復(fù)合水泥土處理軟土地基的方法探析

常乃坤 （安徽省路橋工程集團(tuán)有限責(zé)任公司，安徽 合肥 230000）

1 引言

軟土地基因自身強(qiáng)度的缺陷，容易出現(xiàn)土體破壞、失穩(wěn)、不均勻沉降等問題，對公路工程影響巨大。對于軟土地基的處理有很多方法，其中最為常見的處理方法是將水泥和軟土充分混合，經(jīng)過水泥與土顆粒間以及水泥自身的物理化學(xué)反應(yīng)，形成固化土體，該方法將極大地提高地基強(qiáng)度。但是，該方法對水泥的需求量較大，成本較高。為節(jié)省項目成本，大量的學(xué)者利用粉煤灰、石灰、脫硫石膏、赤泥來替代部分水泥，從宏觀力學(xué)特性到微觀機(jī)理都獲得了大量的學(xué)術(shù)成果。

本文將針對安徽地區(qū)的軟土，通過添加粉煤灰和脫硫石膏來替代部分水泥，制備復(fù)合水泥土，研究其力學(xué)特性，分析不同外加劑種類、摻量、齡期下復(fù)合水泥土的抗壓強(qiáng)度的變化，并結(jié)合實際工程評價該方法的經(jīng)濟(jì)性。

2 試驗方案與材料

2.1 試驗材料

本次試驗主要材料包括：水泥、粉煤灰、脫硫石膏以及試驗用土。其中水泥選用P.C 42.5普通硅酸鹽水泥，土體為取自合肥某高速路基段粉質(zhì)粘土，粉煤灰和脫硫石膏為市場常見材料，具體化學(xué)成分見表1。

2.2 試驗方案

根據(jù)《土工試驗方法標(biāo)準(zhǔn)》（GB/T50123-2019），設(shè)計水灰比為 0.5，本次試驗中將考慮不同外加劑（水泥、粉煤灰、脫硫石膏）的摻量、養(yǎng)護(hù)齡期，通過無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗獲得不同影響因素下水泥土強(qiáng)度的變化，具體的試驗方案見表2，其中表2中所提含量皆為外加劑與干土的質(zhì)量比。

粉煤灰和脫硫石膏的主要化學(xué)成分(%) 表1

試驗方案 表2

3 試驗結(jié)果分析

3.1 強(qiáng)度隨齡期的變化

根據(jù)表2中的試驗方案，分別獲得不同外加劑產(chǎn)量下水泥土無側(cè)限抗壓強(qiáng)度隨養(yǎng)護(hù)齡期的變化曲線，如圖1所示。

圖1 復(fù)合水泥土抗壓強(qiáng)度隨齡期的變化

從圖1中可以看出：所有方案中水泥土的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度隨著養(yǎng)護(hù)齡期的增加而逐漸增大，并呈現(xiàn)前期強(qiáng)度快速增加后期較緩。但是，在方案1～方案4中水泥土在14天之前強(qiáng)度提升較快，方案5和方案6在7天之前強(qiáng)度增加較快。這與外加劑含量有關(guān)，當(dāng)外加劑含量越高，前期水化反應(yīng)越劇烈，表現(xiàn)出強(qiáng)度增加越明顯的宏觀力學(xué)特性。此外，在相同養(yǎng)護(hù)齡期下，外加劑的摻量越高，復(fù)合水泥土的強(qiáng)度越大，對土體的加固效果越顯著。

同時，在相同外加劑（水泥、粉煤灰、脫硫石膏）摻量下，養(yǎng)護(hù)7天后加入粉煤灰和脫硫石膏的方案2、4、6的強(qiáng)度要分別高于方案1、3、5。出現(xiàn)該現(xiàn)象的主要原因包括以下兩個方面：首先，粉煤灰和脫硫石膏的加入填充了土顆粒間的孔隙，起到了密實作用；其次，在微觀層面，脫硫石膏造成土體呈現(xiàn)堿性環(huán)境，加速試樣中的鋁酸三鈣會與 CaSO·2HO發(fā)生化學(xué)作用產(chǎn)生鈣礬石，會進(jìn)一步對孔隙進(jìn)行填充壓實土體，同時也起到一定的膠結(jié)作用，試樣的整體性得到改善，故而宏觀強(qiáng)度的提高。但在7天之前，加入粉煤灰和脫硫石膏的方案2、4、6的強(qiáng)度要分別低于方案1、3、5。這可能與前期粉煤灰的水化活性還未被完成激活有關(guān)，這也表明脫硫石膏對粉煤灰水化活性的激活效應(yīng)存在一定滯后現(xiàn)象。

3.2 粉煤灰和脫硫石膏對強(qiáng)度的影響

在相同水泥摻量下，添加一定量的粉煤灰和脫硫石膏后，復(fù)合水泥土和水泥土強(qiáng)度隨齡期的變化的柱狀圖，如圖2和3所示。

圖2 方案1和方案4中復(fù)合水泥土強(qiáng)度變化

在圖2中，當(dāng)水泥摻量為12%時（即方案1和方案4），在同一齡期下加入粉煤灰和脫硫石膏的方案4中復(fù)合水泥土的強(qiáng)度在要遠(yuǎn)高于未加入粉煤灰和脫硫石膏的方案1，其中在齡期為3d、7d、14d、28d，強(qiáng) 度 分 別 提 高 了 6.02%、19.35%、34.26%、47.93%，可見粉煤灰和脫硫石膏的加入有利于土體強(qiáng)度的提高，且隨著齡期的增加粉煤灰和脫硫石膏的促進(jìn)作用逐漸提高。

在圖3中，當(dāng)水泥摻量為15%時（即方案3和方案6），在同一齡期下加入粉煤灰和脫硫石膏的方案6中復(fù)合水泥土的強(qiáng)度在要遠(yuǎn)高于未加入粉煤灰和脫硫石膏的方案3，其中在齡期為3d、7d、14d、28d，強(qiáng)度分別提高了 17.81%、44.78%、14.14%、17.78%，且隨著齡期的增加粉煤灰和脫硫石膏的促進(jìn)作用先增加后減弱。這與粉煤灰和脫硫石膏的摻量比不同有關(guān)，當(dāng)粉煤灰與脫硫石膏的摻量比為2：1時，脫硫石膏對粉煤灰水化活性的激活作用比較緩慢，隨齡期的增加而逐漸釋放，導(dǎo)致強(qiáng)度平穩(wěn)提高；而當(dāng)粉煤灰與脫硫石膏的摻量比為1：2時，在養(yǎng)護(hù)初期脫硫石膏極大地激發(fā)了粉煤灰水化活性，才導(dǎo)致前期強(qiáng)度迅速提高。

圖3 方案3和方案6中復(fù)合水泥土強(qiáng)度變化

此外，在材料拌和養(yǎng)護(hù)過程中，由于粉煤灰和脫硫石膏中存在大量的AlO和CaO，導(dǎo)致液相中出現(xiàn)Ca、AlO，生成大量的鈣礬石，并以微晶形式與其他水化產(chǎn)物相互穿插，形成了致密結(jié)構(gòu)，使土體強(qiáng)度增加。這就解釋了在相同水泥摻量下增加粉煤灰和脫硫石膏有利于土體強(qiáng)度的提高。

4 案例分析

4.1 項目概況

某新建路段中軟土主要發(fā)育河漫灘地形或一、二級階地低洼區(qū)，地下水想深較選，大部分款土直接出露地表，局部存在1-2m的表層覆土，主要為粉質(zhì)粘土和細(xì)砂，工程地質(zhì)條件較差，下臥層也為粉質(zhì)粘土、部分砂礫層，工程性質(zhì)一般、承載力低，設(shè)計中要合理選擇適當(dāng)?shù)奶幚矸桨?，以滿足沉降及穩(wěn)定性的要求。軟土路基處理斷面圖，如圖4所示。

圖4 軟土路基處理斷面圖

4.2 方案比選與經(jīng)濟(jì)性評價

當(dāng)原材料：水泥選用P.C 42.5水泥。配合比設(shè)計：水灰比按照0.50，水泥摻量分別按方案1～方案6進(jìn)行設(shè)計，28天無側(cè)限抗壓強(qiáng)度分別為1.548 MPa、1.654 MPa、2.21 MPa、2.29 MPa、2.494 MPa、2.603 MPa，其中方案 1和方案2不符合設(shè)計要求。換言之，只有當(dāng)外加劑摻量在15%和18%時才能滿足本工程要求。對比方案3和方案4，方案4可以發(fā)現(xiàn)水泥節(jié)約20%，對比方案5和方案6，方案6可以發(fā)現(xiàn)水泥節(jié)約16.67%。結(jié)合第3節(jié)中抗壓強(qiáng)度分析，在添加粉煤灰和脫硫石膏后的處理方法可達(dá)到節(jié)約水泥、降低施工成本、增加施工質(zhì)量的效果。因此，本工程可采用方案4。

5 結(jié)論

本文采用試驗手段，分析不同外加劑種類、摻量、齡期下復(fù)合水泥土的抗壓強(qiáng)度的變化，并將室內(nèi)試驗結(jié)果用于具體工程，得到如下主要結(jié)論：

①添加粉煤灰和脫硫石膏后會改變水泥土隨齡期的變化速率，同時，在相同外加劑摻量下，添加粉煤灰和脫硫石膏的復(fù)合水泥土強(qiáng)度要略高于未添加粉煤灰和脫硫石膏的水泥土；

②粉煤灰與脫硫石膏的配比將影響脫硫石膏對粉煤灰水化活性的激活效應(yīng)，當(dāng)粉煤灰與脫硫石膏的配比為1：2時，將有利于激活效應(yīng)；

③根據(jù)實際工程，從抗壓強(qiáng)度角度分析后可最高節(jié)約水泥20%，進(jìn)一步降低施工成本且增加施工質(zhì)量的效果；同時，有效利用工業(yè)廢料粉煤灰和脫硫石膏，符合國家環(huán)保、綠色施工理念。