鐘煜清，蔡光華,,*，劉松玉，李江山，王俊閣

(1. 南京林業(yè)大學土木工程學院，南京 210037； 2. 東南大學交通學院，南京 211189；3. 中國科學院武漢巖土力學研究所巖土力學與工程國家重點實驗室，武漢 430071)

土壤有機質(zhì)(soil organic matter，SOM)是土壤的重要組成部分，影響了土體的理化性、生物性及工程特性。農(nóng)業(yè)中，SOM提高了土壤肥力，使土壤擁有更佳蓄水和持水特性，直接或間接促進了農(nóng)作物生長[1]。工程建設中，SOM顯著影響土體滲透、固結(jié)和結(jié)構(gòu)性等理化和力學性質(zhì)，產(chǎn)生低強度、高靈敏度、高壓縮性及工后沉降等不良特性[2]。此外，富有機質(zhì)土顆粒間的弱膠結(jié)作用，及其孔隙液中的高濃度電解質(zhì)和膨脹礦物將直接影響土體工程性能[3]。因此，工程建設前，需對富有機質(zhì)土進行改良處理[4]。

軟土地基處理常采用以水泥攪拌樁技術(shù)為主的固化法[5]。但當水泥固化法處理富有機質(zhì)土時，有機質(zhì)會阻礙水泥水化物生成，從而降低水泥固化富有機質(zhì)土的強度，難以達到預期效果[6-7]。水泥生產(chǎn)過程中存在明顯環(huán)境問題，據(jù)報道，水泥生產(chǎn)排放CO2占全球人為排放CO2的5%以上，對全球環(huán)境保護和節(jié)能減排帶來了巨大挑戰(zhàn)。因此，亟需尋找一種用于有機質(zhì)土處理的低碳固化材料，以減少水泥使用。

近年來，將?；郀t礦渣(ground granulated blastfurnace slag，GGBS)等副產(chǎn)品用作堿激發(fā)固化材料是巖土領域研究的熱點。GGBS是從冶鐵爐渣中分離并被迅速冷卻磨細而形成的具有膠凝特性的產(chǎn)品。GGBS單獨用作固化劑時，其水化速度慢、前期強度和固化效率低；常通過激發(fā)劑來加速其水化進程。由于水泥水化物中存在Ca(OH)2，故水泥被較早用作GGBS激發(fā)劑?，F(xiàn)有學者將石灰[Ca(OH)2或CaO]用作GGBS水化的激發(fā)劑，證實了其可行性[8-9]。與水泥相比，無論是成本、生產(chǎn)工藝還是碳排放，石灰和GGBS都具有一定優(yōu)勢，因此開展GGBS理化特性和再利用研究有著重要意義[10]。

前期研究證實了石灰+GGBS固化土的可行性，石灰+GGBS處理富有機質(zhì)土的研究和應用卻鮮有報道。本研究用生石灰(CaO)激發(fā)GGBS并用于富有機質(zhì)土的固化處理，通過一系列理化和力學試驗分析石灰+GGBS固化富有機質(zhì)土的工程性質(zhì)，以期拓寬富有機質(zhì)土的固化處理方法，同時促進巖土工程的綠色、低碳發(fā)展。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

本研究所用土樣取自江蘇省南京市南京林業(yè)大學大學生活動中心施工場地，為低液限粉質(zhì)黏土(塑性指數(shù)14.2，黏粒質(zhì)量分數(shù)17.4%)，物理化學指標如表1所示。所用GGBS為鞏義市龍澤凈水材料有限公司生產(chǎn)的S95級礦渣粉(CaO、MgO質(zhì)量分數(shù)為34%、6.01%)，比表面積為1.55 m2/g；生石灰(CaO質(zhì)量分數(shù)94%)由江西省分宜縣英歌礦業(yè)有限公司生產(chǎn)，比表面積3.63 m2/g。

表1 試驗土樣的物理化學指標Table 1 Physical and chemical indexes of soil samples

據(jù)報道，有機質(zhì)土中的主要有機質(zhì)成分為腐殖酸[11]，故本研究中有機質(zhì)采用腐殖酸鈉。其主要成分為腐殖酸，占總質(zhì)量的50%～60%，產(chǎn)品外觀呈黑色粉末狀，水溶性≥85%。

1.2 試驗方案

預制試樣初始含水率為30%，按m(CaO)∶m(GGBS)=2∶8配制固化劑，設固化劑摻量(質(zhì)量分數(shù),下同)為10%，15%，20%和25%，養(yǎng)護齡期為7，28和56 d。在水泥粉噴樁加固富有機質(zhì)土時，由于國內(nèi)要求有機質(zhì)質(zhì)量分數(shù)不超過6%、國外要求不超過2%[11]，故本研究的有機質(zhì)質(zhì)量分數(shù)設為0，3%和6%。具體試驗方案如表2所示。表2中，OxBy表示土中含x%有機質(zhì)和y%固化劑。其中，前3組為有機質(zhì)質(zhì)量分數(shù)影響下試驗組；后4組為固化劑摻量下試驗組，每組試樣均制兩個平行樣。

表2 不同條件下的試驗方案Table 2 Test schemes under different conditions

1.3 試樣制備及測試

參照GB/T 50123—2019《土工試驗方法標準》進行試樣制作，其步驟如下。

1)土樣準備：將風干原狀土擊碎，在烘箱105 ℃下烘24 h后繼續(xù)破碎，并用1 mm標準篩篩分。

2)材料稱量：按試樣初始密度(約1.89 g/cm3)及模具容積，計算并稱量所需干土、CaO+GGBS固化劑、蒸餾水及有機質(zhì)各組分質(zhì)量。

3)材料混合：將各干料均勻攪拌，然后分3次加入蒸餾水，每次加水后攪拌30 s，待蒸餾水全部加入，再攪拌3 min成均勻混合料。

4)試樣制作：采用內(nèi)徑50 mm、高50 mm的圓柱模具；將均勻混合料分3次裝入模具并分層壓實，控制平行樣間的質(zhì)量誤差在±2 g以內(nèi)。

5)試樣養(yǎng)護：依據(jù)DGJ32/TJ 154—2013《江蘇省水泥土試驗方法》，將未脫模的試樣放入密封箱中養(yǎng)護[溫度(20±5)℃，相對濕度≥50%]；3 d后將試樣脫出，并繼續(xù)放在密封箱中養(yǎng)護[溫度(20±2)℃，相對濕度≥95%]。

達到預定齡期后，從密封箱中取出試樣，先測量試樣質(zhì)量、直徑和高度；再測試無側(cè)限抗壓強度并記錄試樣破壞形式；最后從破壞試樣中取樣進行含水率和pH測試。含水率測試的烘干溫度為60 ℃[12]；pH測試液按干土與水質(zhì)量比1∶2配制。無側(cè)限抗壓強度測試采用微機控制電子萬能試驗機CMT4204，加載速度為1 mm/min；pH測量采用?，攦x表公司的AS218型pH檢測計，測試精度為0.01。

2 結(jié)果與分析

2.1 表面破壞形式

試樣表面破壞特征如圖1所示。由圖1a可知，試樣破壞時的表面裂縫寬度隨有機質(zhì)質(zhì)量分數(shù)的增加而擴大。其原因是：疏松多孔的有機質(zhì)吸附在土顆粒表面，阻礙了固化劑水化和對土顆粒的膠結(jié)，降低了試樣密實度，破壞時產(chǎn)生局部裂縫。當有機質(zhì)質(zhì)量分數(shù)一定且養(yǎng)護7 d時，試樣側(cè)面出現(xiàn)少量微裂縫；28 d時，裂縫數(shù)量和寬度明顯增加并出現(xiàn)剝落現(xiàn)象；56 d時，試樣的裂縫數(shù)量減少，但開裂程度增加并在試樣頂面出現(xiàn)橫向裂縫。試樣破壞形式隨養(yǎng)護齡期延長由局部小裂隙轉(zhuǎn)為大裂縫。

由圖1b發(fā)現(xiàn)，破壞時試樣側(cè)面裂縫數(shù)量隨固化劑摻量增加而減少，但裂縫寬度和深度增加，并出現(xiàn)大塊剝落現(xiàn)象(如固化劑為20%的試樣)。此外，固化劑摻量一定時，28和56 d的試樣裂縫寬度和數(shù)量較7 d的明顯增加。其原因可能是：固化劑摻量及養(yǎng)護齡期的延長增加了膠結(jié)物數(shù)量，增強了土顆粒膠結(jié)，最終試樣的破壞為整體破壞。

圖1 試樣表面破壞形式Fig. 1 Surface failure forms of specimens

2.2 無側(cè)限抗壓強度

試樣無側(cè)限抗壓強度(qu)的測試結(jié)果見圖2。為提高測試試樣的均勻性，本研究選擇高徑比為1的模具進行制樣。根據(jù)文獻[13]記載，高徑比為1試樣的無側(cè)限抗壓強度qu約為高徑比為2試樣的1.12倍，兩者差距較小，故本研究未對原始數(shù)據(jù)進行折減換算。

圖2 無側(cè)限抗壓強度quFig. 2 The changes in unconfined compressive strength (qu)

由圖2a可知，試樣強度qu隨有機質(zhì)質(zhì)量分數(shù)的增加而降低，因為有機質(zhì)阻礙了固化劑的水化反應，減少了水化產(chǎn)物生成量。當有機質(zhì)質(zhì)量分數(shù)為6%時，固化試樣養(yǎng)護7，28和56 d的qu分別為不含有機質(zhì)試樣的19%，30%及45%。說明養(yǎng)護齡期越長，有機質(zhì)質(zhì)量分數(shù)對固化土強度的影響程度越小。

由圖2b，隨固化劑摻量增加，固化有機質(zhì)土的qu隨之升高。其原因可能為：固化劑摻量的提高，使溶液中Ca2+及OH-濃度上升、膠凝產(chǎn)物的生成量增加和固化土強度提高[8]。

對比圖2a、b發(fā)現(xiàn)，固化土qu隨養(yǎng)護齡期延長而增長。在不同變量條件下，養(yǎng)護齡期對qu增長的貢獻不同：有機質(zhì)質(zhì)量分數(shù)影響下，56 d的試樣平均qu為7 d的1.6倍；固化劑摻量影響下，56 d的試樣平均qu為7 d的2.83倍。說明在同一養(yǎng)護齡期下，固化劑摻量對固化土強度的影響更大。

2.3 變形模量

變形模量(E50)反映了土體抵抗彈塑性變形的能力，是衡量土體工程性質(zhì)的重要參數(shù)。本研究中，固化土樣的E50由式(1)計算得到：

(1)

式中：εf為破壞應變，取試樣達到峰值軸向應力時對應的應變，%；σ1/2為破壞應變達到一半時對應的軸向應力，MPa。不同變量下的E50計算結(jié)果見表3。由表3可知，固化土的E50隨有機質(zhì)質(zhì)量分數(shù)增加而降低，隨固化劑摻量增加而增加，與試樣強度qu的變化規(guī)律一致。相同齡期下，有機質(zhì)質(zhì)量分數(shù)對固化土E50的影響更大，且養(yǎng)護時間越低，其影響越顯著。說明固化土抗變形能力受有機質(zhì)質(zhì)量分數(shù)變化較敏感，隨有機質(zhì)質(zhì)量分數(shù)升高而降低，并隨齡期延長而改善。

表3 E50計算結(jié)果Table 3 Calculation results of E50 單位：MPa

根據(jù)已有研究[14]，將E50與qu進行關(guān)聯(lián)。每一平行樣的E50-qu關(guān)系見圖3。由圖3可知，CaO+GGBS固化富有機質(zhì)土的E50與qu呈較好線性關(guān)系，可用式(2)進行表征：

圖3 E50和qu的關(guān)系Fig. 3 Relationship between E50 and qu

E50=43.009qu(R2=0.984)

(2)

2.4 含水率變化

試樣含水率測試結(jié)果如圖4所示。由圖4a，在任一齡期下，破壞時的試樣含水率均隨有機質(zhì)質(zhì)量分數(shù)增加而增加。有機質(zhì)質(zhì)量分數(shù)一定時，7 d的試樣含水率較養(yǎng)護前(即各試驗材料均混完成時)大幅下降，與28 d的試樣含水率接近。同時，56 d的試樣含水率較7和28 d的大幅降低，且含水率隨有機質(zhì)質(zhì)量分數(shù)的變化幅度減小。盡管疏松多孔的有機質(zhì)能吸收大量水分[1]，阻礙固化劑的前期水化，但隨著齡期延長，有機質(zhì)質(zhì)量分數(shù)對固化土持水性的影響將逐漸減小。

由圖4b可知，不同齡期下的含水率均隨固化劑摻量增加而下降。固化劑摻量為10%時，7 d的試樣含水率較養(yǎng)護前下降1.38%，56 d的試樣含水率較28 d的下降4.88%；固化劑摻量25%時，7 d的試樣含水率較養(yǎng)護前下降5.66%，56 d的含水率較28 d的僅下降0.62%。其原因可能是：當固化劑摻量較低時，養(yǎng)護前期的水分被黏附在土顆粒表面的有機質(zhì)所吸收，養(yǎng)護后期的水分逐漸析出并發(fā)生水化反應，使含水率呈先快后慢的下降趨勢；固化劑摻量較高時，前期水化消耗了土中大部分水和固化劑，導致后期的水化反應變緩。

圖4 試樣破壞時含水率的變化Fig. 4 Moisture contents of samples at failure

2.5 pH變化

試樣pH測試結(jié)果如圖5所示。由圖5a可知，pH隨土中有機質(zhì)質(zhì)量分數(shù)增加而上升。其原因可能是：按行業(yè)標準HG/T 3278—2018《腐殖酸鈉》，生產(chǎn)腐殖酸鈉需用強堿NaOH作配料，導致腐殖酸鈉具有一定堿性。本研究所用腐殖酸鈉的pH為9.25，一定程度上促進了pH升高。由圖5b可知，試樣pH隨固化劑摻量增加而增加，其原因為：①CaO 遇水生成Ca(OH)2，Ca(OH)2水解為Ca2+及OH-如式(3)所示。②GGBS水化過程中，Ca—O及Mg—O鍵斷裂，與水中電離出的H+結(jié)合形成OH-[8,15]。因此，固化劑摻量越大，孔隙液中OH-濃度越高，試樣pH越大。

圖5 試樣破壞時pH的變化Fig. 5 pH values of samples at failure

CaO + H2O → Ca(OH)2→ Ca2++ 2OH-

(3)

結(jié)合圖5a、b可知，試樣pH隨養(yǎng)護齡期增加而降低，養(yǎng)護28～56 d后，試樣pH的下降幅度顯著大于7～28 d的下降幅度。其原因為：①CaO+GGBS產(chǎn)生的Ca2+和OH-與GGBS中的Si、Al結(jié)合形成穩(wěn)定的CSH或CASH膠凝物[8]如式(4)、(5)所示，導致OH-濃度和pH降低。②養(yǎng)護7～28 d后，固化劑水化反應劇烈，OH-的增速較快，pH降幅較小；養(yǎng)護28～56 d后，水、CaO及GGBS被大量消耗并減緩水化反應，使OH-消耗增加和pH大幅下降。③腐殖酸是一種具有多活性官能團的物質(zhì)，與土中Ca2+發(fā)生交換吸附，生成穩(wěn)定的腐殖酸鈣沉淀如式(6)所示[15]；水化反應前期，有機質(zhì)減緩了含鈣膠凝產(chǎn)物生成和OH-消耗，使pH降幅較小。

Ca(OH)2+ SiO2+ H2O → CSH

(4)

Ca(OH)2+ SiO2+ Al2O3+ H2O → CASH

(5)

(6)

2.6 討 論

有機質(zhì)質(zhì)量分數(shù)分數(shù)影響下試樣強度增長率qu/qu0與養(yǎng)護齡期的關(guān)系見圖6，其中qu為不同養(yǎng)護齡期下試樣的無側(cè)限抗壓強度，qu0為試樣養(yǎng)護7 d的無側(cè)限抗壓強度。由圖6可知，試樣qu/qu0隨養(yǎng)護齡期增長而上升。結(jié)合圖2a發(fā)現(xiàn)，盡管試樣qu隨有機質(zhì)質(zhì)量分數(shù)增加而降低，但固化有機質(zhì)土的qu/qu0隨養(yǎng)護齡期增長而變大，說明延長齡期能改善有機質(zhì)對固化土強度的削弱作用。

圖6 養(yǎng)護齡期對試樣強度增長率qu/qu0的影響Fig. 6 Effects of curing age on strength growth rate qu/qu0 of samples

有機質(zhì)質(zhì)量分數(shù)影響下CaO+GGBS、鎂水泥[16]及普通硅酸鹽水泥(OPC)固化土[17]的7 d強度qu及其強度增長率qu/qu0見圖7，其中qu為不同有機質(zhì)質(zhì)量分數(shù)下的抗壓強度，qu0為未摻有機質(zhì)下的抗壓強度。相比于鎂水泥和OPC固化土，本研究的qu更高，但隨有機質(zhì)質(zhì)量分數(shù)增加，CaO+GGBS固化土的qu/qu0顯著降低。其原因可能為：當有機質(zhì)成分為腐殖酸時，鎂水泥和OPC固化土的初始含水率分別為60%和45%，遠高于30%，導致本研究固化土強度高于鎂水泥和OPC固化土的強度；由于腐殖酸對Ca2+有特殊親和力，固化劑中鈣含量越高，越易產(chǎn)生腐殖酸鈣沉淀，導致含鈣膠凝物(CSH等)的減少，使固化土強度降低[11,15]。3種固化劑中，因CaO+GGBS的含鈣量最高，故CaO+GGBS固化土強度隨有機質(zhì)質(zhì)量分數(shù)的衰減速度較快。

圖7 有機質(zhì)質(zhì)量分數(shù)對試樣強度(qu)及強度衰減率(qu/qu0)的影響Fig. 7 Effects of organic matter content on strength (qu) and strength decay rate (qu/qu0) of samples

盡管CaO+GGBS固化有機質(zhì)土的強度衰減較大，但其qu仍能達到地基處理的最低標準(qu>180 kPa)；特別是不含有機質(zhì)時，CaO+GGBS固化土強度明顯高于水泥固化土強度，且CaO+GGBS較水泥具有顯著環(huán)境優(yōu)勢。生產(chǎn)每噸OPC、GGBS及CaO所需的平均能耗及CO2排放量見表4[8,10]。根據(jù)CaO和GGBS質(zhì)量比2∶8計算，生產(chǎn)每噸CaO+GGBS固化劑所需平均能耗和CO2排放量分別為1 994 MJ 及0.2 t，明顯低于水泥。因此，考慮工程實用性及環(huán)境效益，堿激發(fā)固化劑更適用于對強度要求不高的工程，當待處理場地的有機質(zhì)質(zhì)量分數(shù)及含水率較低時，堿激發(fā)固化劑優(yōu)于水泥。

表4 生產(chǎn)每噸OPC、GGBS及CaO的平均能耗及CO2排放Table 4 Average energy consumption and CO2 emission per ton of OPC, GGBS and CaO production

最后，結(jié)合上述結(jié)果及分析，對堿激發(fā)GGBS固化有機質(zhì)土提出改進方案：GGBS激發(fā)時用不含鈣或少鈣堿性材料代替CaO(如活性MgO)；處理前測試有機質(zhì)成分，若以腐殖酸為主，則需增加固化劑摻量或添加其他外摻劑進行輔助固化。

3 結(jié) 論

本試驗開展了不同有機質(zhì)質(zhì)量分數(shù)、固化劑摻量及養(yǎng)護齡期條件下堿激發(fā)GGBS固化富有機質(zhì)土的理化和力學性質(zhì)研究，得出了以下主要結(jié)論：

1)有機質(zhì)質(zhì)量分數(shù)和養(yǎng)護齡期的增加均導致試樣裂縫數(shù)量和寬度的增加；但隨固化劑摻量增加，試樣破壞時的裂縫數(shù)量減少，裂縫寬度增大。

2)試樣無側(cè)限抗壓強度(qu)與變形模量(E50)均隨有機質(zhì)質(zhì)量分數(shù)的增加而降低，隨固化劑摻量和養(yǎng)護齡期的增加而升高；且固化有機質(zhì)土的變形模量(E50)與無側(cè)限抗壓強度(qu)呈較好線性關(guān)系(E50=43.009qu)。

3)固化土含水率隨有機質(zhì)質(zhì)量分數(shù)增加而增加，隨養(yǎng)護齡期及固化劑摻量的增加而減少。pH隨有機質(zhì)質(zhì)量分數(shù)及固化劑摻量的增加而增加，隨養(yǎng)護齡期延長而降低；養(yǎng)護28～56 d后pH的下降幅度顯著大于養(yǎng)護7～28 d后的。

4)與水泥固化有機質(zhì)土對比，CaO+GGBS固化有機質(zhì)土的強度明顯衰減，適用于地基加固強度要求不高的工程項目，并提出固化有機質(zhì)土的改進方案。