復合水泥土處理軟土地基的方法探析

常乃坤 （安徽省路橋工程集團有限責任公司，安徽 合肥 230000）

1 引言

軟土地基因自身強度的缺陷，容易出現土體破壞、失穩、不均勻沉降等問題，對公路工程影響巨大。對于軟土地基的處理有很多方法，其中最為常見的處理方法是將水泥和軟土充分混合，經過水泥與土顆粒間以及水泥自身的物理化學反應，形成固化土體，該方法將極大地提高地基強度。但是，該方法對水泥的需求量較大，成本較高。為節省項目成本，大量的學者利用粉煤灰、石灰、脫硫石膏、赤泥來替代部分水泥，從宏觀力學特性到微觀機理都獲得了大量的學術成果。

本文將針對安徽地區的軟土，通過添加粉煤灰和脫硫石膏來替代部分水泥，制備復合水泥土，研究其力學特性，分析不同外加劑種類、摻量、齡期下復合水泥土的抗壓強度的變化，并結合實際工程評價該方法的經濟性。

2 試驗方案與材料

2.1 試驗材料

本次試驗主要材料包括：水泥、粉煤灰、脫硫石膏以及試驗用土。其中水泥選用P.C 42.5普通硅酸鹽水泥，土體為取自合肥某高速路基段粉質粘土，粉煤灰和脫硫石膏為市場常見材料，具體化學成分見表1。

2.2 試驗方案

根據《土工試驗方法標準》（GB/T50123-2019），設計水灰比為 0.5，本次試驗中將考慮不同外加劑（水泥、粉煤灰、脫硫石膏）的摻量、養護齡期，通過無側限抗壓強度試驗獲得不同影響因素下水泥土強度的變化，具體的試驗方案見表2，其中表2中所提含量皆為外加劑與干土的質量比。

粉煤灰和脫硫石膏的主要化學成分(%) 表1

試驗方案 表2

3 試驗結果分析

3.1 強度隨齡期的變化

根據表2中的試驗方案，分別獲得不同外加劑產量下水泥土無側限抗壓強度隨養護齡期的變化曲線，如圖1所示。

圖1 復合水泥土抗壓強度隨齡期的變化

從圖1中可以看出：所有方案中水泥土的無側限抗壓強度隨著養護齡期的增加而逐漸增大，并呈現前期強度快速增加后期較緩。但是，在方案1～方案4中水泥土在14天之前強度提升較快，方案5和方案6在7天之前強度增加較快。這與外加劑含量有關，當外加劑含量越高，前期水化反應越劇烈，表現出強度增加越明顯的宏觀力學特性。此外，在相同養護齡期下，外加劑的摻量越高，復合水泥土的強度越大，對土體的加固效果越顯著。

同時，在相同外加劑（水泥、粉煤灰、脫硫石膏）摻量下，養護7天后加入粉煤灰和脫硫石膏的方案2、4、6的強度要分別高于方案1、3、5。出現該現象的主要原因包括以下兩個方面：首先，粉煤灰和脫硫石膏的加入填充了土顆粒間的孔隙，起到了密實作用；其次，在微觀層面，脫硫石膏造成土體呈現堿性環境，加速試樣中的鋁酸三鈣會與 CaSO·2HO發生化學作用產生鈣礬石，會進一步對孔隙進行填充壓實土體，同時也起到一定的膠結作用，試樣的整體性得到改善，故而宏觀強度的提高。但在7天之前，加入粉煤灰和脫硫石膏的方案2、4、6的強度要分別低于方案1、3、5。這可能與前期粉煤灰的水化活性還未被完成激活有關，這也表明脫硫石膏對粉煤灰水化活性的激活效應存在一定滯后現象。

3.2 粉煤灰和脫硫石膏對強度的影響

在相同水泥摻量下，添加一定量的粉煤灰和脫硫石膏后，復合水泥土和水泥土強度隨齡期的變化的柱狀圖，如圖2和3所示。

圖2 方案1和方案4中復合水泥土強度變化

在圖2中，當水泥摻量為12%時（即方案1和方案4），在同一齡期下加入粉煤灰和脫硫石膏的方案4中復合水泥土的強度在要遠高于未加入粉煤灰和脫硫石膏的方案1，其中在齡期為3d、7d、14d、28d，強 度 分 別 提 高 了 6.02%、19.35%、34.26%、47.93%，可見粉煤灰和脫硫石膏的加入有利于土體強度的提高，且隨著齡期的增加粉煤灰和脫硫石膏的促進作用逐漸提高。

在圖3中，當水泥摻量為15%時（即方案3和方案6），在同一齡期下加入粉煤灰和脫硫石膏的方案6中復合水泥土的強度在要遠高于未加入粉煤灰和脫硫石膏的方案3，其中在齡期為3d、7d、14d、28d，強度分別提高了 17.81%、44.78%、14.14%、17.78%，且隨著齡期的增加粉煤灰和脫硫石膏的促進作用先增加后減弱。這與粉煤灰和脫硫石膏的摻量比不同有關，當粉煤灰與脫硫石膏的摻量比為2：1時，脫硫石膏對粉煤灰水化活性的激活作用比較緩慢，隨齡期的增加而逐漸釋放，導致強度平穩提高；而當粉煤灰與脫硫石膏的摻量比為1：2時，在養護初期脫硫石膏極大地激發了粉煤灰水化活性，才導致前期強度迅速提高。

圖3 方案3和方案6中復合水泥土強度變化

此外，在材料拌和養護過程中，由于粉煤灰和脫硫石膏中存在大量的AlO和CaO，導致液相中出現Ca、AlO，生成大量的鈣礬石，并以微晶形式與其他水化產物相互穿插，形成了致密結構，使土體強度增加。這就解釋了在相同水泥摻量下增加粉煤灰和脫硫石膏有利于土體強度的提高。

4 案例分析

4.1 項目概況

某新建路段中軟土主要發育河漫灘地形或一、二級階地低洼區，地下水想深較選，大部分款土直接出露地表，局部存在1-2m的表層覆土，主要為粉質粘土和細砂，工程地質條件較差，下臥層也為粉質粘土、部分砂礫層，工程性質一般、承載力低，設計中要合理選擇適當的處理方案，以滿足沉降及穩定性的要求。軟土路基處理斷面圖，如圖4所示。

圖4 軟土路基處理斷面圖

4.2 方案比選與經濟性評價

當原材料：水泥選用P.C 42.5水泥。配合比設計：水灰比按照0.50，水泥摻量分別按方案1～方案6進行設計，28天無側限抗壓強度分別為1.548 MPa、1.654 MPa、2.21 MPa、2.29 MPa、2.494 MPa、2.603 MPa，其中方案 1和方案2不符合設計要求。換言之，只有當外加劑摻量在15%和18%時才能滿足本工程要求。對比方案3和方案4，方案4可以發現水泥節約20%，對比方案5和方案6，方案6可以發現水泥節約16.67%。結合第3節中抗壓強度分析，在添加粉煤灰和脫硫石膏后的處理方法可達到節約水泥、降低施工成本、增加施工質量的效果。因此，本工程可采用方案4。

5 結論

本文采用試驗手段，分析不同外加劑種類、摻量、齡期下復合水泥土的抗壓強度的變化，并將室內試驗結果用于具體工程，得到如下主要結論：

①添加粉煤灰和脫硫石膏后會改變水泥土隨齡期的變化速率，同時，在相同外加劑摻量下，添加粉煤灰和脫硫石膏的復合水泥土強度要略高于未添加粉煤灰和脫硫石膏的水泥土；

②粉煤灰與脫硫石膏的配比將影響脫硫石膏對粉煤灰水化活性的激活效應，當粉煤灰與脫硫石膏的配比為1：2時，將有利于激活效應；

③根據實際工程，從抗壓強度角度分析后可最高節約水泥20%，進一步降低施工成本且增加施工質量的效果；同時，有效利用工業廢料粉煤灰和脫硫石膏，符合國家環保、綠色施工理念。