù)。在本試驗(yàn)中，除了水泥與電石渣外，還挑選了環(huán)氧樹脂和增強(qiáng)固化劑進(jìn)行對比試驗(yàn)，測定其不同齡期下（1 d，3 d，7 d）的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度，從而保證了固化劑主成分的固化效率為最優(yōu)，試驗(yàn)結(jié)果見圖1。

圖1 不同齡期下各類固化劑無側(cè)限抗壓強(qiáng)度

從圖1中可以看出，水泥和電石渣的固化效果明顯高于其他兩種固化劑，因此本試驗(yàn)的固化劑主要材料確定為水泥和電石渣，而從3 d和7 d的固化效果來看，水泥固化軟土的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度明顯優(yōu)于電石渣。因此可以看出，水泥在早期固化過程中占主導(dǎo)地位。進(jìn)一步進(jìn)行多種固化劑組合試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果見圖2。

圖2單一固化劑和組合固化劑固化效果對比圖

圖2 中可以看出，當(dāng)水泥與電石渣混合，再加入石膏作為輔助固化劑后，固化效果明顯好于兩種材料單獨(dú)做固化劑，再加入三乙醇胺并將電石渣替換為石灰粉作對比試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果見圖3。

表1 土樣的基本物性指標(biāo)

從圖3中看出，三乙醇胺作為常用的工業(yè)早強(qiáng)劑，加入后對水泥的早期強(qiáng)度有明顯提升，而當(dāng)將電石渣替換為石灰粉時(shí)，軟土的早期強(qiáng)度明顯降低，因此初步確定本試驗(yàn)固化劑的組成為水泥，電石渣，石膏，三乙醇胺。再在這四種固化劑成分中變化每種成分的比例，進(jìn)行初步的對比試驗(yàn)，觀察每種成分的變化對固化效果的影響，見圖4。

圖4 不同比例的四種固化劑成分固化效果對比圖

從圖4可以看出，水泥的含量與軟土的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度完全呈現(xiàn)正相關(guān)的關(guān)系，因此在之后的試驗(yàn)中可以適當(dāng)選擇增加水泥用量。隨著電石渣的含量的增加，軟土的7 d內(nèi)無側(cè)限抗壓強(qiáng)度并沒有持續(xù)上升，而是在4%左右時(shí)達(dá)到了峰值，因此在之后的試驗(yàn)中，電石渣的含量可以控制在4%左右。三乙醇胺對試驗(yàn)結(jié)果的影響不是很明顯，需要在之后的試驗(yàn)中繼續(xù)研究其最佳含量的范圍。

2.2.2 確定固化劑各成分比例

（1）確定水泥含量

由以上試驗(yàn)可知，水泥作為軟土使用最廣泛的固化劑，對軟土的早期強(qiáng)度起到非常重要的主導(dǎo)地位，因此優(yōu)先確定水泥的最佳含量。為了反映水泥的摻入量對軟土固化效果的影響，分別取水泥摻入量為3%，5%，7%，9%，12%，測量其不同齡期（1 d，3 d，7 d）下的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度，試驗(yàn)結(jié)果見圖5。

從圖5中可以明顯看出，水泥含量和無側(cè)限抗壓強(qiáng)度成正相關(guān)關(guān)系，而當(dāng)水泥含量是9%和12%時(shí)，無側(cè)限抗壓強(qiáng)度的上升并不是十分明顯，因此考慮到經(jīng)濟(jì)效應(yīng)，取水泥含量為9%為最佳含量。

圖5 水泥摻入量對不同齡期下固化土無側(cè)限抗壓強(qiáng)度影響

（2）確定石膏含量

摻入石膏后，會(huì)迅速產(chǎn)生膨脹性水化物鈣礬石，填充土粒之間的空隙從而迅速的提高軟土的早期強(qiáng)度。為了確定石膏的最佳含量，在9%水泥基礎(chǔ)上，添加不同含量石膏，確定兩種固化劑的最佳組成比例，試驗(yàn)結(jié)果見圖6。

圖6 石膏摻入量對不同齡期下固化土無側(cè)限抗壓強(qiáng)度的影響

從圖6中可以看出，石膏的摻入對軟土的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度有一定的提升，但隨著石膏摻入量的變化，軟土的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度變化不明顯。可以看出，在一定范圍內(nèi)，隨著石膏含量的增加，軟土的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度也隨著提高，當(dāng)石膏含量在2%時(shí)，軟土的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度達(dá)到峰值，超過2%后，隨著石膏摻入量的增加，軟土的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度反而降低。說明石膏含量超過一定數(shù)值后會(huì)產(chǎn)生過多的膨脹性物質(zhì)，對軟土的早期強(qiáng)度起反作用。綜上所述，本試驗(yàn)取石膏摻入量為2%為最佳摻入量。

（3）確定電石渣含量

電石渣作為軟土固化劑，吸收了軟土中的大量水分，能夠快速提升軟土的早期強(qiáng)度。為了確定電石渣的摻入量，在水泥和石膏的基礎(chǔ)上，摻入2%，4%，6%，8%的電石渣，測定其在不同齡期下的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度，反應(yīng)電石渣含量對軟土早期強(qiáng)度的影響規(guī)律，試驗(yàn)結(jié)果見圖7。

圖7 電石渣摻入量對不同齡期下固化土無側(cè)限抗壓強(qiáng)度的影響

從圖7中可以看出，隨著齡期的增長，加入電石渣后固化土的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度都不斷提升。而在同一齡期的對比中，當(dāng)電石渣摻量達(dá)到4%時(shí)，固化土的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度達(dá)到峰值，之后再增加電石渣含量，固化土的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度反而下降。因此得出電石渣的最佳含量取4%。根據(jù)上述現(xiàn)象分析，電石渣加入軟土中，會(huì)與軟土中的水發(fā)生反應(yīng)，生成大量氫氧化鈣，加強(qiáng)了土體顆粒之間的聯(lián)接，但是如果氫氧化鈣含量過多，就會(huì)產(chǎn)生膨脹作用，反而導(dǎo)致土體的強(qiáng)度降低。

（4）早強(qiáng)劑的對比試驗(yàn)（三乙醇胺，氫氧化鈉，硫酸鈉）

為了保證早強(qiáng)劑的最優(yōu)選擇，本試驗(yàn)選取了另外兩種常用早強(qiáng)劑：氫氧化鈉和硫酸鈉，進(jìn)行與三乙醇胺的對比試驗(yàn)，分別測量不同齡期下加入這三種早強(qiáng)劑的固化土的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度，試驗(yàn)結(jié)果見圖8。

圖8 三種早強(qiáng)劑對不同齡期下固化土無側(cè)限抗壓強(qiáng)度的影響

從圖8中可以看出，加入硫酸鈉后固化土的早期強(qiáng)度反而沒有不加入早強(qiáng)劑時(shí)的早期強(qiáng)度高，因此硫酸鈉對固化土的早期強(qiáng)度形成有反作用。加入三乙醇胺后，固化土的1 d強(qiáng)度有顯著提升，而3 d和7 d時(shí)的強(qiáng)度幾乎沒有變化。只有氫氧化鈉對固化土的早期強(qiáng)度，尤其是1 d和3 d的強(qiáng)度有非常明顯的提升作用，因此更改原配方，選擇氫氧化鈉取代三乙醇胺作為固化劑的成分之一。

（5）聚丙烯纖維對固化效果的影響

試驗(yàn)表明，聚丙烯纖維能夠顯著提高固化土的力學(xué)性能和抗裂能力，因此本試驗(yàn)中嘗試在原因固化劑成分的基礎(chǔ)上加入聚丙烯纖維，測量其在不同齡期下的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度。由于試驗(yàn)時(shí)間原因，本試驗(yàn)與早強(qiáng)劑的對比試驗(yàn)同時(shí)進(jìn)行，因此早強(qiáng)劑的選擇仍然為三乙醇胺，但并不影響試驗(yàn)得出聚丙烯纖維對固化土早期強(qiáng)度形成的影響規(guī)律。試驗(yàn)結(jié)果見圖9。

圖9 聚丙烯纖維摻入量對不同齡期下固化土無側(cè)限抗壓強(qiáng)度的影響

從圖9中可以看出隨著聚丙烯纖維含量增加，固化土早期強(qiáng)度一開始呈現(xiàn)上升趨勢，在含量為0.6%時(shí)達(dá)到峰值，隨后呈現(xiàn)下降趨勢。而當(dāng)聚丙烯纖維含量為0.3%和0.9%時(shí)，固化土早期強(qiáng)度反而不如不加聚丙烯纖維時(shí)的早期強(qiáng)度，因此確定聚丙烯纖維的含量為0.6%，此時(shí)對固化土的早期強(qiáng)度有明顯提升。

（6）28 d齡期固化效果對比

在確定固化劑成分后，進(jìn)行28d固化試驗(yàn)，確定其最終的固化效果，觀察其無側(cè)限抗壓強(qiáng)度隨時(shí)間的變化情況。同時(shí)用不同固化劑配方進(jìn)行對比試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果見圖10。

圖10 28 d齡期固化效果對比圖

由圖10中可以看出，前7 d土樣的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度增強(qiáng)較為明顯，后期則較為平緩。因此可以看出，本配方的快速固化效果較為優(yōu)良。而通過與初始的水泥+碳化鈣+石膏+三乙醇胺的固化配方的28 d強(qiáng)度對比發(fā)現(xiàn)改良后的配方固化效果優(yōu)于之前的配方，因此確定該配方為試驗(yàn)得出的最優(yōu)配方。

3 結(jié)論

為了解決南京河西地區(qū)軟土地基的處理問題，降低施工成本，縮短施工工期，采用固化劑快速固化軟土的方法，對摻入快速固化劑軟土的早期強(qiáng)度進(jìn)行測試，研制出快速固化劑的最佳配方，研究的主要結(jié)論如下：

（1）分別采用單摻水泥、單摻電石渣、單摻環(huán)氧樹脂、單摻增強(qiáng)固化劑、混合摻入水泥+石膏+電石渣、混合摻入水泥+石膏+電石渣+三乙醇胺、混合摻入摻水泥+石膏+石灰粉+三乙醇胺7種方式對南京河西地區(qū)軟土進(jìn)行快速固化試驗(yàn)，得出各種固化劑對軟土早期強(qiáng)度形成的影響，初步確定了軟土快速固化劑的組成成分；

（2）通過變化各種固化劑的摻入量，分析了各種固化劑摻入量對軟土早期強(qiáng)度形成的影響，得出了水泥、電石渣、石膏、氫氧化鈉和聚丙烯纖維的最佳摻入量；

（3）得出了南京河西地區(qū)軟土的最優(yōu)的快速固化劑配方，其組成成分為：主固化劑9%水泥，外加劑4%電石渣，2%石膏，2%氫氧化鈉，0.6%聚丙烯纖維。

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TU 447

A

1009-7716（2017）10-0166-05

10.16799/j.cnki.csdqyfh.2017.10.051

2017-06-27

住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部科學(xué)技術(shù)項(xiàng)目（2014-K4-09）

沈正（1975-），男，江蘇南京人，副教授，從事軟土地基處理研究工作。