合肥濱湖新區(qū)軟土固化最優(yōu)配比的試驗(yàn)研究

邵 艷，馬士雨

（安徽建筑大學(xué) 土木工程學(xué)院，安徽 合肥 230601）

濱湖新區(qū)坐落在巢湖之濱，該區(qū)域的地表分布著大量第四紀(jì)沉積層，其厚度在10 m 上下，東部基本無裸露的基巖，全境大部分為中新生代陸相地層。濱湖新區(qū)地質(zhì)特性分析表明[1]，濱湖新區(qū)地基土存在大量湖相軟土，具有抗壓強(qiáng)度低、含水率高等特點(diǎn)，不利于新區(qū)城市建設(shè)，針對(duì)其抗壓強(qiáng)度不高的問題，需要對(duì)軟土進(jìn)行固化處理。而目前大多數(shù)軟土固化研究，在濱海相軟土固化研究領(lǐng)域比較豐富[2-4]，對(duì)內(nèi)陸湖積軟土研究尚少。長期以來，軟土固化所使用的固化劑主要是水泥[5-6]，但是用水泥固化軟土的經(jīng)濟(jì)效益不高且污染環(huán)境。為此有學(xué)者已開展新型復(fù)合固化劑的相關(guān)研究，陳金洪等[7]通過研究?；郀t礦渣-氧化鎂復(fù)合固化劑的軟土固化試驗(yàn)，以連云港軟土為研究對(duì)象，對(duì)比水泥固化劑的固化效果，認(rèn)為?；郀t礦渣-氧化鎂復(fù)合固化劑通過水化產(chǎn)物的產(chǎn)生能有效減少軟土的孔隙體積，從而增強(qiáng)軟土的固化強(qiáng)度且高爐礦渣-氧化鎂復(fù)合固化劑的固化效果比水泥固化劑固化效果更好。王宏偉[8]通過活性MgO 激發(fā)粉煤灰的水化機(jī)理，用MgO 激發(fā)粉煤灰對(duì)軟土進(jìn)行固化處理，隨著MgO 摻量的增加，促進(jìn)了軟土中水化產(chǎn)物的產(chǎn)生從而改善軟土的強(qiáng)度特性。暢帥[9]以生石膏、生石灰、碳酸鈉作為復(fù)合固化劑的組成成分，認(rèn)為使用復(fù)合固化劑對(duì)杭州海相軟土的固化在一定條件下比水泥更加經(jīng)濟(jì)，且此三者摻入比對(duì)固化土強(qiáng)度的線性效應(yīng)顯著。然而，將MgO 和Na2SiO3作為GGBS[10]激發(fā)劑摻入軟土制備復(fù)合固化劑，用于固化軟土的學(xué)術(shù)報(bào)道還比較有限。

本文以三種摻量作為影響因子，以7 d 和28 d養(yǎng)護(hù)齡期的固化土無側(cè)限抗壓強(qiáng)度作為響應(yīng)值進(jìn)行無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)，基于CCD 法[11]研究三種影響因子之間的最優(yōu)配合比，得到固化土抗壓強(qiáng)度的最大值。該方法對(duì)合肥濱湖地區(qū)應(yīng)用礦渣類復(fù)合固化劑固化軟土有一定參考價(jià)值。

1 試驗(yàn)方法

1.1 試驗(yàn)材料

本次試驗(yàn)所用軟土試樣取自濱湖新區(qū)某工程基坑土，其基本物理指標(biāo)如表1 所示。固化劑GGBS 取自于南京某建材公司，外觀呈灰色粉末狀，可改善軟土壓實(shí)性、強(qiáng)度、耐久性、膨脹性等工程特性，其化學(xué)組成如表2 所示。所使用的MgO 為化學(xué)用活性MgO，取自天津博迪華工股份有限公司含量不低于98%，外觀呈白色疏松細(xì)粉末狀，可激發(fā)GGBS 水化活性，提高固化效率。Na2SiO3取自唐山宏潤硅酸鈉銷售有限公司生產(chǎn)的水玻璃原料，其中Na2SiO3含量要求不低于99.8%。

表1 土樣的物理指標(biāo)

表2 固化劑GGBS 組成成分

1.2 試樣制作與養(yǎng)護(hù)

固化土制樣過程如下：（1）將試驗(yàn)所需軟土?xí)窀珊笥们蚰C(jī)研磨成粉末狀，過2 mm 篩去除雜質(zhì)，然后在105～110℃烘箱中烘干，待質(zhì)量不再發(fā)生變化時(shí)取出；（2）根據(jù)課題組文獻(xiàn)參考[12-13]，確定GGBS，MgO，Na2SiO3的單摻范圍：8.642%～15.364%，0.986% ～6.024%，2.643% ～9.357%；（3）用攪拌設(shè)備把以上三者根據(jù)研究需要的配料攪拌至完全混合，再加入準(zhǔn)備好的干土，再次攪拌至均勻，然后注入適當(dāng)比例的水進(jìn)行第三次攪拌至均勻且粘稠，最終得到固化土的混合物；（4）將攪拌均勻的固化土混合料分3 層裝入高80 mm、直徑39.1 mm 且表面涂有一層凡士林的三瓣膜中，分層夯實(shí)排除氣泡并對(duì)其表面鑿毛處理；（5）三瓣膜兩端用玻璃片夾住，常溫下靜置1 d 后脫模處理，做好標(biāo)記，用密封袋裝好放入養(yǎng)護(hù)皿中進(jìn)行養(yǎng)護(hù)直到7 d 與28 d 的預(yù)期時(shí)間。經(jīng)過對(duì)應(yīng)時(shí)間的養(yǎng)護(hù)后，置于GDS 三軸儀內(nèi)做無側(cè)限抗壓強(qiáng)度測試，全部測試二十組，詳見圖1 和圖2。

圖1 三瓣膜放置試樣

圖2 GDS 試驗(yàn)操作儀器及數(shù)據(jù)自動(dòng)采集圖

1.3 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

本 次CCD 法 試驗(yàn)設(shè)計(jì)[14]采用3 因子（X1，X2，X3）、5 水平（-1.682，-1，0，1，1.682）來進(jìn)行試驗(yàn)，其中，X1，X2，X3為三個(gè)自變量因子，分別代表GGBS，MgO，Na2SiO3；-1.682，-1，0，1，1.682 分別代表試驗(yàn)自變量因子配比從低到高的水平值。CCD法試驗(yàn)總數(shù)為2K+2K+M0，其中，K 代表試驗(yàn)變量影響因素的總數(shù)，M0代表中心點(diǎn)處試驗(yàn)次數(shù)，K 取3，M0取6。xi的編碼轉(zhuǎn)換值如下：

式中xi為自變量；x0為不同影響因素在對(duì)應(yīng)取值范圍中心點(diǎn)處的值；Δxi為自變量xi以中心值x0為原點(diǎn)的變化步長。通過Design-Expert 軟件對(duì)所得試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，由此建立一個(gè)多元二次回歸方程的模型，該方程可模擬出自變量與預(yù)測值之間的關(guān)系，并通過下式描述為：

式中Y 為軟件模擬的預(yù)測值；k 為本試驗(yàn)的影響因子個(gè)數(shù)；β0為模型方程的截距；βi為線性系數(shù)；βij為兩個(gè)不同因素交互作用系數(shù)；βii為平方系數(shù)。

本次試驗(yàn)中，自變量分別選為粒化高爐礦渣GGBS、MgO 和Na2SiO3，且三者對(duì)應(yīng)的編碼值分別為X1，X2，X3對(duì)應(yīng)，由式（1）可得：

X1＝（x1-12%）/2%

X2＝（x2-3.5%）/1.5%

X3＝（x3-6%）/2%

以7 d 和28 d 無側(cè)限抗壓強(qiáng)度為因變量，采用軟件多元回歸模型對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，且每種因子的水平從左到右按從低到高排列，見表3所示。

表3 試驗(yàn)因素水平及其編碼水平

采用Design-Expert 軟件隨機(jī)建立的試驗(yàn)設(shè)計(jì)方案，依次按順序進(jìn)行試驗(yàn)。取影響因素的數(shù)量K為3，中心點(diǎn)處試驗(yàn)次數(shù)M0為6，分別進(jìn)行試驗(yàn)，所有因素的試驗(yàn)條件全部已知，得到的數(shù)據(jù)即經(jīng)過7 d 與28 d 養(yǎng)護(hù)齡期后的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度，分別用Y7和Y28表示，且Y7和Y28變化范圍分別為344～993 kPa、485～1 148kPa。具體結(jié)果見表4 所示。

表4 三因子五水平的CCD 法試驗(yàn)設(shè)計(jì)

2 試驗(yàn)?zāi)Ｐ徒Y(jié)果與數(shù)據(jù)分析

2.1 模型的建立與分析

應(yīng)用Design-Expert 軟件，對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行二次多項(xiàng)式擬合，求出回歸方程的F 值（F 分布檢驗(yàn)的統(tǒng)計(jì)量值）、P 值（概率值）和方程的相關(guān)系數(shù)，具體見表5 所示。

表5 7 d 和28 d 二階模型方程的方差分析

本試驗(yàn)采用F 分布對(duì)方差來源進(jìn)行分析并判斷其顯著性，其中 F 值為統(tǒng)計(jì)量的值[15]。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果設(shè)定其顯著性水平α=0.1。若P＜0.1 時(shí)，則認(rèn)定該項(xiàng)試驗(yàn)數(shù)據(jù)結(jié)果差異性對(duì)此結(jié)果有顯著影響，即判定為顯著項(xiàng)；若P＞0.1 時(shí)，即判定為非顯著項(xiàng)，一般去除非顯著項(xiàng)，并重新計(jì)算。由表5 可知，根據(jù)該試驗(yàn)結(jié)果選定α=0.1，在7 d 養(yǎng)護(hù)齡期結(jié)果中，X1X3和X2X3的P 值分別為0.809 2 和0.105 7均大于0.1，說明這兩項(xiàng)為非顯著項(xiàng)，可去除該項(xiàng)。同理，在28 d 養(yǎng)護(hù)齡期結(jié)果中，X1X2和X2X3兩者的P 值分別為0.138 1 和0.135 6 均大于0.1，也應(yīng)去除這幾項(xiàng)。將非顯著項(xiàng)去除后，調(diào)整后即可得到7 d 和28 d 的二次多項(xiàng)式回歸方程：

經(jīng)計(jì)算表明，去除不顯著項(xiàng)后，7 d 齡期和28 d齡期的模型均顯著，R2=0.971 4、R2=0.964 3 分別為修正前模型的相關(guān)系數(shù)，經(jīng)過修正的模型相關(guān)系數(shù)分別為R2=0.945 6、R2=0.932 2，因此可以得出結(jié)論，模型預(yù)測值與試驗(yàn)值相差不大。7 d 養(yǎng)護(hù)齡期的所有影響因素對(duì)抗壓強(qiáng)度的線性與曲面效應(yīng)均顯著，X1X2彼此的交互作用顯著；而28 d 養(yǎng)護(hù)齡期的所有影響因素對(duì)抗壓強(qiáng)度的線性與非線性作用都顯著，X1和X3彼此的相互作用顯著。

2.2 交互作用分析

為了分析三個(gè)影響因素彼此交互作用對(duì)固化土抗壓強(qiáng)度的影響，基于Design-Expert 軟件研究上述模型，將所需研究的兩種影響因子之外的第三種水平因子設(shè)為0，分別帶入式（3）、式（4）中，即可得到所需研究的兩種影響因子對(duì)應(yīng)的等值線和3D 響應(yīng)面圖形。

2.2.1 7 d 齡期時(shí)GGBS 和MgO 的交互作用與機(jī)制分析

由表5 方差結(jié)果分析，7 d 養(yǎng)護(hù)齡期下X1X2的P 值為0.0844，滿足小于α=0.1，X1X2交互作用差異顯著。運(yùn)用Design-Expert 軟件，在X3（Na2SiO3）作為第三種水平因子，并將其固定在0 水平的前提下，可得到X1X2（GGBS 和MgO）的彼此交互作用對(duì)固化土強(qiáng)度影響的等值線和3D 響應(yīng)面圖，具體見圖3 所示。

如圖3 所示，當(dāng)GGBS 摻入量在8.64%～15.36%之間時(shí)，7 d 養(yǎng)護(hù)齡期固化土的強(qiáng)度隨著GGBS 摻量的增加，呈現(xiàn)出先增大后減小的趨勢(shì)；當(dāng)MgO 摻入量在0.98%～3.74%之間時(shí)，7 d 養(yǎng)護(hù)齡期固化土的強(qiáng)度隨著MgO 摻量的增加呈增大的趨勢(shì)；而當(dāng)MgO 摻量在3.74%～6.02%之間時(shí)，7 d 養(yǎng)護(hù)齡期固化土的強(qiáng)度隨著MgO 摻量的增加呈現(xiàn)出減小的趨勢(shì)；當(dāng)GGBS 摻入量在12%，MgO 摻入量在3.5%時(shí)固化土強(qiáng)度接近峰值。

圖3 GGBS 和MgO 對(duì)7 d 齡期的強(qiáng)度交互作用的響應(yīng)面和等值線圖

其原因主要是活性MgO 粉狀物與H2O 發(fā)生反應(yīng)生成Mg（OH）2，為不易溶于水的顆粒物，這些不易溶于水的顆粒物填充在土顆粒表面的縫隙之間，從而使得土體更加密實(shí)，同時(shí)也為固化土體提供了堿性環(huán)境，使得反應(yīng)體系的pH 值增大。而GGBS在pH 在7 左右的堿性環(huán)境中與水接觸時(shí)，會(huì)促進(jìn)GGBS 的Al-O 鍵、Si-O 鍵等斷裂，在MgO 的激發(fā)作用下，生成大量的水化硅酸鈣（CSH）和水化鋁酸鈣（CAH）等膠凝物質(zhì)。這兩種膠凝物質(zhì)為土體顆粒提供了一層致密的保護(hù)膜，同時(shí)這些具有膠結(jié)凝聚性質(zhì)的水化產(chǎn)物吸附在土顆粒表面，使得土體連接在一起，增加凝聚性[16]，從而使固化土強(qiáng)度上升。其化學(xué)反應(yīng)方程如下：

而當(dāng)MgO 摻量＞3.5%時(shí)，MgO 摻量過多，活性MgO 粉狀物與H2O 發(fā)生反應(yīng)生成多余的Mg（OH）2沉淀物會(huì)以結(jié)晶的形式析出，使固化土內(nèi)部出現(xiàn)孔洞[17]，形成松散的結(jié)構(gòu)，不利于固化土強(qiáng)度的產(chǎn)生。隨著GGBS 摻量的增加，在MgO 的激發(fā)作用下生成大量的水化硅酸鈣（CSH）和水化鋁酸鈣（CAH）等膠凝物質(zhì)，減少了化學(xué)反應(yīng)的空間，同時(shí)消耗大量的Mg（OH）2，由于MgO 與水反應(yīng)的速率有限，導(dǎo)致Mg（OH）2不能及時(shí)得到補(bǔ)充，從而導(dǎo)致固化土的強(qiáng)度不升反降。

2.2.2 28 d 齡期時(shí)GGBS 和Na2SiO3的交互作用與機(jī)制分析

由表5 方差結(jié)果分析，28 d 養(yǎng)護(hù)齡期下，X1X3的P 值為0.0267，滿足小于α=0.1，X1X3交互作用差異顯著。運(yùn)用Design-Expert 軟件，在X2（MgO）作為第三種水平因子，并將其固定在0 水平的前提下，可得到X1X3（GGBS 和Na2SiO3）的彼此交互作用對(duì)固化土強(qiáng)度影響的等值線和3D 響應(yīng)面圖[18]，具體見圖4 所示。

如圖4 所示，當(dāng)GGBS 摻入量在8.64%～15.36%之間時(shí)，28 d 養(yǎng)護(hù)齡期固化土的強(qiáng)度隨著GGBS摻量的增加，呈現(xiàn)出先上升后下降的趨勢(shì)。當(dāng)Na2SiO3摻量在2.64%～6%之間時(shí)，28 d 養(yǎng)護(hù)齡期固化土的強(qiáng)度隨著Na2SiO3摻量的增加呈上升趨勢(shì)；而當(dāng)Na2SiO3摻量在6%～9.36%之間時(shí)，28 d 養(yǎng)護(hù)齡期固化土的強(qiáng)度隨著Na2SiO3摻量的增加呈現(xiàn)出減小的趨勢(shì)；當(dāng)GGBS 摻入量在12%，Na2SiO3摻入量在6%時(shí)固化土強(qiáng)度接近峰值。

圖4 GGBS 和Na2SiO3 對(duì)28 d 齡期強(qiáng)度交互作用的響應(yīng)面和等值線圖

原因主要是在反應(yīng)初期，由于Mg（OH）2的產(chǎn)生，使土體內(nèi)部呈堿性，對(duì)GGBS 的水化反應(yīng)起到催化作用。在pH 低于9 時(shí)，有利于Si-O鍵、Al-O 鍵、Ca-O 鍵以及Mg-O 鍵的破壞，易與Na2SiO3在水中電離出的硅酸根離子生成硅酸鈣沉淀和硅酸膠凝物質(zhì)并置換出NaOH，而此時(shí)少量的NaOH 也可以促進(jìn)GGBS 的水化反應(yīng)生成膠凝物質(zhì)，從而使固化土強(qiáng)度提升。其化學(xué)反應(yīng)方程如下：

隨著養(yǎng)護(hù)時(shí)間的延長，Na2SiO3摻量不斷加大，生成過多的NaOH，而NaOH 濃度過高時(shí)對(duì)Ca（OH）2、Mg（OH）2有一定的排擠作用，使得Ca（OH）2、Mg（OH）2以結(jié)晶的形式析出，從而使Na2SiO3的水化反應(yīng)逐漸減少，對(duì)固化土強(qiáng)度的提升不利。當(dāng)GGBS 的摻量不斷加大時(shí)，由于水化硅酸鈣（CSH）和水化鋁酸鈣（CAH）等膠凝物質(zhì)的生成，導(dǎo)致消耗大量的Mg（OH）2且不能及時(shí)得到補(bǔ)充，使固化土強(qiáng)度不斷減小。

2.3 最優(yōu)配比分析與模型檢驗(yàn)

通過Design-Expert 軟件對(duì)三種外摻劑之間的交互作用分析，我們可以獲取三個(gè)影響因素之間的最優(yōu)配合比：GGBS 為12.46%，MgO 為3.90%，Na2SiO3為6.73%。在最優(yōu)配合比的狀態(tài)下，對(duì)于固化土的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度而言，養(yǎng)護(hù)齡期為7 d 時(shí)該值可以達(dá)到1 015.04 kPa，養(yǎng)護(hù)齡期為28 d 時(shí)該值可以達(dá)到1 166.48 kPa。

為了保證上述模型的可靠度，將表4 中相應(yīng)數(shù)值代入式（3）、式（4），求出的預(yù)測值與實(shí)際值進(jìn)行比較，如表6 所示，其誤差不大，證明該模型可以進(jìn)行指導(dǎo)實(shí)際工程應(yīng)用。

表6 實(shí)測值與預(yù)測值對(duì)比

3 結(jié)論

（1）根據(jù)CCD 試驗(yàn)設(shè)計(jì)的研究分析表明：摻入復(fù)合固化劑的固化土經(jīng)過7 d 和28 d 的養(yǎng)護(hù)，三種影響因子對(duì)無側(cè)限抗壓強(qiáng)度的曲面和線性效應(yīng)均顯著，兩兩因素之間的交互作用有著一定的區(qū)別。7 d 養(yǎng)護(hù)齡期下GGBS 和MgO 的交互作用顯著；28 d 養(yǎng)護(hù)齡期下GGBS 和Na2SiO3的交互作用顯著。

（2）根據(jù)交互作用和機(jī)制分析可知：7 d 齡期的固化土抗壓強(qiáng)度均隨GGBS 和MgO 摻量的增加呈現(xiàn)出先增大再逐漸減小的變化趨勢(shì)。28 d 齡期Na2SiO3摻量在2.64%～6%之間時(shí)，固化土的強(qiáng)度隨著Na2SiO3摻量的增加而不斷增大；而當(dāng)Na2SiO3摻量在6%～9.36%之間時(shí)，28 d 養(yǎng)護(hù)齡期固化土的強(qiáng)度隨著Na2SiO3摻量的增加呈現(xiàn)出減小的趨勢(shì)；當(dāng)GGBS 摻入量在8.64%～15.36%之間時(shí)，28 d 養(yǎng)護(hù)齡期固化土的強(qiáng)度隨著GGBS 摻量的增加，呈現(xiàn)出先增加后減小的趨勢(shì)。

（3）通過Design-Expert 軟件對(duì)養(yǎng)護(hù)7 d 和28 d齡期的交互作用分析，發(fā)現(xiàn)GGBS、MgO 與Na2SiO3的最優(yōu)配比分別為12.46%、3.90%與6.73%。此配比下，7 d 和28 d 齡期的預(yù)估抗壓強(qiáng)度分別為1 015.04 kPa與1 166.48 kPa。驗(yàn)證試驗(yàn)的結(jié)果表明，預(yù)測值與實(shí)測值相接近，說明此種復(fù)合固化劑的配比方式可以有效改善濱湖新區(qū)軟土的固化效果。