南京河西地區軟土快速固化劑的研制

2017-11-02 02:26:15滕世明

城市道橋與防洪 2017年10期

沈正，仲達，滕世明

（南京工程學院，江蘇南京 211167）

南京河西地區軟土快速固化劑的研制

沈正，仲達，滕世明

（南京工程學院，江蘇南京 211167）

軟土地基的快速處理是縮短道路施工工期，確保施工質量的有效措施。該研究結合南京河西地區長江漫灘軟土，研制一種高效經濟的軟土固化劑。選擇主固化材料水泥與輔助固化材料電石渣、石膏、三乙醇胺、氫氧化鈉和聚丙烯纖維，通過配比設計對南京河西地區軟土分別進行固化試驗。通過無側限抗壓強度試驗，確定固化土的強度特性，最終得出快速固化劑的最終配比為：9%水泥，4%電石渣，2%石膏，2%氫氧化鈉。

軟土；快速固化；無側限抗壓強度；最佳配比

0 引言

南京河西地區位于長江東側,區內地表水系發育,地勢寬廣低平,地面高程在5.21～7.70 m之間，地貌單元上,屬于長江漫灘區,其新近沉積的漫灘軟土極為軟弱,且分布極不均勻。這種軟土的存在對河西地區的開發將產生不良的工程地質作用,尤其是修筑市政道路。傳統軟基處理方法包括堆載預壓、真空預壓、砂樁、碎石樁等排水固結方法[1-3]，但采用傳統軟基處理方法需要經歷較長時間，極大地延緩了工程的施工進度，因此，尋求快速有效的軟土地基的處理方法是目前市政工程建設領域亟需解決的難題，而研制高性能的軟土固化劑是解決上述難題的一個主要途徑之一。

本研究首先對固化劑進行選擇，通過室內力學試驗，對固化材料加固軟土效果進行對比和篩選，對南京河西地區長江漫灘相軟土開展固化的早期強度試驗研究，獲得提高固化土早期強度的固化劑。

1 固化劑的選擇

在現階段的軟土固化劑中，應用最廣泛的一種固化劑就是水泥。水泥通過水泥與土之間發生的各種物理化學反應而有效的提高了軟土的早期強度，達到快速固化的效果，這些反應包括水化反應和硬化反應。水泥經過與土體中的水發生水化反應形成凝膠，促進了土壤顆粒之間的連接，包容了有害物質。同時，水泥與水調和時，隨著時間推移會逐漸失去可塑性，產生硬化效果，促使土體構成一個堅固的整體，增強土體強度。水化反應完成后，土粒中的顆粒還會與水化反應產物形成相互作用，促進軟土力學性質的提高。

經過研究發現，軟土中的有機物質對水泥固化土的早期強度形成有非常大的影響，包括阻礙水泥的水化反應以及影響土粒之間的相互作用。為了解決這一問題，保證水泥水化反應的進行，國內的一些學者尋找到了一些解決方法，如減薄黏土雙電層厚度，提高土壤pH值等[4]。根據上述理論，本試驗中先考慮摻入石灰粉，石灰中所含的鈣離子可以和土體中的鉀離子和鈉離子發生離子交換，從而達到減薄黏土雙電層厚度的目的。同時由于本試驗研制的固化劑需要在短時間能達到固化要求，可以考慮采用電石渣代替石灰，電石渣可以消耗軟土中大量水分，降低軟土的最優含水量，提高軟土的強度。

除了電石渣外，還可以考慮在軟土中添加膨脹成分生石膏（CaSO4·H2O），提供足夠的膨脹性水化物鈣礬石（3CaO·Al2O3·3CaSO4·31H2O）使固體體積膨脹增加94%，填充土顆粒間的孔隙和擠壓填充土團粒內的孔隙，由于土體間的孔隙被填滿，土壤的力學性能顯著提高，因此能夠迅速提高固化土的早期強度。

同時考慮在水泥土中摻入早強劑，可以提高水泥土的早期強度。三乙醇胺是目前工程上常用的早強劑。三乙醇胺的使用可以改善和促進了水泥水化及凝結硬化。三乙醇胺的早強作用在于其能促進C3A的水化。在C3A-2CaSO4-2H2O體系中,它能加快鈣礬石的生成，鈣礬石能夠有效的填充土壤之間的空隙，同時促進水泥等固化劑與土壤以及土體之間的各種物理化學反應，有利于水泥土的早期強度發展[5]。

除了三乙醇胺之外，氫氧化鈉也是一種常用的早強劑，氫氧化鈉的加入可以中和土壤中的酸，提高土壤中的pH值，保證反應中產生的氫氧化鈣能夠充滿土壤縫隙中，保證了水泥的水化反應不會受到影響，從而提高了固化土的早期強度。

最后，有研究表明纖維能夠顯著提高固化土的力學性能和抗裂能力[6]。纖維可以與水泥水化物形成空間網狀結構，有效的約束土粒變形。因此本試驗考慮在固化劑中加入聚丙烯纖維。聚丙烯纖維是以聚丙烯為主要材料，經過特殊工藝加工而成的纖維材料。具有很好的環保效應，同時有很高的抗變形能力，對固化土早期強度的形成起到了一定促進作用。

根據上述分析，本次試驗中需要驗證的固化劑成分初步確定為主劑水泥，輔助添加劑電石渣、石灰粉、石膏、三乙醇胺、氫氧化鈉、聚丙烯纖維。在上述成分中選擇固化效果最好的組合以及配比。

2 試驗材料與方案

固化劑的主要材料為水泥、電石渣、石膏，強度激發劑為三乙醇胺、氫氧化鈉、硫酸鈉，通過無側限抗壓強度試驗來測定軟土的力學性質以及確定加入固化劑后的軟土早期強度，尋找出一種最適合的復合型固化劑。

取自南京河西地區典型土層淤泥質粉質粘土作為原料土，水泥、電石渣、石膏、聚丙烯纖維作為主要固化材料輔以三乙醇胺、氫氧化鈉、硫酸鈉作為強度激發劑，通過無側限抗壓強度試驗，獲取固化土早期強度，研究不同固化材料對淤泥質軟土快速固化效果，嘗試配制一種適合于提高南京河西地區軟土早期固化強度的經濟復合型固化劑。

2.1 軟土物理指標

試驗土樣取自南京河西地區典型土層，為達到最佳的試驗效果，試驗中采用的土樣均為勘察鉆探所取得的原狀土樣，試驗取土深度為4～5 m，基本物理特性指標見表1。

2.2 軟土固化劑配方的研制

2.2.1 選擇固化劑組成成分

首先對一些常用的主成分固化劑進行單一固化材料的試驗，為輔助成分的固化材料的挑選提供參考依據。在本試驗中，除了水泥與電石渣外，還挑選了環氧樹脂和增強固化劑進行對比試驗，測定其不同齡期下（1 d，3 d，7 d）的無側限抗壓強度，從而保證了固化劑主成分的固化效率為最優，試驗結果見圖1。

圖1 不同齡期下各類固化劑無側限抗壓強度

從圖1中可以看出，水泥和電石渣的固化效果明顯高于其他兩種固化劑，因此本試驗的固化劑主要材料確定為水泥和電石渣，而從3 d和7 d的固化效果來看，水泥固化軟土的無側限抗壓強度明顯優于電石渣。因此可以看出，水泥在早期固化過程中占主導地位。進一步進行多種固化劑組合試驗，試驗結果見圖2。

圖2單一固化劑和組合固化劑固化效果對比圖

圖2 中可以看出，當水泥與電石渣混合，再加入石膏作為輔助固化劑后，固化效果明顯好于兩種材料單獨做固化劑，再加入三乙醇胺并將電石渣替換為石灰粉作對比試驗，試驗結果見圖3。

表1 土樣的基本物性指標

從圖3中看出，三乙醇胺作為常用的工業早強劑，加入后對水泥的早期強度有明顯提升，而當將電石渣替換為石灰粉時，軟土的早期強度明顯降低，因此初步確定本試驗固化劑的組成為水泥，電石渣，石膏，三乙醇胺。再在這四種固化劑成分中變化每種成分的比例，進行初步的對比試驗，觀察每種成分的變化對固化效果的影響，見圖4。

圖4 不同比例的四種固化劑成分固化效果對比圖

從圖4可以看出，水泥的含量與軟土的無側限抗壓強度完全呈現正相關的關系，因此在之后的試驗中可以適當選擇增加水泥用量。隨著電石渣的含量的增加，軟土的7 d內無側限抗壓強度并沒有持續上升，而是在4%左右時達到了峰值，因此在之后的試驗中，電石渣的含量可以控制在4%左右。三乙醇胺對試驗結果的影響不是很明顯，需要在之后的試驗中繼續研究其最佳含量的范圍。

2.2.2 確定固化劑各成分比例

（1）確定水泥含量

由以上試驗可知，水泥作為軟土使用最廣泛的固化劑，對軟土的早期強度起到非常重要的主導地位，因此優先確定水泥的最佳含量。為了反映水泥的摻入量對軟土固化效果的影響，分別取水泥摻入量為3%，5%，7%，9%，12%，測量其不同齡期（1 d，3 d，7 d）下的無側限抗壓強度，試驗結果見圖5。

從圖5中可以明顯看出，水泥含量和無側限抗壓強度成正相關關系，而當水泥含量是9%和12%時，無側限抗壓強度的上升并不是十分明顯，因此考慮到經濟效應，取水泥含量為9%為最佳含量。

圖5 水泥摻入量對不同齡期下固化土無側限抗壓強度影響

（2）確定石膏含量

摻入石膏后，會迅速產生膨脹性水化物鈣礬石，填充土粒之間的空隙從而迅速的提高軟土的早期強度。為了確定石膏的最佳含量，在9%水泥基礎上，添加不同含量石膏，確定兩種固化劑的最佳組成比例，試驗結果見圖6。

圖6 石膏摻入量對不同齡期下固化土無側限抗壓強度的影響

從圖6中可以看出，石膏的摻入對軟土的無側限抗壓強度有一定的提升，但隨著石膏摻入量的變化，軟土的無側限抗壓強度變化不明顯?？梢钥闯?，在一定范圍內，隨著石膏含量的增加，軟土的無側限抗壓強度也隨著提高，當石膏含量在2%時，軟土的無側限抗壓強度達到峰值，超過2%后，隨著石膏摻入量的增加，軟土的無側限抗壓強度反而降低。說明石膏含量超過一定數值后會產生過多的膨脹性物質，對軟土的早期強度起反作用。綜上所述，本試驗取石膏摻入量為2%為最佳摻入量。

（3）確定電石渣含量

電石渣作為軟土固化劑，吸收了軟土中的大量水分，能夠快速提升軟土的早期強度。為了確定電石渣的摻入量，在水泥和石膏的基礎上，摻入2%，4%，6%，8%的電石渣，測定其在不同齡期下的無側限抗壓強度，反應電石渣含量對軟土早期強度的影響規律，試驗結果見圖7。

圖7 電石渣摻入量對不同齡期下固化土無側限抗壓強度的影響

從圖7中可以看出，隨著齡期的增長，加入電石渣后固化土的無側限抗壓強度都不斷提升。而在同一齡期的對比中，當電石渣摻量達到4%時，固化土的無側限抗壓強度達到峰值，之后再增加電石渣含量，固化土的無側限抗壓強度反而下降。因此得出電石渣的最佳含量取4%。根據上述現象分析，電石渣加入軟土中，會與軟土中的水發生反應，生成大量氫氧化鈣，加強了土體顆粒之間的聯接，但是如果氫氧化鈣含量過多，就會產生膨脹作用，反而導致土體的強度降低。

（4）早強劑的對比試驗（三乙醇胺，氫氧化鈉，硫酸鈉）

為了保證早強劑的最優選擇，本試驗選取了另外兩種常用早強劑：氫氧化鈉和硫酸鈉，進行與三乙醇胺的對比試驗，分別測量不同齡期下加入這三種早強劑的固化土的無側限抗壓強度，試驗結果見圖8。

圖8 三種早強劑對不同齡期下固化土無側限抗壓強度的影響

從圖8中可以看出，加入硫酸鈉后固化土的早期強度反而沒有不加入早強劑時的早期強度高，因此硫酸鈉對固化土的早期強度形成有反作用。加入三乙醇胺后，固化土的1 d強度有顯著提升，而3 d和7 d時的強度幾乎沒有變化。只有氫氧化鈉對固化土的早期強度，尤其是1 d和3 d的強度有非常明顯的提升作用，因此更改原配方，選擇氫氧化鈉取代三乙醇胺作為固化劑的成分之一。

（5）聚丙烯纖維對固化效果的影響

試驗表明，聚丙烯纖維能夠顯著提高固化土的力學性能和抗裂能力，因此本試驗中嘗試在原因固化劑成分的基礎上加入聚丙烯纖維，測量其在不同齡期下的無側限抗壓強度。由于試驗時間原因，本試驗與早強劑的對比試驗同時進行，因此早強劑的選擇仍然為三乙醇胺，但并不影響試驗得出聚丙烯纖維對固化土早期強度形成的影響規律。試驗結果見圖9。