房屋建筑施工中地基處理技術(shù)的試驗(yàn)研究

梁靜靜（中國(guó)建筑材料工業(yè)地質(zhì)勘查中心新疆總隊(duì)，新疆 烏魯木齊 830000）

關(guān)鍵字：地基處理；房屋建筑；煤矸石；水泥土

1 介紹

房屋建筑工程項(xiàng)目中地基是其最底層的土層結(jié)構(gòu)，承受著房屋建筑上部所有的重力負(fù)荷。在房屋建筑施工過程中，地基處理具有多樣化的特點(diǎn)。隨著城市化進(jìn)程的加快，城市建設(shè)項(xiàng)目數(shù)量增多，地基結(jié)構(gòu)施工的質(zhì)量將直接決定建設(shè)項(xiàng)目安全性。地基處理作為房屋建筑施工中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，不僅關(guān)系著房屋建筑質(zhì)量，對(duì)于居民的人身財(cái)產(chǎn)安全也具有重要影響[1]。

房屋建筑施工過程中，造成地基出現(xiàn)問題的原因主要集中在混凝土結(jié)構(gòu)出現(xiàn)裂縫、地基結(jié)構(gòu)施工品質(zhì)差以及施工建材質(zhì)量不達(dá)標(biāo)等方面。針對(duì)以上問題，現(xiàn)階段主要的處理措施為在對(duì)地基結(jié)構(gòu)加固處理時(shí)采用土釘墻支護(hù)技術(shù)、基坑支護(hù)技術(shù)；在地基結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)工程的施工階段，運(yùn)用拋石擠淤技術(shù)、粉噴樁技術(shù)來增強(qiáng)建筑結(jié)構(gòu)的安全穩(wěn)固性；使用強(qiáng)夯法這項(xiàng)施工技術(shù)對(duì)地基結(jié)構(gòu)做出夯實(shí)處理，以此來提高地基的穩(wěn)固性；高性能的地基處理建筑材料能夠提高承載能力和耐久性[2-4]。本文主要探索一種更有效地利用煤矸石進(jìn)行地基處理的方法。

2 原材料

2.1 黏質(zhì)土壤

黏土是從某高原的礦山站獲得的，本程序是用烘箱將土壤烘干，烘干前后用比重計(jì)測(cè)量其質(zhì)量，以含水量作為質(zhì)量變化計(jì)算。結(jié)果表明，黏性土的含水量為15.3%。根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)GB/T50145-2007《土的工程分類標(biāo)準(zhǔn)》，進(jìn)行了土的限液試驗(yàn)和限塑試驗(yàn)，確定了Wp和Wl的指標(biāo)。

則塑性指數(shù)可計(jì)算如下：

式中IP-為塑性指數(shù)；WP-為液限；WP-是塑限。

黏性土的塑性指數(shù)為15.9，說明黏性土具有較好的塑性。含82%粉土和18%砂土的不均勻度系數(shù)(Cu)和曲率系數(shù)(Cc)分別為1.927和85.365。均勻性系數(shù)(Cu)越高，土壤粒徑范圍越大。曲率系數(shù)在0.5～2.0之間為良好級(jí)配土。因此，黏性土有足夠的細(xì)粒來填充粗粒之間的空隙，使土壤致密。

2.2 煤矸石

本次試驗(yàn)選取了華北地區(qū)的煤矸石，直徑范圍為4.75mm～31.5mm，其化學(xué)成分如表1所示，主要物質(zhì)為SiO2和Al2O3。在巖石點(diǎn)加載試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，研究了煤矸石的單軸抗壓強(qiáng)度。為確定酸腐蝕的影響，按JGJ 52-2006標(biāo)準(zhǔn)對(duì)酸腐蝕處理前后的破碎指標(biāo)進(jìn)行了測(cè)試，其差異反映了其抗酸腐蝕的能力。試驗(yàn)采用酸性溶液(pH為1.5±0.5)浸泡煤矸石90d的酸處理方法。

表1 水泥、黏土、煤矸石的化學(xué)成分/%

2.3 硅酸鹽水泥

硅酸鹽水泥(PO42.5)取自某水泥有限公司。水泥的比表面積為367m2/kg。初凝時(shí)間為115min，終凝時(shí)間為185min。用X射線熒光分析儀(XRF)測(cè)定了水泥對(duì)應(yīng)的化學(xué)成分，結(jié)果見表1。

3 試驗(yàn)程序

3.1 配合比設(shè)計(jì)

在本次配合比設(shè)計(jì)中考察了水土比、水灰比、矸石率等幾個(gè)因素。水土質(zhì)量比為14.3%～50%，矸石含量為25%～67%，水灰質(zhì)量比為0.8～1.2。表2為煤矸石增強(qiáng)水泥土混合料(CGRCS)的配合比。

表2 水泥土混合料(CGRCS)的配合比

3.2 樣品制備

首先將黏土、水泥和煤矸石按照混合物的混合比例在強(qiáng)制式攪拌機(jī)中混合，再加入水，連續(xù)混合6min。將混合物倒入300mm×100mm×100mm和100mm×100mm×100mm兩種配置的模具中，人工錘擊壓實(shí)30次。固化3d后，將CGRCS從模具中取出，放入標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室進(jìn)行養(yǎng)護(hù)直至測(cè)試。

3.3 抗壓強(qiáng)度

在養(yǎng)護(hù)齡期分別為7d、28d和60d分別測(cè)試試樣的抗壓強(qiáng)度，混凝土強(qiáng)度在28d可達(dá)到最終強(qiáng)度的90%，但準(zhǔn)確的最終強(qiáng)度仍難以預(yù)測(cè)。加載速度設(shè)為0.1kN/s。該試驗(yàn)機(jī)的最大量程為500kN。對(duì)于每個(gè)配合比，測(cè)試3個(gè)立方體試件，得到平均抗壓強(qiáng)度。

3.4 彈性模量

試件彈性模量的數(shù)據(jù)記錄和試驗(yàn)程序均符合國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T50081-2009，CGRCS樣本分別于28d和84d進(jìn)行檢測(cè)。

3.5 顯微分析

用掃描電鏡(SEM)對(duì)試樣的微觀結(jié)構(gòu)和水化產(chǎn)物進(jìn)行了觀察。在觀察前，通過離子濺射儀將鉑附著在樣品表面，防止樣品表面電荷聚集。

3.6 應(yīng)力-應(yīng)變曲線

應(yīng)力-應(yīng)變曲線由壓縮試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行壓縮試驗(yàn)得到。在試件附近放置高精度激光位移傳感器，并連接計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)記錄，測(cè)量變形位移，在整個(gè)加載過程中，用激光位移傳感器記錄位移。當(dāng)應(yīng)變達(dá)到0.5%或載荷達(dá)到一個(gè)穩(wěn)定值時(shí)，試驗(yàn)結(jié)束。

3.7 耐酸堿腐蝕

從每種CGRCS混合物中選取兩個(gè)試樣進(jìn)行酸腐蝕試驗(yàn)。標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)28d后，這些樣品在水中浸泡4d達(dá)到飽和，然后，對(duì)于每種混合物，一個(gè)標(biāo)本浸泡在pH為1～2的硝酸溶液中，另一個(gè)標(biāo)本浸泡在水中作為對(duì)照組。浸泡28d后，分別測(cè)定各試樣的彈性模量和質(zhì)量，對(duì)試樣的酸損表面進(jìn)行記錄。140d后，按國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T50081-2002進(jìn)行軸向抗壓強(qiáng)度測(cè)試。為分析不同配合比在消除養(yǎng)護(hù)齡期影響下的抗酸腐蝕性能，本研究采用相對(duì)彈性模量、質(zhì)量損失率和強(qiáng)度損失系數(shù)來反映抗硝酸腐蝕性能。

4 結(jié)果與討論

4.1 抗壓強(qiáng)度

圖1為不同配比的CGRCS試件在不同養(yǎng)護(hù)齡期的抗壓強(qiáng)度。試樣的抗壓強(qiáng)度隨煤矸石摻量的增加而增加；在煤矸石摻量為25%時(shí)，養(yǎng)護(hù)28d后強(qiáng)度達(dá)到3.1MPa。煤矸石百分比在25%～42%范圍內(nèi)，強(qiáng)度提升不明顯。而當(dāng)煤矸石摻量為42%～67%時(shí)，由于煤矸石骨架的形成，煤矸石摻量顯著增加，線性度極好。當(dāng)煤矸石含量低于42%時(shí)，煤矸石骨料顆粒分散分布，不能形成連續(xù)的骨架。

圖1 不同配比的CGRCS試件在不同養(yǎng)護(hù)齡期的抗壓強(qiáng)度

此外，抗壓強(qiáng)度隨水灰比的增加而降低，如圖1(b)所示。在所有養(yǎng)護(hù)齡期，當(dāng)水灰比增加到1.2時(shí)，抗壓強(qiáng)度降低約0.18MPa。水灰比的增加對(duì)抗壓強(qiáng)度有兩方面的負(fù)面影響，增加試件孔隙率，降低硬化水泥漿體及混合料強(qiáng)高的硅鈣比，使晶體形成更多的接觸點(diǎn)，提高強(qiáng)度。

4.2 彈性模量

彈性模量是水泥土在實(shí)際應(yīng)用中的一個(gè)重要參數(shù)，它可以預(yù)測(cè)混凝土卸荷時(shí)的變形變化和評(píng)價(jià)壓實(shí)率。養(yǎng)護(hù)28d和養(yǎng)護(hù)60d后的彈性模量變化趨勢(shì)與抗壓強(qiáng)度變化趨勢(shì)相似。養(yǎng)護(hù)28d時(shí)，隨著煤矸石摻量的減少，彈性模量逐漸減小。當(dāng)煤矸石摻量低于50%時(shí)，28d彈性模量低于7.5GPa。當(dāng)水灰比大于1.0時(shí)，模量變化較小,如圖2所示。

圖2 不同煤矸石摻量的CGRCS彈性模量

4.3 抗酸腐蝕測(cè)試

在實(shí)際應(yīng)用中，深層地基中埋有既有水層，呈酸性。耐酸堿腐蝕性能優(yōu)良是水泥土混合物的基本性質(zhì)。酸蝕過程中CGRCS的表面演變分為三個(gè)階段，養(yǎng)護(hù)28d外表面開始出現(xiàn)大小不一的氣孔；養(yǎng)護(hù)56d后，孔隙擴(kuò)展，裂紋開始出現(xiàn)，裂紋延伸至孔隙并逐漸連通；浸泡140d后，表面裂紋繼續(xù)擴(kuò)大延伸，內(nèi)部集料暴露，如圖3所示。

圖3 不同齡期的CGRCS在硝酸腐蝕下的表面損傷

4.4 抗壓應(yīng)力-應(yīng)變曲線

與膠結(jié)土顆粒相比，煤矸石在界面過渡區(qū)周圍的裂縫較少，水泥水化產(chǎn)物幾乎沒有裂縫。這是由于水泥水化產(chǎn)物的強(qiáng)度最高，煤矸石周圍的界面區(qū)相對(duì)疏松。煤矸石含量差異對(duì)應(yīng)力應(yīng)變影響較小，上升趨勢(shì)很明顯，并逐漸穩(wěn)定地達(dá)到最高點(diǎn)。峰值后，逐漸下降，趨于穩(wěn)定的應(yīng)力水平，如圖4所示。

圖4 不同配合比的CGRCS壓縮應(yīng)力-應(yīng)變曲線

4.5 微觀結(jié)構(gòu)表征

為了解煤矸石水泥土的性質(zhì)、組成與微觀結(jié)構(gòu)之間的關(guān)系并闡明其關(guān)系機(jī)理，采用掃描電子顯微鏡(SEM)對(duì)水泥土混合料的微觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)煤矸石對(duì)CGRCS的性能有顯著影響。觀察煤矸石與水泥土基質(zhì)之間的界面過渡區(qū)，在破壞過程中，當(dāng)混合料遭受持續(xù)增加的荷載時(shí)，膠結(jié)土的破壞比煤矸石的破壞更優(yōu)先。

5 結(jié)語

結(jié)果表明，煤矸石能顯著增強(qiáng)水泥土混合料的力學(xué)性能和耐久性；摻入煤矸石能有效改善水泥土混合體的力學(xué)性能。煤矸石摻量大于42%時(shí)，形成骨架結(jié)構(gòu)，抗壓強(qiáng)度和剛度顯著提高；酸浸140d后，在酸蝕條件下，雖然煤矸石不能被水化產(chǎn)物填充，但煤矸石仍能保持比土壤更高的完整性。當(dāng)煤矸石摻入CGRCS作為骨料時(shí)，尤其是在煤矸石摻量超過50%的最佳配合比下，能顯著提高混凝土的力學(xué)性能和耐久性。

地基處理施工技術(shù)既是房屋建筑的基礎(chǔ)，也是房屋建筑進(jìn)行后續(xù)施工的重要保障[5]。研究了用煤矸石加固水泥土混合料的可行性。利用煤矸石加固軟土地基是一種很好的支撐方式，這種方法實(shí)現(xiàn)了可持續(xù)發(fā)展和社會(huì)責(zé)任的建筑實(shí)踐。