減水劑對固化土強度影響的研究

張丹，姚達，邱成春，王希晨，劉振建

（1.鹽城工學院土木工程學院，江蘇 鹽城 224051；2.江蘇鴻基水源科技股份有限公司，江蘇 揚州 225000；3.南水北調東線江蘇水源有限責任公司，江蘇 南京 210029）

0 引言

水泥土攪拌樁已經成為我國應用最為廣泛的地基處理技術之一，特別是被廣泛應用于軟弱地基處理，以增加地基承載力、減小地基沉降和不均勻沉降、提高穩定性。其技術原理[1]是通過特制的攪拌機械將水泥（漿液或者粉體）與地基土進行強制攪拌，利用水泥與土體之間產生的一系列物理化學反應，提高地基土強度，改變土性，形成具有整體性、水穩定性和一定強度的復合地基。相關研究表明[2-3]攪拌樁的現場水泥土強度與水泥和土攪拌的均勻程度密切相關。何開勝[4]認為應該先進行室內試驗研究，確定合適的水泥摻量和外加劑，再用水泥土攪拌樁處理現場地基。肖尊群等[5]在室內試驗的基礎上研制出了適用于海相淤泥質軟土地基處理的基于水泥基材料的混合固化劑。減水劑能很好地提高混凝土的工作性能，被作為外加劑廣泛應用于混凝土中，文獻[6-9]考慮把減水劑作為復合添加劑中的輔助劑加入到固化土中以提升其力學性能并且取得了不錯的效果。然而，單獨研究減水劑對固化土強度影響的文獻仍然較少，而且土中礦物組成不同，對不同減水劑產生的吸附效果也不一樣[10-11]。綜上所述，有必要通過室內試驗研究合適的水泥摻入比以及減水劑對固化土強度的影響規律。

本文以淮河入海水道阜寧段海相淤泥質軟土為研究對象，按照不同水泥摻入比和水灰比制成40 mm×80 mm 圓柱形固化土試樣，放入標準養護室內養護，分別測試養護齡期為7 d、28 d、60 d、90 d 時試樣的無側限抗壓強度，而且在固化土中分別加入不同摻量的木鈣和聚羧酸減水劑，分析了不同減水劑類型及摻量下固化土的力學性能，以期為淮河入海水道二期工程海相淤泥質軟土現場加固提供參考。

1 工程概況

淮河入海水道工程是擴大淮河洪水出路，提高洪澤湖防洪標準，確保淮河下游地區2 000 萬人口、200 萬hm2（3 000 萬畝）耕地防洪安全的戰略性骨干工程。目前，一期工程已經投入使用，二期工程已經陸續開展。淮河入海水道沿線共分3 個工程地質段，其中，第二工程地質段中樁號71+000—91+000 堤段位于鹽城市阜寧縣境內，軟弱土層分布深厚，為“深軟土段”。入海水道一期工程自2003 年建成后，對工程沿線軟土段進行了沉降跟蹤監測。依據監測結果，南、北堤軟土段的堤身持續沉降，且未達到穩定狀態，入海水道南北堤的“深軟土段”71+000—91+000 區段，尤其是“特軟段”85.5+000—90.5+000 堤段沉降量較大。按照二期工程可研報告，本段堤頂高程在13.0 m左右，需在現狀堤頂加高約2.5～3.0 m，目前二期工程可研報告采用二級平臺筑堤方案，該方案涉及入海水道南、北堤的堤防退建問題，并且退堤后新堤位于堤基土物理力學性質偏弱的老堤平臺、灘地位置，甚至部分堤段退至河道位置，按照現有方案填筑后的二期工程堤身仍存在穩定問題。因此，若能通過經濟合理、切實可行的技術措施對“深軟土段”的堤基軟土進行加固處理，提高南、北堤軟弱土層的地基承載力，實現南、北堤盡量不退堤，將從根源上解決入海水道南、北堤沉降不穩定問題，消除工程后期運行中存在的安全隱患，避免堤防退建可能帶來的經濟及社會問題。

2 試驗設計

2.1 試驗材料

試驗所用土取自淮河入海水道阜寧段，代表性土樣運回實驗室后，攪拌均勻，去除土樣中含有的雜質。然后根據GB/T 50123—2019《土工試驗方法標準》測定土樣的含水率、液塑限、顆粒級配、比重等，如表1 所示。試驗用土的黏土礦物成分經過專門機構測定如表2 所示。

表1 土樣的基本物理性質Table 1 Basic physical properties of soil samples

表2 土樣的礦物成分Table 2 Mineral composition of soil samples %

試驗所用水泥為42.5 號普通硅酸鹽水泥，購自鹽城市佳寧水泥有限公司，各項指標均符合國家標準規范GB 175—2020《通用硅酸鹽水泥標準》要求。

試驗采用兩種減水劑，分別為聚羧酸和木質素磺酸鈣。聚羧酸高效減水劑（醚類）QS-8020 ，購自上海齊碩實業有限公司，外觀為白色微黃粉末，堆積密度650～850 g/L，活性成分≥90%。

木質素磺酸鈣簡稱木鈣，分析純，含量98.0%購自合肥巴斯夫生物科技有限公司，外觀為深棕色，略有芳香氣味。

2.2 試樣制備

按照一定的配比稱量水泥、土、減水劑、水，攪拌均勻后，分3 次裝入提前用凡士林均勻涂抹過內壁的亞克力圓筒內，制成高度80 mm，直徑40 mm 的試樣。為了確保試驗數據的準確度，不同水泥、減水劑摻量和不同齡期均制作3 個平行樣。每一批試樣制備完成后，即刻移入恒溫恒濕的標準養護室養護24 h 后脫模。脫模后試樣繼續放入養護室養護至相應齡期，然后取出做無側限抗壓強度試驗。

2.3 試驗方案

現場土經過測試含水率為61%，以15%的水泥摻入比α（水泥重量/被加固濕土的重量），以0.8的水灰比w/c（水質重量/水泥重量），含水率為61%的濕土配制固化土樣作為基準組。通過改變水灰比、水泥摻入比、減水劑類型和摻量（減水劑重量/水泥重量）、養護齡期來研究其對固化土強度的影響。試驗方案如表3 所示。

表3 無側限抗壓強度試驗方案Table 3 UCS testing plan

3 試驗結果

3.1 無側限抗壓強度

圖1 （a）所示為試樣在水泥摻入比α=15%時，無側限抗壓強度隨水灰比變化曲線。從圖1（a）可以看出試樣在7 d、28 d、60 d、90 d 的無側限抗壓強度均隨著水灰比的增加而減小。原因是由于在水泥摻量一定的情況下，增加水灰比實質是增加了土中的初始含水率，已有研究[12-17]表明固化土的強度隨著初始含水率的增加而減小。

圖1 無側限抗壓強度隨w/c 和α 的變化Fig.1 Change of UCS with w/c and α

圖1 （b）所示為試樣在w/c=0.8 時，無側限抗壓強度隨水泥摻量的變化曲線，從圖1（b）可以看出試樣在7 d、28 d、60 d、90 d 的無側限抗壓強度均隨著水泥摻入比的增加而增加，而且從7 d和28 d 的變化曲線中可以明顯看出，水泥摻入比α 大于15%以后，固化土的無側限抗壓強度的增長速率明顯要大于之前的水泥摻入比工況。具體表現為，養護齡期為28 d 時，水泥摻入比為13%、15%、18%時，固化土試樣的無側限抗壓強度分別為1.606 MPa、1.828 MPa、2.442 MPa；α 為15%時的試樣強度比α 為13%時的試樣強度高出了13.8%，α 為18%時的試樣強度比α 為15%時的試樣強度高出了33.6%。這與文獻[13]和[17]研究的結論是一致的。

圖2 （a）、（b）所示為試樣在水泥摻入比α=15%、w/c=0.8 時，無側限抗壓強度隨減水劑類型和摻量的變化曲線。從圖2 分析可以得出以下結論：

圖2 無側限抗壓強度隨減水劑的變化（α=15%，w/c=0.8）Fig.2 Change of UCS with water-reducing agents(α=15%，w/c=0.8)

1） 在不同齡期，試樣無側限抗壓強度均隨著聚羧酸高效減水劑摻量的增加呈現先增加后緩慢減小的趨勢；在聚羧酸摻量為0.4%時，試樣的無側限抗壓強度達到最大值。在沒有摻加聚羧酸時，試樣在7 d、28 d、60 d、90 d 的無側限抗壓強度分別為0.999 MPa、1.988 MPa、2.612 MPa、2.717 MPa；在聚羧酸摻量為0.4%時，試樣在7 d、28 d、60 d、90 d 的無側限抗壓強度分別為1.199 MPa、2.236 MPa、2.761 MPa、2.800 MPa；固化土的無側限抗壓強度分別提高了19.9%、12.5%、9.9%、3.1%，同樣從這些數據也可以得到，聚羧酸高效減水劑對固化土試樣強度的增強效果在早期更明顯，在后期增強效果逐漸減弱。

2） 在不同齡期，試樣無側限抗壓強度呈現出隨著木鈣減水劑摻量的增加而逐漸減小的趨勢；在木鈣摻量為4%時，試樣的無側限抗壓強度最小。在木鈣的摻量為0 時，試樣在7 d、28 d、60 d、90 d 的無側限抗壓強度分別為0.999 MPa、1.988 MPa、2.612 MPa、2.717 MPa；在木鈣的摻量為4%時，試樣在7 d、28 d、60 d、90 d 的無側限抗壓強度分別為0.492 MPa、0.929 MPa、1.281 MPa、1.440 MPa；固化土的無側限抗壓強度分別降低了50.7.%、53.3%、49.0%、47.0%，在不同的養護齡期，木鈣減水劑對固化土試樣強度的影響基本一致。

3） 不同齡期、減水劑摻量下，摻加聚羧酸高效減水劑的試樣強度要明顯高于摻加木鈣減水劑的試樣強度。養護齡期28 d，減水劑摻量分別為0.2%、0.4%、2.0%、4.0%時，摻有聚羧酸高效減水劑試樣的無側限抗壓強度分別為2.016 MPa、2.236 MPa、2.142 MPa、2.103 MPa；摻有木鈣減水劑試樣的無側限抗壓強度分別為1.860 MPa、1.571 MPa、1.226 MPa、0.929 MPa；摻有聚羧酸高效減水劑試樣的無側限抗壓強度比摻有木鈣減水劑試樣分別高出了8.4%、42.3%、74.7%、126.4%。

3.2 變形系數E50

變形系數E50反應了混合材料抵抗變形的能力，是固化土工程性質體現的重要參數。對于固化土無側限抗壓試驗，其變形系數可通過式（1）計算得到：

式中：εf為破壞應變；σ1/2為破壞應變一半時對應的應力。研究表明[16，18-20]變形系數E50與qu具有較好的線性關系，湯怡新等[16]更是在文中指出，各種水泥土的變形系數與抗壓強度可以用關系式E50=（100～200）qu表示如圖3 所示為本文試驗數據中變形系數與無側限抗壓強度之間的關系曲線，通過線性擬合得到E50與qu之間的關系為：E50=104.48qu（R2=0.979）。

圖3 變形系數與無側限抗壓強度的關系Fig.3 Relation between deformation coefficient and UCS

4 機理分析

水泥固化土無側限抗壓強度增長的主要原因是水泥熟料礦物水化反應生成的水化產物，一方面，水化產物填充了土顆粒間的孔隙使試樣變得更加密實，另一方面水化之間產物間相互搭接形成骨架[21-22]，并且與土顆粒構成整體受力。水泥摻入比數值越大，同樣體積下固化土試樣生成的水化產物數量增多，不僅水化產物間的膠結作用增強，而且進一步擠壓了土樣內部的孔隙，試樣內部會變得更加密實，無側限抗壓強度就會增強[23]。

聚羧酸減水劑的摻入會提升固化土無側限抗壓強度的主要原因是少量的聚羧酸減水劑的摻入不僅能夠使水泥固化土中水化產物總量增加，而且可以減小C-S-H 的顆粒尺寸，使其硅氧四面體聚合度增加從而變得更加致密。文獻[24-26]等學者通過掃描電鏡、熱重、核磁共振測試和傅里葉紅外光譜等分析測試方法證實了此觀點。水泥基材料強度增長的主要因素就是C-S-H 產物的總量和C-S-H 的密度增加，聚羧酸的加入正好增加了C-S-H 產物的總量和C-S-H 的密度，因此，固化土強度得以提升。

固化土無側限抗壓強度隨著木鈣摻量的增加而降低的原因是木鈣的摻入會在固化土中生成不利于強度發展的短柱狀鈣礬石和結構疏松的水化硅酸鈣[27]，而且隨著木鈣摻量的增加，其引氣作用會變強，使得固化土中出現大量空洞甚至彼此連通形成孔隙，“骨架效應”遭到破壞，進一步降低固化土的密實度，從而使得固化土的強度降低。

5 結語

1） 水泥摻入比不變時，固化土的無側限抗壓強度隨著水灰比的增加而減小；水灰比一定時，固化土無側限抗壓強度隨著水泥摻入比的增加而增加，而且在水泥摻入比大于15%以后，固化土的無側限抗壓強度的增長速度明顯要大于之前的水泥摻入比工況。

2） 固化土試樣的無側限抗壓強度隨著聚羧酸高效減水劑摻量的增加呈現先增加后緩慢減小的趨勢，在聚羧酸摻量為0.4%時，試樣的無側限抗壓強度達到最大值。

3） 固化土試樣的無側限抗壓強度隨著木鈣減水劑摻量的增加逐漸減小，當木鈣摻量為0 時，試樣的強度最大。對于本文試樣用土，從強度層面來講，聚羧酸減水劑的效果要優于木鈣減水劑。