工業(yè)廢渣固化劑加固濱海軟土固化試驗研究

張曉彬

（唐山工業(yè)職業(yè)技術(shù)學院，河北 唐山 063299）

0 引言

濱海軟土具有含水率高、壓縮性大、透水性差、內(nèi)聚力小、抗剪強度低、固結(jié)系數(shù)小等特點[1]，濱海軟土主要是指由淤泥、淤泥質(zhì)土、沖填土、雜填土或夾雜泥炭、貝殼、生物殘骸等高壓縮性土層構(gòu)成。在外荷載作用下，需要經(jīng)過較長時間壓縮固結(jié)才能穩(wěn)定，也會產(chǎn)生較大沉降及不均勻變形，所以需要進行處理，以改善地基土的性質(zhì)，改善地基土的力學性能，保證建筑物的正常使用[2]。

攪拌法是目前軟土地基加固領(lǐng)域一種常用方法，攪拌法常用的固化劑是水泥，用量占原狀土的10%～20% 之間，即水泥的占比相當大。通過特制的攪拌機械邊鉆進邊往軟土中噴射漿液或霧狀粉體，在地基深處就地將軟土和固化劑強制攪拌，使噴入軟土中的固化劑和軟土之間所產(chǎn)生的一系列物理- 化學作用，形成具有整體性、水穩(wěn)性的水泥加固土樁柱體，由若干根這類加固土樁柱體和樁間土構(gòu)成復合地基[3]。

隨著城鎮(zhèn)化的發(fā)展及對環(huán)保要求的提升，尋找一種新型復合綠色環(huán)保材料作為軟土固化劑成為熱門的研究課題。同時我國北方沿海地區(qū)的鋼鐵廠和熱力廠產(chǎn)生的大量工業(yè)廢渣（脫硫石膏、礦渣、鋁渣）的處理也面臨著巨大的壓力[4-5]。本文擬利用工業(yè)廢渣制備不同成分的固化劑對曹妃甸軟土進行試驗研究，通過對比試驗研究工業(yè)廢渣固化劑在實際工程中應用的可行性。

1 試驗方案

1.1 原材料

試驗采用的軟土取自河北省唐山市曹妃甸區(qū)某建筑工地，主要成分為淤泥質(zhì)黏土，有機質(zhì)含量8.4%，主要物理力學參數(shù)如表1 所示，脫硫石膏采用火電廠脫硫后的副產(chǎn)品，礦渣取自曹妃甸區(qū)某鋼鐵企業(yè)，水泥采用42.5 的普通硅酸鹽水泥。鋁渣是電解鋁企業(yè)的含鋁廢棄物，三氧化二鋁含量在45% 以上，7 d 膨脹率大于0.025%，28 d 膨脹率小于0.05%，水化過程中具有微膨脹效果，可以抵消土地固化中收縮效應。粉煤灰為二級粉煤灰，且其中Al2O3與SiO2質(zhì)量百分比之和大于70% 且CaO質(zhì)量百分比小于等于10%。氫氧化鈉為干粉試樣，其中氫氧化鈉含量質(zhì)量大于99%。

表1 土樣物理力學性能

1.2 試驗方法

通過改變固化劑中不同的組分比例，制備不同配比的固化劑。然后取不同摻入量的固化劑分別加入到含水率為65%、75%、85%的3 種土樣，混合并攪拌均勻得到固化土試件，試樣制備完成后，自然養(yǎng)護1 d 脫模，并稱重，將試樣裝入灑水濕潤后的塑料保鮮袋中，置于標準養(yǎng)護室內(nèi)養(yǎng)護，養(yǎng)護溫度控制在25 度左右，相對濕度大于等于95%，養(yǎng)護至所需齡期測得7 d、28 d 齡期的無側(cè)限抗壓強度。通過固化劑不同成分設計制備3 種固化劑，以9% 摻入量加固濱海軟土，測定加固土地的力學性能。然后采用固化劑3（RTGHJ3）研究不同摻入量情況下加固濱海軟土后的無側(cè)限抗壓強度。同時試驗六采用水泥為固化劑作為對比試驗，摻入量采用12%進行加固濱海軟土。試驗方案如表2 所示。

表2 試驗方案

2 試驗結(jié)果及分析

2.1 理論分析

脫硫石膏中的主要成分為CaSO4，其會發(fā)生如下化學反應，反應見式（1）。

水泥中的化學成分鋁酸鈣和石膏反應變成鈣礬石，鈣礬石形成后體積整體增大約1.2 倍，體積膨脹導致固結(jié)軟土孔隙比減少；此外除了化學反應膨脹作用外，鈣礬石相互交叉的結(jié)晶，也形成了特有的空間網(wǎng)架結(jié)構(gòu)，填充于軟土孔隙中，鈣礬石降低了加固土的孔隙比，減小了加固土的平均孔徑，必然提高軟土的無側(cè)限抗壓強度。由干燥狀態(tài)的生石灰變成的熟石灰有很強的吸水能力，該吸水作用一直到與周圍軟土平衡為止，在這種狀態(tài)下的化學反應見式（2）。

水和石膏反應生成的鈣礬石的膨脹特性與液相CaO、OH-的濃度有關(guān)。一旦加固土孔隙水中濃度太低，在遠離含鋁相表面的地方鈣礬石以較粗大的單個晶體析出，晶體在孔隙中可，不依托于固相地自由生長，不產(chǎn)生晶體壓力，從而使結(jié)構(gòu)強度顯著提高。此外要重點控制CaO 的摻量，原則是要在水泥漿凝結(jié)硬化前恰好用完，以防止在水泥漿硬化后產(chǎn)生鈣礬石，造成膨脹現(xiàn)象使硬化的水泥漿開裂而破壞。充分資源化利用工業(yè)廢棄物粉煤灰，加入氧化鈣，調(diào)節(jié)軟土的pH 值，促進水化和硬化過程，以期達到較好的加固效果。

2.2 試驗結(jié)果

不同試驗的試驗結(jié)果如表3 所示。

表3 試驗結(jié)果

2.3 試驗分析

不同含水率情況下，含水率越低固結(jié)軟土的無側(cè)限抗壓強度越低，含水率65% 的固結(jié)軟土試塊的無側(cè)限抗壓強度最高。在同樣固化劑摻入量（9%摻入量）、含水率65%的濱海軟土情況下，試件養(yǎng)護28 天測定不同組分配比固化劑加固試件的無側(cè)限抗壓強度，如圖1 所示。固化劑RTGHJ3 的28天無側(cè)限抗壓強度達到了1.61 MPa，對比固化劑RTGHJ1、RTGHJ2，固化劑RTGHJ3 的前期強度增長速度較快，65%含水率條件下，7 天無側(cè)限抗壓強度達到了1.55 MPa，達到了理想的加固效果。

圖1 不同配比固化劑加固試件強度

采用RTGHJ3 固化劑加固軟土試樣并采用9%、12%、15%3 種不同摻入量情況下，研究加固試件的無側(cè)限抗壓強度，對比不同水泥摻量情況下的固化效果，不同摻入量下無側(cè)限抗壓強度如圖2 所示，固化劑RTGHJ3 加固曹妃甸軟土達到了理想的加固效果且經(jīng)濟效果顯著，從圖可知，采用摻入量12% 時，加固試件的28 天無側(cè)限抗壓強度達到了1.75 MPa，加固試件的強度顯著提高，因此工程應用建議采用12% 摻入量的RTGHJ3 固化劑進行固結(jié)處理。

圖2 RTGHJ3 不同摻入量加固試件強度

在軟土含水率65%、固化劑摻入量均為12%情況下，水泥固結(jié)軟土和RTGHJ3 固化劑固結(jié)軟土后試件的7 天、28 天無側(cè)限抗壓強度實驗結(jié)果如圖3 所示。從圖中數(shù)據(jù)可知，采用RTGHJ3 固化劑固結(jié)濱海軟土的28 天無側(cè)限抗壓強度達到了1.15 MPa。

圖3 RTGHJ3 不同摻入量加固試件強度

3 結(jié)論

1）該試驗充分利用火電廠、煉鋼廠等企業(yè)的工業(yè)廢渣制備軟土固化劑，降低了企業(yè)環(huán)保壓力，同時解決了水泥緊缺的問題，降低了工程成本，具有較大的經(jīng)濟效益和環(huán)保效率。

2）利用工業(yè)廢渣配置軟土固化劑相對于傳統(tǒng)石灰的固結(jié)，提高了無側(cè)限抗壓強度，相對于傳統(tǒng)水泥的固結(jié)減少了固化土干縮性，同時該固化劑的7 天及28 天的無側(cè)限抗壓強度能滿足工程需求，尤其對于沿海地區(qū)淤泥質(zhì)軟黏土軟土加固效果顯著。

3）采用固化劑RTGHJ3 在摻入量12% 情況下的加固試件無側(cè)限抗壓強度顯著提高，為工程實踐提供了數(shù)據(jù)支撐。