復(fù)合型地聚合物加固軟土的微觀性能研究

譚 健

(廣東冠迪建設(shè)有限公司 廣州市 510000)

0 引言

在沿海地區(qū)道路工程施工建設(shè)中常遇到軟土路基，但是軟土不能提供路基所需的承載力，因此需要對軟土路基進(jìn)行加固處理使其能達(dá)到道路施工建設(shè)的需求[1]。攪拌樁是一種有效地處理軟土地基的手段，常用生石灰作為固化劑加固軟土，在瑞典研發(fā)了深層攪拌技術(shù)；而現(xiàn)在常用波特蘭水泥作為固化劑，因?yàn)樗子讷@得，價(jià)格低廉[2]；但對于某些軟體土質(zhì)，僅使用水泥加固軟土的效果卻不明顯，從而局限了該方法的使用范圍[3]。由于堿性材料具有良好膠凝特性，進(jìn)而引起了學(xué)者研究的興趣[4]。地聚合物材料價(jià)格低廉、污染小，具備良好的力學(xué)性能和耐腐蝕性能，是一種環(huán)境友好的新型堿性建筑材料，應(yīng)用前景非常廣泛[5-7]。

在實(shí)驗(yàn)室采用地聚合物處理軟土，測定齡期為7d、28d及60d地聚合物土試件的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度和抗剪強(qiáng)度等力學(xué)指標(biāo)，分析地聚合物加固軟土影響因素，結(jié)合試驗(yàn)路段現(xiàn)場取芯地聚合物處理軟土試樣進(jìn)行靜載荷試驗(yàn)，分析其效果。所研究的內(nèi)容可為軟土路基處理提供新的解決方法，對軟土路段路基處理具有重要施工指導(dǎo)意義。

1 原材料與正交試驗(yàn)分析

1.1 原材料

以復(fù)合型地聚合物作為固化劑、試驗(yàn)路段取出的軟土作為土樣，42.5水泥、水作為輔助材料進(jìn)行研究。

(1)復(fù)合型地聚合物。以粉煤灰、礦渣、石灰為礦物原材料，硅酸鈉作為堿激發(fā)劑，配成復(fù)合型地聚合物。其性能指標(biāo)如表1所示。

表1 DW型地聚合物的性能指標(biāo)

(2)軟土。試驗(yàn)路段施工現(xiàn)場取軟土試樣，將其粉碎、烘干，經(jīng)5mm篩子篩分，軟土的技術(shù)指標(biāo)如表2所示。

表2 軟土的技術(shù)指標(biāo)

1.2 試驗(yàn)方案

采用正交試驗(yàn)分析地聚合物摻量、含水率和攪拌時間對地聚合物處理軟土路基的力學(xué)強(qiáng)度影響。通過查閱相關(guān)文獻(xiàn)，在配合比設(shè)定方面，首先選擇復(fù)合型地聚合物摻入比為9%、11%、13%，含水率按天然含水率2%等指標(biāo)進(jìn)行控制，水灰比取0.5。將所選用的不同配合比制成立方體(70.7mm×70.7mm×70.7mm)以及圓柱體(直徑61.8mm、高20mm)試件，按照要求養(yǎng)護(hù)到規(guī)定齡期，而后對試件進(jìn)行無側(cè)限抗壓強(qiáng)度和無側(cè)限抗剪強(qiáng)度測試。

1.3 正交試驗(yàn)結(jié)果與分析

1.3.1正交試驗(yàn)結(jié)果

試件達(dá)到養(yǎng)護(hù)齡期為7d、28d、60d的抗壓強(qiáng)度和抗剪強(qiáng)度測試結(jié)果見表3，表中A為聚合物摻入量，A1摻量為9%，A2摻量為11%，A3摻量為13%；B為軟土含水率，B1含水率為47%，B2含水率為49%，B3含水率為51%；C為攪拌時間，C1攪拌時間為180s，C2攪拌時間為360s，C3攪拌時間為540s。

表3 正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)及強(qiáng)度測試結(jié)果

1.3.2正交實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

對表3中7d、28d、60d齡期時的復(fù)合型地聚合物土試件進(jìn)行無側(cè)限抗壓強(qiáng)度測試和抗剪強(qiáng)度測試結(jié)果進(jìn)行極差分析，如表4、表5所示，各個因素對地聚合物處理軟土的抗壓強(qiáng)度、抗剪強(qiáng)度的關(guān)系如圖1、圖2所示。

表4 不同因素下抗壓強(qiáng)度的極差分析

表5 不同因素下無側(cè)限抗剪強(qiáng)度的極差分析

圖1 不同因素與抗壓強(qiáng)度之間關(guān)系圖

圖2 不同因素與抗剪強(qiáng)度之間關(guān)系圖

由表4和表5計(jì)算結(jié)果可知不同養(yǎng)護(hù)齡期下復(fù)合型地聚合物土試件的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度與抗剪強(qiáng)度變化基本相同，影響試件力學(xué)強(qiáng)度的因素大小關(guān)系為A>B>C。

當(dāng)A因素(地聚合物)摻量由9%增加到13%時，地聚合物加固軟土的抗壓強(qiáng)度和抗剪強(qiáng)度也隨之增加；根據(jù)圖1和圖2的曲線可知在養(yǎng)護(hù)齡期28～60d比7～28d的增長速度快，表明在養(yǎng)護(hù)后期試件力學(xué)強(qiáng)度形成較快，且地聚合物摻量與力學(xué)強(qiáng)度具有相關(guān)性，結(jié)合地聚合物加固軟土的經(jīng)濟(jì)性，選用復(fù)合型地聚合物摻量為13%。

隨著B因素(軟土含水率)的增大，地聚合物加固軟土試件的抗壓強(qiáng)度及抗剪強(qiáng)度呈逐漸遞減趨勢，含水率的高低也會影響地聚合物土的均勻程度，因此選用含水率為47%。

在不同的攪拌時間條件下地聚合物加固軟土試件力學(xué)強(qiáng)度變化很小，表明攪拌時間對試件強(qiáng)度影響較小，為了使地聚合物土達(dá)到最好效果，因此攪拌時間選擇為540s。優(yōu)選出地聚合物土試件的最終配合比為A3B1C3，即地聚合物摻量為13%、含水率為47%和攪拌時間為540s。

2 復(fù)合型地聚合物土力學(xué)性能研究

2.1 復(fù)合型地聚合物土的抗壓強(qiáng)度與抗剪強(qiáng)度關(guān)系

抗剪強(qiáng)度和抗壓強(qiáng)度是表征土力學(xué)性能的指標(biāo)，為了研究復(fù)合型地聚合物加固軟土試件的力學(xué)強(qiáng)度之間的關(guān)系，對齡期為60d地聚合物土試件進(jìn)行抗壓強(qiáng)度與抗剪強(qiáng)度試驗(yàn)，其結(jié)果如表6所示。

表6 復(fù)合型地聚合物土的抗壓強(qiáng)度與抗剪強(qiáng)度結(jié)果

通過表6可知復(fù)合型地聚合物土試件的力學(xué)強(qiáng)度具有正相關(guān)性。當(dāng)抗壓強(qiáng)度值fcu處于3.75～4.73MPa時，其抗剪強(qiáng)度值為0.753～1.52MPa以及內(nèi)摩擦角在34°～47°之間波動，其抗壓強(qiáng)度值大約為抗剪強(qiáng)度值的3.03～5.12倍。

2.2 不同方式加固軟土的力學(xué)特性

為了研究地聚合物及水泥作為固化劑處理軟土的力學(xué)特性，在保持相同條件下對養(yǎng)護(hù)齡期為60d的原狀土、水泥土以及地聚合物土進(jìn)行無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)研究，選用地聚合物及水泥的摻量為9%、11%、13%，天然含水率為47%，攪拌時間為540s。

表7 不同摻量下地聚合物及水泥加固軟土的抗壓強(qiáng)度

由表7可知原狀土抗壓強(qiáng)度值是0.04MPa，而摻量為9%的地聚合物土和水泥土的抗壓強(qiáng)度值分別為3.60MPa、2.98MPa，分別相比于原狀土抗壓強(qiáng)度值提高了89倍、74倍，且地聚合物土抗壓強(qiáng)度是水泥土抗壓強(qiáng)度的1.21倍；摻量增加到13%時，地聚合物土、水泥土的抗壓強(qiáng)度值分別為4.46MPa、3.47MPa，相比于原狀土抗壓強(qiáng)度值提高了114倍、85倍。水泥和地聚合物加固軟土能提高軟土抗壓強(qiáng)度，而在相同摻量條件下地聚合物土試件的抗壓強(qiáng)度比水泥土抗壓強(qiáng)度要高。

3 復(fù)合型地聚合物土微觀性能研究

通過微觀結(jié)構(gòu)研究地聚合物土作用機(jī)理，分析復(fù)合型地聚合物土微觀結(jié)構(gòu)對宏觀性能的影響。采用SEM電鏡掃描分析28d地聚合物土試件以便更好研究地聚合物土的微觀特性。

采用不同摻量復(fù)合型地聚合物加固軟土試件進(jìn)行電鏡掃描測試，試件樣品大小為10mm×10mm×10mm，在試驗(yàn)前應(yīng)采用粗砂紙對試驗(yàn)樣品進(jìn)行打磨平整、拋光，采用熱傳導(dǎo)性好的金屬噴射在試樣表面，最后對試樣進(jìn)行烘干至無水分后備用。圖3為試件經(jīng)電鏡掃描放大5000倍的測試結(jié)果[8-10]。

圖3 不同摻量地聚合物土微觀結(jié)構(gòu)圖

從圖3(a)中可以看出原狀土試件結(jié)構(gòu)分布著較多密集孔隙，骨架具有松散性，堆積而成土顆粒。圖3(b)為摻量為10%地聚合物土，試件表面有大量白色結(jié)晶體覆蓋在土體表面，使土粒粘結(jié)為一個整體結(jié)構(gòu)，地聚合物經(jīng)過水化會產(chǎn)生類沸石前驅(qū)體，而后變?yōu)榉蔷辔镔|(zhì)與土顆粒相互結(jié)合為整體，致使孔隙減少，軟土的剪切、抗壓和抗?jié)B性能得到提升。觀察圖3(b)～圖3(d)可發(fā)現(xiàn)不同摻量的地聚合物土試件密度不同，隨著地聚合物摻量的增加，地聚合物土致密性越高，試件宏觀力學(xué)性能越好。

4 地聚合物處理軟土的穩(wěn)定性驗(yàn)算

為了測試試驗(yàn)路段地聚合物處理軟土地基的效果，采用堆載法對抽檢的3根攪拌樁進(jìn)行逐級加載的靜載荷試驗(yàn)，其檢測結(jié)果如表8所示。由測試結(jié)果可知，聚合物攪拌樁承載能力和力學(xué)強(qiáng)度、攪拌樁樁體的完整性，均達(dá)到設(shè)計(jì)規(guī)范要求，合格率為100%，因此采用地聚合物攪拌路基軟土能夠起到良好的效果。

表8 攪拌樁靜載荷檢測結(jié)果

5 結(jié)語

(1)影響復(fù)合型地聚合物加固軟土路基力學(xué)強(qiáng)度的主要因素是地聚合物摻量，隨著養(yǎng)護(hù)時間和地聚合物摻量的增加會使其力學(xué)強(qiáng)度值增加，但隨著軟土中含水率的增加而減小；在相同條件下養(yǎng)護(hù)時間為60d地聚合物處理軟土路基的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度fcu與無側(cè)限抗剪強(qiáng)度τ之間關(guān)系為τ=0.26fcu。

(2)復(fù)合型地聚合物水化形成類沸石前驅(qū)體晶體填充軟土顆粒間空隙率降低，致使軟土體系結(jié)構(gòu)更加密實(shí)，進(jìn)而可提高軟土力學(xué)強(qiáng)度。

(3)結(jié)合試驗(yàn)路段現(xiàn)場鉆孔取芯的穩(wěn)定性驗(yàn)算分析、抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)和靜載荷檢測，地聚合物攪拌樁樁體具有良好的完整性且攪拌均勻，抗壓強(qiáng)度、靜載承載力值能夠滿足軟土地基設(shè)計(jì)要求。