房屋建筑施工中地基處理技術的試驗研究

梁靜靜（中國建筑材料工業地質勘查中心新疆總隊，新疆 烏魯木齊 830000）

關鍵字：地基處理；房屋建筑；煤矸石；水泥土

1 介紹

房屋建筑工程項目中地基是其最底層的土層結構，承受著房屋建筑上部所有的重力負荷。在房屋建筑施工過程中，地基處理具有多樣化的特點。隨著城市化進程的加快，城市建設項目數量增多，地基結構施工的質量將直接決定建設項目安全性。地基處理作為房屋建筑施工中的關鍵環節，不僅關系著房屋建筑質量，對于居民的人身財產安全也具有重要影響[1]。

房屋建筑施工過程中，造成地基出現問題的原因主要集中在混凝土結構出現裂縫、地基結構施工品質差以及施工建材質量不達標等方面。針對以上問題，現階段主要的處理措施為在對地基結構加固處理時采用土釘墻支護技術、基坑支護技術；在地基結構基礎工程的施工階段，運用拋石擠淤技術、粉噴樁技術來增強建筑結構的安全穩固性；使用強夯法這項施工技術對地基結構做出夯實處理，以此來提高地基的穩固性；高性能的地基處理建筑材料能夠提高承載能力和耐久性[2-4]。本文主要探索一種更有效地利用煤矸石進行地基處理的方法。

2 原材料

2.1 黏質土壤

黏土是從某高原的礦山站獲得的，本程序是用烘箱將土壤烘干，烘干前后用比重計測量其質量，以含水量作為質量變化計算。結果表明，黏性土的含水量為15.3%。根據標準GB/T50145-2007《土的工程分類標準》，進行了土的限液試驗和限塑試驗，確定了Wp和Wl的指標。

則塑性指數可計算如下：

式中IP-為塑性指數；WP-為液限；WP-是塑限。

黏性土的塑性指數為15.9，說明黏性土具有較好的塑性。含82%粉土和18%砂土的不均勻度系數(Cu)和曲率系數(Cc)分別為1.927和85.365。均勻性系數(Cu)越高，土壤粒徑范圍越大。曲率系數在0.5～2.0之間為良好級配土。因此，黏性土有足夠的細粒來填充粗粒之間的空隙，使土壤致密。

2.2 煤矸石

本次試驗選取了華北地區的煤矸石，直徑范圍為4.75mm～31.5mm，其化學成分如表1所示，主要物質為SiO2和Al2O3。在巖石點加載試驗的基礎上，研究了煤矸石的單軸抗壓強度。為確定酸腐蝕的影響，按JGJ 52-2006標準對酸腐蝕處理前后的破碎指標進行了測試，其差異反映了其抗酸腐蝕的能力。試驗采用酸性溶液(pH為1.5±0.5)浸泡煤矸石90d的酸處理方法。

表1 水泥、黏土、煤矸石的化學成分/%

2.3 硅酸鹽水泥

硅酸鹽水泥(PO42.5)取自某水泥有限公司。水泥的比表面積為367m2/kg。初凝時間為115min，終凝時間為185min。用X射線熒光分析儀(XRF)測定了水泥對應的化學成分，結果見表1。

3 試驗程序

3.1 配合比設計

在本次配合比設計中考察了水土比、水灰比、矸石率等幾個因素。水土質量比為14.3%～50%，矸石含量為25%～67%，水灰質量比為0.8～1.2。表2為煤矸石增強水泥土混合料(CGRCS)的配合比。

表2 水泥土混合料(CGRCS)的配合比

3.2 樣品制備

首先將黏土、水泥和煤矸石按照混合物的混合比例在強制式攪拌機中混合，再加入水，連續混合6min。將混合物倒入300mm×100mm×100mm和100mm×100mm×100mm兩種配置的模具中，人工錘擊壓實30次。固化3d后，將CGRCS從模具中取出，放入標準養護室進行養護直至測試。

3.3 抗壓強度

在養護齡期分別為7d、28d和60d分別測試試樣的抗壓強度，混凝土強度在28d可達到最終強度的90%，但準確的最終強度仍難以預測。加載速度設為0.1kN/s。該試驗機的最大量程為500kN。對于每個配合比，測試3個立方體試件，得到平均抗壓強度。

3.4 彈性模量

試件彈性模量的數據記錄和試驗程序均符合國家標準GB/T50081-2009，CGRCS樣本分別于28d和84d進行檢測。

3.5 顯微分析

用掃描電鏡(SEM)對試樣的微觀結構和水化產物進行了觀察。在觀察前，通過離子濺射儀將鉑附著在樣品表面，防止樣品表面電荷聚集。

3.6 應力-應變曲線

應力-應變曲線由壓縮試驗機進行壓縮試驗得到。在試件附近放置高精度激光位移傳感器，并連接計算機進行數據記錄，測量變形位移，在整個加載過程中，用激光位移傳感器記錄位移。當應變達到0.5%或載荷達到一個穩定值時，試驗結束。

3.7 耐酸堿腐蝕

從每種CGRCS混合物中選取兩個試樣進行酸腐蝕試驗。標準養護28d后，這些樣品在水中浸泡4d達到飽和，然后，對于每種混合物，一個標本浸泡在pH為1～2的硝酸溶液中，另一個標本浸泡在水中作為對照組。浸泡28d后，分別測定各試樣的彈性模量和質量，對試樣的酸損表面進行記錄。140d后，按國家標準GB/T50081-2002進行軸向抗壓強度測試。為分析不同配合比在消除養護齡期影響下的抗酸腐蝕性能，本研究采用相對彈性模量、質量損失率和強度損失系數來反映抗硝酸腐蝕性能。

4 結果與討論

4.1 抗壓強度

圖1為不同配比的CGRCS試件在不同養護齡期的抗壓強度。試樣的抗壓強度隨煤矸石摻量的增加而增加；在煤矸石摻量為25%時，養護28d后強度達到3.1MPa。煤矸石百分比在25%～42%范圍內，強度提升不明顯。而當煤矸石摻量為42%～67%時，由于煤矸石骨架的形成，煤矸石摻量顯著增加，線性度極好。當煤矸石含量低于42%時，煤矸石骨料顆粒分散分布，不能形成連續的骨架。

圖1 不同配比的CGRCS試件在不同養護齡期的抗壓強度

此外，抗壓強度隨水灰比的增加而降低，如圖1(b)所示。在所有養護齡期，當水灰比增加到1.2時，抗壓強度降低約0.18MPa。水灰比的增加對抗壓強度有兩方面的負面影響，增加試件孔隙率，降低硬化水泥漿體及混合料強高的硅鈣比，使晶體形成更多的接觸點，提高強度。

4.2 彈性模量

彈性模量是水泥土在實際應用中的一個重要參數，它可以預測混凝土卸荷時的變形變化和評價壓實率。養護28d和養護60d后的彈性模量變化趨勢與抗壓強度變化趨勢相似。養護28d時，隨著煤矸石摻量的減少，彈性模量逐漸減小。當煤矸石摻量低于50%時，28d彈性模量低于7.5GPa。當水灰比大于1.0時，模量變化較小,如圖2所示。

圖2 不同煤矸石摻量的CGRCS彈性模量

4.3 抗酸腐蝕測試

在實際應用中，深層地基中埋有既有水層，呈酸性。耐酸堿腐蝕性能優良是水泥土混合物的基本性質。酸蝕過程中CGRCS的表面演變分為三個階段，養護28d外表面開始出現大小不一的氣孔；養護56d后，孔隙擴展，裂紋開始出現，裂紋延伸至孔隙并逐漸連通；浸泡140d后，表面裂紋繼續擴大延伸，內部集料暴露，如圖3所示。

圖3 不同齡期的CGRCS在硝酸腐蝕下的表面損傷

4.4 抗壓應力-應變曲線

與膠結土顆粒相比，煤矸石在界面過渡區周圍的裂縫較少，水泥水化產物幾乎沒有裂縫。這是由于水泥水化產物的強度最高，煤矸石周圍的界面區相對疏松。煤矸石含量差異對應力應變影響較小，上升趨勢很明顯，并逐漸穩定地達到最高點。峰值后，逐漸下降，趨于穩定的應力水平，如圖4所示。

圖4 不同配合比的CGRCS壓縮應力-應變曲線

4.5 微觀結構表征

為了解煤矸石水泥土的性質、組成與微觀結構之間的關系并闡明其關系機理，采用掃描電子顯微鏡(SEM)對水泥土混合料的微觀結構進行分析發現煤矸石對CGRCS的性能有顯著影響。觀察煤矸石與水泥土基質之間的界面過渡區，在破壞過程中，當混合料遭受持續增加的荷載時，膠結土的破壞比煤矸石的破壞更優先。

5 結語

結果表明，煤矸石能顯著增強水泥土混合料的力學性能和耐久性；摻入煤矸石能有效改善水泥土混合體的力學性能。煤矸石摻量大于42%時，形成骨架結構，抗壓強度和剛度顯著提高；酸浸140d后，在酸蝕條件下，雖然煤矸石不能被水化產物填充，但煤矸石仍能保持比土壤更高的完整性。當煤矸石摻入CGRCS作為骨料時，尤其是在煤矸石摻量超過50%的最佳配合比下，能顯著提高混凝土的力學性能和耐久性。

地基處理施工技術既是房屋建筑的基礎，也是房屋建筑進行后續施工的重要保障[5]。研究了用煤矸石加固水泥土混合料的可行性。利用煤矸石加固軟土地基是一種很好的支撐方式，這種方法實現了可持續發展和社會責任的建筑實踐。