基于正交試驗(yàn)的復(fù)合土壤固化劑配合比設(shè)計(jì)研究

董博聞 王修山 沈森杰

摘要：為有效利用沉淤廢土資源，并減少傳統(tǒng)土壤固化劑所帶來的環(huán)境污染，研發(fā)新型環(huán)保的土壤固化劑具有重要意義。采用三因素、三水平的正交試驗(yàn)方法，設(shè)計(jì)了 9 組不同配合比的淤泥固化劑復(fù)合材料試驗(yàn)方案，并進(jìn)行無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)，運(yùn)用極差分析和方差分析對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析，得到復(fù)合土壤固化劑的最優(yōu)配合比。以最優(yōu)配合比制作試件，并探究了不同固化劑摻量和養(yǎng)護(hù)齡期對(duì)淤泥質(zhì)黏土強(qiáng)度的影響。結(jié)果表明：復(fù)合土壤固化劑中生石灰含量是影響淤泥質(zhì)黏土強(qiáng)度的最主要因素，其次為納米SiO2、礦渣摻量;摻加10%復(fù)合土壤固化劑的淤泥質(zhì)黏土28 d無側(cè)限抗壓強(qiáng)度達(dá)到峰值。

關(guān) 鍵 詞：沉淤廢土;復(fù)合土壤固化劑;正交試驗(yàn);無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)

中圖法分類號(hào)：U416

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1001-4179（2021）09-0193-05

DOI：10.16232/j.cnki.1001-4179.2021.09.031

0 引 言

濱海地區(qū)的淤泥質(zhì)土以及吹填土一直以來都是道路路基處理的難點(diǎn)[1]。據(jù)官方統(tǒng)計(jì)，僅僅浙江省內(nèi)每年由建設(shè)工程所帶來的淤泥質(zhì)廢土就高達(dá)數(shù)億噸，如何處治利用這些沉淤廢土也成為國內(nèi)近幾年急需解決的一個(gè)問題。

對(duì)于現(xiàn)有的工程沉淤廢土，常用的方法往往是海洋傾倒和陸地拋填等，這樣往往帶來大面積的土地資源侵占問題，并存在較大的污染隱患[2]。近幾年，土壤固化劑作為一種新型材料在巖土工程領(lǐng)域受到了廣泛的關(guān)注，早期的傳統(tǒng)土壤固化劑以水泥、石灰、二灰土或者水泥石灰綜合固化劑為主[3]。這些傳統(tǒng)土壤固化劑的出現(xiàn)，很大程度上改善了這些沉淤廢土的處理情況。因?yàn)榫邆湎鄬?duì)可觀的強(qiáng)度和性能，這些加固土也被廣泛地應(yīng)用在道路、水利、地基基礎(chǔ)工程等領(lǐng)域。然而隨著這些傳統(tǒng)固化劑的推廣，其潛在的缺點(diǎn)也慢慢顯露出來，如早期強(qiáng)度低，并且其強(qiáng)度對(duì)水泥和石灰的用量有著較高的依賴性;水泥水化作用產(chǎn)生的C-S-H膠結(jié)物過多引起體積收縮而導(dǎo)致路面開裂，從而影響工程質(zhì)量;水穩(wěn)性較差等問題[4-6]。其中，水泥生產(chǎn)過程中存在嚴(yán)重的環(huán)境污染問題，最明顯的就是生產(chǎn)水泥所排放的CO2占世界人為排放CO2的 5%～7%。除排放的CO2之外，其生產(chǎn)過程中還有大量的粉塵以及SO2等有毒氣體排入大氣中，對(duì)環(huán)境造成很大的污染[7]。

近些年，Cheng[8]、王東星[9]、何晶[10]等發(fā)現(xiàn)堿激發(fā)礦渣可以顯著提高固化劑活性，提升固化土的力學(xué)特性，可以減少或者代替水泥基等傳統(tǒng)固化材料。硅粉因其較高的火山灰活性，也已經(jīng)開始廣泛使用在高性能的混凝土配置工藝中[11-13]，但其在巖土工程以及道路工程領(lǐng)域的研究和應(yīng)用并未得到推廣。本文通過正交試驗(yàn)研究了不同摻量納米SiO2、礦渣、生石灰對(duì)濱海地區(qū)淤泥質(zhì)黏土的加固效果，并采用極差和方差分析得到復(fù)合土壤固化劑最優(yōu)配合比。通過宏觀無側(cè)限抗壓試驗(yàn)，驗(yàn)證復(fù)合固化土在道路路基施工的可行性，以減輕環(huán)境污染且有效降低工程成本。

1 試驗(yàn)材料與方案

1.1 試驗(yàn)材料

1.1.1 黏 土

試驗(yàn)所用的淤泥質(zhì)黏土來自浙江省杭州市某建設(shè)場地，土顆粒分析結(jié)果如表1所列。

根據(jù)液、塑限聯(lián)合測定法，測得黏土液限WL=48.7%，塑限WP=29.6%。同時(shí)測得試驗(yàn)土的天然含水率W=42.1%。

1.1.2 其他材料

（1）納米SiO2。

試驗(yàn)采用的納米SiO2產(chǎn)自上海科延實(shí)業(yè)有限公司，其產(chǎn)品的外觀和基本參數(shù)如表2所列。

（2）高爐礦渣。

試驗(yàn)采用的高爐礦渣產(chǎn)自鞏義市龍澤凈水材料有限公司，密度為2.9 g/cm3，其主要化學(xué)成分如表3所列。

（3）生石灰。

試驗(yàn)采用的生石灰產(chǎn)自英歌礦業(yè)有限公司，其CaO含量為82%，MgO含量為1.6%，屬于優(yōu)質(zhì)石灰。

1.2 正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)?zāi)康臑榇_定復(fù)合土壤固化劑中各成分因素水平對(duì)固化淤泥質(zhì)黏土的加固效果，以生石灰含量（A）、納米SiO2含量（B）、礦渣含量（C）作為正交試驗(yàn)3個(gè)因素，每個(gè)因素設(shè)置3種水平，選用L9（34）正交表，如表4所列。

2 最優(yōu)配比試驗(yàn)研究

2.1 擊實(shí)試驗(yàn)

將固化劑以及淤泥質(zhì)黏土按正交實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)進(jìn)行混合后，采用擊實(shí)試驗(yàn)得到最優(yōu)含水率以及最大干密度，為制備后期試驗(yàn)試件做好準(zhǔn)備，結(jié)果如表5所列。

2.2 正交試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.2.1 無側(cè)限抗壓試驗(yàn)結(jié)果

采取正交試驗(yàn)方案制備φ50×50圓柱體試件，分別測試其標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)和浸水養(yǎng)護(hù)7，28 d后的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度。試驗(yàn)加載速率為1 mm/min，試驗(yàn)結(jié)果如表6所列。正交分析結(jié)果見表7。

表6表明：固化土在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)條件下，其7 d的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度最高可達(dá)到3.12 MPa，28 d的抗壓強(qiáng)度最高為5.25 MPa。在水養(yǎng)條件下，其7 d的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度最高可達(dá)1.52 MPa，28 d的抗壓強(qiáng)度最高達(dá)3.43 MPa。綜上可知，試件的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度隨養(yǎng)護(hù)齡期的增加而增加，并且在9次實(shí)驗(yàn)中第6組的標(biāo)養(yǎng)和水養(yǎng)抗壓強(qiáng)度最高，相應(yīng)的水平組合是當(dāng)前最好的水平搭配。

2.2.2 極差和方差分析

（1）極差分析。

由表7可以直觀看到，無論是在水養(yǎng)還是標(biāo)養(yǎng)情況下，生石灰的含量對(duì)無側(cè)限抗壓強(qiáng)度的影響最大。在標(biāo)養(yǎng)條件下，礦渣的含量對(duì)固化土強(qiáng)度的影響程度小于生石灰的含量，納米SiO2的含量對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響程度最小;在水養(yǎng)條件下，納米SiO2的含量對(duì)固化土的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度影響大于礦渣對(duì)試件強(qiáng)度的影響。

由圖1可知，在標(biāo)養(yǎng)7d條件下的固化土，固化劑中各因素影響大小順序?yàn)锳>C>B，并且可以明顯看到，固化土的無測限抗壓強(qiáng)度隨著生石灰摻量（A）的增加而增加，并且漲幅較大，A3為最佳摻量;隨著納米SiO2摻量（B）的增加先增大后減小，B2為最佳摻量;隨著礦渣摻量（C）的增加而增加，但其漲幅較小，其中C3為最佳摻量。

同理，在水養(yǎng)7 d條件下的固化土，固化劑中各因素對(duì)強(qiáng)度的影響大小順序?yàn)锳>B>C。由圖2可以看出，試件的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度隨著生石灰摻量（A）的增大先增大后減小，最佳摻量為A2;隨著納米SiO2摻量（B）的增大而增大，最佳摻量為B3;隨著礦渣摻量（C）的增加先增加后減小，其中C3為最佳摻量。

（2）方差分析。

根據(jù)方差分析可知，空列的方差值最小，因此可以將空列作為誤差來源看待，通過對(duì)各因素的誤差平方總和以及自由度的計(jì)算，借助SPSS軟件可以計(jì)算得到標(biāo)養(yǎng)情況下其構(gòu)造方差統(tǒng)計(jì)量F分別為F0.01=105.17、F0.05=4.36、F0.1=12.00。因此，生石灰對(duì)固化土標(biāo)養(yǎng)7 d無側(cè)限抗壓強(qiáng)度影響最為顯著，礦渣以及納米SiO2對(duì)固化土7 d無側(cè)限抗壓強(qiáng)度影響較為顯著。在水養(yǎng)情況下，其構(gòu)造方差統(tǒng)計(jì)量F分別為F0.01=140.31、F0.05=21.72、F0.1=0.742。由此可見，石灰同樣對(duì)固化土水養(yǎng)7 d無側(cè)限抗壓強(qiáng)度影響最為顯著，納米SiO2對(duì)固化土7 d無側(cè)限抗壓強(qiáng)度影響為顯著，礦渣的影響不顯著。

根據(jù)極差和方差分析綜合來看，為了加強(qiáng)復(fù)合土壤固化劑對(duì)淤泥質(zhì)黏土強(qiáng)度的提升，以及考慮到長三角沿海地區(qū)常年潮濕的天氣情況，并結(jié)合水養(yǎng)以及標(biāo)養(yǎng)條件下7d的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度正交分析，確定了最終復(fù)合固化劑的配合比為生石灰（A）∶納米SiO2（B）∶礦渣（C）=32∶3∶65。

3 固化土無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)

根據(jù)正交試驗(yàn)所得固化劑最優(yōu)配比（A∶B∶C=32∶3∶65）來制備φ50×50圓柱體固化土試件。為確定不同固化劑摻量以及養(yǎng)護(hù)齡期對(duì)無側(cè)限抗壓強(qiáng)度的影響，設(shè)計(jì)固化劑占干土質(zhì)量6%，8%，10%，12%這4種工況條件，并且在標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下分別養(yǎng)護(hù)3，7，14，28 d，記錄其無側(cè)限抗壓強(qiáng)度結(jié)果，見表8。

3.1 固化土強(qiáng)度與固化劑摻量的關(guān)系

復(fù)合固化土無側(cè)限抗壓強(qiáng)度隨摻量變化曲線見圖3。圖3表明：淤泥質(zhì)土的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度隨著復(fù)合固化劑摻量的增加先增加后減小，且各齡期強(qiáng)度均呈相似趨勢。以標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)28 d為例，當(dāng)固化劑摻量為10%時(shí)，固化土的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度達(dá)到峰值（5.59 MPa），滿足公路路面基層施工設(shè)計(jì)抗壓強(qiáng)度要求。同時(shí)，摻10%固化劑的固化土其強(qiáng)度較摻6%和8%時(shí)分別提高了42.2%和28.8%。當(dāng)固化劑摻量由10%增加到12%時(shí)，固化土的強(qiáng)度由峰值下降至5.30 MPa，這是由于固化劑摻加過多導(dǎo)致生成的水化產(chǎn)物過多，不僅沒有起到填充土顆粒間空隙的作用，反而導(dǎo)致土體開裂，土顆粒之間的間距增大，對(duì)固化土強(qiáng)度增長起到抑制作用[14-15]。由此可見，復(fù)合固化劑摻量為10%時(shí)對(duì)固化土無側(cè)限抗壓強(qiáng)度的提高最為顯著。

3.2 固化土強(qiáng)度與養(yǎng)護(hù)時(shí)間的關(guān)系

圖4反映了固化土無側(cè)限抗壓強(qiáng)度隨養(yǎng)護(hù)齡期的變化關(guān)系曲線。由圖4可知：使用復(fù)合固化劑固化的的黏土其無側(cè)限抗壓強(qiáng)度隨著齡期的延長而增加，在28 d強(qiáng)度達(dá)到峰值5.59 MPa。由此可見，添加復(fù)合固化劑的淤泥質(zhì)黏土其強(qiáng)度特性有顯著的改善。同時(shí)，當(dāng)養(yǎng)護(hù)齡期到達(dá)7 d時(shí)，固化劑摻量為10%的復(fù)合固化土強(qiáng)度最高可達(dá)4.45 MPa，并且其3 d到7 d的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度由2.51 MPa增長至4.45 MPa，增長了77.3%，養(yǎng)護(hù)28 d的強(qiáng)度較7 d的強(qiáng)度增長25.6%。

綜上所述，添加復(fù)合固化劑可利用納米SiO2更小的粒徑和更大的比表面積來促進(jìn)礦渣水化反應(yīng)[16]，從而顯著提升淤泥質(zhì)土的早期強(qiáng)度，并且養(yǎng)護(hù)3～14 d其無側(cè)限抗壓強(qiáng)度可保持一個(gè)較高的增長速率，后期的強(qiáng)度增長速率雖然趨于平緩但仍有較為穩(wěn)定的增長。

3.3 無側(cè)限抗壓強(qiáng)度與齡期以及摻量的擬合關(guān)系

采用Origin軟件對(duì)圖3～4中數(shù)據(jù)進(jìn)行函數(shù)擬合，得到擬合結(jié)果如圖5所示，擬合函數(shù)如下：

qu=-3.883+0.36004x+0.96093y-0.0091x2-0.04219y2+0.00269xy（1）

式中：qu為無側(cè)限抗壓強(qiáng)度;x為養(yǎng)護(hù)齡期;y為固化劑摻量。

決定系數(shù)R2為0.93，說明所采用的擬合函數(shù)可以很好地體現(xiàn)無側(cè)限抗壓強(qiáng)度與齡期以及摻量的合理關(guān)系。

4 結(jié) 論

（1）通過極差以及方差分析得知生石灰的摻量對(duì)固化淤泥質(zhì)黏土的加固效果影響最為顯著，納米SiO2摻量的影響較為顯著，礦渣摻量對(duì)于固化效果的影響不顯著。

（2）綜合考慮復(fù)合土壤固化劑對(duì)淤泥質(zhì)土強(qiáng)度提升的效果、固化劑使用環(huán)境、經(jīng)濟(jì)效益等因素，最終確定復(fù)合土壤固化劑最優(yōu)配比為生石灰∶納米SiO2硅∶礦渣=32∶3∶65。

（3）采用最優(yōu)配比的復(fù)合土壤固化劑對(duì)淤泥質(zhì)黏土進(jìn)行土體固化，得到固化土強(qiáng)度與固化劑摻量、齡期的變化擬合結(jié)果，最終可以確定固化劑最佳摻量為10%，并且固化土強(qiáng)度隨著齡期的增長而增長，說明其對(duì)淤泥質(zhì)黏土具有較好的固化效果。

參考文獻(xiàn)：

[1] 徐日慶，王旭，文嘉毅，等.淺層淤泥質(zhì)土固化劑[J].上海交通大學(xué)學(xué)報(bào)，2019，53（7）：805-811.

[2] 何俊，石小康，栗志翔.水玻璃-堿渣-礦渣固化高含水率淤泥的強(qiáng)度性質(zhì)[J].工程地質(zhì)學(xué)報(bào)，2019，27（4）：729-736.

[3] 陳勝，王琦，岳云龍.高性能土壤固化劑的制備與性能[J].硅酸鹽通報(bào)，2006（1）：109-113.

[4] 楊林，張秉夏.TG-2 型土壤固化劑水泥石灰土的強(qiáng)度和穩(wěn)定性試驗(yàn)[J].公路交通科技，2013，30（9）：27-32.

[5 ] 方祥位，孫樹國，陳正漢，等.GT型土壤固化劑改良土的工程特性研究[J].巖土力學(xué)，2006（9）：1545-1548.

[6] 征西遙，劉秀秀，吳俊，等.超細(xì)水泥對(duì)固化軟土早期抗壓強(qiáng)度影響的試驗(yàn)研究[J].工程地質(zhì)學(xué)報(bào)，2020（1）：1-20.

[7] 易耀林，李晨，孫川.堿激發(fā)礦粉固化連云港軟土試驗(yàn)研究[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2013，30（9）：1820-1826.

[8] CHENG Y.Laboratory investigation of the strength development of alkali activated slag stabilized chloride saline soil[J].Zhejiang Univ-SciA（Appl Phys&Eng），2016，17（5）：389-398.

[9] 王東星，何福金，朱加業(yè).CO2碳化礦渣-CaO-MgO加固土效能與機(jī)理探索[J].2019，41（12）：2197-2206.

[10] 何晶，何建新.利用堿激發(fā)礦渣粉制備的土體固化劑的力學(xué)性能研究[J].新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2016，39（5）：414-418.

[11] LI S，ROY D M，KUMAR A.Quantitative determination of Pozzolanas in hydrated systems of cement or Ca（OH）2 whit fly ash or silica fume[J].Cement and Concrete Research，1985，15（6）：1079-1086.

[12] 王立峰.納米硅水泥土工程特性及本構(gòu)模型研究[D].杭州：浙江大學(xué)，2003.

[13] MOAYED R Z.Stabilization of saline silty sand using lime and micro silica[J].Journal of central South university of Technology，2012（19）：3006-3011.

[14] 馮巧，劉瑾，盧毅，等.一種復(fù)合加固劑改良砂土的強(qiáng)度試驗(yàn)研究[J].工程地質(zhì)學(xué)報(bào)，2017，25（4）：903-911.

[15] 郭柏林，汪益敏，陳頁開，等.離子土壤固化劑在低等級(jí)道路基層中的應(yīng)用研究[J].中外公路，2007（2）：120-123.

[16] RAYMEN P L.The effect of pulverized fuel ash on the C/S molar ratio and alkali content of calcium silicate hydrations in cement[J].Cement and Concrete Research，1982，12（1）：133-140.

（編輯：胡旭東）