復(fù)合固化劑改良地鐵渣土的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度研究

吳琰 朱曉東 陳玥 薛丹璇

中國(guó)市政工程華北設(shè)計(jì)研究總院有限公司 天津300132

引言

近年來，我國(guó)的地鐵建設(shè)蓬勃發(fā)展，盾構(gòu)掘進(jìn)過程中會(huì)產(chǎn)生大量的渣土，其含水率高、滲透性強(qiáng)、抗壓強(qiáng)度低，無法直接用于工程建設(shè)。當(dāng)前，我國(guó)地鐵渣土處置能力嚴(yán)重不足，管理水平不高，多采用堆放、填埋的方式進(jìn)行處置。為提高資源化利用水平，減少對(duì)環(huán)境產(chǎn)生不利影響，開展對(duì)地鐵渣土固化再利用的研究。

傳統(tǒng)固化劑主要由水泥、石灰、粉煤灰、堿渣、高爐礦渣、鋼渣、硅粉等材料單獨(dú)使用或組合而成。倪嘉卿等［1］進(jìn)行了在水泥、礦渣的基礎(chǔ)上分別添加摻Na2SO4、CaO回填黏土快速固化室內(nèi)試驗(yàn)研究，結(jié)果表明復(fù)摻Na2SO4＋CaO，且兩者含量分別為礦渣質(zhì)量的30%和20%時(shí)，固化效果最佳。王東星等［2］研究了氯氧鎂水泥固化淤泥力學(xué)特性，結(jié)果表明氯氧鎂水泥固化淤泥體系中MgO活性越高，固化土中生成的水化產(chǎn)物越多，試件無側(cè)限抗壓強(qiáng)度越高。王東星等［3］研究了堿激發(fā)粉煤灰固化淤泥的微觀機(jī)理，結(jié)果表明堿和粉煤灰混合料能有效提高固化土無側(cè)限抗壓強(qiáng)度。石宇等［4］對(duì)鋼渣粉固化淤泥質(zhì)水泥土強(qiáng)度進(jìn)行了研究，研究表明在水泥添加量一定的情況下添加鋼渣粉能有效提高無側(cè)限抗壓強(qiáng)度。Deepak Gupta 等［5］研究了利用粉煤灰、水泥和纖維增強(qiáng)黏性土進(jìn)行力學(xué)性能實(shí)驗(yàn)，研究表明混合料的加入使固化土最大干密度降低，最佳含水率增加，對(duì)固化土強(qiáng)度的增強(qiáng)效果明顯。王朝輝等［6］研究新型CVC 固化劑固化淤泥，研究表明提高CVC 固化劑蛭石摻量，能增大固化土干縮應(yīng)變、平均干縮系數(shù)，減小失水率和劈裂強(qiáng)度，原狀土中有機(jī)質(zhì)含量對(duì)固化淤泥的耐水性、抗凍融性有不利的影響，CVC固化劑固化淤泥力學(xué)性能優(yōu)于其他普通固化劑。王朝輝等［7］研究新型CDK固化劑固化淤泥，研究表明CDK 粉加入到淤泥中，其內(nèi)部并沒有發(fā)生化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生新的物質(zhì)，只是CDK 粉吸水降低含水率的過程，最終CDK粉與淤泥融合，增強(qiáng)淤泥內(nèi)部結(jié)構(gòu)。吳雪婷等［8］研究ISS 固化劑和水泥對(duì)寧德海相淤泥進(jìn)行化學(xué)固化，研究表明ISS 固化劑通過降低結(jié)合水膜的厚度，同時(shí)水泥發(fā)生水化反應(yīng)將高含水率淤泥中的自由水轉(zhuǎn)變?yōu)榈V物結(jié)晶水，兩者聯(lián)合使用對(duì)于降低淤泥初始含水率均具有積極作用。

傳統(tǒng)的固化劑對(duì)于改良地鐵渣土，起到一定的效果，但也存在著很多不足：工程造價(jià)高，偏重于某一方面固化土性能的改善，施工效果不易控制。本文擬在水泥粉煤灰的基礎(chǔ)上加入高分子聚合物A，提高固化土的強(qiáng)度和其他物理力學(xué)性能。

1 試驗(yàn)方法

本文初擬復(fù)合固化劑最優(yōu)的組合配比為水泥：粉煤灰：高分子聚合物A ＝6∶6∶1，同時(shí)將摻量相同的水泥作為對(duì)照組試驗(yàn)（表1），試驗(yàn)所用盾構(gòu)渣土含水率為50%。

表1 不同固化劑摻量方案Tab.1 Different curing agent dosage schemes

本實(shí)驗(yàn)采用Y-Ⅱ型應(yīng)變控制式無側(cè)限壓縮儀，根據(jù)《公路土工試驗(yàn)規(guī)程》（JTG 3430—2020），試件直徑3.8cm，高度8cm，應(yīng)變控制式無側(cè)限壓縮儀下壓板每分鐘上升高度1mm，當(dāng)軸向應(yīng)變小于3mm時(shí)，每0.2mm 記錄一次軸向力和位移讀數(shù)，當(dāng)軸向應(yīng)變大于3mm 時(shí)，每0.4mm 記錄一次軸向力和位移讀數(shù)，當(dāng)軸力達(dá)到峰值后繼續(xù)進(jìn)行2cm位移或試件完全破壞時(shí)停止試驗(yàn)。

無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)中軸向應(yīng)變按公式計(jì)算：

無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)中平均斷面面積按公式計(jì)算：

無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)中Z軸向應(yīng)力按公式計(jì)算：

式中：h0為試件初始高度（cm）；Δh為軸向變形（cm）；A0為試件橫截面面積（cm2）；C為測(cè)力計(jì)率定系數(shù)（N／0.01mm）；R為測(cè)力計(jì)讀數(shù)（0.01mm）。

2 固化土無側(cè)限抗壓強(qiáng)度

2.1 試件強(qiáng)度及對(duì)比分析

不同固化劑的摻量及養(yǎng)護(hù)齡期對(duì)固化土無側(cè)限抗壓強(qiáng)度的影響見表2。

表2 不同固化劑摻量下各齡期固化土強(qiáng)度Tab.2 Strength of solidified soil at different ages with different dosage of curing agent

水泥固化劑摻量為4%時(shí)，水泥固化土7d無側(cè)限抗壓強(qiáng)度為647kPa；水泥固化劑摻量為16%時(shí)，7d 無側(cè)限抗壓強(qiáng)度為931kPa；水泥固化劑摻量提高了300%，固化土無側(cè)限抗壓強(qiáng)度僅提高了43.9%?？梢?，水泥作為固化劑時(shí)，提高水泥摻量對(duì)固化土無側(cè)限抗壓強(qiáng)度提高效果不理想。水泥固化劑摻量為4%時(shí)，7d 無側(cè)限抗壓強(qiáng)度為647kPa，180d無側(cè)限抗壓強(qiáng)度為763kPa，隨著齡期增加無側(cè)限抗壓強(qiáng)度提高了18%；水泥固化劑摻量為16%時(shí)，7d 無側(cè)限抗壓強(qiáng)度為931kPa，180d 無側(cè)限抗壓強(qiáng)度為993kPa，隨著齡期增加無側(cè)限抗壓強(qiáng)度提高了6.6%。可見，水泥作為固化劑時(shí)，提高養(yǎng)護(hù)齡期對(duì)固化土無側(cè)限抗壓強(qiáng)度提高效果不理想。

復(fù)合固化劑摻量為4%時(shí)，復(fù)合固化土7d無側(cè)限抗壓強(qiáng)度為1339kPa；復(fù)合固化劑摻量為16%時(shí)，7d無側(cè)限抗壓強(qiáng)度為2741kPa；復(fù)合固化劑摻量提高了300%，復(fù)合固化劑土無側(cè)限抗壓強(qiáng)度提高了104.7%。可見，復(fù)合固化劑摻量的提高對(duì)固化土無側(cè)限抗壓強(qiáng)度提高效果顯著。復(fù)合固化劑摻量為4%時(shí)，7d 無側(cè)限抗壓強(qiáng)度為1339kPa，180d無側(cè)限抗壓強(qiáng)度為1768kPa，隨齡期增加無側(cè)限抗壓強(qiáng)度提高了32%；復(fù)合固化劑摻量為16%時(shí)，7d 無側(cè)限抗壓強(qiáng)度為2741kPa，180d無側(cè)限抗壓強(qiáng)度為4377kPa，隨齡期增加無側(cè)限抗壓強(qiáng)度提高了60%?？梢姡S齡期的增加，復(fù)合固化劑對(duì)固化土無側(cè)限抗壓強(qiáng)度的提高效果顯著。

水泥固化劑和復(fù)合固化劑作用于地鐵渣土，固化土無側(cè)限抗壓強(qiáng)度均隨固化劑摻量增加而提高。固化劑摻量4%時(shí)，復(fù)合固化土7d 無側(cè)限抗壓強(qiáng)度為水泥固化土7d 無側(cè)限抗壓強(qiáng)度的2.07倍；復(fù)合固化土180d無側(cè)限抗壓強(qiáng)度為水泥固化土180d無側(cè)限抗壓強(qiáng)度的2.32倍。固化劑摻量為16%時(shí)，復(fù)合固化土7d無側(cè)限抗壓強(qiáng)度為水泥固化土7d 無側(cè)限抗壓強(qiáng)度的2.91 倍；復(fù)合固化土180d無側(cè)限抗壓強(qiáng)度為水泥固化土180d 無側(cè)限抗壓強(qiáng)度的4.37倍?？梢?，復(fù)合固化劑土的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度較同摻量、同齡期的水泥固化土顯著提升。

水泥固化劑摻量為4%時(shí)，水泥固化土180d無側(cè)限抗壓強(qiáng)度比7d 無側(cè)限抗壓強(qiáng)度提高了18%；復(fù)合固化劑摻量為4%時(shí)，復(fù)合固化土180d無側(cè)限抗壓強(qiáng)度比7d 無側(cè)限抗壓強(qiáng)度提高了32%。水泥固化劑摻量為16%時(shí)，180d 無側(cè)限抗壓強(qiáng)度比7d 無側(cè)限抗壓強(qiáng)度提高了6.6%；復(fù)合固化劑摻量為16%時(shí)，復(fù)合固化土180d 無側(cè)限抗壓強(qiáng)度為4377kPa，比7d無側(cè)限抗壓強(qiáng)度提高了60%?？梢姡嗤瑩搅肯?，復(fù)合固化土的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度隨齡期增長(zhǎng)的幅度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于水泥固化土。

2.2 試件應(yīng)力-應(yīng)變和破壞形態(tài)

水泥固化劑固化土7d 無側(cè)限抗壓試驗(yàn)中應(yīng)力-應(yīng)變曲線如圖1a 所示，隨著水泥固化劑摻量的增加，應(yīng)力隨應(yīng)變上升階段斜率不斷增大；應(yīng)力峰值點(diǎn)對(duì)應(yīng)的應(yīng)變不斷減?。粦?yīng)力-應(yīng)變曲線中塑性屈服階段逐漸減弱；固化土強(qiáng)度增大在破壞階段導(dǎo)致試件開裂破壞，殘余應(yīng)力變得難以計(jì)量。

圖1 不同固化劑固化土的應(yīng)力-應(yīng)變曲線Fig.1 Stress-strain curves of soil solidified with different curing agents

復(fù)合固化劑固化土7d 無側(cè)限抗壓試驗(yàn)中應(yīng)力-應(yīng)變曲線如圖1b 所示，隨著復(fù)合固化劑摻量的增加，應(yīng)力-應(yīng)變曲線與水泥土變化趨勢(shì)相似，應(yīng)力隨應(yīng)變上升階段斜率不斷增大；應(yīng)力峰值不斷增大及其對(duì)應(yīng)的應(yīng)變不斷減?。粦?yīng)力-應(yīng)變曲線中塑性屈服階段逐漸減弱；由于復(fù)合固化劑固化土強(qiáng)度增長(zhǎng)更大，其破壞階段導(dǎo)致試件基本都完全崩解。

固化土破壞形態(tài)主要有兩種，如圖2 所示。圖2a為塑性破壞，試件為一條主裂縫與試件主軸呈45°發(fā)展，其應(yīng)力-應(yīng)變曲線表現(xiàn)為加載初期應(yīng)力隨著應(yīng)變呈線性增加，當(dāng)應(yīng)力達(dá)到峰值強(qiáng)度一半左右時(shí)，應(yīng)力隨應(yīng)變線性增長(zhǎng)的斜率變小，但應(yīng)力仍然處于增加階段，直到試件破壞。圖2b為脆性破壞，試件裂紋的萌生方向、發(fā)展方向，直至裂紋連通方向均與荷載方向平行或呈較小的夾角，無側(cè)限抗壓強(qiáng)度越大，試件主裂紋與主軸夾角越小，應(yīng)力-應(yīng)變曲線表現(xiàn)為加載初期應(yīng)力隨應(yīng)變呈線性迅速增長(zhǎng)，持續(xù)到應(yīng)力到達(dá)峰值點(diǎn)后應(yīng)力迅速降低，應(yīng)力-應(yīng)變曲線中塑性屈服階段不明顯。

圖2 固化土破壞形態(tài)Fig.2 Failure pattern of solidified soil

分析認(rèn)為兩種裂縫主要影響因素是有無“套箍作用”，塑性破壞因試件強(qiáng)度較低單軸受壓導(dǎo)致豎向縮短，橫向擴(kuò)張，由于無側(cè)限壓力機(jī)墊塊的橫向位移遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于固化土試件的橫向位移，因此墊塊與土樣接觸面上的摩擦力約束土樣的橫向變形，“套箍作用”出現(xiàn)。脆性破壞因試件無側(cè)限抗壓強(qiáng)度較高，墊塊與土樣接觸面上的摩擦力不足以約束土樣的橫向變形，因此無“套箍作用”出現(xiàn)。

3 地鐵渣土含水率對(duì)復(fù)合固化土強(qiáng)度的影響

不同地鐵渣土含水率情況下，復(fù)合固化劑摻量和養(yǎng)護(hù)齡期對(duì)固化土無側(cè)限抗壓強(qiáng)度的影響，如圖3 所示。

圖3 不同地鐵渣土含水率固化土無側(cè)限強(qiáng)度曲線Fig.3 Unconfined strength curve of solidified soil with different moisture content of residues

當(dāng)?shù)罔F渣土含水率為30%時(shí)，以養(yǎng)護(hù)60d固化土強(qiáng)度為例，隨著復(fù)合固化劑摻量的增加，固化土強(qiáng)度呈線性增加，固化劑摻量為4%時(shí)，固化土強(qiáng)度為2834kPa，當(dāng)固化劑含量增加至16%時(shí)固化土強(qiáng)度達(dá)到5135kPa，是相同水泥摻量固化土強(qiáng)度的5 倍，復(fù)合固化劑對(duì)于含水率為30%的地鐵渣土固化效果明顯，固化土強(qiáng)度隨固化劑摻量增加而提升。

當(dāng)?shù)罔F渣土含水率為50%時(shí)，養(yǎng)護(hù)齡期7d、14d、28d、60d的固化土強(qiáng)度曲線隨復(fù)合固化劑摻量曲線變化規(guī)律如下：養(yǎng)護(hù)齡期為7d 和14d時(shí)，固化土強(qiáng)度隨著復(fù)合固化劑的摻量增加而提高，曲線斜率逐漸增大，養(yǎng)護(hù)齡期28d 和60d 時(shí)固化土強(qiáng)度增長(zhǎng)速率更快，摻量由8%增加到16%過程中，固化土強(qiáng)度呈線性增長(zhǎng)，斜率保持不變。

當(dāng)?shù)罔F渣土含水率為70%時(shí)，固化土養(yǎng)護(hù)7d，復(fù)合固化劑摻量在4%到12%范圍內(nèi)對(duì)于固化土強(qiáng)度提升不明顯，當(dāng)復(fù)合固化劑摻量提升至16%時(shí)，固化土強(qiáng)度增長(zhǎng)斜率明顯相對(duì)于固化劑摻量12%時(shí)增大，固化土強(qiáng)度由882kPa 增加至1567kPa。養(yǎng)護(hù)齡期為14d、28d、60d 時(shí)固化土強(qiáng)度隨固化劑摻量變化曲線相似，固化劑摻量由4%增加到8%時(shí)，固化土強(qiáng)度無明顯增加，當(dāng)固化劑摻量繼續(xù)增加，固化土強(qiáng)度呈線性增加。

4 復(fù)合固化劑固化土強(qiáng)度曲線擬合

考察不同復(fù)合固化劑摻量固化土強(qiáng)度隨齡期增長(zhǎng)規(guī)律，考察不同含水率地鐵渣土隨復(fù)合固化劑摻量和養(yǎng)護(hù)時(shí)間固化土強(qiáng)度變化規(guī)律，建立不同含水率地鐵渣土隨固化劑摻量、養(yǎng)護(hù)時(shí)間變化的固化土強(qiáng)度綜合計(jì)算模型，采用曲線模型分析固化土隨養(yǎng)護(hù)齡期變化規(guī)律，固化土無側(cè)限抗壓強(qiáng)度隨齡期變化規(guī)律如圖4 所示，根據(jù)實(shí)測(cè)固化土強(qiáng)度擬合曲線為：

圖4 不同齡期下固化土強(qiáng)度Fig.4 Strength of solidified soil at different ages

式中：a、b、c為常數(shù)。

圖4a為地鐵渣土含水率30%，不同固化劑摻量對(duì)應(yīng)的固化土強(qiáng)度擬合曲線，擬合優(yōu)度R2均大于0.99；圖4b 為地鐵渣土含水率50%，不同固化劑摻量對(duì)應(yīng)的固化土強(qiáng)度擬合曲線，擬合優(yōu)度R2均大于0.95；圖4c為地鐵渣土含水率70%，不同固化劑摻量對(duì)應(yīng)的固化土強(qiáng)度擬合曲線中，擬合優(yōu)度R2均大于0.97。

由圖4 可以看出，曲線模型符合固化土強(qiáng)度隨齡期增加而增大的變化規(guī)律，固化土前28d 強(qiáng)度增長(zhǎng)速率快，28d～60d 強(qiáng)度增長(zhǎng)速率逐漸減小，當(dāng)齡期趨近于無限長(zhǎng)時(shí)，固化土強(qiáng)度達(dá)到峰值不再增加。

5 結(jié)論

1.在相同摻量、相同齡期的條件下，無論是早期強(qiáng)度，還是后期強(qiáng)度，復(fù)合固化土的力學(xué)性能遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于水泥固化土。

2.水泥固化劑摻量的增加，對(duì)于水泥固化土強(qiáng)度的增長(zhǎng)作用有限；復(fù)合固化劑摻量的增加，對(duì)于復(fù)合固化土強(qiáng)度的增長(zhǎng)效果顯著。

3.齡期對(duì)于水泥固化土無側(cè)限抗壓強(qiáng)度的提升作用較小，對(duì)于復(fù)合固化土無側(cè)限抗壓強(qiáng)度的增長(zhǎng)明顯。

4.當(dāng)?shù)罔F渣土含水率為30%～70%時(shí)，復(fù)合固化土無側(cè)限抗壓強(qiáng)度隨著復(fù)合固化劑摻量增加而提高，隨著齡期的增長(zhǎng)不斷提升；含水率越高，齡期對(duì)復(fù)合固化土強(qiáng)度提升越大。