基于正交試驗的復合土壤固化劑配合比設計研究

董博聞 王修山 沈森杰

摘要：為有效利用沉淤廢土資源，并減少傳統土壤固化劑所帶來的環境污染，研發新型環保的土壤固化劑具有重要意義。采用三因素、三水平的正交試驗方法，設計了 9 組不同配合比的淤泥固化劑復合材料試驗方案，并進行無側限抗壓強度試驗，運用極差分析和方差分析對試驗結果進行分析，得到復合土壤固化劑的最優配合比。以最優配合比制作試件，并探究了不同固化劑摻量和養護齡期對淤泥質黏土強度的影響。結果表明：復合土壤固化劑中生石灰含量是影響淤泥質黏土強度的最主要因素，其次為納米SiO2、礦渣摻量;摻加10%復合土壤固化劑的淤泥質黏土28 d無側限抗壓強度達到峰值。

關 鍵 詞：沉淤廢土;復合土壤固化劑;正交試驗;無側限抗壓強度試驗

中圖法分類號：U416

文獻標志碼：A

文章編號：1001-4179（2021）09-0193-05

DOI：10.16232/j.cnki.1001-4179.2021.09.031

0 引 言

濱海地區的淤泥質土以及吹填土一直以來都是道路路基處理的難點[1]。據官方統計，僅僅浙江省內每年由建設工程所帶來的淤泥質廢土就高達數億噸，如何處治利用這些沉淤廢土也成為國內近幾年急需解決的一個問題。

對于現有的工程沉淤廢土，常用的方法往往是海洋傾倒和陸地拋填等，這樣往往帶來大面積的土地資源侵占問題，并存在較大的污染隱患[2]。近幾年，土壤固化劑作為一種新型材料在巖土工程領域受到了廣泛的關注，早期的傳統土壤固化劑以水泥、石灰、二灰土或者水泥石灰綜合固化劑為主[3]。這些傳統土壤固化劑的出現，很大程度上改善了這些沉淤廢土的處理情況。因為具備相對可觀的強度和性能，這些加固土也被廣泛地應用在道路、水利、地基基礎工程等領域。然而隨著這些傳統固化劑的推廣，其潛在的缺點也慢慢顯露出來，如早期強度低，并且其強度對水泥和石灰的用量有著較高的依賴性;水泥水化作用產生的C-S-H膠結物過多引起體積收縮而導致路面開裂，從而影響工程質量;水穩性較差等問題[4-6]。其中，水泥生產過程中存在嚴重的環境污染問題，最明顯的就是生產水泥所排放的CO2占世界人為排放CO2的 5%～7%。除排放的CO2之外，其生產過程中還有大量的粉塵以及SO2等有毒氣體排入大氣中，對環境造成很大的污染[7]。

近些年，Cheng[8]、王東星[9]、何晶[10]等發現堿激發礦渣可以顯著提高固化劑活性，提升固化土的力學特性，可以減少或者代替水泥基等傳統固化材料。硅粉因其較高的火山灰活性，也已經開始廣泛使用在高性能的混凝土配置工藝中[11-13]，但其在巖土工程以及道路工程領域的研究和應用并未得到推廣。本文通過正交試驗研究了不同摻量納米SiO2、礦渣、生石灰對濱海地區淤泥質黏土的加固效果，并采用極差和方差分析得到復合土壤固化劑最優配合比。通過宏觀無側限抗壓試驗，驗證復合固化土在道路路基施工的可行性，以減輕環境污染且有效降低工程成本。

1 試驗材料與方案

1.1 試驗材料

1.1.1 黏 土

試驗所用的淤泥質黏土來自浙江省杭州市某建設場地，土顆粒分析結果如表1所列。

根據液、塑限聯合測定法，測得黏土液限WL=48.7%，塑限WP=29.6%。同時測得試驗土的天然含水率W=42.1%。

1.1.2 其他材料

（1）納米SiO2。

試驗采用的納米SiO2產自上海科延實業有限公司，其產品的外觀和基本參數如表2所列。

（2）高爐礦渣。

試驗采用的高爐礦渣產自鞏義市龍澤凈水材料有限公司，密度為2.9 g/cm3，其主要化學成分如表3所列。

（3）生石灰。

試驗采用的生石灰產自英歌礦業有限公司，其CaO含量為82%，MgO含量為1.6%，屬于優質石灰。

1.2 正交試驗設計

試驗目的為確定復合土壤固化劑中各成分因素水平對固化淤泥質黏土的加固效果，以生石灰含量（A）、納米SiO2含量（B）、礦渣含量（C）作為正交試驗3個因素，每個因素設置3種水平，選用L9（34）正交表，如表4所列。

2 最優配比試驗研究

2.1 擊實試驗

將固化劑以及淤泥質黏土按正交實驗設計進行混合后，采用擊實試驗得到最優含水率以及最大干密度，為制備后期試驗試件做好準備，結果如表5所列。

2.2 正交試驗結果與分析

2.2.1 無側限抗壓試驗結果

采取正交試驗方案制備φ50×50圓柱體試件，分別測試其標準養護和浸水養護7，28 d后的無側限抗壓強度。試驗加載速率為1 mm/min，試驗結果如表6所列。正交分析結果見表7。

表6表明：固化土在標準養護條件下，其7 d的無側限抗壓強度最高可達到3.12 MPa，28 d的抗壓強度最高為5.25 MPa。在水養條件下，其7 d的無側限抗壓強度最高可達1.52 MPa，28 d的抗壓強度最高達3.43 MPa。綜上可知，試件的無側限抗壓強度隨養護齡期的增加而增加，并且在9次實驗中第6組的標養和水養抗壓強度最高，相應的水平組合是當前最好的水平搭配。

2.2.2 極差和方差分析

（1）極差分析。

由表7可以直觀看到，無論是在水養還是標養情況下，生石灰的含量對無側限抗壓強度的影響最大。在標養條件下，礦渣的含量對固化土強度的影響程度小于生石灰的含量，納米SiO2的含量對試驗結果的影響程度最小;在水養條件下，納米SiO2的含量對固化土的無側限抗壓強度影響大于礦渣對試件強度的影響。

由圖1可知，在標養7d條件下的固化土，固化劑中各因素影響大小順序為A>C>B，并且可以明顯看到，固化土的無測限抗壓強度隨著生石灰摻量（A）的增加而增加，并且漲幅較大，A3為最佳摻量;隨著納米SiO2摻量（B）的增加先增大后減小，B2為最佳摻量;隨著礦渣摻量（C）的增加而增加，但其漲幅較小，其中C3為最佳摻量。

同理，在水養7 d條件下的固化土，固化劑中各因素對強度的影響大小順序為A>B>C。由圖2可以看出，試件的無側限抗壓強度隨著生石灰摻量（A）的增大先增大后減小，最佳摻量為A2;隨著納米SiO2摻量（B）的增大而增大，最佳摻量為B3;隨著礦渣摻量（C）的增加先增加后減小，其中C3為最佳摻量。

（2）方差分析。

根據方差分析可知，空列的方差值最小，因此可以將空列作為誤差來源看待，通過對各因素的誤差平方總和以及自由度的計算，借助SPSS軟件可以計算得到標養情況下其構造方差統計量F分別為F0.01=105.17、F0.05=4.36、F0.1=12.00。因此，生石灰對固化土標養7 d無側限抗壓強度影響最為顯著，礦渣以及納米SiO2對固化土7 d無側限抗壓強度影響較為顯著。在水養情況下，其構造方差統計量F分別為F0.01=140.31、F0.05=21.72、F0.1=0.742。由此可見，石灰同樣對固化土水養7 d無側限抗壓強度影響最為顯著，納米SiO2對固化土7 d無側限抗壓強度影響為顯著，礦渣的影響不顯著。

根據極差和方差分析綜合來看，為了加強復合土壤固化劑對淤泥質黏土強度的提升，以及考慮到長三角沿海地區常年潮濕的天氣情況，并結合水養以及標養條件下7d的無側限抗壓強度正交分析，確定了最終復合固化劑的配合比為生石灰（A）∶納米SiO2（B）∶礦渣（C）=32∶3∶65。

3 固化土無側限抗壓強度試驗

根據正交試驗所得固化劑最優配比（A∶B∶C=32∶3∶65）來制備φ50×50圓柱體固化土試件。為確定不同固化劑摻量以及養護齡期對無側限抗壓強度的影響，設計固化劑占干土質量6%，8%，10%，12%這4種工況條件，并且在標準狀態下分別養護3，7，14，28 d，記錄其無側限抗壓強度結果，見表8。

3.1 固化土強度與固化劑摻量的關系

復合固化土無側限抗壓強度隨摻量變化曲線見圖3。圖3表明：淤泥質土的無側限抗壓強度隨著復合固化劑摻量的增加先增加后減小，且各齡期強度均呈相似趨勢。以標準養護28 d為例，當固化劑摻量為10%時，固化土的無側限抗壓強度達到峰值（5.59 MPa），滿足公路路面基層施工設計抗壓強度要求。同時，摻10%固化劑的固化土其強度較摻6%和8%時分別提高了42.2%和28.8%。當固化劑摻量由10%增加到12%時，固化土的強度由峰值下降至5.30 MPa，這是由于固化劑摻加過多導致生成的水化產物過多，不僅沒有起到填充土顆粒間空隙的作用，反而導致土體開裂，土顆粒之間的間距增大，對固化土強度增長起到抑制作用[14-15]。由此可見，復合固化劑摻量為10%時對固化土無側限抗壓強度的提高最為顯著。

3.2 固化土強度與養護時間的關系

圖4反映了固化土無側限抗壓強度隨養護齡期的變化關系曲線。由圖4可知：使用復合固化劑固化的的黏土其無側限抗壓強度隨著齡期的延長而增加，在28 d強度達到峰值5.59 MPa。由此可見，添加復合固化劑的淤泥質黏土其強度特性有顯著的改善。同時，當養護齡期到達7 d時，固化劑摻量為10%的復合固化土強度最高可達4.45 MPa，并且其3 d到7 d的無側限抗壓強度由2.51 MPa增長至4.45 MPa，增長了77.3%，養護28 d的強度較7 d的強度增長25.6%。

綜上所述，添加復合固化劑可利用納米SiO2更小的粒徑和更大的比表面積來促進礦渣水化反應[16]，從而顯著提升淤泥質土的早期強度，并且養護3～14 d其無側限抗壓強度可保持一個較高的增長速率，后期的強度增長速率雖然趨于平緩但仍有較為穩定的增長。

3.3 無側限抗壓強度與齡期以及摻量的擬合關系

采用Origin軟件對圖3～4中數據進行函數擬合，得到擬合結果如圖5所示，擬合函數如下：

qu=-3.883+0.36004x+0.96093y-0.0091x2-0.04219y2+0.00269xy（1）

式中：qu為無側限抗壓強度;x為養護齡期;y為固化劑摻量。

決定系數R2為0.93，說明所采用的擬合函數可以很好地體現無側限抗壓強度與齡期以及摻量的合理關系。

4 結 論

（1）通過極差以及方差分析得知生石灰的摻量對固化淤泥質黏土的加固效果影響最為顯著，納米SiO2摻量的影響較為顯著，礦渣摻量對于固化效果的影響不顯著。

（2）綜合考慮復合土壤固化劑對淤泥質土強度提升的效果、固化劑使用環境、經濟效益等因素，最終確定復合土壤固化劑最優配比為生石灰∶納米SiO2硅∶礦渣=32∶3∶65。

（3）采用最優配比的復合土壤固化劑對淤泥質黏土進行土體固化，得到固化土強度與固化劑摻量、齡期的變化擬合結果，最終可以確定固化劑最佳摻量為10%，并且固化土強度隨著齡期的增長而增長，說明其對淤泥質黏土具有較好的固化效果。

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（編輯：胡旭東）