隧道洞口泥炭土地基固化研究現狀

曹佃光，白亞東，黃志強

(1.中交路橋建設有限公司，北京 100024；2.中交路橋北方工程有限公司，北京 100024；3.沈陽工業大學 建筑與土木工程學院，遼寧 沈陽 110870)

0 前 言

土質地基的抗壓強度研究是地基穩固性的重要指標，而就如何提高軟弱土地基的抗壓強度更是研究的重點。大量的學者對不同軟土的固化研究已經取得一定的成果。任慶福[1]對水泥、石灰等固化材料對軟弱土的固化機理進行了研究，得出在固化材料的作用下，在弱土的各方面特性有了極大地改善；蔡光華[2]研究了MgO固化土經二氧化碳碳化后各方面性質的變化；朱書景等[3]進行了黏土、淤泥質黏土和砂土加入固化劑的研究，得出在一定范圍內，隨著固化劑的摻量增加，可以明顯提高軟弱土的抗壓強度，固化劑加入7%時，軟弱土的加固強度最大；侯藝飛等[4]總結了一些對黃土有利于黃土固化的固化劑；Farid等[5]通過研究表明用硅酸鹽水泥復合固化劑加固處理淤泥質土可以明顯提高其抗壓強度。高建東等[6]分別對淤泥質土的固化效果進行研究，并取得了一定效果；2012年王東星[7]研究得出摻入水泥-粉煤灰可以明顯提高淤泥質土的抗壓強度，比摻入粉煤灰-石灰粉效果更好。泥炭土是一種特殊的軟弱土，一些學者對其性質進行了研究[8-10]，認為其具有含水量大、孔隙比大、壓縮性強、強度低等特點，固化仍需要進行一定的研究。

1 摻固化劑對泥炭土的影響

1.1 摻入水泥對泥炭土強度的影響

李琴等[11]和蔣卓吟[12]對泥炭土中摻入水泥的研究得出了相同的結論，隨著水泥摻量的增加，泥炭土的強度增加，尤其是在水泥摻量在25%～35%時，上升幅度最大；而齡期在14 d前時，隨著時間的增加，泥炭土強度增長緩慢，甚至會有所降低，這是因為，在齡期較短時，水泥還沒有進行充分地水化反應，形成的膠凝物質稀少，水泥膠結泥炭土能力不強，所以隨著水泥摻量的增加，沒有明顯地提高泥炭土的抗壓強度。而當齡期在14～28 d時，泥炭土的抗壓強度明顯增強，這是因為隨著時間的增加，水泥充分水化產生的膠凝物質大量增加，膠結泥炭土的能力大大增強。另一方面，泥炭土呈酸性，當它遇到堿性的水泥時會發生酸堿中和反應，減弱泥炭土顆粒間的排斥性，利于泥炭土的膠凝與固結。因此，固化泥炭土的強度隨著齡期延長而增加。1994年黃新[13]研究了水泥固化土壤的原理，得出水泥在水化時會生成硅酸鈣，它可以膠結土粒使得土體形成一個整體，但是土體中還是有很多孔隙[13]，因此，還可以加入其他物質進行進一步的填充固化。其實水泥作為一種常用的膠凝材料，經常作為基礎物質與其他材料共同作為固化劑，不僅可以減少水泥的使用，還可以提高固化能力。

1.2 摻入水泥，石膏對泥炭土強度的影響

石膏是一種常用的固化材料，在很多固化劑中都加有石膏，如CG固化劑。1994年，黃新[13]對水泥-石膏固化劑(CG)進行了探索研究，得出，水泥發生水化反應產生硅酸鈣膠結土粒使得土體的整體性的到加強，土體的抗壓強度也得到了提高，同時石膏可與含鋁相反應產生鈣礬石，鈣礬石可以有效地填充泥炭土的孔隙，同時鈣礬石晶體會與水化硅酸鈣形成空間結構，以此填充孔隙，泥炭土的孔隙減少，其強度增加。CG固化劑具有膠結土粒和膨脹填充孔隙兩種特性，所以對泥炭土這種多孔隙土具有良好的固化作用。李琴[11]和蔣卓吟[12]對加入不同摻量的石膏進行泥炭土的固化進行了研究，在固定水泥摻量為20%的條件下，隨著石膏摻入量的增加，泥炭土抗壓強度基本成正比例增加。石膏摻量為6%時，且時間為60 d時，泥炭土的抗壓強度達到最大。其原因為在石膏摻量6%并養護到60 d時，膨脹物質已完成膨脹，且土的孔隙基本都得到了填充。但是石膏摻量如果過多會形成過多的鈣礬石，從而破壞與CSH的空間晶體結構，使得泥炭土的強度降低。

1.3 摻入水泥，粉煤灰對泥炭土的影響

粉煤灰作為固化劑添加材料已經很早應用于建筑領域，在水泥中加入粉煤灰不但可以起到一定的固化效果，還可以有效地節省水泥的使用。2012年，王東星在淤泥質土中摻入水泥-粉煤灰，明顯地提高了淤泥質土的抗壓性及彈性模量；2013年，單梅[13]對粉煤灰固化淤泥質土進行了研究，加入粉煤灰與生石灰可以明顯提高淤泥質土抗壓強度，說明粉煤灰作為固化劑有極大的可行性。李琴[11]和蔣卓吟[12]對用水泥，粉煤灰作為固化劑進行固化泥炭土進行了研究，研究表明，在固定水泥摻量為20%的條件下，加入粉煤灰，在齡期較短時，泥炭土的抗壓強度比單摻水泥時只有微小的增加。這是由于粉煤灰在時間較短時沒有發生反應，只是靠本身的體積填充了部分孔隙。隨著時間的增加，泥炭土的抗壓強度有了明顯的提高，這是由于粉煤灰與水泥發生了火山灰反應，生成很多的膠凝物質，且與未反應的水泥顆粒和土顆粒進行了膠結，形成塊狀體填充了泥炭土的孔隙。固化泥炭土抗壓強度隨粉煤灰摻量的增加而增長。但對于泥炭土抗壓強度的下降段作者也沒有說明，還需要研究討論。

1.4 摻入水泥，石灰粉對泥炭土的影響

石灰是工程中常用的無機膠凝材料,它具有來源廣、成本低、易生產等特點，被廣泛用于工程中。2010年，鞏尊玄[15]的研究得出石灰粉加入淤泥質土中可以明顯降低土的液限和塑性指數，增加大顆粒土的數量，由此推出石灰粉也可用于固化泥炭土。李琴[11]和蔣卓吟[12]對泥炭土中摻入水泥-石灰粉進行了研究，在石灰粉摻入量為8%以前，隨石灰粉摻量的增加，泥炭土的抗壓強度呈增加趨勢，但超過8%后，泥炭土的抗壓強度降低。所以在石灰粉摻入量為8%時，泥炭土的抗壓強度達到了峰值，為最佳配比。其原理為齡期較短時，水泥還沒有進行充分的水化反應，石灰以其本身的體積填充泥炭土孔隙，所以泥炭土的抗壓強度只是比只加水泥時略有增加，但是當齡期增加時，在摻入石灰粉超過8%時，泥炭土抗壓強度明顯降低，這是因為石灰粉過多會抑制水泥水化反應，產生的膠凝物質減少，也就不能更好的膠凝土顆粒，使得孔隙加大，泥炭土強度下降。因此隨石灰增加泥炭土的抗壓強度降低。但相比于單摻 20%水泥的固化土，隨著齡期的增加，泥炭土的抗壓強度明顯大幅度增強。但其原理還不是太清楚，可能是石灰粉填充了泥炭土的孔隙，使其強度增加，也可能是石灰與泥炭土中的水發生了反應，減少了泥炭土的含水率；還可能是體系中生成了鈣礬石填充了孔隙。具體原理還有待探究。

1.5 摻入水泥-硫酸鈉對泥炭土的影響

李琴等[11]對水泥-硫酸鈉固化泥炭土進行了研究，結果表明在固定水泥為20%時，硫酸鈉摻入0.6%時，固化效果非常好。7 d時就比單純加入水泥時的固化強度增加了10倍，但是并不是硫酸鈉越多越好，隨著硫酸鈉的增加，泥炭土的固化強度會降低。但是對于硫酸鈉的固化原理還不清楚，有待于進行深入的研究。

2 結 語

對比以上不同固化劑對泥炭土強度的影響得出，當只用水泥為固化劑時，水泥摻量為35%時效果最好，但不建議只加水泥，這樣會增加成本，且固化效果不能達到最佳。

加入水泥-粉煤灰固化劑時，泥炭土的抗壓強度優于單摻20%水泥，且粉煤灰廉價，且屬于工業廢料，有助于環保，推薦使用。

在水泥摻量為20%時，摻入8%的石膏對泥炭土強度增加效果最好，且遠遠高于單摻水泥時泥炭土的抗壓強度，既可以節約材料，又可以提高固化效果，推薦使用。

加入8%的石灰粉可以明顯增加泥炭土的抗壓強度，但是對于它的固化原理還有待于進行進一步的研究。

加入硫酸鈉對泥炭土的固化效果最好，明顯高于其他固化劑，這對工程來說具有重要意義。水泥-硫酸鈉固化劑值得推廣使用，但它的作用機理還需進行研究，以更好提高其固化效果。

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