新型固化劑GSC固化軟土的力學性能試驗研究

孫家瑛，沈建生，2

（1.浙江大學寧波理工學院 綠色建材與廢棄物資源化研究中心，浙江 寧波 315100；2.浙江大學 建筑工程學院，杭州 310058）

堅持可持續發展道路，是中國一項長期的基本國策，工業廢渣的再生利用，環境的綜合治理，一直是可持續發展的核心內容。脫硫石膏和鋼渣是常見的2種工業廢棄物，隨著工業規模的不斷擴大，上述2種廢棄物產量也在逐年增加，給城市的環境帶來沉重的負擔［1－3］。目前在巖土工程中利用工業廢渣進行土體改良非常廣泛，有文獻研究表明，固化劑HS［4］、MBER［5］均是由水泥與工業廢渣混合制成的，武漢大學發明的HAS固化劑是以礦渣渣為主要原料的一種新型灰渣膠凝材［6］。但尚未有文獻載明利用鋼渣、脫硫石膏等工業廢渣混合，在不摻水泥的情況下作為軟土的固化劑的研究。

研究表明：1）礦渣激發后水化產物除了與硅酸鹽相同的C－S－H凝膠外，還產生了難溶的、高強的沸石類礦物［7］；2）鋼渣粉的化學成分和礦物相組成與水泥熟料相似，具有一定的活性［8］；3）脫硫石膏含有較多的二水硫酸鈣（CaSO4·2H2O），其固化后產生鈣礬石，具有支撐及充填性作用［9］；施惠生等［10］研究發現，脫硫石膏對礦渣具有改性作用。如果將鋼渣、礦渣、石膏三者混合運用于軟土的固化，不僅可以減少燃煤電廠及冶金廠廢渣的堆放場地，減少二次污染，而且可以減少天然石膏的開采量，保護天然石膏資源，節省開礦費用，符合中國可持續發展戰略和循環經濟理念，具有重要的現實意義。

本文以鋼渣、脫硫石膏、礦渣為主要原料，摻入水泥熟料作為礦物激發劑，制成脫硫石膏及鋼渣礦渣復合膠凝材料（以下簡稱GSC）。將此材料用于固化軟土。通過GSC固化土的無側限抗壓強度與水泥土無側限抗壓強度的比較，來探討其固化軟土的力學性能，并用似水灰比指標對GSC固化劑的固化效果進行預測，以探討GSC在實際工程應用中的可行性。

1 原材料及試驗方法

1.1 試驗用原材料

水泥：P·O 42.5R普通硅酸鹽水泥；脫硫石膏為北侖電廠的工業廢料；礦渣、鋼渣微粉由上海寶鋼冶金公司生產，通過正交試驗確定各原料的配合比，GSC其組成為：m（脫硫石膏）∶m（鋼渣微粉）∶m（礦渣粉）∶m（水泥熟料）＝12∶43∶40∶5。水泥及GSC的物理力學性能見表1。GSC中鋼渣微粉的主要化學成分見表2。

土樣為寧波典型的淤泥質粉質黏土，土樣的基本物理力學指標見表3。

表1 水泥及GSC的物理力學性能

表2 鋼渣微粉的主要化學成分

表3 試驗土樣物理力學性能

1.2 試驗方法

固化劑的摻入比aw為8%、10%、12%、15%、20%，摻入比aw指的是摻入固化材料質量與濕土質量的比值。養護齡期為7、14、28、60、90d。具體試樣制備如下：

1）將原狀土風干碾碎，過2mm篩后加入適量的水，將含水率調至37%，采用B10型攪拌機攪拌均勻。

2）往原狀土中分別加入指定比例的水泥和GSC進行混合，并攪拌均勻，水泥按8%、10%、12%、15%摻入，水灰比為0.5；GSC按8%、10%、12%、15%、20%摻入，水灰比為0.3、0.4、0.5。

3）將攪拌均勻的混合料分層振實成型，制成直徑為39.1mm、高為80mm的圓柱體試樣，用袋養的方法把試樣放入標準養護箱內養護至指定的齡期。

將養護至設計齡期的試樣進行無側限抗壓強度試驗。試驗采用應變式三軸剪力儀，加荷速率為0.8mm／min，在室溫條件下進行單軸壓縮試驗。

2 試驗結果與分析

2.1 固化土無側限抗壓強度隨齡期的變化規律

圖1給出了GSC固化土在不同摻入比，不同水灰比下無側限抗壓強度隨齡期的變化曲線。從圖中可以看出，無側限抗壓強度隨齡期的增大而不斷增大。

從圖1中可以發現，GSC在齡期達到7d以前固化效果不明顯；當齡期達到7d以后，GSC固化土的無側限抗壓強度增長較為明顯；當齡期超過28d時，強度仍有較大的增長，但增長的幅度隨著齡期的增加而逐漸降低。圖中曲線從下到上觀察可以發現，隨著齡期的增長，強度的增長上面較下面明顯，說明摻入比高的固化土隨著齡期的增長較快。

圖1 GSC固化土tqu關系曲線

2.2 固化土無側限抗壓強度隨摻入比的變化規律

圖2給出了GSC固化土在水灰比0.3時，不同齡期固化土無側限抗壓強度隨摻入比的變化規律。從圖中可以看出：無側限抗壓強度隨摻入比的增大而不斷增大，齡期達到60d后強度的增長較少。圖中各曲線的斜率為遞增關系，說明強度增長速率隨著摻入比的增大而增大。

圖2 GSC固化土aw qu關系曲線（水灰比0.3）

圖3給出了GSC固化土在不同水灰比時，在齡期達到28d后固化土無側限抗壓強度隨摻入比的變化規律。從圖中可以看出：相同條件下，無側限抗壓強度隨著水灰比的增大而減小，間接說明了土的含水量對水泥土的強度存在影響。當土中的水含量加大時，土的有效應力就小，相應的土的抗壓強度就削弱。圖1中后期強度的提高有一部分因素是水泥基固化材料的水化作用，使得土中的水分減少，孔隙由水化膠結物填充，土的有效應力增加，固化土的無側限抗壓強度也相應的提高。

圖3 GSC固化土aw qu關系曲線

2.3 GSC和水泥固化效果的比較分析

圖4表明，GSC固化土無側限抗壓強度隨齡期的變化規律與水泥固化土的無側限抗壓強度變化規律一致，GSC固化土的早期強度較水泥土的早期強度要低。

圖4 GSC、水泥tqu關系比較曲線

從圖4（a）中可以發現當GSC水灰比0.3；水泥土水灰比0.5時，在同一摻入比下，當齡期達到60d以后，兩者的無側限抗壓強度相當。圖4（b）中表明：當GSC摻入比高于水泥摻入比5%時，在GSC固化土的水灰比和水泥土的水灰比均為0.5的情況下，齡期達到28d后，兩者的強度相當；相同條件下，當GSC固化土水灰比降低時，在齡期達到28d后，GSC固化土的無側限抗壓強度均大于水泥固化土。

當GSC摻入比高于水泥摻入比3%時（見表4），在齡期達到28d時，水灰比0.3的GSC固化土強度高于水灰比0.5的水泥土強度3%；當齡期達到60d時，GSC固化土強度高于水泥土強度30%；達到90d時，GSC固化土強度高于水泥土強度37%。當水灰比均為0.5時，GSC固化土28d強度低于水泥土強度23%，當齡期達到60d時，GSC固化土強度低于水泥土強度21%，達到90d時，GSC固化土強度低于水泥土強度15%。

表4 固化土強度隨齡期的變化值

當GSC摻入比與水泥摻入比均為12%時（表4），在齡期達到28d時，水灰比0.3的GSC固化土強度低于水灰比0.5的水泥土強度37%，當齡期達到60d時，GSC固化土強度低于水泥土強度26%，達到90d時，GSC固化土強度低于水泥土強度22%。

2.4 似水灰比與加固土無側限抗壓強度的關系

似水灰比R［11］，指單位體積GSC固化土在配置前水的質量與GSC的質量之比，最大似水灰比與土的性質有關［12］。中國有很多學者研究了關于水泥土無側限抗壓強度與水灰比、水泥用量之間的關系［13－16］，運用似水灰比R，考慮水灰比、摻入比、含水量的關系，見式（1）。

式中：M為水灰比，%；ωn為土的天然含水量，%；aw為摻入比，%。

通過試驗結果可得到GSC固化土無側限抗壓強度qu與似水灰比1／R成直線關系（見圖5）。

式中KE為直線斜率，稱為GSC加固土的加固系數，大量研究表明，水泥土的加固系數KE隨著齡期的增大而增大［15－17］。從圖5可以發現，GSC固化土的KE也存在此規律。直線與橫坐標的交點為1／R0，R0為最大似水灰比，式（2）表明某一種土的R0可視為常量，通過回歸分析如圖5所示，可以得出該種土的R0＝4.1。

3.5 GSC固化土加固系數KE與齡期的關系

圖5 無側限抗壓強度與似水灰比之間的關系

在實際工程中，水泥土的強度常常通過28d取樣來測試其固化效果，為了更好的了解固化土后期強度的發展，就要對其進行強度預測，如Sakka等［15］、Horpibulsk等［17］都提出了相應的預測公式。本文通過含1／R，KE的預測公式（2）來研究GSC固化劑的固化效果及在工程應用中的可行性。KE／K28與齡期t的關系見圖6。通過回歸分析得到：

由式（2）、（3）可以得到：

圖6 KE／K28與齡期之間的關系

當已知某種似水灰比R及其在齡期28d時的強度系數K28，就可以通過式（4）計算出GSC固化土在任意齡期的強度。圖7為實測強度與預測強度進行了比較，兩者的相關系數為0.98，具有很好的相關性，因此用公式（4）對GSC固化土進行強度預測是可行的。

圖7 實測強度與預測強度的比較

3 結 論

1）通過大量的試驗得到，當GSC摻入比越大，對軟土的固化效果越好，當GSC固化土水灰比與水泥土的水灰比相同時，在齡期達到28d后，當GSC摻入比高于水泥摻入比3%時，GSC固化土強度略低于水泥土且隨著齡期的增長，差距相應的縮小。當GSC固化土水灰比降低時，在齡期達到28d后，當GSC摻入比高于水泥摻入比3%時，GSC固化土的無側限抗壓強度均大于水泥固化土且隨著齡期的增長，差距相應的增大。因此用GSC替代水泥作為軟土固化劑可以滿足固化土強度要求。

2）GSC固化土早期強度低，后期強度增長潛力大，因此有待對此水泥基材料的早期強度進一步研究，使后期強度能夠提早激發出來。

3）GSC固化劑摻入比及水灰比對土的加固效果有著顯著的影響，當水灰比增大時，固化強度降低；摻入比增大時，固化強度提高。

4）對現有公式進行修正，得到GSC固化土強度預測公式，能夠較為準確的預測固化土后期強度。

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