陳中友

（安徽省城建設計研究總院股份有限公司，安徽 合肥 230041)

0 引言

淤泥質(zhì)土是指天然含水率大于液限、天然孔隙比在1.0～1.5之間的黏性土，是路基軟弱土的主要類型，在路基處理過程中，淤泥質(zhì)土是重點關注對象，是工程上必須處理的問題，它具有長期性、大量性、特殊性等特點。這種土主要分布在我國東南沿海地區(qū)和內(nèi)陸的大江、大河、大湖沿岸及周邊區(qū)域，由于其具有壓縮性較高、強度低的特點，容易導致地基沉降大，且多為不均勻沉降，極易造成建筑物墻體開裂、建筑物傾覆。

研究表明，化學固化改良法相較于其他幾種處理方法具有節(jié)約資源、控制成本、改良效果明顯等優(yōu)勢[1]，是淤泥質(zhì)軟弱路基土處理方法中較為理想的方法。本文對淤泥質(zhì)土的固化改良機理進行分析，并通過試驗驗證淤泥質(zhì)軟弱路基土的固化改良效果，找到固化劑合適的摻量，為淤泥質(zhì)軟弱路基土的固化改良提供參考。

1 淤泥質(zhì)不良土的固化改良機理

目前，在實際工程應用中，淤泥質(zhì)土固化材料的類型較多，按其主要成分可分為五大類：有機化合物類、無機化合物類、離子交換類、生物酶類和復合型固化劑。就固化材料發(fā)展過程和實用性而言，一般主要分成傳統(tǒng)的無機化合物類和新型的復合型固化劑兩大類。

（1）無機化合物類固化材料及其加固機理。傳統(tǒng)的無機化合物類固化材料，一般是指以水泥為代表的粉末狀膠凝材料，如石灰、石膏、粉煤灰、工業(yè)礦渣以及幾種膠凝材料的混合物等。這類傳統(tǒng)固化劑加固改良淤泥質(zhì)不良土時主要是通過顆粒表面的礦物質(zhì)和土體中水發(fā)生水解反應和水化反應，生成的水化產(chǎn)物主要是水化硅酸鈣、氫氧化鈉以及鈣礬石等混合膠凝物質(zhì)。

（2）復合型固化材料及其加固機理。新型復合型土壤固化材料通常是指兩種或兩種以上的化學試劑按一定配比制作而成的對土壤具有一定加固改良能力的新型固化劑。輔助材料還可以通過與淤泥質(zhì)土中的礦物質(zhì)發(fā)生物理、化學反應，在一定程度上能增強骨架結(jié)構(gòu)，提升固化土的總體強度。且有些輔助材料之間能反應產(chǎn)生膨脹性物質(zhì)，充填固化土顆粒間的孔隙，提高骨架結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，增強固化土強度[2]。

就不同固化劑類型而言，無論是無機固化劑、復合型固化劑還是有機高分子材料固化劑，在固化改良淤泥質(zhì)土時都會發(fā)生一系列的化學反應，生成膠凝物質(zhì)，改善軟土的骨架結(jié)構(gòu)。不同類型固化劑與淤泥質(zhì)土反應的化學方程式是不同的，反應產(chǎn)物也有所不同，導致其固化效果有所不同。因此，研究固化劑的固化改良作用有著重要的意義。

2 淤泥質(zhì)不良土固化劑的選擇

2.1 主固化劑

在軟弱土體固化改良的研究領域，水泥是大部分學者研究固化土的首選固化材料，同時也是被采用最多的固化材料，且隨著水泥品種的多樣化，相關固化技術(shù)也已達到成熟狀態(tài)。目前，水泥品種的多樣化按水泥性能和用途分為普通水泥、專用水泥和特性水泥，按水泥主要成分分為硅酸鹽類水泥、硫酸鹽類水泥、磷酸鹽類水泥以及鋁酸鹽類水泥等。就建筑行業(yè)而言，所使用的水泥普遍以抗壓強度42.5MPa的普通硅酸鹽水泥為主，且軟土固化劑研究領域大部分都是水泥固化土，采用的亦為普通硅酸鹽水泥[3]?；诖耍疚牟捎脧姸鹊燃墳?2.5級的普通硅酸鹽水泥作為淤泥質(zhì)土固化改良的主固化劑。

2.2 外摻劑

（1）水玻璃：采用無色透明黏稠狀硅酸鈉水溶液，其化學分子式為Na2SiO3·nH2O，相對密度為2.66g/cm3，分子量為284.2，折射率為1.522。水玻璃溶液易溶于水，溶于稀氫氧化鈉溶液，不溶于酸和乙醇，且水解呈堿性，又因為是弱酸鹽，所以遇鹽酸、硫酸、硝酸、二氧化碳都能析出硅酸。

（2）碳酸鈣：采用成都市永源建材有限公司生產(chǎn)的碳酸鈣，是一種白色微細結(jié)晶粉末狀無機化合物，其化學式為CaCO3，呈中性，基本上不溶于水，溶于酸。分子量為100，相對密度為2.632g/cm3。

（3）生石膏：采用國藥集團化學試劑有限公司生產(chǎn)的白色粉末狀生石膏粉，主要化學成分為CaSO4·2H2O，其密度為2.27g/cm3，分子量為172，微溶于水。

（4）FDN高效減水劑：無毒、無味不易燃的棕色粉末，具有明顯的減水分散效果，減少泌水，提高抗離析性，其減水率在15%～25%。

（5）三乙醇胺：一種具有強吸濕性的淡黃色或無色黏稠狀液體，其pH呈弱堿性，胺的含量在99%～110%，密度約1.5g/cm3，折光率則1.480～1.47，其主要成分C6H15NO3的含量在75.0%以上。

2.3 固化劑的配制

水玻璃：不良土中Ca2+和OH-的濃度是決定C-S-H生成量的重要因素。故可通過摻入Na2O·n Si O2、NaOH和CaO中和黏?？紫度芤褐械乃?，提高pH值，使得黏?？紫度芤褐械腃a（OH）2處于飽和狀態(tài)，以便水化反應的進行。其中水玻璃的反應化學式如式（1）：

碳酸鈣：摻入碳酸鈣后，使得溶液中的Ca2+增加。通過離子交換，用高價離子取代低價離子，實現(xiàn)水化離子半徑縮小化，來達到雙電層變薄，以使黏土顆粒之間易于凝聚。常見陽離子的交換能力如下：

生石膏：采用摻入膨脹性組分生石膏，與水化鋁酸鈣的反應后生成具有膨脹性的水化物鈣礬，填充于黏粒之間孔隙中以及擠壓填充團粒內(nèi)的孔隙，使得固體體積膨脹性有所增加。

3 固化劑的單摻試驗

基于淤泥質(zhì)土的物化性質(zhì)以及針對性固化對策，初步選定無機材料水泥為主固化劑，水玻璃、碳酸鈣、生石膏、FDN高效減水劑以及三乙醇胺作為固化劑的外摻試劑，對外摻試劑進行單摻配比試驗，目的是確定外摻劑合適的摻量（摻量為土試樣質(zhì)量的百分比）范圍以及外摻試劑在水泥為主固化劑下固化效果的影響規(guī)律。

水泥作為主固化劑，水泥漿水灰比控制為0.4時，土體抗壓強度隨水泥摻量變化關系如圖1所示。由圖1可知，固化土隨著水泥摻量逐漸增加，7d抗壓強度基本上呈直線增長，當水泥摻量從6%增加至15%時，強度提升約179%，隨后從15%增至24%，其強度提升約64%。因此，單摻水泥的最佳摻量應控制在15%左右。初步確定水灰比為0.4，固化土試樣基準配比的水泥摻量為15%。

圖1 土體抗壓強度隨水泥摻量變化關系圖

在水泥摻量為15%的條件下下進行不同含水量試驗，試驗結(jié)果如圖2所示，由圖2可知，含水量為44%時，水泥固化土的抗壓強度達到最大。同時，在試驗時發(fā)現(xiàn)抗壓強度最大值對應的含水量與淤泥質(zhì)土液限的45.7%接近。現(xiàn)以含水量為44%，水泥摻量為15%，水灰比為0.4為基準配比，對各配比進行試驗分析，配比方案如表1所示，并通過7d無側(cè)限抗壓強度試驗測得強度為192kPa。

圖2 土體抗壓強度隨含水量變化關系圖

表1 改良土基準配比方案表

在基準配比下，各外摻試劑單摻試驗結(jié)果分別見圖3～圖6所示。

通過圖3、圖4可以發(fā)現(xiàn)，淤泥質(zhì)土的土體抗壓強度與水玻璃和碳酸鈣摻量呈正相關，摻量較低時，淤泥質(zhì)土體強度增長速度較低，水玻璃摻量在4%以內(nèi)時，土體強度幾乎和水玻璃摻量呈正比，超過4%后，淤泥質(zhì)土強度呈指數(shù)增長趨勢，原因在于水玻璃中的Ca2+和OH-的濃度在摻量較低時，化學反應較慢，當達到一定濃度時，離子的反應速度迅速增加，土體強度不斷提高，同時由于OH-離子的增加，水中的pH值也不斷上升，堿性環(huán)境促進了Ca(OH)2快速進入飽和狀態(tài)，加快了水化反應的進行[4]。

圖3 土體抗壓強度隨水玻璃摻量變化關系圖

圖4 土體抗壓強度隨碳酸鈣摻量變化關系圖

圖5 土體抗壓強度隨生石灰摻量變化關系圖

圖6 土體抗壓強度隨FDN減水劑摻量變化關系圖

碳酸鈣在摻量在0.6%～1.0%時候，淤泥質(zhì)土體強度曲線斜率迅速上升，這是因為Ca2+增加使得淤泥質(zhì)土液體中的低價鈣離子置換成高價鈣離子，釋放水化熱，反應物溫度上升，加快化學反應的進程。從經(jīng)濟成本及反應物合理利用的角度出發(fā)，水玻璃摻量10%和碳酸鈣摻量1.0%是較為理想的摻量。

從圖5、圖6可以發(fā)現(xiàn)，土體抗壓強度隨生石灰和FDN減水劑摻量的增加表現(xiàn)為先增大后減小的趨勢，土體抗壓強度存在峰值，峰值分別出現(xiàn)在生石灰摻量2%和FDN減水劑摻量1.5%時。試驗結(jié)果表明，生石灰摻量為2%時，土體抗壓強度最大。同樣，減水劑的加入也會產(chǎn)生類似現(xiàn)象，帶緩凝引氣的減水劑如果過量，就會引起混凝土凝結(jié)過慢，含氣量高，導致混凝土強度降低[5-6]，試驗結(jié)果表明，1.5%的FDN減水劑摻量是最佳單摻量。

根據(jù)以上試驗結(jié)果，配制含量為最佳摻量的固化劑用于淤泥質(zhì)土的固化改良，水玻璃摻量10%、碳酸鈣摻量1.0%、生石灰摻量2%、FDN減水劑摻量1.5%，對比試驗設置一組原狀土，兩組對照組，原狀土為某工程現(xiàn)場淤泥質(zhì)土，對照組分別采用合格路基填料及固化改良處理土，試驗結(jié)果采用室內(nèi)試驗測取土體物理力學參數(shù)，分別從土體容重、彈性模量、泊松比、內(nèi)摩擦角及黏聚力5個土力學參數(shù)進行對比分析，試驗結(jié)果統(tǒng)計于表2中。

表2 改良土基準配比方案表

對比結(jié)果顯示：換填法及固化改良處置后的路基土相對于原狀淤泥質(zhì)土體各力學參數(shù)均有較大程度提高，其中最為顯著的參數(shù)為彈性模量，換填合格路基填料后，路基彈性模量為1200MPa，已經(jīng)符合路基彈性模量要求，固化改良之后的土體彈性模量達1500MPa，較合格路基填料的彈性模量提升了25%，同時泊松比下降，容重及內(nèi)摩擦角小幅度上升，黏聚力顯著增加，原狀淤泥質(zhì)土黏聚力僅為10kPa，固化改良后的路基土黏聚力增加至150kPa。說明固化改良對處置淤泥質(zhì)不良土具有良好的效果，主要體現(xiàn)在土體彈性模量、黏聚力的增加，和泊松比的降低等方面。

4 結(jié)束語

本文以工程中常見的淤泥質(zhì)土為研究對象，通過對淤泥質(zhì)土的固化改良，使之成為能夠滿足工程應用條件的合格填料。首先從淤泥質(zhì)土固化改良劑的改良原理出發(fā)，對離子固化改良的化學過程進行了研究，并進行各固化改良劑的單摻試驗研究，得到了4種淤泥土的固化改良最佳單摻量，在此基礎上對比了原狀淤泥質(zhì)土、換填土、固化改良后的路基土力學參數(shù)。試驗結(jié)果表明：在最佳單摻量條件下，固化改良后的淤泥質(zhì)土具有良好的力學性質(zhì)，能夠作為良好的路基填料來使用。