水泥/玄武巖纖維復合固化劑分別對泥炭質土靜力特性的影響

屈俊童，劉關棟，朱云強，劉 超，張 翔，崔茂俊，張 健，趙 濤

(1.云南大學建筑與規劃學院,昆明 650504；2.云南省水利水電勘測設計研究院,昆明 650021；3.金科地產集團股份有限公司,濰坊 261021)

0 引 言

昆明滇池地區的高原湖相泥炭質土沉積年代較晚(主要為第四紀和第三紀)，具有天然含水率高、抗剪強度低、次固結時間長、變形量大和地區差異性明顯等特性，因此給相關工程建設帶來了極大的難度[1-5]。目前，國內外學者對一般性軟土[6]、凍土[7]、膨脹土[8]等土類的力學特性都有了一定的研究，而對滇池地區高原湖相泥炭質土的研究和改良仍然較少。

對于不良軟土的改良加固主要以添加無機化合物、有機化合物、微生物酶類和復合固化劑為主[9]，水泥在軟土加固中已有廣泛應用，但單摻水泥對有機質軟土的改良效果非常有限，有機質中的腐殖酸對軟土改良有不利影響[10]。土體中加入離散的纖維絲，可以在土體中形成分布較為均勻的纖維網絡體系，增強土體的連接作用，提高土體的韌性，從而有效提高土體的強度[11]。玄武巖纖維具有綠色環保、抗拉強度高、材料來源廣等特點，在邊坡處理和圍巖加固等巖土工程中擁有廣闊的應用前景[12]。為了研究單摻水泥及復合固化劑對滇池地區高原湖相泥炭質土靜力特性的影響，本文從四種外加劑的作用機理出發，配制了一種新型的由水泥、生玄武巖纖維、石灰和生石膏組成的復合固化劑。通過室內靜三軸試驗對比分析不同摻量水平下單摻水泥和單摻復合固化劑對改良泥炭質土的三軸應力應變關系、抗剪強度特性的變化及影響，得出最佳改良方案，為滇池高原湖相泥炭質土的改良加固和工程應用提供一定的幫助。

1 實 驗

1.1 材料與儀器

本文研究的對象為滇池高原湖相泥炭質土，取土地點為昆明滇池旅游度假區滇池宜城項目建筑基坑，取土深度約13 m。基本物理性質如表1所示。

表1 泥炭質土的基本物理性質指標Table 1 Basic physical properties of peat soil

外加材料包括32.5級礦渣硅酸鹽水泥(PSA)、生石灰(CaO)、生石膏(CaSO4·2H2O)和規格12.0 mm的玄武巖纖維。PSA水泥與玄武巖纖維的基本性能指標如表2、表3所示。

表2 PSA水泥試驗指標Table 2 PSA cement test index

表3 玄武巖纖維基本性能指標Table 3 Basic performance indicators of basalt fiber

試驗所用的儀器為TSZ-2型全自動應變控制三軸儀，該儀器由微機(含數據采集分析軟件)、試驗機、壓力室、圍壓控制器、反壓控制器以及孔隙壓力測量系統組成。測試原理為三軸儀壓力室提供圍壓和反壓，圍壓、反壓控制器在試驗過程中保持特定的圍壓、反壓，試驗機提供的偏斜應力對試驗土體進行剪切，由上部應變控制型傳感器將測試數據傳輸到微機進行分析并繪制試驗圖像。靜三軸儀的主要技術指標如表4所示。

表4 靜三軸儀主要技術指標Table 4 Main technical indicators of static triaxial instrument

1.2 玄武巖纖維復合固化劑與水泥固化劑作用機理

為了得到最優的復合固化劑配比，本文探究了各外加劑成分對泥炭質土的作用機理，通過響應面法研究配比中各外加劑之間的相互作用，基于模型計算得到最優解。響應面法是通過函數關系來建立多種不同的響應因素與最終響應值之間的聯系，通過分析建立起來的回歸方程，篩選出目標響應值對應響應因素參數，從而實現求解多個響應因素最優化參數的數學統計方法[13]。

(1)生石灰提高土體孔隙溶液的pH值

水泥水化反應在pH值較高的條件下能夠更快地進行，同時孔隙溶液中鈣離子和氫氧根離子濃度是生成水化硅酸鈣的重要影響因素，因此本文通過添加生石灰來提高土體孔隙溶液的pH值促進水泥水化反應的進行。

(2)生石膏減小土體孔隙比

泥炭質土的孔隙比大，壓縮系數大，固結系數小，在外荷載作用下易發生較大變形。因此可以通過添加生石膏(CaSO4·2H2O)使其與火山灰反應生成的水化鋁酸鈣反應，從而提供足夠的膨脹性水化鈣礬石(3CaO·Al2O3·3CaSO4·31H2O)，足量的鈣礬石可以填充并擠壓黏土團粒間隙和黏土礦物顆粒間的孔隙。水化鈣礬石的反應式如式(1)所示。

(1)

(3)玄武巖纖維提高土體的韌性

泥炭質土經過水泥等材料改良后一般能夠獲得較高的強度，與此同時水泥改良土的韌性大幅度降低，脆性顯著增大。加入玄武巖纖維在保證其強度提高的同時又具備一定的韌性進而提高土體的強度。

本文根據上述響應面法考慮了各外加劑對泥炭質土的影響，得到一種最優的復合固化劑配比：水泥質量分數為90.93%，生石灰質量分數為4.27%，石膏質量分數為3.90%，玄武巖纖維質量分數為0.90%。

硅酸鹽水泥往往被用作固化劑，水泥中的熟料中主要有硅酸二鈣(C2S)、硅酸三鈣(C3S)、鋁酸三鈣(C3A)和鐵鋁酸四鈣(C4AF)，其中硅酸二鈣和硅酸三鈣能夠為陽離子交換和絮凝作用提供鈣源。水化反應可以在室溫下進行，如式(2)、(3)所示。

(2)

(3)

水泥熟料中的硅酸三鈣與土體孔隙溶液中的自由水發生水化反應可以生成大量的水化硅酸鈣和氫氧化鈣等產物，使改良土的強度大幅度提高，而硅酸二鈣可以與土中的自由水發生水化反應生成水化硅酸鈣和氫氧化鈣等產物，使改良土的后期強度進一步提高。

1.3 試驗方法

相關研究表明水泥作為固化劑時的摻量范圍宜在12%～20%[14-15]，根據相關工程實際和泥炭質土特性，本文對于水泥的摻量按質量替代設計為5%、10%、15%、20%、25%，改良泥炭質土時，復合固化劑的摻量水平與水泥的摻量水平保持一致，試驗所用的土樣制備方法及養護方法也均相同。水泥改良土與復合固化劑改良土的制備流程如圖1所示。

圖1 玄武巖纖維復合固化劑改良土制備流程圖Fig.1 Preparation flow chart of basalt fiber composite curing agent modified soil

水泥改良土具有較高的水穩特性，因此進行靜三軸試驗時與常規軟土采用的方法不同[16-17]。根據《水泥土配合比設計規程》(JGJ/T 233—2011)[18]的建議，在一般工程中不需要考慮水泥固化土的排水與固結問題，所以本文對水泥改良土和復合固化劑改良土采用不固結不排水(UU)的研究方法。試驗代號A～E代表水泥摻量分別為5%、10%、15%、20%、25%的水泥改良土，試驗代號A1～E1則代表復合固化劑摻量分別為5%、10%、15%、20%、25%的復合固化劑改良土。

2 結果與討論

2.1 改良土的應力-應變關系

本文分別在圍壓為100 kPa、200 kPa、300 kPa的條件下進行不同摻量的水泥和復合固化劑改良的泥炭質土靜三軸試驗，得到的三軸應力應變關系曲線如圖2、圖3、圖4所示。

由圖2可以看出，隨著水泥和復合固化劑摻量水平的增加，水泥改良土和復合固化劑改良土的主應力差和壓縮模量增大。當水泥和復合固化劑摻量達到15%時，兩種類型改良土的主應力差和壓縮模量均有顯著提升；當水泥摻量達到20%后，水泥固化土在100 kPa圍壓下的曲線類型由應“變硬化型”向“應變軟化型”轉化，復合固化劑摻量達到15%后，復合固化劑改良土在100 kPa圍壓下的曲線類型由“應變硬化型”向“應變軟化型”轉化；水泥與復合固化劑摻量在10%以下時，兩種改良土的主應力差接近，摻量超過15%時，復合固化劑改良土的主應力差大于水泥改良土的主應力差。

圖2 100 kPa圍壓下不同摻量改良土應力應變關系Fig.2 Stress-strain relationship of different dosages improved soil under 100 kPa confining pressure

由圖3、圖4可以看出，在200 kPa、300 kPa圍壓條件下兩種改良泥炭質土的應力應變關系曲線與100 kPa圍壓條件下的應力應變關系曲線規律類似。隨著圍壓的增加，兩種改良土的主應力差均增大，且殘余強度也有提高。兩種改良土中都加入了水泥，水泥中的硅酸三鈣與土體孔隙溶液中的自由水發生水化反應可以生成大量的水化硅酸鈣和氫氧化鈣等產物，使改良土的強度大幅度提高，而硅酸二鈣也可以與土中的自由水發生水化反應生成水化硅酸鈣和氫氧化鈣等產物，使改良土的后期強度進一步提高。此外復合固化劑中加入的生石灰促進了水泥的水化反應，加強了上述加固效果；生石膏與火山灰反應生成的鈣礬石可以填充并擠壓黏土團粒間隙和黏土礦物顆粒間的孔隙，增強了土體間的相互連接作用；玄武巖纖維則增加了土體的韌性，從而提高了改良土的殘余強度。

圖3 200 kPa圍壓下不同摻量改良土應力應變關系Fig.3 Stress-strain relationship of different dosages improved soil under 200 kPa confining pressure

圖4 300 kPa圍壓下不同摻量改良土應力應變關系Fig.4 Stress-strain relationship of different dosages improved soil under 300 kPa confining pressure

為了更好地定量分析水泥和復合固化劑摻量對泥炭質土的改良效果，本文對比分析了不同圍壓下兩種改良土的主應力差峰值強度與摻量的關系，并使用線性函數對其進行擬合，結果如圖5、圖6、圖7所示。

圖5 100 kPa圍壓下兩種改良土主應力差峰值強度與摻量的關系Fig.5 Relationship between principal stress difference peak strength and dosage of two improved soil under 100 kPa confining pressure

由圖5、圖6、圖7可以看出，在不同圍壓條件下，水泥改良土和復合固化劑改良土的主應力差和摻量水平基本滿足線性關系，且擬合效果較好。當圍壓一定時，隨著摻量的增加，水泥改良土和復合固化劑改良土的主應力差均增大；在相同摻量下，復合固化劑改良土的主應力差大于水泥改良土；當摻量小于10%時，兩種改良土差異較小。當摻量相同時，隨著圍壓的增加，兩種改良土的主應力差均增大，且復合固化劑改良土的主應力差的增量明顯大于水泥改良土的主應力差的增量。

圖6 200 kPa圍壓下兩種改良土主應力差峰值強度與摻量的關系Fig.6 Relationship between principal stress difference peak strength and dosage of two improved soil under 200 kPa confining pressure

圖7 300 kPa圍壓下兩種改良土主應力差峰值強度與摻量的關系Fig.7 Relationship between principal stress difference peak strength and dosage of two improved soil under 300 kPa confining pressure

2.2 改良土的三軸抗剪強度特性

泥炭質土在經過水泥或復合固化劑改良后，水泥、外加劑等與泥炭質土中的黏土礦物顆粒發生一系列化學反應膠結在一起，形成的結構對改良土的靜力學特性具有顯著的影響，因此改良土的莫爾強度包線不再是一條直線[19]，變成由兩條直線組成的折線。不同摻量水平下改良土的莫爾強度包線如圖8～圖17所示，A～E為不同摻量水平下水泥改良土的靜三軸剪切實驗結果，A1～E1為不同摻量下復合固化劑改良土的靜三軸剪切實驗結果。

圖8 5%摻量水平下水泥改良土莫爾強度包線Fig.8 Cement improved soil mohr strength line at 5% content level

圖9 5%摻量水平下復合固化劑改良土莫爾強度包線Fig.9 Compound curing agent improved soil mohr strength line at 5% content level

圖10 10%摻量水平下水泥改良土莫爾強度包線Fig.10 Cement improved soil mohr strength line at 10% content level

圖11 10%摻量水平下復合固化劑改良土莫爾強度包線Fig.11 Compound curing agent improved soil mohr strength line at 10% content level

圖12 15%摻量水平下水泥改良土莫爾強度包線Fig.12 Cement improved soil mohr strength line at 15% content level

圖13 15%摻量水平下復合固化劑改良土莫爾強度包線Fig.13 Compound curing agent improved soil mohr strength line at 15% content level

圖14 20%摻量水平下水泥改良土莫爾強度包線Fig.14 Cement improved soil mohr strength line at 20% content level

圖15 20%摻量水平下復合固化劑改良土莫爾強度包線Fig.15 Compound curing agent improved soil mohr strength line at 20% content level

圖16 25%摻量水平下水泥改良土莫爾強度包線Fig.16 Cement improved soil mohr strength line at 25% content level

圖17 25%摻量水平下復合固化劑改良土莫爾強度包線Fig.17 Compound curing agent improved soil mohr strength line at 25% content level

莫爾強度包線與水平線的夾角為土體的內摩擦角，與縱坐標的截距為土體的黏聚力。由圖8～17可知，水泥改良土和復合固化劑改良土的莫爾強度包線均隨摻量的增加而變得更陡，與縱坐標的截距也不斷增大。由此可知，泥炭質土經過改良后內其摩擦角和黏聚力都得到了提高。

定義強度包線中兩條折線的交點對應的法向應力為改良土中膠結結構的屈服應力σcr，當改良土受到的法向應力小于σcr時，莫爾強度包線相對平緩，莫爾強度包線與縱坐標的截距即黏聚力c相對較大。當改良土受到的法向應力大于σcr時，莫爾強度包線變得更陡，莫爾強度包線與縱坐標的截距c相對較小。由此可知，當改良土受到的法向應力小于σcr時，改良土內部形成的膠結結構基本不變，所以莫爾強度包線相對平緩。而當改良土受到的法向應力大于σcr時，改良土內部的膠結結構則發生一定程度的破損，所以莫爾強度包線變陡。

為了更好地對改良土的抗剪強度進行定量研究，分別對水泥改良土和復合固化劑改良土在不同摻量水平下的抗剪強度指標c、φ進行曲線擬合，并研究其變化規律。定義Y1為改良土受到的法向應力小于σcr時對應的黏聚力與內摩擦角，Y2為改良土受到的法向應力大于σcr時對應的黏聚力與內摩擦角。得到的擬合曲線如圖18、圖19所示。

圖18 黏聚力變化曲線Fig.18 Cohesion change curves

圖19 內摩擦角變化曲線Fig.19 Internal friction angle change curves

由圖18可知，整體擬合效果較好，圖18(b)中Y1的多項式擬合效果較差，當復合固化劑摻量為10%時，對應的兩段摩爾強度包線斜率相近且與縱坐標的截距接近，Y1第二個數據點在坐標分布上與Y2的點較為接近。此外，Y1的數據點較為離散，方差較大，線性關系較弱。水泥改良土和復合固化劑改良土在膠結結構破壞前后的黏聚力均隨著摻量的增加而增大，水泥改良土內部膠結結構破壞前后黏聚力的差值大于復合固化劑改良土內部膠結結構破壞前后黏聚力的差值。說明改良土受到的法向應力大于σcr時，水泥改良土內部形成的膠結結構破壞嚴重，黏聚力損失較大而復合固化劑改良土中的膠結結構破壞情況相對較輕，黏聚力損失較小。

復合固化劑改良土內部膠結結構破壞前后的黏聚力隨著水泥摻量的增加先出現大幅度增長而后趨于平穩增長，當復合固化劑摻量達到15%時，相比5%、10%兩個摻量水平，復合固化劑改良土的黏聚力顯著提高。

由圖19可以看出，水泥改良土和復合固化劑改良土膠結結構破壞前后的內摩擦角均隨著摻量的增加而增大，水泥改良土內部膠結結構破壞前后內摩擦角的差值大于復合固化劑改良土內部膠結結構破壞前后內摩擦角的差值，但是復合固化劑改良土內部膠結結構破壞前后的內摩擦角始終大于水泥改良土。對水泥改良土來說，內部膠結結構破壞前后的內摩擦角隨著水泥摻量的增加先出現大幅度增大而后趨于平穩增大，當水泥摻量達到15%后，內摩擦角增大不明顯，當水泥改良土內部膠結結構破壞后，水泥改良土內摩擦角隨摻量增加出現大幅度增大。復合固化劑改良土內部膠結結構破壞前后的內摩擦角隨著復合固化劑摻量的增加先緩慢增大而后大幅度增大，最后增大的速度再趨于緩慢。當復合固化劑摻量達到15%時，復合固化劑改良土就能夠獲得較大內摩擦角，且內部膠結結構破壞后，內摩擦角隨摻量增加變化不明顯。

上述結果表明，復合固化劑改良土中玄武巖纖維與水泥水化礦物以及泥炭質土礦物之間存在較強的摩擦作用，同時，膠結結構發生破壞后，玄武巖纖維與水泥水化礦物以及泥炭質土黏土礦物之間仍然能保持較大的黏聚力，從而使復合固化劑改良土內摩擦角增大不明顯。水泥改良土膠結結構發生破壞后，由于黏聚力損失較多，水泥水化礦物顆粒之間的摩擦力增加的幅度隨水泥摻量的增加相對較大。

3 結 論

(1)在圍壓相同時，隨著固化劑摻量的增加，水泥改良土和復合固化劑改良土的主應力差均增大，且在相同摻量下，復合固化劑改良土的主應力差大于水泥改良土，復合固化劑改良土總體強度增長率和殘余強度相比水泥改良土均有所提高。

(2)復合固化劑中加入生石灰促進了水泥的水化反應，生石膏與火山灰反應生成的鈣礬石填充并擠壓黏土團粒間隙和黏土礦物顆粒間的孔隙從而增強土體間的相互連接作用，玄武巖纖維提高了土體的韌性。

(3)改良土受到的法向應力大于改良土內部形成的膠結結構所具備的屈服應力σcr時，水泥改良土內部形成的膠結結構破壞嚴重，黏聚力損失較大，而復合固化劑改良土中的膠結結構破壞情況相對較輕，黏聚力損失也較小。復合固化劑改良土內部膠結結構破壞前后的黏聚力隨著水泥摻量的增加先快速增加后緩慢增加，當復合固化劑摻量達到15%時，相比5%、10%兩個摻量水平，復合固化劑改良土的三軸應力應變關系由“應變硬化型”轉變為“應變軟化型”，且抗剪強度顯著提高。

(4)當改良土內部的膠結結構發生破壞時，水泥改良土的黏聚力和內摩擦角出現大幅度減小，而復合固化劑改良土的黏聚力和內摩擦角變化的幅度均較小。所以，在相同的摻量水平下，復合固化劑相對于水泥可以獲得更好的改良效果。