淺層淤泥質土固化劑

徐日慶， 王 旭， 文嘉毅， 朱兵見

(1. 浙江大學 濱海和城市巖土工程研究中心, 杭州 310058； 2. 浙江加州國際納米技術研究院臺州分院， 浙江 臺州 318000； 3. 臺州學院 建筑工程學院， 浙江 臺州 318000)

濱海地區的淤泥地基以及吹填土一直以來都是地基處理的難點.地基的處理方式也隨著技術的進步而得到不斷的提升，目前大量采用的深厚淤泥質土或者吹填土地基處理方式有真空預壓、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，強度低，對于需要大型機械上機施工的工法，仍需要對地基土進行超前處理.

淤泥質土的淺層加固技術是一種新型的地基處理方式，也稱為淤泥質土加固技術，是通過地基處理手段對強度極低的淤泥質土進行淺層加固形成硬殼層，從而提高地基的承載力，施工機械能夠進場從而進行地基處理施工.閆澍旺等[1]研究了在吹填土上吹填一層粉細砂形成硬殼層以提高地基的承載力，從而滿足插板機的承載力要求.董志良等[2]研究了適用于天津濱海新區超軟土的淺層加固技術.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定土拌合法(SLM工法)，從理論推導、數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]通過顆粒流計算軟件PFC模擬了固化疏浚淤泥雙層地基，通過計算得到固化層能有效的提高地基的承載力.王樺等[5]對于硬殼層在路基中應力擴散的作用進行了研究.

軟土的淺層加固技術可以采取多種方式，可以通過自然晾曬、吹填砂墊層[1]、淺層土體排水[2]、化學加固等措施實現淺層軟土的加固，形成硬殼層.通過摻入固化劑的手段進行淤泥質土的淺層加固可以大幅縮減成本與工期，同時通過運用工業廢渣廢料進行地基土的固化，符合我國建設資源節約型和環境友好型社會的目標.固化劑的摻入使吹填土、淤泥質土等高含水量、低強度、高壓縮性的地基土能夠達到一定的表面承載力.當地基土達到足夠的上機強度時，可以進行地基處理工作，比如打樁和插板.目前針對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濟的淺層軟土固化劑是非常有必要的.

1 基礎固化劑

淺層軟土的固化劑主要作用是在施工早期在淤泥質土的表層形成硬殼層，從而能夠進行下一步的施工，需要具有的特性是經濟環保和高效節約.對于地基加固的固化材料，國內外學者都進行了很多的研究，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的材料，但是粉煤灰相對于水泥的活性較低，因此粉煤灰的早期強度較低.但是在一定的激發劑作用下以粉煤灰作為固化劑，固化土的強度也能夠達到較為理想的值，比如在質量分數為15%的粉煤灰和15%的生石灰固化含水率為50%的淤泥質土，28天后強度能夠達到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.本試驗以二灰作為淤泥質土的基礎固化劑.二灰固化淤泥質土的機理主要是石灰中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生火山灰反應.

CaO·SiO2·nH2O

(1)

二灰土中上述反應生成的水化硅酸鈣等不溶于水的穩定性結晶化合物，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在一起，降低空隙率和滲透性，使二灰固化軟土的強度得到顯著提高[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，反應生成不溶于水的碳酸鈣，這種反應使粉煤灰固化，將粉煤灰顆粒膠結起來提高二灰土的強度.

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

根據容許的地基承載力，利用地基承載力特征值計算公式計算出室內試驗所得到的無側限抗剪強度qu(在無側限的條件下，內摩擦角φ=0°，抗剪強度cu=qu/2).在一般情況下，7天后現場抗剪強度cu基本達到100 kPa以上，固化效果可以滿足多數施工機械的行走[3].為使二灰固化土能夠盡早地達到理想的強度，向其中添加一定的添加劑，以提高二灰土的早期強度，并且通過設計試驗確定添加劑的質量比.

2 試驗設計

2.1 試驗材料

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

2.1.1淤泥質土 土體取自臺州椒江地區的灘涂淤泥，淤泥的基本物理性質指標和主要化學成分的質量分數(w)如表1和2所示.

表1 淤泥質土基本參數Tab.1 Parameters of mucky soil

表2 淤泥質土和粉煤灰的主要化學成分Tab.2 Chemical composition of mucky soil and flyash

2.1.2基礎固化劑 所選用的粉煤灰來自浙江某熱電廠一級粉煤灰，主要化學成分見表2.

所選用的生石灰是工業生石灰，其中CaO與MgO的總質量分數大于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，均為分析純試劑，硫酸鈣(CaSO4)，工程上稱為石膏，是常用的早強劑，用以提高火山灰反應的早期強度.林彤等[12]在生石灰粉煤灰固化淤泥質土的試驗中發現，添加了質量分數為3%的石膏作為外摻劑的試樣，其無側限抗壓強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%)，可以看出石膏對于二灰加固淤泥的早期強度能夠起到顯著提高的作用，但是對于最終的強度提高并不明顯.Sivapullaiah等[13]通過一系列的試驗發現，硫酸鈣的摻量控制在一定的范圍內才能夠對二灰加固土起到增強的作用.石膏能夠起到早強的作用主要是兩點：首先是石膏自身水化產物具有一定的強度；其次由于石膏的存在，可以和粉煤灰所進行的火山灰反應的產物進一步反應生成鈣礬石(3CaO·Al2O3·3CaSO4·32H2O).石膏自身的早凝作用以及反應催化作用，使石膏對于二灰固化土的早期強度的提高有較好的作用.

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

3CaO·Al2O3·CaCl2·10H2O

(2)

氯化鈣溶于水后電離的Ca2+和Cl-擴散能力較強，能夠穿透粉煤灰顆粒表面的水化層[14]與內部的活性硅鋁酸鹽反應，并形成穩定的鈣礬石，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反應生成不溶于水的氧氯化鈣復鹽，增加體系中的固相成分.

2.2 粉煤灰激發添加劑配方試驗

混料試驗可以通過試驗，考察各種混料成分與試驗指標之間的關系.混料試驗設計中，試驗指標只與每種成分的質量分數有關，且每種成分的質量比必須是非負的，各種成分的質量分數之和等于1(即100%)[16].設y為實驗指標，wi(i=1,2,…,p)為成分i的質量分數，那么混料問題的約束條件為

(3)

3分量混料試驗設計的約束條件為

(4)

3分量2階多項式回歸的規范形式為

(5)

3分量3階多項式回歸方程的規范形式為

(6)

通過試驗所得的指標y便可以求出回歸系數b，進而就可以確定回歸方程.

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

試驗中以初始含水率為50%的淤泥質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固化劑總摻量為20%，固定粉煤灰與生石灰占淤泥質土的質量比為3∶1.添加劑的質量比確定通過混料試驗設計，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量與二灰質量和之比.固定添加劑總量占二灰質量的10%，即為淤泥質土的2%.通過Design-Expert軟件對試驗方案進行設計，設計參數如表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.因為試驗的主要目的是為了研究固化土的早期強度，所以每組試驗設置3個齡期(t)，分別為t=3，7，28 d，每組做3個平行試驗，取三者的平均值作為試驗結果.

表3 混料試驗設計參數Tab.3 Parameter of the mixture experiment design

3 試驗結果分析

圖1 基礎固化土強度與齡期的關系Fig.1 Relationship between the basic solidified soil strength and the age

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

通過設計的添加劑摻量比例進行固化劑試驗，所得到的試驗結果如表4所示.可以看出，無論添加劑摻入何種比例，其固化土的強度均有一定的增長，但是不同比例的添加劑對于固化土強度的增長的影響不同，隨著齡期的增長也越明顯.

表4 固化劑配比試驗結果Tab.4 Results of the mixture ratio test

3.1 單因子效應分析

從試驗的結果我們可以看出，3種添加劑在單摻的情況下硅酸鈉與硫酸鈣的效果最好，試驗結果也相近，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-質量分數增加，反應生成過量的鈣礬石穩定性較差，使反應產物的強度降低，同時氯化鈣有一定的吸濕性，導致土體的含水率增加，從而使土體強度下降，因此馬保國等[18]建議氯化鈣的摻量應控制在2%.

3.2 不同齡期下結果分析

3天的試驗結果通過軟件計算，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)

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

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

7天的試驗結果通過軟件計算，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于固化土強度的影響，可以看出，氯化鈣過量時對于固化土的強度增長沒有效果，只有摻入適量的氯化鈣的時候，才能夠使固化土的強度得到增加.硅酸鈉與硫酸鈣對于強度增長的作用類似，并且都能夠使固化土的強度得到有效的提高，因此在配方中摻入的硅酸鈉與硫酸鈣相較于氯化鈣多.通過回歸方程的計算，得到w1=0.045，w2=0.041，w3=0.014時，固化土7天的強度能夠達到最高，為293.3 kPa.

28天的試驗結果通過軟件計算，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天齡期的各個添加劑的表現和7天齡期的類似，通過回歸方程的計算，得到w1=0.057，w2=0.030，w3=0.013時(見圖4)，固化土28天的強度能夠達到最高，為624.06 kPa.

圖4 3種添加劑28天強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土的固化劑所需要的是早期強度，所以綜合考慮各個齡期的重要性，通過最優化計算得到添加劑的最佳配比，即硅酸鈉、硫酸鈣和氯化鈣的質量比為 55∶31∶14.同時，該比例在3天的強度值為118.33 kPa，7天的強度值為291.92 kPa，28天的強度值為623.79 kPa.通過反查各個齡期的強度，該配比比較適合.

4 固化劑特性試驗

4.1 固化土強度隨齡期的變化規律

根據確定的添加劑配比，對于最優添加劑下的固化土進行強度隨齡期變化規律的探究.為綜合考量固化劑的固化效果，選用的5個齡期，較為全面的分析齡期對于固化土的影響，結果如圖5所示.由圖5可見，在固化的前期，固化土的強度增長較快，并在14天左右達到了500 kPa，為60天齡期強度的一半，之后由于固化土中反應減緩，強度增長較慢.該情形比較適合于淤泥質土的淺層固化，前期強度增長快，可以在短時間內實現上機施工.隨著強度達到上機強度，固化土的強度增長變緩，可以減少打樁插板等施工的阻力.此外，經固化處理之后的淤泥還可以作為后期施工的填土材料，不需要通過運輸處理，減少了運輸成本和對環境的影響.

圖5 最優配比固化土強度與齡期的關系Fig.5 Relationship between the solidified soil strength and the age at the optimum ratio

4.2 固化土微觀固化機理

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

圖6 不同齡期下固化土微觀結構特征Fig.6 Microstructure features of the solidified soil in different ages

5 結語

淺層固化是一種新型有效的淤泥質土加固形式，目前在工程中應用較少，主要原因是缺少專門的固化施工設備和淺層固化劑.本文從適用于淤泥質土淺層固化的淤泥土出發，通過混料試驗設計，設計了一種以二灰為基礎固化劑的淤泥質土淺層固化劑.通過試驗得到該固化劑適用于淤泥質土淺層固化的最優添加劑配比.但是本文的研究也存在一定的不足，還需要進一步的進行試驗研究，比如含水率與固化劑摻量的關系、添加劑摻量與含水率的關系、以及適用于高有機質淤泥質土的固化研究.