復合型地聚合物加固軟土的微觀性能研究

譚 健

(廣東冠迪建設有限公司 廣州市 510000)

0 引言

在沿海地區道路工程施工建設中常遇到軟土路基，但是軟土不能提供路基所需的承載力，因此需要對軟土路基進行加固處理使其能達到道路施工建設的需求[1]。攪拌樁是一種有效地處理軟土地基的手段，常用生石灰作為固化劑加固軟土，在瑞典研發了深層攪拌技術；而現在常用波特蘭水泥作為固化劑，因為它易于獲得，價格低廉[2]；但對于某些軟體土質，僅使用水泥加固軟土的效果卻不明顯，從而局限了該方法的使用范圍[3]。由于堿性材料具有良好膠凝特性，進而引起了學者研究的興趣[4]。地聚合物材料價格低廉、污染小，具備良好的力學性能和耐腐蝕性能，是一種環境友好的新型堿性建筑材料，應用前景非常廣泛[5-7]。

在實驗室采用地聚合物處理軟土，測定齡期為7d、28d及60d地聚合物土試件的無側限抗壓強度和抗剪強度等力學指標，分析地聚合物加固軟土影響因素，結合試驗路段現場取芯地聚合物處理軟土試樣進行靜載荷試驗，分析其效果。所研究的內容可為軟土路基處理提供新的解決方法，對軟土路段路基處理具有重要施工指導意義。

1 原材料與正交試驗分析

1.1 原材料

以復合型地聚合物作為固化劑、試驗路段取出的軟土作為土樣，42.5水泥、水作為輔助材料進行研究。

(1)復合型地聚合物。以粉煤灰、礦渣、石灰為礦物原材料，硅酸鈉作為堿激發劑，配成復合型地聚合物。其性能指標如表1所示。

表1 DW型地聚合物的性能指標

(2)軟土。試驗路段施工現場取軟土試樣，將其粉碎、烘干，經5mm篩子篩分，軟土的技術指標如表2所示。

表2 軟土的技術指標

1.2 試驗方案

采用正交試驗分析地聚合物摻量、含水率和攪拌時間對地聚合物處理軟土路基的力學強度影響。通過查閱相關文獻，在配合比設定方面，首先選擇復合型地聚合物摻入比為9%、11%、13%，含水率按天然含水率2%等指標進行控制，水灰比取0.5。將所選用的不同配合比制成立方體(70.7mm×70.7mm×70.7mm)以及圓柱體(直徑61.8mm、高20mm)試件，按照要求養護到規定齡期，而后對試件進行無側限抗壓強度和無側限抗剪強度測試。

1.3 正交試驗結果與分析

1.3.1正交試驗結果

試件達到養護齡期為7d、28d、60d的抗壓強度和抗剪強度測試結果見表3，表中A為聚合物摻入量，A1摻量為9%，A2摻量為11%，A3摻量為13%；B為軟土含水率，B1含水率為47%，B2含水率為49%，B3含水率為51%；C為攪拌時間，C1攪拌時間為180s，C2攪拌時間為360s，C3攪拌時間為540s。

表3 正交試驗設計及強度測試結果

1.3.2正交實驗結果分析

對表3中7d、28d、60d齡期時的復合型地聚合物土試件進行無側限抗壓強度測試和抗剪強度測試結果進行極差分析，如表4、表5所示，各個因素對地聚合物處理軟土的抗壓強度、抗剪強度的關系如圖1、圖2所示。

表4 不同因素下抗壓強度的極差分析

表5 不同因素下無側限抗剪強度的極差分析

圖1 不同因素與抗壓強度之間關系圖

圖2 不同因素與抗剪強度之間關系圖

由表4和表5計算結果可知不同養護齡期下復合型地聚合物土試件的無側限抗壓強度與抗剪強度變化基本相同，影響試件力學強度的因素大小關系為A>B>C。

當A因素(地聚合物)摻量由9%增加到13%時，地聚合物加固軟土的抗壓強度和抗剪強度也隨之增加；根據圖1和圖2的曲線可知在養護齡期28～60d比7～28d的增長速度快，表明在養護后期試件力學強度形成較快，且地聚合物摻量與力學強度具有相關性，結合地聚合物加固軟土的經濟性，選用復合型地聚合物摻量為13%。

隨著B因素(軟土含水率)的增大，地聚合物加固軟土試件的抗壓強度及抗剪強度呈逐漸遞減趨勢，含水率的高低也會影響地聚合物土的均勻程度，因此選用含水率為47%。

在不同的攪拌時間條件下地聚合物加固軟土試件力學強度變化很小，表明攪拌時間對試件強度影響較小，為了使地聚合物土達到最好效果，因此攪拌時間選擇為540s。優選出地聚合物土試件的最終配合比為A3B1C3，即地聚合物摻量為13%、含水率為47%和攪拌時間為540s。

2 復合型地聚合物土力學性能研究

2.1 復合型地聚合物土的抗壓強度與抗剪強度關系

抗剪強度和抗壓強度是表征土力學性能的指標，為了研究復合型地聚合物加固軟土試件的力學強度之間的關系，對齡期為60d地聚合物土試件進行抗壓強度與抗剪強度試驗，其結果如表6所示。

表6 復合型地聚合物土的抗壓強度與抗剪強度結果

通過表6可知復合型地聚合物土試件的力學強度具有正相關性。當抗壓強度值fcu處于3.75～4.73MPa時，其抗剪強度值為0.753～1.52MPa以及內摩擦角在34°～47°之間波動，其抗壓強度值大約為抗剪強度值的3.03～5.12倍。

2.2 不同方式加固軟土的力學特性

為了研究地聚合物及水泥作為固化劑處理軟土的力學特性，在保持相同條件下對養護齡期為60d的原狀土、水泥土以及地聚合物土進行無側限抗壓強度試驗研究，選用地聚合物及水泥的摻量為9%、11%、13%，天然含水率為47%，攪拌時間為540s。

表7 不同摻量下地聚合物及水泥加固軟土的抗壓強度

由表7可知原狀土抗壓強度值是0.04MPa，而摻量為9%的地聚合物土和水泥土的抗壓強度值分別為3.60MPa、2.98MPa，分別相比于原狀土抗壓強度值提高了89倍、74倍，且地聚合物土抗壓強度是水泥土抗壓強度的1.21倍；摻量增加到13%時，地聚合物土、水泥土的抗壓強度值分別為4.46MPa、3.47MPa，相比于原狀土抗壓強度值提高了114倍、85倍。水泥和地聚合物加固軟土能提高軟土抗壓強度，而在相同摻量條件下地聚合物土試件的抗壓強度比水泥土抗壓強度要高。

3 復合型地聚合物土微觀性能研究

通過微觀結構研究地聚合物土作用機理，分析復合型地聚合物土微觀結構對宏觀性能的影響。采用SEM電鏡掃描分析28d地聚合物土試件以便更好研究地聚合物土的微觀特性。

采用不同摻量復合型地聚合物加固軟土試件進行電鏡掃描測試，試件樣品大小為10mm×10mm×10mm，在試驗前應采用粗砂紙對試驗樣品進行打磨平整、拋光，采用熱傳導性好的金屬噴射在試樣表面，最后對試樣進行烘干至無水分后備用。圖3為試件經電鏡掃描放大5000倍的測試結果[8-10]。

圖3 不同摻量地聚合物土微觀結構圖

從圖3(a)中可以看出原狀土試件結構分布著較多密集孔隙，骨架具有松散性，堆積而成土顆粒。圖3(b)為摻量為10%地聚合物土，試件表面有大量白色結晶體覆蓋在土體表面，使土粒粘結為一個整體結構，地聚合物經過水化會產生類沸石前驅體，而后變為非晶相物質與土顆粒相互結合為整體，致使孔隙減少，軟土的剪切、抗壓和抗滲性能得到提升。觀察圖3(b)～圖3(d)可發現不同摻量的地聚合物土試件密度不同，隨著地聚合物摻量的增加，地聚合物土致密性越高，試件宏觀力學性能越好。

4 地聚合物處理軟土的穩定性驗算

為了測試試驗路段地聚合物處理軟土地基的效果，采用堆載法對抽檢的3根攪拌樁進行逐級加載的靜載荷試驗，其檢測結果如表8所示。由測試結果可知，聚合物攪拌樁承載能力和力學強度、攪拌樁樁體的完整性，均達到設計規范要求，合格率為100%，因此采用地聚合物攪拌路基軟土能夠起到良好的效果。

表8 攪拌樁靜載荷檢測結果

5 結語

(1)影響復合型地聚合物加固軟土路基力學強度的主要因素是地聚合物摻量，隨著養護時間和地聚合物摻量的增加會使其力學強度值增加，但隨著軟土中含水率的增加而減小；在相同條件下養護時間為60d地聚合物處理軟土路基的無側限抗壓強度fcu與無側限抗剪強度τ之間關系為τ=0.26fcu。

(2)復合型地聚合物水化形成類沸石前驅體晶體填充軟土顆粒間空隙率降低，致使軟土體系結構更加密實，進而可提高軟土力學強度。

(3)結合試驗路段現場鉆孔取芯的穩定性驗算分析、抗壓強度試驗和靜載荷檢測，地聚合物攪拌樁樁體具有良好的完整性且攪拌均勻，抗壓強度、靜載承載力值能夠滿足軟土地基設計要求。