基于聚合物材料與水泥協同的軟土巖層加固技術研究

中圖分類號：TQ172.79 文獻標志碼：A

文章編號：1001-5922（2025）05-0101-04

Abstract：In order to solve the problem that the traditional reinforcement method has poor reinforcement ffcton soft soil rock formation，soft soil layers reinforced by the synergy of polymer materials and cement was proposed. Firstly，the efectof the component contentofasinglesolidification systemon thesoftsoilrock layer was studied， andthenthereinforcement efectofthe soft soilrock layer under theoptimalreinforcement conditions was studied. The test results showed that the optimal curing ratio was 30%～40% for cement， 8% for metakaolin， 6% for water silicate，and about 20%～30% for laterite.Under these conditions，the unconfined compressive strength of the cured body exceeded 100MPa ，the moisture content was about 120% ，thedry density was about ，thevertical shear strength of 300kPa was more than 140kPa ，the cohesion was more than 25kPa ，and the internal friction angle was about ，showing a good curing effect.

Key words ： polymer materials ；soft soil reinforcement；reinforcement effect； cemented gel

隨著現代建筑行業的迅猛發展，許多工程建設不可避免的需要穿過軟土巖層。受軟土巖層特殊土體性質的影響，在進行工程建設前，需要對軟土巖層進行加固處理，避免在工程建設過程中出現沉降的現象。但目前所用的加固方法多為水泥加固或混凝土加固，雖然有一定加固效果，但還無法達到理想要求。對此，部分學者也進行了很多研究，楊望星采用粉煤灰、水玻璃、氫氧化鈉和水制備粉煤灰基地聚合物，將其部分替代水泥用于軟土加固，研究不同替代比例對加固土性能及固化劑成本的影響，粉煤灰基地聚合物替代比例分別為20%和40%時，就可以達到與水泥相同的加固效果，提升了軟土加固的環保和經濟效益[1]。彭元棟針對水泥固化劑加固軟土強度不足，完整性差的問題，引入新研發的軟土固化劑對軟土地層進行加固，經過新型固化劑加固后的固化體，較水泥摻量為20%的固化體強度增加91%，加固效果滿足設計要求，且相較水泥加固軟土而言，成本節約25%左右[2]。李松波則采用粉煤灰礦渣基地聚物對軟土進行加固，并對其加固效果進行研究，粉煤灰礦渣基地聚物可有效對軟土進行加固，在礦渣摻量、堿摻量和地聚合物摻量分別為40% 10%和 12% 時達到最佳的加固效果[3]。楊興華以傳統水泥攪拌樁加固方案為對比，研究了水泥石灰鋼渣碎石夯擴樁復合地基在軟土地基加固中應用，在軟土地基承載力增強方面表現出一定的優勢[4]。試驗以陳玉龍的復合堿激發偏高嶺土研究結果為參考，研究了聚合物材料與水泥協同對軟土巖層的加固效果。

1 試驗部分

1.1 材料與設備

主要材料：水泥（ P042.5 德仁耐火材料）；粉煤灰（一級品，榮域礦產品）；水玻璃（AR，德聞化工）；天然泥炭土和濕陷性黃土（均采集自云南昆明某地）。

主要設備：JS750型小型混凝土攪拌機（華龍建筑機械）；HZJ-A型混凝土振動臺（盛世慧科檢測設備）；STM-1型電子萬能試驗機（檢卓儀器科技）；ZJ-1B型電動應變控制式直剪儀（鑫科建筑儀器）。

1.2 試樣的制備

由于軟土巖層的復雜性，分別采集軟土巖層常見土體一—泥炭土和濕陷性黃土，研究聚合物對軟土巖層的加固效果；

（1）對采集到的泥炭土剔除雜質后，充分破碎備用。對濕陷性黃土風干碾碎后過篩剔除雜質，通過手工噴壺噴灑自來水并小心翻拌，使濕陷性黃土保持在天然含水率狀態，并用保鮮膜密封后靜置；

（2）在小型混凝土攪拌機中依次放入泥炭土、濕陷性黃土、水泥和粉煤灰粉末，打開攪拌機攪拌5min使其充分混合，然后放入水玻璃和水，繼續攪拌，使混合物呈現出均勻的膏體狀態；

（3）將膏體材料分3次倒入提前刷涂有脫模劑的模具中，每次倒料需要充分振搗，排出膏體中氣泡方可繼續倒料；

（4）倒料結束后，放在混凝土振動臺上振動5min振實，然后用刮刀將多余膏體刮去后，用保鮮膜密封好，靜置 脫模，然后在標準養護的條件下養護28d，養護溫度和濕度分別為 和（95±2）%。

1.3 性能測試

1.3.1無側限抗壓強度

通過電子萬能試驗機對固化體的無側限抗壓強度進行測定，位移速率為1mm/min[6] 。

1.3.2 直接剪切試驗

在 300kPa 垂直壓力的條件下，通過電動應變控制式直剪儀進行直接剪切試驗，剪切速率為0.8mm/min，剪切結束后，計算固化體粘聚力和內摩擦角[7-8]

1.3.3干密度測試

通過烘干法測試固化體的含水率，并計算固化

體的干密度[9-10] 。

2 結果與討論

2.1對單一泥炭土的加固效果

2.1.1水泥對固化效果的影響水泥對固化體無側限抗壓強度的影響見圖1。

由圖1可知，隨水泥摻入比的增加，固化體試件的無側限抗壓強度也明顯增加，即水泥對軟土巖層表現出一定的加固效果。這是因為水泥水化產物為C—S—H、C—A—H等膠結凝膠，對分散的土顆粒有膠結作用，使土體內部形成穩定的固化物骨架，增加了土體結構的密實度，進而增加了固化體的抗壓強度[-]。而隨水泥摻入比的增加，生成的膠結凝膠也隨之增加，對土壤的加固效果也越好。但水泥摻人比超過30%后，加固物抗壓強度增長趨勢變緩，這是因為水化產物完全將土壤膠結在一起后，多余的膠結凝膠在內部堆積，無法硬化，不能提供更多的強度。同時，膠結凝膠也無法填充土體內部的空隙，內部密實度較低，因此加固作用有限 。在實際應用中，適合的水泥摻人比為30%～40%。后續試驗中，選擇水泥摻入比 30% 繼續進行試驗。

2.1.2 粉煤灰對固化效果的影響

水泥對軟土土壤有一定的加固效果，但還無法達到加固要求，因此繼續使用粉煤灰對軟土進行加固。粉煤灰加固軟土試件無側限抗壓強度變化見圖2。

由圖2可知，隨粉煤灰摻入比的增加，固化物的無側限抗壓強度也隨之增加。但增長趨勢在粉煤灰摻入比超過 8% 后開始變緩。出現這個變化的主要原因在于，粉煤灰中存在大量無定型的硅鋁化合物，與水泥水化產物氫氧化鈣反應，消耗了體系內的鈣離子，促進了水化反應的進行，增加了固化物內部的水化產物。同時，未參與反應的粉煤灰還可能填充土體內的孔隙，增強了固化物內部的密實度，進而增加了固化體的抗壓強度 ？14-15？ 。但泥炭土中固體土顆粒粒徑較小，且整體占比較小，因此即便生成再多的膠結凝膠，也無法構成固化物骨架。而過多膠結凝膠在固化物內部堆積，無法硬化也沒有強度產生，因此對強度的提升效果較差[16]。也就是說，粉煤灰對加固軟土巖層有積極的作用，但這種加固作用存在最佳閾值，因此從加固效果考慮，在實際應用中，粉煤灰摻人比應不超過 8% 。在后續試驗中，選擇粉煤灰摻入比為 8% 繼續進行試驗。

2.2對復合土體固化效果的影響

2.2.1濕陷性黃土含量對固化體系的影響

在實際工程應用中，軟土巖層的固化往往涉及多種土體。在以上2個結論中，已經確定了水泥和粉煤灰對單一泥炭土的加固效果。在最佳加固條件下，摻人濕陷性黃土，確定濕陷性黃土對水泥與粉煤灰加固體系的影響，結果見圖3。

由圖3可知，隨濕陷性黃土摻量的增加，固化體系無側限抗壓強度表現出先增加后降低的變化趨勢。這就說明少量的濕陷性黃土對水泥與粉煤灰加固體系的加固效果有增強作用。這與泥炭土和濕陷性黃土的土體性質有關。分別對泥炭土和濕陷性黃土土體進行重塑篩分后發現，泥炭土多為粒徑小于0.075mm的土顆粒和尚未分解完成的纖維，大顆粒土體較少。而濕陷性黃土大部分均為粒徑超過0.075mm的大顆粒土體。二者結合后，濕陷性黃土可為體系提供部分礦質元素和游離氧化物，增加了體系內的膠結成分 ？17？ 。同時，大顆粒土體在體系內可以起到“細骨料”的作用，可有效增強土體間的咬合力。而泥炭土的小顆粒在體系內起到了填料的作用，可填充植物纖維間的孔隙，增強土體內部的密實度 。另一方面，濕陷性黃土具備較強的親水性，在體系內可吸附泥炭土腐殖質內的自由水，這就降低了泥炭土的含水率。而被濕陷性黃土吸附的自由水又會參與后續水泥水化反應和火山灰反應，進一步增加了固化體系的強度 。但在軟土巖層體系中，濕陷性黃土主要作為外加材料，因此其摻入比越多，需要的固化劑越多。當固化劑摻入比固定，過量的濕陷性黃土會導致材料內部固化效果變差，進而導致固化體系的強度有一定下降。因此，在實際工程應用中，應控制濕陷性黃土含量為20%～30%。在后續試驗中，選擇濕陷性黃土含量為20%的固化體系繼續試驗。

2.2.2水玻璃對固化體系的影響

水玻璃對固化體系加固效果的影響見圖 。

由圖4可知，隨水玻璃摻量的增加，土體的無側限抗壓強度表現出先增加后降低的變化趨勢。這是因為少量的水玻璃可有效激發粉煤灰的化學活性，對地聚合物凝膠的生成有促進作用，生成的膠凝材料可填充土體間的空隙，進而改善了水泥固化體強度。同時，水玻璃自身具備一定的粘結性，可增強基體對土顆粒的連接，因此固化體系的強度有一定增加[20]但水玻璃摻量過多的條件下，與腐殖質發生中和反應，生成水的同時，降低了整個體系的堿度，使得腐殖質在固化過程中不斷釋放腐殖酸，持續腐蝕固化結構，進而降低了固化體的強度。綜上，在實際工程應用中，選擇適合的水玻璃摻入比應不超過6%，在試驗中，選擇水玻璃摻入比 6% 繼續進行試驗。

2.3 固化體物理指標分析

對最佳固化條件制備的固化體基礎物理性能進行分析，結果見表1。

由表1可知，經過最佳固化條件固化后，固化體含水率明顯降低。這再次說明濕陷性黃土會吸收體系內多余的自由水參與到水泥水化反應中，降低了整個體系的含水率。在水泥和水玻璃的共同作用下，固化體系生成更多膠凝產物，材料的粘聚力明顯提升。而濕陷性黃土和粉煤灰可有效填充固化體系內部空隙，同時，還可增加體系內部固體顆粒的摩擦力，進而提升了體系內部的機械咬合力，固化體系整體性能提升，使得固化材料的干密度、抗剪強度、粘聚力和內摩擦角均有所提升。

3結語

（1）水泥水化產物膠結凝結可有效膠結分散土顆粒，使土體內部形成穩定的固化物骨架，增加土體結構的密實度；

（2）粉煤灰可促進水化反應的進行和填充固化體內部的空隙，進而增強了固化物內部的密實度；

（3）濕陷性黃土內部存在礦質元素和游離氧化物等膠凝成分，且大部分均為粒徑超過0.075mm的大顆粒土體。進入固化體系后，可以起到“細骨料”的作用，增強土體間的咬合力；

（4）水玻璃可有效激發粉煤灰的化學活性，促進地聚合物凝膠的生成。同時，水玻璃自身具備一定的粘結性，可增強基體對土顆粒的連接，進而增加了固化土體的固化效果；

（5）對固化后土體的物理性能進行測試，確定經過固化后，材料的含水率明顯下降，干密度、抗剪強度、粘聚力和內摩擦角均明顯提升，固化體系加固效果良好。

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（責任編輯：蘇慢）