固化廢棄軟黏土的強度特性及水穩定性研究

2022-04-20 08:46:40易昕政駱睿棟于海浩姚夢晗

硅酸鹽通報 2022年3期

易昕政，駱睿棟，高游，于海浩，鐵寧，姚夢晗

(1.寧波大學土木與環境工程學院，寧波 315000；2.廣西巖土力學與工程重點實驗室，桂林 541004)

0 引言

隨著沿海城市建設的高速發展，產生了大量高含水率和低強度的工程廢棄軟黏土[1-2]。這些廢棄軟黏土不能直接用作工程填料，需要經過固化處理，才能達到地基承載和變形的要求[3]。目前最常用的固化劑是水泥，水泥固化土可以達到很高的強度要求，但其具有成本高、能耗高等缺點。因此，低成本且環境友好型復合固化劑的研究具有重要的現實意義。

相關研究表明，以水泥和粉煤灰等作為主劑，并添加外加劑(如石膏、水玻璃等)在堿激發作用下，能很好改善軟黏土、疏浚淤泥、泥漿等的強度特性。朱思迪等[4]研究了外加劑石膏和氯化鋁對水泥-水玻璃復合固化含水率大于75%軟黏土的效果，指出石膏有利于早期強度增長而高濃度氯化鋁對后期強度的增長有利。孫秀麗等[5]采用水玻璃作為堿激發劑激發粉煤灰和礦粉的活性來固化疏浚淤泥，研究了固化土的力學特性及微觀結構。王偉齊等[6]等以工業廢棄電石渣、原狀灰作為主要固化劑，硅酸鈉、硫酸鈉等作為外加劑，通過無側限抗壓強度研究了各外加劑的作用效果。在堿金屬硅酸鹽(Na2SiO3、K2SiO3)激發作用下，固化土體系內的水化反應程度、水化產物含量和抗壓強度均能顯著提升[7-9]。綜上所述，堿激發作用下復合固化技術的研究取得了不少成果，但其在軟塑狀態軟土工程中的應用相對較少，主要是軟塑狀態的海相軟土黏性強，無法和復合固化劑均勻攪拌，影響其固化效果。

本文以寧波某一基坑工程中廢棄的軟黏土為研究對象，選取吸水性強的生石灰作為高黏性軟土的分散劑，水泥和粉煤灰作為固化主劑，水玻璃作為外加劑對軟黏土進行固化。首先，對單一固化劑的固化機理、強度特性與水穩定性進行分析。其次，在單一固化劑的固化效果基礎上對復合固化劑固化軟黏土的強度特性和水穩定性進行了研究。在相近較低成本條件下，探討了配合比、齡期和水穩定性對復合固化劑固化效果的影響。最后，給出了復合固化劑的推薦配合比，供實際軟黏土固化工程參考。

1 實驗

1.1 材料

試驗用土為廢棄的軟黏土，取自寧波某地，取土深度約2.0～2.5 m，其基本物理指標見表1。土顆粒比重為2.72，原狀樣的初始含水率為36.0%～40.2%(質量分數，下文含量均為質量分數)，初始孔隙比為0.98～1.09，最大干密度為1.74 g/cm3。

表1 軟黏土的基本物理指標

分別使用水泥、生石灰、粉煤灰和水玻璃為固化劑，對軟黏土進行固化特性的相關試驗研究。圖1為4種固化劑照片。水泥：華英凈化牌普通硅酸鹽水泥，主要氧化物中CaO約占51.02%，SiO2約占29.5%，Al2O3約占6.03%。粉煤灰：龍澤牌F類粉煤灰。石灰：惠灰牌工業級生石灰，純度約為87%(質量分數)。水玻璃：欣銘硅制品廠產水玻璃(38波美度)，其主要成分為Na2SiO3。考慮到實際工程建設中簡便計算的需求，將固化劑的質量與濕土的質量的比值定義為固化劑的摻入比(MR)。

圖1 固化劑的照片

1.2 試驗方案

研究內容主要包括兩個方面：(1)單一固化劑的固化機理、強度特性、水穩定性分析，及其攪拌過程中的打散效果分析；(2)在配合比條件下復合固化劑的強度特性、水穩定性及其微觀機理分析。具體的研究方案如表2所示，表中字母C、F、L、S分別表示水泥、粉煤灰、生石灰和水玻璃。

表2 試驗方案

1.3 試驗方法

無側限抗壓強度試驗：固化劑的攪拌使用小型砂漿攪拌機，待攪拌均勻后裝入保鮮袋內臨時密封(主要防止制樣過程中多余土樣的水分蒸發)，同時快速進行試樣的制備。試樣采用分層壓實，每個配比制備三組平行試樣進行對比，其高度與直徑分別為80 mm和39.1 mm。將制備好的試樣進行標準養護。最后，將標準養護好的固化土試樣分別浸水0 h和8 h后進行強度試驗。試驗儀器采用南京土然儀器廠的應變控制三軸儀器，圍壓為0(即σ3=0)，試驗過程中以1 mm/min的速率進行加載直至試樣破壞，取三組試驗的無側限抗壓強度平均值作為最終結果。

選取不摻固化劑的試樣A和兩組復合固化劑條件下的試樣B和C(其C、F、L和S的配合比分別為2.5 ∶7 ∶1 ∶2與3 ∶7 ∶1.5 ∶1)進行XRD測試(儀器型號：ADVANCE Da Vinci)。選取不摻固化劑的試樣A和三組復合固化劑條件下的試樣(其C、F、L和S的配合比3 ∶7 ∶1 ∶1，2.5 ∶7 ∶1 ∶2與3 ∶7 ∶1.5 ∶1)進行SEM測試(儀器型號：NOVA NanoSEM 230)，觀察固化土的微觀形貌特征。

2 結果與討論

圖2為不同初始含水率(約為21.0%和36.5%)軟黏土壓實試樣的無側限抗壓強度。所有試樣的密度控制約為1.9 g/cm3，由圖可知，兩種壓實軟黏土試樣的無側限抗壓強度(約為110 kPa)很低，無法作為路基墊層與基礎回填料等重復利用。

圖2 不同初始含水率土樣的無側限抗壓強度

2.1 單摻試驗的固化效果分析

圖3為單摻水泥、粉煤灰、生石灰和水玻璃固化軟黏土在不同養護條件下的無側限抗壓強度。由圖3(a)可知，隨著齡期的增加和水泥摻量的增大，試樣的無側限抗壓強度隨之提高，但浸水48 h后的無側限抗壓強度弱化較明顯。因此，在低的摻入比下，單一采用水泥作為固化劑是不可行的，并且攪拌過程中水泥的吸水性有限，不利于軟黏土與固化劑的均勻拌和。

如圖3(b)所示，粉煤灰摻量對軟黏土的強度增強效果不明顯，且延長養護時間對固化效果作用不佳。這是由于粉煤灰的主要化學成分為SiO2和Al2O3，其所含的化學鍵Si—O和Al—O強度很高，潛在活性很難被激活。此外，粉煤灰固化軟黏土時，試樣在浸水過程中發生崩解破壞，因此試樣在浸水48 h后的數據缺失(見圖4(a))。

圖3(c)為生石灰固化軟黏土在不同養護齡期的無側限抗壓強度。試驗過程中，浸水48 h的生石灰固化軟黏土試樣全部發生崩解破壞(見圖4(b))，導致相應數據的缺失。試樣發生崩解主要是因為生石灰水化產物的膠結性弱，水穩定性差。生石灰摻量為6%的所有試樣全部破壞，主要原因是摻量較大時，生石灰發生水化反應吸水并產生大量Ca(OH)2，與未摻黏土相比體積增大約1倍，黏土原始結構被破壞而分散，故生石灰可作為分散劑。生石灰摻量為2%時固化效果較好，Hilt等[10]給出了生石灰摻量的經驗計算公式：

圖3 軟黏土在不同單獨固化劑摻量下的無側限抗壓強度

圖4 浸水后固化土的崩解

(1)

式中：ML為生石灰的摻入比；P2為顆粒小于2 μm的含量。根據該式，建議生石灰摻入比小于3%。生石灰的具體摻量可根據淤泥質軟黏土含水率和實際壓實密度等適當增減。

圖3(d)為在不同摻量下水玻璃固化寧波軟黏土在不同齡期養護后以及養護7 d并浸水48 h后的無側限抗壓強度。由圖可知，水玻璃固化軟黏土在浸水48 h后強度弱化非常明顯。同時，單一采用液體水玻璃在攪拌過程中，土樣容易成團且固化劑攪拌不均勻，不適合實際工程現場使用。

綜上所述，單一固化劑條件下，固化效果不佳，只有較高摻量水泥的固化效果能達到水泥粉煤灰類基底層最低強度(1.0 MPa)[11]，但其成本高且不容易均勻攪拌，其余各組的強度指標均未達到要求。

根據以上試驗結果可以發現，隨著固化劑摻量的增大，其強度特性、耐久性和水穩定性等均會得到明顯的提升，但是在實際工程中需要綜合考慮到用料成本。因此需要控制成本因素進行固化劑配合比試驗。基于上述單一固化劑固化軟黏土的結果，水泥的摻量過高，固化劑的成本會明顯提高，故建議控制在3%左右；粉煤灰在堿性條件下潛在活性會被激活，且其原料成本較低，可適當增大摻量，建議控制在5%～10%。生石灰可以作為軟黏土的分散劑，且其摻量在一定范圍內對強度有利，故生石灰的摻量建議控制在2%左右。波美度38水玻璃價格較高，且摻入較多水玻璃不利于攪拌，建議摻量1%～2%。因此，基于上述單一固化劑固化效果等多方面因素的分析，需進一步進行配合比試驗。

2.2 復合固化劑的固化效果分析

圖5表示利用復合固化劑固化初始含水率約為21.0%和36.5%軟黏土的無側抗壓強度，C、F、L和S的配合比分別選取3 ∶7 ∶2 ∶1和3 ∶7 ∶2 ∶2。在配合比相同條件下，初始含水率的影響較大，其抗壓強度隨著含水率的增大而下降。此外，抗壓強度隨著摻量的增加而增大，說明水玻璃在適當范圍內的增加對強度有一定的貢獻。

圖5 含水率對無側限抗壓強度的影響

圖6表示不同配合比下和初始含水率21.0%和36.5%試樣在標準養護7 d后的無側限抗壓強度。由圖6(a)可知，初始含水率為21.0%，在水泥，粉煤灰和水玻璃摻量相同情況下，將生石灰摻量增加0.5%有利于強度的增長；在其余摻量相同條件下，水泥摻入比降低1%，其強度減小約200 kPa。在生石灰和粉煤灰摻量相同下，將水泥摻量減少0.5%，水玻璃摻入比增大1%，其強度有較明顯提高。此外，由圖6(b)可以看出，軟黏土的初始含水率為36.5%，在水泥、粉煤灰和生石灰摻量相同情況下，可以適當提高水玻璃的摻量。在其余摻量相同條件下，生石灰摻入比由2%減小至0%，其強度減小約375 kPa，同時添加固化劑很難攪拌均勻。綜上所述，建議初始含水率為21.0%和36.5%固化軟黏土試樣的最優配合比分別為3 ∶7 ∶1.5 ∶1和3 ∶7 ∶2 ∶2。同時，可以看出，隨著含水率的提高，分散劑生石灰的含量需要適當提高，根據強度的要求堿性激發劑的量也要適當增大，故其處理成本也會相應提升。

圖6 不同配合比下固化土試樣標準養護7 d的無側限抗壓強度

圖7表示初始含水率為21.0%的固化土試樣在不同養護條件下的無側限抗壓強度。由圖7(a)可以看出，不同配合比固化土試樣在浸水48 h后的強度均存在一定程度的降低。由試驗結果可知，強度值較好的兩組C、F、L和S配合比為3 ∶7 ∶1.5 ∶1與2.5 ∶7 ∶1 ∶2。由于水玻璃的成本較高，綜合成本因素，較優C、F、L和S配合比推薦為3 ∶7 ∶1.5 ∶1。此外，由圖7(b)可知，試樣標準養護28 d后，所有試樣的強度均大于1.0 MPa；除水泥摻量為2%的固化土試樣，其余組固化土試樣的強度均在1.35～1.45 MPa之間。按上述較優配合比固化劑的成本約為60～70元/t，與道基回填塘渣的成本較為接近，而且比市售的固化劑成本(約120元/t)略低，因此成本控制較好。綜上所述，結合強度特性、水穩定性以及固化劑成本等指標，對于含水率為21.0%試樣復合固化劑C、F、L和S的推薦配合比為3 ∶7 ∶1.5 ∶1。

圖7 初始含水率21.0%試樣在不同養護條件下的無側限抗壓強度

2.3 XRD 物相分析

圖8為在不同配合比條件下固化軟黏土的XRD譜。由分析可知，不摻固化劑的試樣A中存在石英、鈉長石、鉀長石等礦物成分，其中石英(其成分為SiO2)的含量最多。添加復合固化劑后的試樣B和C中石英的衍射峰均有所降低，最高衍射峰值強度下降明顯，主要原因有兩個：一是水泥中的硅酸三鈣和硅酸二鈣發生水化反應消耗大量SiO2產生水化硅酸鈣；二是粉煤灰中硅鋁玻璃體的大部分Si—O鍵在堿性環境下斷裂，從而與OH-、Ca2+以及剩余石膏等反應進而消耗SiO2，產生水化硅酸鈣。但是試樣B和C中水化硅酸鈣的衍射峰強度峰值均較低，主要是XRD檢測要求物質有較高的結晶度和分散度[12]，且水化產物的晶體發育可能不完善導致的。

圖8 不同配合比條件下固化軟黏土的XRD譜

2.4 微觀結構特征分析

圖9為未加復合固化劑的試樣和在不同配合比復合固化劑下固化土試樣在養護7 d后的SEM照片。通過對比分析可知：

(1)復合固化劑添加后引起試樣內部微觀孔隙結構發生明顯變化。土體內部微細觀孔隙結構等演化規律是了解土體宏觀特性的基礎[13]。由圖9(a)可以看出，在相同放大倍數條件下，未添加復合固化劑的試樣，集聚體團粒很明顯，集聚體間孔隙很大。由圖9(b)、(c)和(d)可發現，添加復合固化后固化土試樣內部的集聚體間大孔隙明顯減少，小孔隙增多。生石灰發生水化反應后吸水，同時體積膨脹使集聚體團粒破壞而分散開，有利于其他固化劑的水化反應，水化產物等填充孔隙的能力也隨之增強。

(2)由圖9(b)、(c)和(d)還可以明顯看出，添加復合固化劑后大集聚體被分散，大量的片狀結構產生，原始的大孔隙被填充。如圖9(c)可以明顯看出粉煤灰顆粒在水玻璃等激發下發生的水化反應的產物(圓狀團粒)填充孔隙，使結構更加均勻。此外，集聚體間的膠結作用明顯加強，主要是軟黏土在添加復合固化劑后，試樣內部可產生水化硅酸鈣等網狀膠凝物質，可增強黏土團粒間的膠結。因此，添加本文提出的復合固化劑可以明顯提升固化土的強度和水穩定性。

圖9 不同配合比固化軟黏土養護7 d SEM照片

2.5 復合固化劑的化學反應機理

固化土的強度主要來源于水泥的水化反應與粉煤灰活性激發后(水玻璃為堿性激發劑)的強度，生石灰作為軟黏土的分散劑用來吸收水分以使其余固化劑易于攪拌，同時生石灰水化反應產生Ca(OH)2，可以提高部分固化土強度。粉煤灰呈弱酸性[14]，在堿性環境中其活性最容易被激發。因此生石灰的存在有利于粉煤灰活性激發，但此堿性環境較弱，且Ca(OH)2微溶于水，對粉煤灰的活性激發效果很有限。目前，常見的堿激發劑有NaOH、KOH、Ca(OH)2和水玻璃(Na2SiO3)等。本文采用水玻璃作為堿激發劑以增強堿性環境，使粉煤灰活性得以充分發揮。

水泥主要通過水化反應產生水化硅酸鈣、鈣礬石等物質產生強度，且生成Ca(OH)2。Na2SiO3作為一種強堿弱酸鹽，在水中發生水解反應產生H2SiO3和OH-，使環境處于堿性。水玻璃加入水泥中主要有兩方面的作用：一是作為漿液成分，參與水化反應，與水泥水化產物中的Ca(OH)2會發生反應生成鈣礬石，并加速Ca(OH)2轉化為強度更高的水化硅酸鈣凝膠[15]，提升了固化土的強度;二是作為速凝劑，加速漿液的凝結，快速提升強度。