一種巖土邊坡深層水泥攪拌樁用聚合物材料制備及特性分析

doi：10.3969/j.issn.1001-5922.2024.02.025

摘 要：解決傳統(tǒng)的巖土邊坡深層水泥攪拌樁對水泥材料的依賴性較高，工程建設(shè)成本長期居高不下的問題。深層水泥攪拌樁是提高巖土邊坡尤其軟土邊坡地基力學(xué)性能的重要手段，研究以粉煤灰-礦渣聚合物巖土邊坡深層水泥攪拌樁為例，嘗試利用粉煤灰-礦渣等制備一種特殊聚合物水泥，對這種通過粉煤灰、礦渣等形成的聚合物原材料的綜合性能進行分析。結(jié)果表明，當?shù)V渣與粉煤灰的配合比為30∶70時，巖土邊坡深層水泥攪拌樁的聚合物硬化時間最短，當堿濃度為2.5 "mol/L時，能夠獲得最佳的材料壓縮強度。

關(guān)鍵詞：粉煤灰；礦渣；巖土邊坡；水泥攪拌樁；性能分析

中圖分類號：U213.1⁺3；TQ172.79" " " "文獻標志碼：A" " " "文章編號：1001-5922（2024）02-0092-04

Preparation and characterization analysis of polymer materials for deep cement mixing piles on geotechnical slopes

GUI Yang1，CAI Xianqing1，LAI Jun2

（1.Sichuan Communications Survey and Design Institute Co.，Ltd.，Chengdu 610017，China；

2.China Railway Eryuan Engineering Group Co.，Ltd.，Chengdu 610031，China）

Abstract：In order to solve the problem that the traditional deep cement mixing pile on geotechnical slope is highly dependent on cement materials and the construction cost of the project has remained high for a long time.Deep cement mixing pile is an important means to improve the mechanical properties of the foundation of rock and soil slope，especially soft soil slope.Taking fly ash-slag polymer cement mixing pile in deep soil slope as an example，trying to prepare a special polymer cement by fly ash-slag，etc.，and analyzing the comprehensive properties of the polymer raw materials formed by fly ash and slag.The results showed that when the mixture ratio of slag and fly ash was 30∶70，the polymer hardening time of cement mixing pile in deep soil slope was the shortest，and the best compressive strength of material can be obtained when the alkali concentration was 2.5 mol/L.

Key words：fly ash;slag;rock and soil slope;cement mixing pile;performance analysis

巖土邊坡深層水泥攪拌樁指的是一種以水泥為固化劑，通過在巖土邊坡工程中布設(shè)深層攪拌機械，在邊坡地基將軟土或沙等和固化劑強制攪拌，從而增強軟土地基硬結(jié)程度進而提高巖土邊坡地基強度的工藝。這種工藝適合用于軟土地基處理，在淤泥、砂土、淤泥質(zhì)土等邊坡處理過程中效果明顯。傳統(tǒng)的巖土邊坡深層水泥攪拌樁多利用水泥中的Ca（OH）₂與軟土中的Al₂O₃、SiO₂等發(fā)生反應(yīng)，從而形成硬化凝結(jié)物質(zhì)，進而提升地基整體性及其強度^[1-4]。不過這種方法對水泥材料的依賴性較高，工程建設(shè)成本長期居高不下。因此，研究嘗試利用粉煤灰-礦渣等制備一種特殊聚合物水泥，并對這種水泥應(yīng)用于巖土邊坡深層水泥攪拌樁中的效果進行分析，旨在驗證這類聚合物材料的綜合性能，降低相關(guān)材料和工藝的應(yīng)用成本。

1"實驗材料與方法

1.1"實驗材料與設(shè)備

1.1.1"實驗材料

粉煤灰-礦渣聚合物的制備需要用到粉煤灰、礦渣、NaOH、KOH、SiO₂等^[5-7]。其中，粉煤灰選擇河北捷貴礦產(chǎn)品有限公司生產(chǎn)的一級低鈣灰；礦渣選擇河北輝浩環(huán)?？萍加邢薰旧a(chǎn)的礦渣超細粉；硅酸鉀水玻璃在實驗室環(huán)境下進行配置，按照SiO₂、KOH質(zhì)量比為1.25∶2的比例進行調(diào)配。利用X射線熒光分析法得到的粉煤灰和礦渣的化學(xué)成分質(zhì)量分數(shù)如表1所示。

1.1.2"實驗設(shè)備

實驗針對粉煤灰-礦渣聚合物的反應(yīng)硬化時間、反應(yīng)狀態(tài)、壓縮強度等進行測試和分析。主要用到的實驗設(shè)備：EDX8300 X射線熒光分析儀，蘇州三值精密儀器有限公司;ZK-087維卡儀，廣東匯泰制冷設(shè)備有限公司;界FRINGEX射線衍射儀，蘇州浪聲科學(xué)儀器有限公司;DRX-I-PC/PB壓縮強度測試儀，湘潭華豐儀器制造有限公司。

1.2"實驗方法

1.2.1"聚合物制備

制備的聚合物主要為粉煤灰-礦渣聚合物。在制備聚合物過程中利用NaOH、水玻璃等作為堿硅酸鹽激發(fā)劑生產(chǎn)適合用于巖土邊坡軟基深層水泥攪拌樁工藝的聚合物材料^[8-11]。實驗聚合物配比方案如表2所示。

在進行聚合物制備時，選取適量的NaOH、水玻璃經(jīng)過充分攪拌以后制得堿硅酸鹽激發(fā)劑與粉煤灰-礦渣混合物進行融合攪拌形成砂漿，經(jīng)過成型、脫模等工藝后獲得成品。粉煤灰-礦渣聚合物制備流程如圖1所示。

在聚合物砂漿成型過程中，首先需要快速攪拌90 s，然后慢速攪拌30 s；將攪拌后的砂漿添加至ISO水泥膠砂三聯(lián)試模中進行成型、凝固；之后在振動臺上進行60 s的振動；最后，在室溫環(huán)境下靜置24 h即可獲得最終的聚合物成品。

1.2.2"測試內(nèi)容

在模擬粉煤灰-礦渣聚合物巖土邊坡深層水泥攪拌工藝時，需要對聚合物的硬化時間、晶體狀態(tài)、壓縮強度等進行測試。

聚合物硬化時間主要通過維卡儀進行測試，如果維卡儀中的針入深度等于零則表示此時聚合物的聚合反應(yīng)已經(jīng)較為充分，此時聚合物已經(jīng)完全硬化，如果大于零則表示還沒有完成固結(jié)硬化^[12-15]。

聚合物的X射線衍射分析測試（XRD測試）是利用X射線衍射儀對聚合物進行衍射，在0.02°/s的狀態(tài)下對聚合物內(nèi)部成分晶體狀態(tài)進行測試，分析聚合物內(nèi)部的聚合反應(yīng)情況。

聚合物的壓縮強度測試主要利用GB/T 17671《水泥膠砂強度檢驗方法》對室溫狀態(tài)下的聚合物成品進行7、14、21、24 d時長測試，并利用壓縮強度測試儀分析其壓縮強度。

黃土/聚合物無側(cè)限壓縮強度測試則是將粒徑小于2 mm的黃土與聚合物分別以70∶30、80∶20、90∶10的比例進行混勻作為混合物，再經(jīng)過圖1所示流程獲得的成品，將其在溫度（20±2）℃、相對濕度大于等于95%的養(yǎng)護室內(nèi)進行7、14、21、24 d時長的測試，最后對聚合物樣品進行無側(cè)限壓縮強度測試。

2"結(jié)果與分析

2.1"聚合物硬化時間對比結(jié)果

聚合物不同硬化時間對比分析結(jié)果如表3所示。

由表3可知，當?shù)V渣與粉煤灰質(zhì)量比為60∶40時，整個實驗過程中聚合物中的粉煤灰都沒有發(fā)生硬化，此時礦渣硬化時間為52 min；而其余30∶70、40∶60、50∶50不同占比條件下，粉煤灰的硬化時間略有不同，分別為180、180、240 min，此時礦渣的硬化時間均為48 min。

不同的粉煤灰礦渣配比能夠明顯影響聚合物的硬化時間。因此，由實驗得到礦渣與粉煤灰質(zhì)量比為30∶70時，聚合物的整體硬化時間最佳。

2.2"聚合物XRD測試結(jié)果

原始粉煤灰、礦渣與經(jīng)過堿硅酸鹽激發(fā)劑激發(fā)以后的聚合物內(nèi)部晶體情況檢測對比結(jié)果如表4所示。

由表4可知，從晶體數(shù)量來看，經(jīng)過堿硅酸鹽激發(fā)劑激發(fā)前后原始混合物和聚合物內(nèi)部都存在大量晶體，整體晶體數(shù)量沒有發(fā)生明顯變化^[16-17]。從礦渣狀態(tài)來看，原始混合物中礦渣始終處于非晶態(tài)，但在聚合物中由于受到堿硅酸鹽激發(fā)劑激發(fā)而呈現(xiàn)晶態(tài)。顯然，經(jīng)過堿硅酸鹽激發(fā)劑激發(fā)以后的聚合物內(nèi)部結(jié)晶狀況更為理想。理想的結(jié)晶狀態(tài)能夠保證更為穩(wěn)定的聚合物性能和結(jié)構(gòu)強度。

2.3"壓縮強度測試結(jié)果

不同堿濃度環(huán)境下，室溫環(huán)境分別為7（試樣1）、14（試樣2）、21（試樣3）和24 d（試樣4）時長的聚合物試樣壓縮強度測試結(jié)果如表5所示。

由表5可知，在相同堿濃度條件下，對比4個試樣1、2、3、4的壓縮強度對比結(jié)果分析，隨著放置時間的增長，試樣的壓縮強度均呈現(xiàn)出逐漸增大的變化狀態(tài)，表明放置時間的延長有助于增強聚合物的壓縮強度；但增大至一定程度以后便不會再明顯提升^[18-19]。

從單獨試樣壓縮強度隨堿濃度變化分析，4個試樣的壓縮強度隨堿濃度的提升呈先增長后下降最后趨于穩(wěn)定的變化狀態(tài)。在4個試樣中，當堿濃度為2.5 mol/L時材料的壓縮強度普遍最高，分別為7.6、10.5、14.9、15.3 MPa。當堿濃度為2.5 mol/L時，能夠獲得最佳的材料壓縮強度。

2.4"無側(cè)限壓縮強度測試結(jié)果

按照之前部分測試結(jié)果將礦渣與粉煤灰質(zhì)量比為30∶70時的聚合物作為研究對象，控制聚合物與黃土的摻混比為10∶90、20∶80、30∶70，分別添加相同濃度的氫氧化鈉融合，得到7、14、21、24 d時的試樣無側(cè)限壓縮強度測試結(jié)果，如表6～表8所示。

由表6～表8可知，從單一試樣在聚合物與黃土的摻混比在10∶90、20∶80、30∶70變化時的無側(cè)限壓縮強度結(jié)果來看，隨著聚合物與黃土的摻混比的提升，材料的無側(cè)限壓縮強度值均呈現(xiàn)出明顯的提升。例如，在7 d及聚合物與黃土的摻混比為30∶70時，試樣1的無側(cè)限壓縮強度分別較10∶90、20∶80狀態(tài)下提升了2.3、1.2 MPa，其余3種試樣均獲得提升且提升幅度極為接近。由此可見，聚合物與黃土的摻混比為30∶70時混合物的無側(cè)限壓縮強度值普遍更高^[20-23]。

當聚合物與黃土的摻混比為30∶70時，試樣1、試樣2、試樣3和試樣4的無側(cè)限壓縮強度均隨堿濃度的提升而呈現(xiàn)先提升后下降的變化趨勢，這一變化趨勢與表5分析結(jié)果類似。

綜合來看，當堿濃度為2.5 mol/L，聚合物與黃土的摻混比為30∶70時，不論室溫下放置時間為多久，聚合物的無側(cè)限壓縮強度值均較為理想。

3"結(jié)語

粉煤灰-礦渣聚合物巖土邊坡水泥攪拌樁工藝是一種針對軟基所開展的地基加固工藝。研究針對影響該工藝中聚合物材料性能的幾種參數(shù)進行分析，得到了如下結(jié)論：

（1）當?shù)V渣與粉煤灰質(zhì)量比為30∶70時，聚合物中礦渣和粉煤灰的硬化時間分別為180 min和48 min，此時聚合物的整體硬化時間最佳;

（2）當堿濃度為2.5 mol/L時，聚合物材料的壓縮強度普遍最高，在7、14、21、24 d時的試樣壓縮強度分別為7.6、10.5、14.9、15.3 MPa;

（3）當聚合物與黃土的摻混比為30∶70時，在7、14、21、24 d時的試樣無側(cè)限壓縮強度值最高；在堿濃度為2.5 mol/L時，聚合物材料的無側(cè)限壓縮強度值分別達到了4.8、5.2、7.1、7.8 MPa。

綜合來看，當?shù)V渣與粉煤灰質(zhì)量比為30∶70、堿濃度為2.5 mol/L、聚合物與黃土的摻混比為30∶70時，材料的綜合力學(xué)性能最佳。

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收稿日期：2023-10-16；修回日期：2024-01-18

作者簡介：桂"陽（1988-），男，碩士，高級工程師，研究方向：高速公路特殊路基設(shè)計與巖土勘察;E-mail：hfut20063410@163.com。

引文格式：桂"陽，蔡先慶，賴"君.一種巖土邊坡深層水泥攪拌樁用聚合物材料制備及特性分析[J].粘接，2023，51（2）：92-95.