高強粉質(zhì)黏土-水泥攪拌土固化劑配比研究

劉銀芳，胡椿華，秦金龍，童立紅，朱碧堂，郭易盟，李志平

（1.福建巖土工程勘察研究院有限公司，福建 福州 350001；2.華東交通大學(xué)江西省地下空間技術(shù)開發(fā)工程研究中心，江西 南昌 330013；3.核工業(yè)華東建設(shè)工程集團有限公司，江西 南昌 330013）

在SMW 工法中，水泥土攪拌墻常作為止水帷幕，未考慮其強度在基坑開挖支護中的貢獻(xiàn)。隨著綠色基坑支護技術(shù)的發(fā)展，有必要在滿足低滲透率基礎(chǔ)上，提高水泥土攪拌墻的強度，從而合理地考慮水泥土在支護結(jié)構(gòu)中的貢獻(xiàn)。粉質(zhì)黏土作為水泥土攪拌墻常用原材料，其強度低、結(jié)構(gòu)性差，往往需要通過合理的手段改良加固后才能應(yīng)用于實際工程建設(shè)中[1－2]。改良粉質(zhì)黏土強度的方法有很多，例如：夯實[3]、干濕循環(huán)[4]、凍融[5]以及外摻固化劑[6]等。經(jīng)過已有研究可知，通過物理的方法改變粉質(zhì)黏土的性質(zhì)對其強度影響都不大[7-9]。

經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)，外摻固化劑對粉質(zhì)黏土抗壓強度影響較為顯著，其中無機、有機類高分子合成材料或鹽溶液等固化劑通過水化反應(yīng)、離子吸附交換和凝聚作用等，增強土體內(nèi)部顆粒之間的聯(lián)結(jié)作用，從而使土體更加密實和穩(wěn)定[10]。江守慈等[11]對不同水泥摻入比（20%、25%和30%）水泥土的強度特性進行了分析，試驗結(jié)果表明隨著水泥摻入比的提高，水泥土的無側(cè)限抗壓強度相應(yīng)增大。Phetchuay 等[12]在粉質(zhì)黏土中加入粉煤灰和電石渣，研究發(fā)現(xiàn)兩種材料能提高其工程性能。何財勝等[13]將不同摻量的水泥、石膏和水玻璃加入水泥土中進行室內(nèi)強度試驗，通過對試驗結(jié)果比較分析發(fā)現(xiàn)三種材料對水泥土強度的影響程度大小，并且得到最優(yōu)固化劑配合比，確定了摻合料的摻入量與水泥用量之間存在一個比例關(guān)系。Nalbantoglu 等[14]在黏土中加入石灰和粉煤灰可以有效地改良黏土的物理性質(zhì)，例如減小其膨脹性和可壓縮性等。Bozbey 等[15]使用不同摻量石灰對黏土進行改良，對試驗結(jié)果分析發(fā)現(xiàn)，石灰能夠有效地提高了黏土的塑性、壓縮強度等力學(xué)性質(zhì)。根據(jù)以上學(xué)者的研究表明，水泥、水玻璃、石灰和石膏等固化劑對粉質(zhì)黏土無側(cè)限抗壓強度都有一定增強效果，且攪拌土無側(cè)限抗壓強度與加入的固化劑種類有關(guān)，不同固化劑對其抗壓強度影響程度不同。

本文以南昌地區(qū)粉質(zhì)黏土為例，通過正交試驗探究水泥摻入比、水玻璃摻量、生石膏摻量和生石灰摻量對水泥攪拌土的抗壓強度的影響，最終確定固化劑最優(yōu)配比組合，并且通過掃描電鏡試驗，對高強粉質(zhì)黏土-水泥攪拌土的微觀結(jié)構(gòu)進行了分析，闡述了高強水泥攪拌土的產(chǎn)生機理。

1 試驗

1.1 試驗材料

本試驗采用南昌市地鐵4 號線七里站地段粉質(zhì)黏土作為原料土，隨機從中取出部分土樣進行室內(nèi)物理試驗，得到其力學(xué)指標(biāo)如表1 所示。先將原料土放入烘箱中進行烘干處理，溫度控制在105 ℃左右，時間超過8 h，之后用工具擊碎烘干后的土樣，過5 mm 篩出去大粒徑雜質(zhì)，最后將制備好的土放置于密封塑料桶中以備試驗使用。

表1 試驗土樣的物理參數(shù)Tab.1 Physical parameters of the test soil samples

本試驗用主固化劑為普通硅酸鹽水泥，標(biāo)號等級為42.5，江西贛江海螺水泥有限責(zé)任公司生產(chǎn)。試驗用外摻劑有生石膏：主要成分為CaSO4·2H2O；生石灰：其主要成分為CaO，灼燒后氧化鈣含量不低于98%；水玻璃，硅酸鈉水溶液，呈無色半透明黏稠狀；萘系減水劑：萘磺酸鹽甲醛縮合物，呈褐色粉末狀；砂：產(chǎn)自南昌市天然河砂，細(xì)度模數(shù)為3.32。

1.2 正交試驗方案

本試驗采用正交試驗設(shè)計安排，對照組配比為水泥摻量20%、萘系減水劑摻量1.5%，將該正交試驗基準(zhǔn)組命名為S 組。在此基礎(chǔ)上，本文確定4 個考察因素，分別為：水泥摻量、水玻璃摻量、生石膏摻量和生石灰摻量，對應(yīng)將4 個因素命名為：因素A、因素B、因素C 和因素D，其中每個因素包含4個水平，采用正交表為L16（44），所選用的因素及對應(yīng)水平列于表2。

表2 正交試驗方案的因素水平表Tab.2 Factor levels for the orthogonal test protocol%

1.3 試樣的制備

試驗制作時，先稱取一定質(zhì)量的干土樣置于立式砂漿攪拌機，按照設(shè)計含水率加水?dāng)嚢柚辆鶆颍僖来渭尤胍欢ū壤乃嗪透魍鈸絼┙M分充分?jǐn)嚢?，并按照水灰比的設(shè)定，加入一定量的水，充分?jǐn)嚢柚辆鶆蚝蟮玫桨韬臀?，待用于制樣。根?jù)《水泥土配合比設(shè)計規(guī)程》（JGJ/T 233—2011）的規(guī)定，每組配合比制作12 個邊長70.7 mm 的立方體試塊，該正交試驗共16組，共計制備192 個有效試樣。待試樣制作完成后，隨后進行拆模、養(yǎng)護，待養(yǎng)護齡期達(dá)到7 d 和28 d 后將其取出，進行強度試驗。拆模前水泥土試塊如圖1 所示。

圖1 水泥土試樣Fig.1 Cement soil specimen

1.4 掃描電鏡試驗

本次試驗采用掃描電子顯微鏡（SEM）對水泥攪拌土的微觀結(jié)構(gòu)特性以及內(nèi)部微觀形貌進行觀測和分析。

2 試驗結(jié)果與分析

2.1 正交試驗結(jié)果

水泥土試塊養(yǎng)護到7 d 和28 d 后分別進行無側(cè)限抗壓強度試驗，對應(yīng)試驗方案及計算結(jié)果如表3。

表3 7 d 和28 d 齡期正交試驗表Tab.3 Orthogonal test at 7 d and 28 d

根據(jù)正交試驗設(shè)計，以水泥土7 d 和28 d 無側(cè)限抗壓強度為評價指標(biāo)，由正交試驗結(jié)果可以得到每個因素各個摻量水平下攪拌土的強度值，并繪制其影響趨勢圖，如圖2（a）和圖3（b）所示。

圖2 7 d 各因素的實際摻量與抗壓強度的關(guān)系Fig.2 Relationship between the actual dosing and compressive strength of each factor at 7 d

圖3 28 d 各因素的實際摻量與抗壓強度的關(guān)系Fig.3 The relationship between the actual dosing and compressive strength of each factor at 28 d

對比圖2（a）和圖3（b）可知，7 d 和28 d 齡期時四個因素在各水平摻量下與攪拌土抗壓強度的關(guān)系趨勢比較相近。從圖2（a）和圖3（b）可以看出，當(dāng)水泥摻入比從16%提升至24%過程中，攪拌土的無側(cè)限抗壓強度一直增長，但隨著水泥摻入比增加到28%，強度反而減小。同樣，隨著水玻璃和生石膏的摻入比變大，攪拌土的無側(cè)限抗壓強度總體呈現(xiàn)上升趨勢。但在攪拌土28 d 齡期時，水玻璃摻入比從0%增長到2%其無側(cè)限抗壓強度反而減?。辉跀嚢柰? d 齡期時，石膏摻入比從0%增長至3%其無側(cè)限抗壓強度也在減小。對于生石灰，在其摻入比達(dá)到2%的時候，攪拌土的無側(cè)限抗壓強度達(dá)到最大。攪拌土強度增加的原因是生成水化產(chǎn)物：鈣礬石晶體和硅酸鈣凝膠，它們相互結(jié)合填充孔隙，使攪拌土內(nèi)部更加緊實。

另外，結(jié)合表3 給出的正交試驗中各種固化劑對攪拌土7 d 齡期無側(cè)限抗壓強度影響的試驗結(jié)果，養(yǎng)護齡期為7 d 時，第12 組試驗的強度是最高的，其值為3.2 MPa，相較于基準(zhǔn)對照組2.3 MPa，強度提升了39%，其試驗條件為：A3B4C2D1，此時試驗配比為：水泥摻入比24%、水玻璃6%、生石膏2%、生石灰0%。由表4 可知，養(yǎng)護齡期為28 d 時，第12 組試驗的強度也是最高的，其值為8.6 MPa，同比基準(zhǔn)對照組5.7 MPa，攪拌土強度提升了51%，其試驗條件為：A3B4C2D1。對試驗結(jié)果分析發(fā)現(xiàn)，生石灰對攪拌土抗壓強度的影響略大于生石膏。

表4 正交試驗極差表Tab.4 Range of orthogonal test

綜合上述試驗結(jié)果與分析，在攪拌土的正交試驗中，使用第12 組配合比澆筑時攪拌土強度達(dá)到最大值，因此選定用于粉質(zhì)黏土固化改良的最優(yōu)配比為：水泥摻入比24%、水玻璃6%、生石膏2%、生石灰0、萘系減水劑1.5%。為了方便表述，將此配比中的外摻劑命名為固化劑DH?；谡辉囼?，推薦在水灰比為1.5、粉質(zhì)黏土含水率為12%左右的條件下使用固化劑DH。

2.2 極差分析

按照正交試驗的分析方法，對表3 結(jié)果進行處理，得到正交試驗極差表，見表4。

由表4 中抗壓強度的各因素極差值可以看出，攪拌土試塊7 d 齡期和28 d 時水泥摻量對攪拌土抗壓強度的影響最大，這也與一般規(guī)律吻合，其次是水玻璃摻量，但在攪拌土試塊7 d 齡期時生石灰摻量比生石膏摻量對攪拌土抗壓強度影響大，而28 d 齡期時正好相反。

2.3 方差分析

以28 d 無側(cè)限抗壓強度試驗結(jié)果為例，進行單變量方差分析，結(jié)果如表5 所示。

表5 28 d 無側(cè)限抗壓強度試驗結(jié)果方差分析Tab.5 Variance analysis of 28 d lateral limitless compressive strength test results

F0.01（3，6）=9.78，F(xiàn)0.05（3，6）=4.76，F(xiàn)0.1（3，6）=3.29。如果F＞F0.01（3，6），則說明該因素對指標(biāo)有顯著影響，即用符號“＊＊”表示；如果F0.05（3，6）＜F＜F0.01（3，6），則說明該因素對指標(biāo)有一定程度影響，即用符號“＊”表示；如果F0.1（3，6）＜F＜F0.05（3，6），則說明該因素對指標(biāo)有影響；如果F＜F0.1（3，6），則說明該因素對指標(biāo)幾乎沒有影響。

由表5 可知，水泥摻入比和水玻璃摻量對攪拌土28 d 抗壓強度均有顯著影響，但水泥摻量是影響攪拌土的主要因素，其次是水玻璃摻量，生石膏摻量和生石灰摻量對攪拌土28 d 抗壓強度有一定程度影響。這與極差分析結(jié)果略有不同，但都證明了添加這4 種外摻劑是改良攪拌土的有效加固手段。

2.4 因素指標(biāo)分析

由于極差分析法的局限性，不能很準(zhǔn)確地證實各因素對指標(biāo)的影響，同時不能把試驗條件改變引起的數(shù)據(jù)波動和由誤差的數(shù)據(jù)波動區(qū)分開[16]，為減小誤差，需對各因素貢獻(xiàn)率的計算進行分析，各因素貢獻(xiàn)率結(jié)果見表6。

表6 28 d 抗壓強度下各因素與誤差的貢獻(xiàn)率結(jié)果Tab.6 Results of the contribution of each factor to the error at 28 d compressive strength

由表6 中攪拌土28 d 抗壓強度下各因素與誤差的貢獻(xiàn)率結(jié)果可知，水泥摻量對28 d 抗壓強度的影響程度最大，這與極差分析結(jié)果一致，水玻璃摻量次之。同時從表中結(jié)果可知，生石灰摻量和生石膏摻量引起的數(shù)據(jù)波動均大于誤差引起的數(shù)據(jù)波動，其中生石膏對應(yīng)的數(shù)據(jù)波動在4 個因素中最小。

2.5 高強水泥攪拌土機理分析

為了進一步分析粉質(zhì)黏土改良后強度提升的機理，分別對粉質(zhì)黏土原狀土和經(jīng)過最優(yōu)配比固化劑改良過的水泥土開展了掃描電鏡試驗。圖4 和圖5 為粉質(zhì)黏土改良前后在放大4 000 倍下的SEM圖像。由圖4 可知，土體內(nèi)部的物質(zhì)以片狀和顆粒狀為主，片狀土質(zhì)間存在裂縫，局部出現(xiàn)土顆粒堆積，整體來看孔隙較大，顆粒物間膠結(jié)程度差，這也導(dǎo)致土體結(jié)構(gòu)疏松和強度低的原因。由圖5可以清晰地看出，土顆粒之間的孔隙基本都由凝膠物質(zhì)填充，其表面已被絕大多部分膠結(jié)物質(zhì)所覆蓋，材料中顆粒之間的孔隙明顯減小，分散的顆粒逐漸形成團聚狀結(jié)構(gòu)，攪拌土的密實性大幅度提高，攪拌土抗壓強度的得以提升，這也說明多種外摻劑在合理配比下對粉質(zhì)黏土改良效果良好。

圖4 粉質(zhì)黏土原狀土的SEM 圖像Fig.4 SEM image of a silty clay in situ soil

圖5 正交試驗最優(yōu)配比組的SEM 圖像Fig.5 SEM image of the optimal ratio group from the orthogonal test

水泥土結(jié)構(gòu)的密實性主要受硅酸鹽水泥與水起水化反應(yīng)的程度及相應(yīng)產(chǎn)物多少的影響，而外摻劑的作用機理正是推動水泥土微觀結(jié)構(gòu)朝有利于提高強度和耐久性的方向發(fā)展。水玻璃加入水泥土中能夠加速漿液的凝結(jié)，同時作為原材料參與水化反應(yīng)。生石灰的摻入可以直接在固化土中間接補充足夠的Ca2+和OH-離子濃度，促進攪拌土中水泥水化速率提升，使得早期水化硅酸鈣形成，顯著增強攪拌土的早期抗壓強度。生石膏與水泥反應(yīng)生成大量水化產(chǎn)物，并且水化產(chǎn)物不斷膨脹，使水泥土的結(jié)構(gòu)不斷密實，強度增長，承載力提高。上述幾種材料按照合理的比例加入攪拌土中，能夠大幅度提升攪拌土的力學(xué)性能。

3 結(jié)論

1）通過極差分析法對正交試驗結(jié)果進行分析，對攪拌土的抗壓強度影響程度從大到小依次為水泥摻量，水玻璃摻量，生石膏和生石灰摻量。

2）對試驗結(jié)果進行單因素方差分析，可知影響攪拌土無側(cè)限抗壓強度的主要因素為水泥摻入比和水玻璃摻量，而生石膏摻量和生石灰摻量是對攪拌土無側(cè)限抗壓強度有一定程度影響。

3）確定粉質(zhì)黏土固化改良的最優(yōu)配比為水泥摻入比24%、水玻璃6%、生石膏2%、生石灰0%、萘系減水劑1.5%，并推薦在水灰比為1.5、粉質(zhì)黏土含水率為12%時使用。經(jīng)過DH 固化劑改良后，粉質(zhì)黏土可以在標(biāo)準(zhǔn)齡期28 d 時強度可以達(dá)到8.6 MPa。

4）高強粉質(zhì)黏土-水泥攪拌土的改性機理主要包括：攪拌土的力學(xué)特性離不開水泥的水化和凝結(jié)硬化、土顆粒中的離子交換與團?；饔靡约疤妓峄饔玫龋话凑找欢ê侠砼浔认碌墓袒瘎┛梢詭椭纳铺岣咄寥纏H 值、增加溶液Ca2+濃度，激發(fā)活性礦物解離并不斷參與水化反應(yīng)生成凝膠性物質(zhì)，有助于強化微觀骨架，使得攪拌土的抗壓強度等宏觀力學(xué)性能大幅度提升。