徐日慶， 王 旭， 文嘉毅， 朱兵見

(1. 浙江大學(xué) 濱海和城市巖土工程研究中心, 杭州 310058； 2. 浙江加州國(guó)際納米技術(shù)研究院臺(tái)州分院， 浙江 臺(tái)州 318000； 3. 臺(tái)州學(xué)院 建筑工程學(xué)院， 浙江 臺(tái)州 318000)

濱海地區(qū)的淤泥地基以及吹填土一直以來都是地基處理的難點(diǎn).地基的處理方式也隨著技術(shù)的進(jìn)步而得到不斷的提升，目前大量采用的深厚淤泥質(zhì)土或者吹填土地基處理方式有真空預(yù)壓、固化法、電滲、攪拌樁等.但是由于地基土的初始含水率高，壓縮性高，強(qiáng)度低，對(duì)于需要大型機(jī)械上機(jī)施工的工法，仍需要對(duì)地基土進(jìn)行超前處理.

淤泥質(zhì)土的淺層加固技術(shù)是一種新型的地基處理方式，也稱為淤泥質(zhì)土加固技術(shù)，是通過地基處理手段對(duì)強(qiáng)度極低的淤泥質(zhì)土進(jìn)行淺層加固形成硬殼層，從而提高地基的承載力，施工機(jī)械能夠進(jìn)場(chǎng)從而進(jìn)行地基處理施工.閆澍旺等[1]研究了在吹填土上吹填一層粉細(xì)砂形成硬殼層以提高地基的承載力，從而滿足插板機(jī)的承載力要求.董志良等[2]研究了適用于天津?yàn)I海新區(qū)超軟土的淺層加固技術(shù).邵杰[3]分析了日本的淺層地基改良工法的最終版——淤泥上履帶行走式穩(wěn)定土拌合法(SLM工法)，從理論推導(dǎo)、數(shù)值模擬等方面深入分析淤泥地基上覆固化層的承載性能.王曉琳等[4]通過顆粒流計(jì)算軟件PFC模擬了固化疏浚淤泥雙層地基，通過計(jì)算得到固化層能有效的提高地基的承載力.王樺等[5]對(duì)于硬殼層在路基中應(yīng)力擴(kuò)散的作用進(jìn)行了研究.

軟土的淺層加固技術(shù)可以采取多種方式，可以通過自然晾曬、吹填砂墊層[1]、淺層土體排水[2]、化學(xué)加固等措施實(shí)現(xiàn)淺層軟土的加固，形成硬殼層.通過摻入固化劑的手段進(jìn)行淤泥質(zhì)土的淺層加固可以大幅縮減成本與工期，同時(shí)通過運(yùn)用工業(yè)廢渣廢料進(jìn)行地基土的固化，符合我國(guó)建設(shè)資源節(jié)約型和環(huán)境友好型社會(huì)的目標(biāo).固化劑的摻入使吹填土、淤泥質(zhì)土等高含水量、低強(qiáng)度、高壓縮性的地基土能夠達(dá)到一定的表面承載力.當(dāng)?shù)鼗吝_(dá)到足夠的上機(jī)強(qiáng)度時(shí)，可以進(jìn)行地基處理工作，比如打樁和插板.目前針對(duì)淺層地基加固的理論研究較多，但是適用于淺層地基加固的固化劑比較缺少.因此研制一種高效經(jīng)濟(jì)的淺層軟土固化劑是非常有必要的.

1 基礎(chǔ)固化劑

淺層軟土的固化劑主要作用是在施工早期在淤泥質(zhì)土的表層形成硬殼層，從而能夠進(jìn)行下一步的施工，需要具有的特性是經(jīng)濟(jì)環(huán)保和高效節(jié)約.對(duì)于地基加固的固化材料，國(guó)內(nèi)外學(xué)者都進(jìn)行了很多的研究，粉煤灰是一種很好的固化材料[6-8].粉煤灰是火電廠排出的主要固體廢棄物，主要成分是SiO2、Al2O3、FeO等.相比較水泥而言，粉煤灰是一種更為廉價(jià)的材料，但是粉煤灰相對(duì)于水泥的活性較低，因此粉煤灰的早期強(qiáng)度較低.但是在一定的激發(fā)劑作用下以粉煤灰作為固化劑，固化土的強(qiáng)度也能夠達(dá)到較為理想的值，比如在質(zhì)量分?jǐn)?shù)為15%的粉煤灰和15%的生石灰固化含水率為50%的淤泥質(zhì)土，28天后強(qiáng)度能夠達(dá)到680 kPa，完全滿足施工要求.因此，粉煤灰是一種理想的淺層固化材料.

而粉煤灰與生石灰所混合形成的二灰更是常用于路基的固化[9].二灰是粉煤灰與生石灰的合稱，經(jīng)二灰加固的土體稱為二灰土，二灰是常用的軟土地基加固材料.本試驗(yàn)以二灰作為淤泥質(zhì)土的基礎(chǔ)固化劑.二灰固化淤泥質(zhì)土的機(jī)理主要是石灰中CaO、粉煤灰及土體中的活性成分SiO2、Al2O3、Fe2O3在一定含水率條件下發(fā)生火山灰反應(yīng).

CaO·SiO2·nH2O

(1)

二灰土中上述反應(yīng)生成的水化硅酸鈣等不溶于水的穩(wěn)定性結(jié)晶化合物，在空氣和水中可逐漸硬化，將二灰拌合物中的固體顆粒膠結(jié)在一起，降低空隙率和滲透性，使二灰固化軟土的強(qiáng)度得到顯著提高[10].二灰土中的生石灰具有一定的吸水作用，可以降低淤泥質(zhì)土的含水率.熟化后的氫氧化鈣吸收水中和空氣中的二氧化碳，反應(yīng)生成不溶于水的碳酸鈣，這種反應(yīng)使粉煤灰固化，將粉煤灰顆粒膠結(jié)起來提高二灰土的強(qiáng)度.

關(guān)于固化劑中粉煤灰與石灰的質(zhì)量比也是眾說紛紜.根據(jù)《公路路面基層施工技術(shù)規(guī)范》(JTJ034-2000)中的規(guī)定，采用二灰土做基層時(shí)，石灰與粉煤灰的質(zhì)量比常用1∶2～1∶4,王華陽[11]經(jīng)過大量的對(duì)比試驗(yàn)，得出對(duì)于低塑性土兩者之間的質(zhì)量比在1∶2～1∶3之間比較合適.因此在本試驗(yàn)中選用的生石灰和粉煤灰的質(zhì)量比為1∶3.

根據(jù)容許的地基承載力，利用地基承載力特征值計(jì)算公式計(jì)算出室內(nèi)試驗(yàn)所得到的無側(cè)限抗剪強(qiáng)度qu(在無側(cè)限的條件下，內(nèi)摩擦角φ=0°，抗剪強(qiáng)度cu=qu/2).在一般情況下，7天后現(xiàn)場(chǎng)抗剪強(qiáng)度cu基本達(dá)到100 kPa以上，固化效果可以滿足多數(shù)施工機(jī)械的行走[3].為使二灰固化土能夠盡早地達(dá)到理想的強(qiáng)度，向其中添加一定的添加劑，以提高二灰土的早期強(qiáng)度，并且通過設(shè)計(jì)試驗(yàn)確定添加劑的質(zhì)量比.

2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

2.1 試驗(yàn)材料

向淤泥質(zhì)土中加入一定量的生石灰與粉煤灰.本試驗(yàn)所采用的基礎(chǔ)固化劑中粉煤灰與生石灰的質(zhì)量比為3∶1.通過前期的配比試驗(yàn)，選取的基礎(chǔ)固化劑的添加比例為20%，即基礎(chǔ)固化劑占淤泥質(zhì)土含水總質(zhì)量的20%.

2.1.1淤泥質(zhì)土 土體取自臺(tái)州椒江地區(qū)的灘涂淤泥，淤泥的基本物理性質(zhì)指標(biāo)和主要化學(xué)成分的質(zhì)量分?jǐn)?shù)(w)如表1和2所示.

表1 淤泥質(zhì)土基本參數(shù)Tab.1 Parameters of mucky soil

表2 淤泥質(zhì)土和粉煤灰的主要化學(xué)成分Tab.2 Chemical composition of mucky soil and flyash

2.1.2基礎(chǔ)固化劑 所選用的粉煤灰來自浙江某熱電廠一級(jí)粉煤灰，主要化學(xué)成分見表2.

所選用的生石灰是工業(yè)生石灰，其中CaO與MgO的總質(zhì)量分?jǐn)?shù)大于80%.

2.1.3固化添加劑 選用的固化添加劑為硅酸鈉、硫酸鈣和氯化鈣，均為分析純?cè)噭?，硫酸鈣(CaSO4)，工程上稱為石膏，是常用的早強(qiáng)劑，用以提高火山灰反應(yīng)的早期強(qiáng)度.林彤等[12]在生石灰粉煤灰固化淤泥質(zhì)土的試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，添加了質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3%的石膏作為外摻劑的試樣，其無側(cè)限抗壓強(qiáng)度均得到了顯著的提高(1天提高29.3%，7天提高229.4%，28天提高226.5%，90天提高27.2%)，可以看出石膏對(duì)于二灰加固淤泥的早期強(qiáng)度能夠起到顯著提高的作用，但是對(duì)于最終的強(qiáng)度提高并不明顯.Sivapullaiah等[13]通過一系列的試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，硫酸鈣的摻量控制在一定的范圍內(nèi)才能夠?qū)Χ壹庸掏疗鸬皆鰪?qiáng)的作用.石膏能夠起到早強(qiáng)的作用主要是兩點(diǎn)：首先是石膏自身水化產(chǎn)物具有一定的強(qiáng)度；其次由于石膏的存在，可以和粉煤灰所進(jìn)行的火山灰反應(yīng)的產(chǎn)物進(jìn)一步反應(yīng)生成鈣礬石(3CaO·Al2O3·3CaSO4·32H2O).石膏自身的早凝作用以及反應(yīng)催化作用，使石膏對(duì)于二灰固化土的早期強(qiáng)度的提高有較好的作用.

氯化鈣(CaCl2)對(duì)于粉煤灰也具有提高其強(qiáng)度的作用，也是硅酸鹽水泥常用的早強(qiáng)劑.CaCl2的加入使得體系中Ca2+濃度提高，提前生成水化鋁酸四鈣，反應(yīng)式為

3CaO·Al2O3·CaCl2·10H2O

(2)

氯化鈣溶于水后電離的Ca2+和Cl-擴(kuò)散能力較強(qiáng)，能夠穿透粉煤灰顆粒表面的水化層[14]與內(nèi)部的活性硅鋁酸鹽反應(yīng)，并形成穩(wěn)定的鈣礬石，并且能夠加速粉煤灰水化生成更多的Ca(OH)2[15].此外CaCl2還可以和Ca(OH)2反應(yīng)生成不溶于水的氧氯化鈣復(fù)鹽，增加體系中的固相成分.

2.2 粉煤灰激發(fā)添加劑配方試驗(yàn)

混料試驗(yàn)可以通過試驗(yàn)，考察各種混料成分與試驗(yàn)指標(biāo)之間的關(guān)系.混料試驗(yàn)設(shè)計(jì)中，試驗(yàn)指標(biāo)只與每種成分的質(zhì)量分?jǐn)?shù)有關(guān)，且每種成分的質(zhì)量比必須是非負(fù)的，各種成分的質(zhì)量分?jǐn)?shù)之和等于1(即100%)[16].設(shè)y為實(shí)驗(yàn)指標(biāo)，wi(i=1,2,…,p)為成分i的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，那么混料問題的約束條件為

(3)

3分量混料試驗(yàn)設(shè)計(jì)的約束條件為

(4)

3分量2階多項(xiàng)式回歸的規(guī)范形式為

(5)

3分量3階多項(xiàng)式回歸方程的規(guī)范形式為

(6)

通過試驗(yàn)所得的指標(biāo)y便可以求出回歸系數(shù)b，進(jìn)而就可以確定回歸方程.

試驗(yàn)所用的淤泥質(zhì)土的含水率大于液限，土體強(qiáng)度極低，為了控制變量，將淤泥質(zhì)土進(jìn)行烘干，碾磨成土粉，再加水配制成固定含水率50%的淤泥質(zhì)土.試樣尺寸為標(biāo)準(zhǔn)的三軸試樣尺寸，即直徑為39.1 mm，高為80 mm.試樣在模具中自然條件下養(yǎng)護(hù)24 h后，拆模后用塑料膜密封后置于養(yǎng)護(hù)室內(nèi)養(yǎng)護(hù)，溫度控制在(20±5) ℃[17].

試驗(yàn)中以初始含水率為50%的淤泥質(zhì)土作為具備典型意義的待固化土.以粉煤灰和生石灰為基礎(chǔ)固化劑總摻量為20%，固定粉煤灰與生石灰占淤泥質(zhì)土的質(zhì)量比為3∶1.添加劑的質(zhì)量比確定通過混料試驗(yàn)設(shè)計(jì)，選用的3種添加劑分別為硅酸鈉、硫酸鈣、氯化鈣，這3種添加劑的摻量比例定義為其質(zhì)量與二灰質(zhì)量和之比.固定添加劑總量占二灰質(zhì)量的10%，即為淤泥質(zhì)土的2%.通過Design-Expert軟件對(duì)試驗(yàn)方案進(jìn)行設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)參數(shù)如表3所示.其中：xi為成分i的編碼值，i=1代表硅酸鈉，i=2代表硫酸鈣，i=3代表氯化鈣.因?yàn)樵囼?yàn)的主要目的是為了研究固化土的早期強(qiáng)度，所以每組試驗(yàn)設(shè)置3個(gè)齡期(t)，分別為t=3，7，28 d，每組做3個(gè)平行試驗(yàn)，取三者的平均值作為試驗(yàn)結(jié)果.

表3 混料試驗(yàn)設(shè)計(jì)參數(shù)Tab.3 Parameter of the mixture experiment design

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

圖1 基礎(chǔ)固化土強(qiáng)度與齡期的關(guān)系Fig.1 Relationship between the basic solidified soil strength and the age

在進(jìn)行固化劑配方的試驗(yàn)之前，首先測(cè)定了僅摻入粉煤灰與生石灰的基礎(chǔ)固化土的強(qiáng)度(qu)，其中粉煤灰與生石灰的添加量之和為待固化淤泥質(zhì)土的質(zhì)量的20%，粉煤灰與生石灰的質(zhì)量比為3∶1，試驗(yàn)的結(jié)果如圖1所示.可以看出，二灰固化土的強(qiáng)度增長(zhǎng)較為緩慢，且28天的qu僅為150 kPa，但是，固化土的強(qiáng)度還是能夠持續(xù)增長(zhǎng)，從文獻(xiàn)[12]的實(shí)驗(yàn)結(jié)果來看，粉煤灰與生石灰的質(zhì)量比為3∶1時(shí)，90天的強(qiáng)度是28天強(qiáng)度值的4倍以上.因此，有效的添加劑激發(fā)粉煤灰從而提高固化土的早期強(qiáng)度是非常有必要的.

通過設(shè)計(jì)的添加劑摻量比例進(jìn)行固化劑試驗(yàn)，所得到的試驗(yàn)結(jié)果如表4所示.可以看出，無論添加劑摻入何種比例，其固化土的強(qiáng)度均有一定的增長(zhǎng)，但是不同比例的添加劑對(duì)于固化土強(qiáng)度的增長(zhǎng)的影響不同，隨著齡期的增長(zhǎng)也越明顯.

表4 固化劑配比試驗(yàn)結(jié)果Tab.4 Results of the mixture ratio test

3.1 單因子效應(yīng)分析

從試驗(yàn)的結(jié)果我們可以看出，3種添加劑在單摻的情況下硅酸鈉與硫酸鈣的效果最好，試驗(yàn)結(jié)果也相近，最低的是氯化鈣.在單摻硅酸鈉的情況下，3天的qu為75.00 kPa，7天的為258.33 kPa，28天的為480.00 kPa.而在只添加硫酸鈣的情況下3天的qu為76.67 kPa，7天的為267.50 kPa，28天為563.67 kPa.然而在單摻氯化鈣的試樣強(qiáng)度卻很低，3天的qu為45.00 kPa，7天的為103.33 kPa，28天的為266.67 kPa.單摻氯化鈣早期強(qiáng)度較低的主要原因是：過量的氯化鈣的摻入使固化土中的Cl-質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加，反應(yīng)生成過量的鈣礬石穩(wěn)定性較差，使反應(yīng)產(chǎn)物的強(qiáng)度降低，同時(shí)氯化鈣有一定的吸濕性，導(dǎo)致土體的含水率增加，從而使土體強(qiáng)度下降，因此馬保國(guó)等[18]建議氯化鈣的摻量應(yīng)控制在2%.

3.2 不同齡期下結(jié)果分析

3天的試驗(yàn)結(jié)果通過軟件計(jì)算，得到的3階3次回歸方程為

y3d=751.6w1+768.2w2+184.9w3+

17 062w1w2+1 395w1w3+2 395w2w3+

487 940w1w2w3+518 330w1w2(w1-w2)+

43 330w1w3(w1-w3)

(7)

通過計(jì)算得到當(dāng)w1=0.074，w2=0.026，w3=0時(shí)(見圖2)，固化土3天的強(qiáng)度能夠達(dá)到最高，為141 kPa，可見，硅酸鈉對(duì)于固化土的早期強(qiáng)度的增長(zhǎng)作用最大，氯化鈣對(duì)于3天的強(qiáng)度沒有增益作用.

圖2 3種添加劑3天強(qiáng)度交互作用等高線圖Fig.2 Contour map of the interaction of 3 additives in 3 days

7天的試驗(yàn)結(jié)果通過軟件計(jì)算，得到的3階3次回歸方程為

y7d=2 585.6w1+2 677.2w2+1 035.6w3+

3 257w1w2-5 577w1w3+3 923w2w3+

1 357 940w1w2w3-118 330w1w2(w1-w2)+

701 670w1w3(w1-w3)

(8)

圖3 3種添加劑7天強(qiáng)度交互作用等高線圖Fig.3 Contour map of the interaction of 3 additives in 7 days

圖3所示為3種添加劑共同作用下對(duì)于固化土強(qiáng)度的影響，可以看出，氯化鈣過量時(shí)對(duì)于固化土的強(qiáng)度增長(zhǎng)沒有效果，只有摻入適量的氯化鈣的時(shí)候，才能夠使固化土的強(qiáng)度得到增加.硅酸鈉與硫酸鈣對(duì)于強(qiáng)度增長(zhǎng)的作用類似，并且都能夠使固化土的強(qiáng)度得到有效的提高，因此在配方中摻入的硅酸鈉與硫酸鈣相較于氯化鈣多.通過回歸方程的計(jì)算，得到w1=0.045，w2=0.041，w3=0.014時(shí)，固化土7天的強(qiáng)度能夠達(dá)到最高，為293.3 kPa.

28天的試驗(yàn)結(jié)果通過軟件計(jì)算，得到的3階3次回歸方程為

y28d=4 846.7w1+5 683.4w2+2 713.4w3+

18 468w1w2-31 596w1w3-20 198w2w3+

3 626 490w1w2w3+379 320w1w2(w1-w2)+

1 335 360w1w3(w1-w3)

(9)

28天齡期的各個(gè)添加劑的表現(xiàn)和7天齡期的類似，通過回歸方程的計(jì)算，得到w1=0.057，w2=0.030，w3=0.013時(shí)(見圖4)，固化土28天的強(qiáng)度能夠達(dá)到最高，為624.06 kPa.

圖4 3種添加劑28天強(qiáng)度交互作用等高線圖Fig.4 Contour map of the interaction of 3 additives in 28 days

由于淺層固化淤泥質(zhì)土的固化劑所需要的是早期強(qiáng)度，所以綜合考慮各個(gè)齡期的重要性，通過最優(yōu)化計(jì)算得到添加劑的最佳配比，即硅酸鈉、硫酸鈣和氯化鈣的質(zhì)量比為 55∶31∶14.同時(shí)，該比例在3天的強(qiáng)度值為118.33 kPa，7天的強(qiáng)度值為291.92 kPa，28天的強(qiáng)度值為623.79 kPa.通過反查各個(gè)齡期的強(qiáng)度，該配比比較適合.

4 固化劑特性試驗(yàn)

4.1 固化土強(qiáng)度隨齡期的變化規(guī)律

根據(jù)確定的添加劑配比，對(duì)于最優(yōu)添加劑下的固化土進(jìn)行強(qiáng)度隨齡期變化規(guī)律的探究.為綜合考量固化劑的固化效果，選用的5個(gè)齡期，較為全面的分析齡期對(duì)于固化土的影響，結(jié)果如圖5所示.由圖5可見，在固化的前期，固化土的強(qiáng)度增長(zhǎng)較快，并在14天左右達(dá)到了500 kPa，為60天齡期強(qiáng)度的一半，之后由于固化土中反應(yīng)減緩，強(qiáng)度增長(zhǎng)較慢.該情形比較適合于淤泥質(zhì)土的淺層固化，前期強(qiáng)度增長(zhǎng)快，可以在短時(shí)間內(nèi)實(shí)現(xiàn)上機(jī)施工.隨著強(qiáng)度達(dá)到上機(jī)強(qiáng)度，固化土的強(qiáng)度增長(zhǎng)變緩，可以減少打樁插板等施工的阻力.此外，經(jīng)固化處理之后的淤泥還可以作為后期施工的填土材料，不需要通過運(yùn)輸處理，減少了運(yùn)輸成本和對(duì)環(huán)境的影響.

圖5 最優(yōu)配比固化土強(qiáng)度與齡期的關(guān)系Fig.5 Relationship between the solidified soil strength and the age at the optimum ratio

4.2 固化土微觀固化機(jī)理

圖6所示為固化土的掃描電鏡結(jié)果，由于每個(gè)齡期采用的都是 3 000 倍的放大倍數(shù)，由圖6(a)可見，在7天齡期下，有很多明顯的針狀產(chǎn)物(鈣礬石)，這也是固化產(chǎn)物前期強(qiáng)度主要來源.由圖6(b)可見，在14天齡期下，針狀產(chǎn)物明顯發(fā)育，長(zhǎng)度直徑都有所增加，說明還有較多的鈣礬石生成，并更具結(jié)構(gòu)性.產(chǎn)物中生成的鈣礬石針柱狀晶體限制土粒的移動(dòng)，并且填充了孔隙，從而使固化土的強(qiáng)度得以提高[19].隨著反應(yīng)的進(jìn)行，由圖6(c)可見，針狀產(chǎn)物減少，原因是鈣礬石隨著齡期的增長(zhǎng)轉(zhuǎn)化成低硫型硫鋁酸鹽或者反應(yīng)碳化生成碳硫硅鈣石等[20]，因此在28天時(shí)看不到較為明顯的針狀結(jié)構(gòu).

圖6 不同齡期下固化土微觀結(jié)構(gòu)特征Fig.6 Microstructure features of the solidified soil in different ages

5 結(jié)語

淺層固化是一種新型有效的淤泥質(zhì)土加固形式，目前在工程中應(yīng)用較少，主要原因是缺少專門的固化施工設(shè)備和淺層固化劑.本文從適用于淤泥質(zhì)土淺層固化的淤泥土出發(fā)，通過混料試驗(yàn)設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)了一種以二灰為基礎(chǔ)固化劑的淤泥質(zhì)土淺層固化劑.通過試驗(yàn)得到該固化劑適用于淤泥質(zhì)土淺層固化的最優(yōu)添加劑配比.但是本文的研究也存在一定的不足，還需要進(jìn)一步的進(jìn)行試驗(yàn)研究，比如含水率與固化劑摻量的關(guān)系、添加劑摻量與含水率的關(guān)系、以及適用于高有機(jī)質(zhì)淤泥質(zhì)土的固化研究.