復(fù)合型地聚合物加固軟土的微觀性能研究

譚 健

(廣東冠迪建設(shè)有限公司 廣州市 510000)

0 引言

在沿海地區(qū)道路工程施工建設(shè)中常遇到軟土路基，但是軟土不能提供路基所需的承載力，因此需要對軟土路基進行加固處理使其能達到道路施工建設(shè)的需求[1]。攪拌樁是一種有效地處理軟土地基的手段，常用生石灰作為固化劑加固軟土，在瑞典研發(fā)了深層攪拌技術(shù)；而現(xiàn)在常用波特蘭水泥作為固化劑，因為它易于獲得，價格低廉[2]；但對于某些軟體土質(zhì)，僅使用水泥加固軟土的效果卻不明顯，從而局限了該方法的使用范圍[3]。由于堿性材料具有良好膠凝特性，進而引起了學(xué)者研究的興趣[4]。地聚合物材料價格低廉、污染小，具備良好的力學(xué)性能和耐腐蝕性能，是一種環(huán)境友好的新型堿性建筑材料，應(yīng)用前景非常廣泛[5-7]。

在實驗室采用地聚合物處理軟土，測定齡期為7d、28d及60d地聚合物土試件的無側(cè)限抗壓強度和抗剪強度等力學(xué)指標(biāo)，分析地聚合物加固軟土影響因素，結(jié)合試驗路段現(xiàn)場取芯地聚合物處理軟土試樣進行靜載荷試驗，分析其效果。所研究的內(nèi)容可為軟土路基處理提供新的解決方法，對軟土路段路基處理具有重要施工指導(dǎo)意義。

1 原材料與正交試驗分析

1.1 原材料

以復(fù)合型地聚合物作為固化劑、試驗路段取出的軟土作為土樣，42.5水泥、水作為輔助材料進行研究。

(1)復(fù)合型地聚合物。以粉煤灰、礦渣、石灰為礦物原材料，硅酸鈉作為堿激發(fā)劑，配成復(fù)合型地聚合物。其性能指標(biāo)如表1所示。

表1 DW型地聚合物的性能指標(biāo)

(2)軟土。試驗路段施工現(xiàn)場取軟土試樣，將其粉碎、烘干，經(jīng)5mm篩子篩分，軟土的技術(shù)指標(biāo)如表2所示。

表2 軟土的技術(shù)指標(biāo)

1.2 試驗方案

采用正交試驗分析地聚合物摻量、含水率和攪拌時間對地聚合物處理軟土路基的力學(xué)強度影響。通過查閱相關(guān)文獻，在配合比設(shè)定方面，首先選擇復(fù)合型地聚合物摻入比為9%、11%、13%，含水率按天然含水率2%等指標(biāo)進行控制，水灰比取0.5。將所選用的不同配合比制成立方體(70.7mm×70.7mm×70.7mm)以及圓柱體(直徑61.8mm、高20mm)試件，按照要求養(yǎng)護到規(guī)定齡期，而后對試件進行無側(cè)限抗壓強度和無側(cè)限抗剪強度測試。

1.3 正交試驗結(jié)果與分析

1.3.1正交試驗結(jié)果

試件達到養(yǎng)護齡期為7d、28d、60d的抗壓強度和抗剪強度測試結(jié)果見表3，表中A為聚合物摻入量，A1摻量為9%，A2摻量為11%，A3摻量為13%；B為軟土含水率，B1含水率為47%，B2含水率為49%，B3含水率為51%；C為攪拌時間，C1攪拌時間為180s，C2攪拌時間為360s，C3攪拌時間為540s。

表3 正交試驗設(shè)計及強度測試結(jié)果

1.3.2正交實驗結(jié)果分析

對表3中7d、28d、60d齡期時的復(fù)合型地聚合物土試件進行無側(cè)限抗壓強度測試和抗剪強度測試結(jié)果進行極差分析，如表4、表5所示，各個因素對地聚合物處理軟土的抗壓強度、抗剪強度的關(guān)系如圖1、圖2所示。

表4 不同因素下抗壓強度的極差分析

表5 不同因素下無側(cè)限抗剪強度的極差分析

圖1 不同因素與抗壓強度之間關(guān)系圖

圖2 不同因素與抗剪強度之間關(guān)系圖

由表4和表5計算結(jié)果可知不同養(yǎng)護齡期下復(fù)合型地聚合物土試件的無側(cè)限抗壓強度與抗剪強度變化基本相同，影響試件力學(xué)強度的因素大小關(guān)系為A>B>C。

當(dāng)A因素(地聚合物)摻量由9%增加到13%時，地聚合物加固軟土的抗壓強度和抗剪強度也隨之增加；根據(jù)圖1和圖2的曲線可知在養(yǎng)護齡期28～60d比7～28d的增長速度快，表明在養(yǎng)護后期試件力學(xué)強度形成較快，且地聚合物摻量與力學(xué)強度具有相關(guān)性，結(jié)合地聚合物加固軟土的經(jīng)濟性，選用復(fù)合型地聚合物摻量為13%。

隨著B因素(軟土含水率)的增大，地聚合物加固軟土試件的抗壓強度及抗剪強度呈逐漸遞減趨勢，含水率的高低也會影響地聚合物土的均勻程度，因此選用含水率為47%。

在不同的攪拌時間條件下地聚合物加固軟土試件力學(xué)強度變化很小，表明攪拌時間對試件強度影響較小，為了使地聚合物土達到最好效果，因此攪拌時間選擇為540s。優(yōu)選出地聚合物土試件的最終配合比為A3B1C3，即地聚合物摻量為13%、含水率為47%和攪拌時間為540s。

2 復(fù)合型地聚合物土力學(xué)性能研究

2.1 復(fù)合型地聚合物土的抗壓強度與抗剪強度關(guān)系

抗剪強度和抗壓強度是表征土力學(xué)性能的指標(biāo)，為了研究復(fù)合型地聚合物加固軟土試件的力學(xué)強度之間的關(guān)系，對齡期為60d地聚合物土試件進行抗壓強度與抗剪強度試驗，其結(jié)果如表6所示。

表6 復(fù)合型地聚合物土的抗壓強度與抗剪強度結(jié)果

通過表6可知復(fù)合型地聚合物土試件的力學(xué)強度具有正相關(guān)性。當(dāng)抗壓強度值fcu處于3.75～4.73MPa時，其抗剪強度值為0.753～1.52MPa以及內(nèi)摩擦角在34°～47°之間波動，其抗壓強度值大約為抗剪強度值的3.03～5.12倍。

2.2 不同方式加固軟土的力學(xué)特性

為了研究地聚合物及水泥作為固化劑處理軟土的力學(xué)特性，在保持相同條件下對養(yǎng)護齡期為60d的原狀土、水泥土以及地聚合物土進行無側(cè)限抗壓強度試驗研究，選用地聚合物及水泥的摻量為9%、11%、13%，天然含水率為47%，攪拌時間為540s。

表7 不同摻量下地聚合物及水泥加固軟土的抗壓強度

由表7可知原狀土抗壓強度值是0.04MPa，而摻量為9%的地聚合物土和水泥土的抗壓強度值分別為3.60MPa、2.98MPa，分別相比于原狀土抗壓強度值提高了89倍、74倍，且地聚合物土抗壓強度是水泥土抗壓強度的1.21倍；摻量增加到13%時，地聚合物土、水泥土的抗壓強度值分別為4.46MPa、3.47MPa，相比于原狀土抗壓強度值提高了114倍、85倍。水泥和地聚合物加固軟土能提高軟土抗壓強度，而在相同摻量條件下地聚合物土試件的抗壓強度比水泥土抗壓強度要高。

3 復(fù)合型地聚合物土微觀性能研究

通過微觀結(jié)構(gòu)研究地聚合物土作用機理，分析復(fù)合型地聚合物土微觀結(jié)構(gòu)對宏觀性能的影響。采用SEM電鏡掃描分析28d地聚合物土試件以便更好研究地聚合物土的微觀特性。

采用不同摻量復(fù)合型地聚合物加固軟土試件進行電鏡掃描測試，試件樣品大小為10mm×10mm×10mm，在試驗前應(yīng)采用粗砂紙對試驗樣品進行打磨平整、拋光，采用熱傳導(dǎo)性好的金屬噴射在試樣表面，最后對試樣進行烘干至無水分后備用。圖3為試件經(jīng)電鏡掃描放大5000倍的測試結(jié)果[8-10]。

圖3 不同摻量地聚合物土微觀結(jié)構(gòu)圖

從圖3(a)中可以看出原狀土試件結(jié)構(gòu)分布著較多密集孔隙，骨架具有松散性，堆積而成土顆粒。圖3(b)為摻量為10%地聚合物土，試件表面有大量白色結(jié)晶體覆蓋在土體表面，使土粒粘結(jié)為一個整體結(jié)構(gòu)，地聚合物經(jīng)過水化會產(chǎn)生類沸石前驅(qū)體，而后變?yōu)榉蔷辔镔|(zhì)與土顆粒相互結(jié)合為整體，致使孔隙減少，軟土的剪切、抗壓和抗?jié)B性能得到提升。觀察圖3(b)～圖3(d)可發(fā)現(xiàn)不同摻量的地聚合物土試件密度不同，隨著地聚合物摻量的增加，地聚合物土致密性越高，試件宏觀力學(xué)性能越好。

4 地聚合物處理軟土的穩(wěn)定性驗算

為了測試試驗路段地聚合物處理軟土地基的效果，采用堆載法對抽檢的3根攪拌樁進行逐級加載的靜載荷試驗，其檢測結(jié)果如表8所示。由測試結(jié)果可知，聚合物攪拌樁承載能力和力學(xué)強度、攪拌樁樁體的完整性，均達到設(shè)計規(guī)范要求，合格率為100%，因此采用地聚合物攪拌路基軟土能夠起到良好的效果。

表8 攪拌樁靜載荷檢測結(jié)果

5 結(jié)語

(1)影響復(fù)合型地聚合物加固軟土路基力學(xué)強度的主要因素是地聚合物摻量，隨著養(yǎng)護時間和地聚合物摻量的增加會使其力學(xué)強度值增加，但隨著軟土中含水率的增加而減??；在相同條件下養(yǎng)護時間為60d地聚合物處理軟土路基的無側(cè)限抗壓強度fcu與無側(cè)限抗剪強度τ之間關(guān)系為τ=0.26fcu。

(2)復(fù)合型地聚合物水化形成類沸石前驅(qū)體晶體填充軟土顆粒間空隙率降低，致使軟土體系結(jié)構(gòu)更加密實，進而可提高軟土力學(xué)強度。

(3)結(jié)合試驗路段現(xiàn)場鉆孔取芯的穩(wěn)定性驗算分析、抗壓強度試驗和靜載荷檢測，地聚合物攪拌樁樁體具有良好的完整性且攪拌均勻，抗壓強度、靜載承載力值能夠滿足軟土地基設(shè)計要求。