工業廢渣固化劑加固濱海軟土固化試驗研究

張曉彬

（唐山工業職業技術學院，河北 唐山 063299）

0 引言

濱海軟土具有含水率高、壓縮性大、透水性差、內聚力小、抗剪強度低、固結系數小等特點[1]，濱海軟土主要是指由淤泥、淤泥質土、沖填土、雜填土或夾雜泥炭、貝殼、生物殘骸等高壓縮性土層構成。在外荷載作用下，需要經過較長時間壓縮固結才能穩定，也會產生較大沉降及不均勻變形，所以需要進行處理，以改善地基土的性質，改善地基土的力學性能，保證建筑物的正常使用[2]。

攪拌法是目前軟土地基加固領域一種常用方法，攪拌法常用的固化劑是水泥，用量占原狀土的10%～20% 之間，即水泥的占比相當大。通過特制的攪拌機械邊鉆進邊往軟土中噴射漿液或霧狀粉體，在地基深處就地將軟土和固化劑強制攪拌，使噴入軟土中的固化劑和軟土之間所產生的一系列物理- 化學作用，形成具有整體性、水穩性的水泥加固土樁柱體，由若干根這類加固土樁柱體和樁間土構成復合地基[3]。

隨著城鎮化的發展及對環保要求的提升，尋找一種新型復合綠色環保材料作為軟土固化劑成為熱門的研究課題。同時我國北方沿海地區的鋼鐵廠和熱力廠產生的大量工業廢渣（脫硫石膏、礦渣、鋁渣）的處理也面臨著巨大的壓力[4-5]。本文擬利用工業廢渣制備不同成分的固化劑對曹妃甸軟土進行試驗研究，通過對比試驗研究工業廢渣固化劑在實際工程中應用的可行性。

1 試驗方案

1.1 原材料

試驗采用的軟土取自河北省唐山市曹妃甸區某建筑工地，主要成分為淤泥質黏土，有機質含量8.4%，主要物理力學參數如表1 所示，脫硫石膏采用火電廠脫硫后的副產品，礦渣取自曹妃甸區某鋼鐵企業，水泥采用42.5 的普通硅酸鹽水泥。鋁渣是電解鋁企業的含鋁廢棄物，三氧化二鋁含量在45% 以上，7 d 膨脹率大于0.025%，28 d 膨脹率小于0.05%，水化過程中具有微膨脹效果，可以抵消土地固化中收縮效應。粉煤灰為二級粉煤灰，且其中Al2O3與SiO2質量百分比之和大于70% 且CaO質量百分比小于等于10%。氫氧化鈉為干粉試樣，其中氫氧化鈉含量質量大于99%。

表1 土樣物理力學性能

1.2 試驗方法

通過改變固化劑中不同的組分比例，制備不同配比的固化劑。然后取不同摻入量的固化劑分別加入到含水率為65%、75%、85%的3 種土樣，混合并攪拌均勻得到固化土試件，試樣制備完成后，自然養護1 d 脫模，并稱重，將試樣裝入灑水濕潤后的塑料保鮮袋中，置于標準養護室內養護，養護溫度控制在25 度左右，相對濕度大于等于95%，養護至所需齡期測得7 d、28 d 齡期的無側限抗壓強度。通過固化劑不同成分設計制備3 種固化劑，以9% 摻入量加固濱海軟土，測定加固土地的力學性能。然后采用固化劑3（RTGHJ3）研究不同摻入量情況下加固濱海軟土后的無側限抗壓強度。同時試驗六采用水泥為固化劑作為對比試驗，摻入量采用12%進行加固濱海軟土。試驗方案如表2 所示。

表2 試驗方案

2 試驗結果及分析

2.1 理論分析

脫硫石膏中的主要成分為CaSO4，其會發生如下化學反應，反應見式（1）。

水泥中的化學成分鋁酸鈣和石膏反應變成鈣礬石，鈣礬石形成后體積整體增大約1.2 倍，體積膨脹導致固結軟土孔隙比減少；此外除了化學反應膨脹作用外，鈣礬石相互交叉的結晶，也形成了特有的空間網架結構，填充于軟土孔隙中，鈣礬石降低了加固土的孔隙比，減小了加固土的平均孔徑，必然提高軟土的無側限抗壓強度。由干燥狀態的生石灰變成的熟石灰有很強的吸水能力，該吸水作用一直到與周圍軟土平衡為止，在這種狀態下的化學反應見式（2）。

水和石膏反應生成的鈣礬石的膨脹特性與液相CaO、OH-的濃度有關。一旦加固土孔隙水中濃度太低，在遠離含鋁相表面的地方鈣礬石以較粗大的單個晶體析出，晶體在孔隙中可，不依托于固相地自由生長，不產生晶體壓力，從而使結構強度顯著提高。此外要重點控制CaO 的摻量，原則是要在水泥漿凝結硬化前恰好用完，以防止在水泥漿硬化后產生鈣礬石，造成膨脹現象使硬化的水泥漿開裂而破壞。充分資源化利用工業廢棄物粉煤灰，加入氧化鈣，調節軟土的pH 值，促進水化和硬化過程，以期達到較好的加固效果。

2.2 試驗結果

不同試驗的試驗結果如表3 所示。

表3 試驗結果

2.3 試驗分析

不同含水率情況下，含水率越低固結軟土的無側限抗壓強度越低，含水率65% 的固結軟土試塊的無側限抗壓強度最高。在同樣固化劑摻入量（9%摻入量）、含水率65%的濱海軟土情況下，試件養護28 天測定不同組分配比固化劑加固試件的無側限抗壓強度，如圖1 所示。固化劑RTGHJ3 的28天無側限抗壓強度達到了1.61 MPa，對比固化劑RTGHJ1、RTGHJ2，固化劑RTGHJ3 的前期強度增長速度較快，65%含水率條件下，7 天無側限抗壓強度達到了1.55 MPa，達到了理想的加固效果。

圖1 不同配比固化劑加固試件強度

采用RTGHJ3 固化劑加固軟土試樣并采用9%、12%、15%3 種不同摻入量情況下，研究加固試件的無側限抗壓強度，對比不同水泥摻量情況下的固化效果，不同摻入量下無側限抗壓強度如圖2 所示，固化劑RTGHJ3 加固曹妃甸軟土達到了理想的加固效果且經濟效果顯著，從圖可知，采用摻入量12% 時，加固試件的28 天無側限抗壓強度達到了1.75 MPa，加固試件的強度顯著提高，因此工程應用建議采用12% 摻入量的RTGHJ3 固化劑進行固結處理。

圖2 RTGHJ3 不同摻入量加固試件強度

在軟土含水率65%、固化劑摻入量均為12%情況下，水泥固結軟土和RTGHJ3 固化劑固結軟土后試件的7 天、28 天無側限抗壓強度實驗結果如圖3 所示。從圖中數據可知，采用RTGHJ3 固化劑固結濱海軟土的28 天無側限抗壓強度達到了1.15 MPa。

圖3 RTGHJ3 不同摻入量加固試件強度

3 結論

1）該試驗充分利用火電廠、煉鋼廠等企業的工業廢渣制備軟土固化劑，降低了企業環保壓力，同時解決了水泥緊缺的問題，降低了工程成本，具有較大的經濟效益和環保效率。

2）利用工業廢渣配置軟土固化劑相對于傳統石灰的固結，提高了無側限抗壓強度，相對于傳統水泥的固結減少了固化土干縮性，同時該固化劑的7 天及28 天的無側限抗壓強度能滿足工程需求，尤其對于沿海地區淤泥質軟黏土軟土加固效果顯著。

3）采用固化劑RTGHJ3 在摻入量12% 情況下的加固試件無側限抗壓強度顯著提高，為工程實踐提供了數據支撐。