粉煤灰礦渣基地聚物對(duì)軟土加固效果的影響研究*

李松波

（中南勘察基礎(chǔ)工程有限公司，湖北武漢 430081）

地聚物在20 世紀(jì)70 年代由Davidovit 提出[1]，主要由堿激發(fā)劑激發(fā)硅鋁酸鹽，是目前在建筑領(lǐng)域被認(rèn)為最具前景的綠色新型材料[2]。它既具有比水泥更優(yōu)異的性能，又具有生產(chǎn)工藝簡(jiǎn)單、能耗少、環(huán)境污染小等優(yōu)點(diǎn)[3-7]，在土木工程材料[8]、快速修補(bǔ)材料[9]、防護(hù)涂料[10]、軟土地基加固[11]、固化化學(xué)污染和放射性廢物[12]等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。粉煤灰礦渣基地聚物在降低水泥生產(chǎn)、使用過(guò)程中碳排放量的同時(shí)，還可以有效消耗粉煤灰以及礦渣兩種工業(yè)固體廢棄物，起到雙重環(huán)境保護(hù)的效果。因此，本文針對(duì)地聚物在軟土地基加固領(lǐng)域的應(yīng)用展開(kāi)研究，制備不同礦渣摻量和堿摻量的地聚物試樣，在基于力學(xué)強(qiáng)度找出最佳礦渣摻量和堿摻量的基礎(chǔ)上，開(kāi)展了不同地聚物摻量和初始含水率的加固軟土的抗壓強(qiáng)度、內(nèi)聚力、內(nèi)摩擦角測(cè)試，找出最佳軟土加固的地聚物配比。本文的研究成果可為地聚物在軟土加固方面的應(yīng)用提供理論基礎(chǔ)。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 材料及儀器

實(shí)驗(yàn)材料由粉煤灰、礦渣、水玻璃、NaOH 、水泥、軟土和水組成。其中，粉煤灰選自河南怡晟公司，符合一級(jí)粉煤灰標(biāo)準(zhǔn)；礦渣選自河南恒揚(yáng)實(shí)業(yè)有限公司，符合S105 等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)；水玻璃選自山東優(yōu)索化工科技有限公司，符合一級(jí)水玻璃標(biāo)準(zhǔn)；NaOH 選自河南維聯(lián)精細(xì)化工有限公司，純度大于99%；水泥選用市售P.O42.5 普通硅酸鹽水泥；軟土取自武漢市長(zhǎng)江沿岸某基坑埋深3～6m 處。利用熒光光譜分析實(shí)驗(yàn)分析粉煤灰和礦渣的主要礦物成分，結(jié)果見(jiàn)表1。

記得在我七八歲的時(shí)候，家里人就不讓我睡懶覺(jué)，爺爺經(jīng)常說(shuō)的兩句話：“晚上不睡是賴(lài)人，早上不起是病人?！薄霸缢缙鸩蝗鞘欠恰！币茵B(yǎng)成良好的起居習(xí)慣。

表1 粉煤灰和礦渣的主要礦物成分含量（%）Tab.1 Main mineral components content of fly ash and slag

現(xiàn)場(chǎng)取樣開(kāi)展軟土的原狀土樣實(shí)驗(yàn)，軟土的基本力學(xué)性質(zhì)見(jiàn)表2。

(3)加強(qiáng)反濾排水措施。設(shè)置適當(dāng)級(jí)配的砂反濾層，用以截留壩體中的細(xì)顆粒，保證不流出壩體，減少流土和管涌風(fēng)險(xiǎn)。當(dāng)出現(xiàn)管涌時(shí)，具體措施有設(shè)置反濾圍井、反濾層壓蓋、透水壓滲平臺(tái)、蓄水反壓方式。

表2 軟土的基本力學(xué)性質(zhì)Tab.2 Basic mechanical properties of soft soils

抗壓強(qiáng)度測(cè)試選用WAW-300B 型微機(jī)伺服萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)，內(nèi)聚力、內(nèi)摩擦角測(cè)試選用南京土壤儀器廠生產(chǎn)的ZJ 型應(yīng)變控制式直剪儀。

1.2 實(shí)驗(yàn)方案

由圖1（b）可見(jiàn)，當(dāng)保持礦渣摻量不變時(shí)，隨著堿摻量的增大，粉煤灰礦渣地聚物凈漿的28d 抗壓強(qiáng)度均出現(xiàn)了先增大后減小的變化規(guī)律，原因在于，適量的OH-能夠加快粉煤灰礦渣中水化反應(yīng)原物質(zhì)的溶解和反應(yīng)，提高凈漿的抗壓強(qiáng)度；但一旦OH-過(guò)多則會(huì)導(dǎo)致凈漿后期硅鋁酸鹽反應(yīng)受阻，結(jié)構(gòu)電負(fù)性失去平衡，其強(qiáng)度反而降低。礦渣摻量分別為10%、20%、30%、40%、50%時(shí)，最合適的堿摻量分別為8%、10%、10%、11%、12%，可見(jiàn)，礦渣摻量越高，合適的堿摻量也越高。

2.2.1 粉煤灰礦渣地聚物對(duì)加固土抗壓及抗剪強(qiáng)度的影響 當(dāng)在軟土中摻加不同質(zhì)量的粉煤灰礦渣地聚物時(shí)，養(yǎng)護(hù)7d 和28d 后加固土的抗壓強(qiáng)度變化見(jiàn)圖2。

當(dāng)保持水膠比以及堿激發(fā)劑模數(shù)分別為0.3 和1.0 不變時(shí)，分別改變礦渣摻量和堿摻量，測(cè)試地聚物28d 抗壓強(qiáng)度，結(jié)果見(jiàn)圖1。

表3 實(shí)驗(yàn)方案（wt%）Tab.3 Test scheme

表3 中，礦渣摻量是指礦渣在膠凝材料中的質(zhì)量占比；堿摻量是指水玻璃中Na2O 在膠凝材料中的質(zhì)量占比。水膠比保持0.3 不變，激發(fā)劑模數(shù)為1.0。

依據(jù)地聚物力學(xué)測(cè)試結(jié)果選取最佳低聚配比后，分別在軟土中摻加4%、8%、12%、16%以及20%的地聚物進(jìn)行加固，并對(duì)加固效果進(jìn)行抗壓強(qiáng)度、內(nèi)聚力、內(nèi)摩擦角分析，找出最佳的地聚物配比。

2 結(jié)果與討論

2.1 地聚物配比實(shí)驗(yàn)

人體內(nèi)含量最多的脂類(lèi)為T(mén)G，體內(nèi)絕大多數(shù)組織均可利用TG分解的產(chǎn)物供給能量，其主要在脂肪組織中貯存。當(dāng)體內(nèi)的TG含量升高時(shí)，膽固醇酯轉(zhuǎn)移蛋白活性增加，VLDL中更多的TG轉(zhuǎn)移至HDL和LDL中，從而使HDL及LDL中的TG含量增加，膽固醇含量減少；另一方面肝脂酶和LpL會(huì)進(jìn)一步水解HDL和LDL中的TG，形成密度較正常高、體積較正常小的HDL和LDL顆粒。小而致密的HDL因其體積小，較易從腎臟排出，造成HDL-C的下降；

圖1 粉煤灰礦渣地聚物凈漿28d 抗壓強(qiáng)度的變化曲線Fig.1 The 28d compressive strength change curves of fly ash slag geopomer clean pulp

由圖3 可見(jiàn)，粉煤灰礦渣地聚物摻量分別為4%、8%、12%、16%以及20%時(shí)，養(yǎng)護(hù)28d 后加固土的內(nèi)聚力分別為10.5、25.4、78.2、225.3 和458.5kPa，相應(yīng)的內(nèi)摩擦角分別為10.2°、13.6°、20.0°、26.2°和28.9°?？梢?jiàn)，隨著粉煤灰礦渣地聚物摻量的增大，加固土內(nèi)聚力的增長(zhǎng)速率越來(lái)越大，而其內(nèi)摩擦的增長(zhǎng)速率越來(lái)越小。即加固土的內(nèi)聚力和內(nèi)摩擦角分別與粉煤灰礦渣地聚物摻量呈指數(shù)遞增式和指數(shù)衰減式增大關(guān)系。

為了分析礦渣和水玻璃摻加對(duì)地聚物力學(xué)參數(shù)的影響規(guī)律，分別制備了不同礦渣摻量和堿摻量的25 個(gè)試樣，具體方案見(jiàn)表3。

綜合分析不同礦渣和堿摻量條件下粉煤灰礦渣地聚物凈漿的28d 抗壓強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，當(dāng)?shù)V渣摻量為40%時(shí)，堿摻量為10%時(shí)，粉煤灰礦渣地聚物綜合性價(jià)比最好。因此，本文加固軟土采用粉煤灰礦渣地聚物的水膠比、堿激發(fā)劑模數(shù)、礦渣摻量以及堿摻量分別0.3、1.0、40%和10%。

2.2 軟土加固效果實(shí)驗(yàn)

高校很多專(zhuān)業(yè)都與企業(yè)開(kāi)展合作。通過(guò)校企合作，企業(yè)給高校提供最新行業(yè)信息和實(shí)踐技能，高校則向企業(yè)輸入人才，可謂互利互惠。高校要順應(yīng)跨境電商對(duì)人才迫切需求的形勢(shì)，積極與企業(yè)聯(lián)合辦學(xué)，培養(yǎng)跨境電商人才。

可以看出，在參考模型中，知識(shí)主題出現(xiàn)的先后順序?qū)哟屋^為清晰，整個(gè)小學(xué)階段、初中階段貫穿“未知數(shù)、變量的運(yùn)用”，不斷強(qiáng)化代數(shù)思維的滲透，將“算術(shù)”與“代數(shù)”進(jìn)行有效銜接；小學(xué)結(jié)束之前設(shè)置“代數(shù)式的運(yùn)算”延續(xù)到整個(gè)初中、高中階段，從值的“輸入輸出”開(kāi)始，為之后“代數(shù)式概念”做準(zhǔn)備；初中階段設(shè)置“代數(shù)式概念”；高中階段根據(jù)實(shí)際需要設(shè)置“代數(shù)式的證明”．

圖2 加固土抗壓強(qiáng)度隨粉煤灰礦渣地聚物摻量的變化曲線Fig.2 Change compressive strength curves of reinforced soil with the content of fly ash slag geopomer

由圖2 可見(jiàn)，粉煤灰礦渣地聚物摻量分別為4%、8%、12%、16%以及20%時(shí)，加固土的7d 抗壓強(qiáng)度值分別為0.12、0.35、1.02、3.24 以及6.57MPa，而其28d 抗壓強(qiáng)度值則分別為0.21、0.62、2.08、8.05 以及15.0MPa。由此可知，隨著煤灰礦渣地聚物摻量的增大，加固土的抗壓強(qiáng)度呈指數(shù)遞增式增大，且煤灰礦渣地聚物摻量越大，加固土的后期強(qiáng)度增長(zhǎng)幅度比率也越高。原因在于，煤灰礦渣地聚物摻量越大，煤灰礦渣地聚物消耗的軟土自由水比率也越高，相應(yīng)的水化反應(yīng)產(chǎn)物也越多，其填充在軟土孔隙中，不僅可以起到填充作用，增加土體密實(shí)性，而且還能將土體顆粒緊密聯(lián)系在一起共同形成承載體系，從而大大提高軟土的抗壓承載能力。

由圖5 可見(jiàn)，軟土初始含水率分別為32%、40%、48%、56%以及64%時(shí)，加固土的內(nèi)聚力分別為133.5、100.3、78.2、45.2 和14.0kPa，相應(yīng)的內(nèi)摩擦角分別為22.8°、21.5°、20.0°、16.5°和11.2°?？梢?jiàn)，隨著軟土初始含水率的提高，加固土的內(nèi)聚力和內(nèi)摩擦角分別呈近線性式減小和指數(shù)遞增式減小。

圖3 加固土抗剪強(qiáng)度隨粉煤灰礦渣地聚物摻量的變化曲線Fig.3 Cohesion and internal friction angle change curves of reinforced soil with the amount of fly ash slag geopomer

由圖1（a）可見(jiàn)，當(dāng)保持堿摻量不變時(shí)，粉煤灰礦渣地聚物凈漿的抗壓強(qiáng)度隨著礦渣摻量的增大而大體呈線性增大，原因在于，礦渣摻量越大，粉煤灰地聚物中的CaO 含量就越高，其水化反應(yīng)生成的C-S-H 凝膠就越多，相應(yīng)的凈漿抗壓強(qiáng)度也越高。堿摻量分別為6%、8%、10%、12%、14%時(shí)，礦渣摻量每增加10%，粉煤灰礦渣地聚物凈漿的28d 抗壓強(qiáng)度分別增長(zhǎng)4.5、4.4、6.0、7.7 和8.1MPa，可見(jiàn)堿摻量越大，粉煤灰礦渣地聚物凈漿的28d 抗壓強(qiáng)度隨礦渣摻量的增大幅度就越高。

2.2.2 軟土初始含水率對(duì)加固土抗壓及抗剪強(qiáng)度的影響 當(dāng)保持粉煤灰礦渣摻量為12%不變，不同軟土初始含水率條件下加固土的7d 和28d 抗壓強(qiáng)度變化情況見(jiàn)圖4。

圖4 加固土抗壓強(qiáng)度隨軟土初始含水率的變化曲線Fig.4 Compressive strength change curves of reinforced soil with initial moisture content of soft soil

由圖4 可見(jiàn)，軟土初始含水率分別為32%、40%、48%、56%以及64%時(shí)，加固土的7d 抗壓強(qiáng)度值分別為1.53、1.23、1.05、0.72 及0.22MPa，而其28d抗壓強(qiáng)度值則分別為3.72、2.68、2.08、1.44 及0.35MPa。由此可知，隨著軟土初始含水率的增大，加固土的抗壓強(qiáng)度呈近線性式減小，即軟土初始含水率每提高8%，加固土抗壓強(qiáng)度將減小0.8MPa。原因在于，軟土初始含水率越大，加固土的整體水膠比就越大，粉煤灰礦渣地聚物水化產(chǎn)物填充在含水孔隙的密度就越小，其粘結(jié)土顆粒的作用也越有限，相應(yīng)的加固效果就越差。

當(dāng)保持粉煤灰礦渣摻量為12%不變，養(yǎng)護(hù)28d后不同軟土初始含水率條件下加固土的兩個(gè)抗剪強(qiáng)度指標(biāo)見(jiàn)圖5。

圖5 加固土內(nèi)聚力和內(nèi)摩擦角隨軟土初始含水率變化曲線Fig.5 Cohesion and internal friction angle change curves of reinforced soil with initial water content of soft soil

當(dāng)在軟土中摻加不同質(zhì)量的粉煤灰礦渣地聚物時(shí)，養(yǎng)護(hù)28d 后加固土抗剪強(qiáng)度的兩個(gè)指標(biāo)（內(nèi)聚力和內(nèi)摩擦角）變化見(jiàn)圖3。

2.3 出院或死亡時(shí)血常規(guī)檢測(cè) 出院或死亡當(dāng)日行血常規(guī)檢查，死亡組淋巴細(xì)胞比率、單核細(xì)胞比率、紅細(xì)胞計(jì)數(shù)、紅細(xì)胞比積及血小板計(jì)數(shù)均低于存活組，差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P<0.05)；中性粒細(xì)胞比率高于存活組，差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P<0.05)，見(jiàn)表3。

2.3 水穩(wěn)定性分析

當(dāng)在軟土中摻加不同質(zhì)量的粉煤灰礦渣地聚物，并先養(yǎng)護(hù)28d 再浸水30d 后進(jìn)行單軸壓縮實(shí)驗(yàn)，得到加固土抗壓強(qiáng)度的變化曲線見(jiàn)圖6。

圖6 浸水30d 后加固土抗壓強(qiáng)度隨粉煤灰礦渣地聚物摻量的變化曲線Fig.6 Change compressive strength curves of reinforced soil with the content of fly ash slag geopomer after 30d immersion in water

對(duì)比圖2 可以看出，粉煤灰礦渣地聚物摻量分別為4%、8%、12%、16%以及20%時(shí)，先養(yǎng)護(hù)28d 再浸水30d 后加固土的單軸抗壓強(qiáng)度分別為0.15、0.52、1.75、7.12 及13.8MPa，是未浸水條件下的71.4%、83.8%、84.1%、88.4%和92.0%。由此可知，粉煤灰礦渣地聚物摻量越大，加固土的水穩(wěn)定性越好，原因在于，粉煤灰礦渣地聚物水化產(chǎn)物填充在軟土孔隙中，不僅能提高土體的密實(shí)性，而且能加強(qiáng)土顆粒間的整體聯(lián)系性，粉煤灰礦渣地聚物摻量越大，這種作用效應(yīng)就越明顯，因而，加固土的水穩(wěn)定性就越強(qiáng)。

3 結(jié)論

（1）粉煤灰礦渣地聚物凈漿抗壓強(qiáng)度隨礦渣摻量的增大呈線性增大，隨著堿摻量增大呈先增后減。礦渣摻量為40%、堿摻量為10%時(shí)，粉煤灰礦渣地聚物綜合性價(jià)比最高。

（2）隨著煤灰礦渣地聚物摻量的增大，加固土的抗壓強(qiáng)度和內(nèi)聚力呈指數(shù)遞增式增大，而內(nèi)摩擦角則呈指數(shù)衰減式增大。

沒(méi)有回答，肅立的人不約而同地望向南壩、東壩的方向，天未破曉，他們眺望的地方沉浸在黑暗里，但登上庫(kù)來(lái)時(shí)遲恒看過(guò)，那里萬(wàn)家燈火。

（3）隨著軟土初始含水率的增大，加固土的抗壓強(qiáng)度和內(nèi)聚力呈線性減小，而內(nèi)摩擦角則呈指數(shù)遞增式減小。

（4）粉煤灰礦渣地聚物摻量越大，加固土水穩(wěn)定性就越好，當(dāng)其摻量為12%時(shí)，加固土水穩(wěn)定系數(shù)達(dá)84%以上。