低掺量水泥固化软土配比优化研究.pdf

江西建材试验与研究112023年7 月低掺量水泥固化软土配比优化研究陈华东1，董婉莹2*，高 超1，张永胜1，詹其伟21.江苏省交通工程集团有限公司，江苏 镇江 212100；2.江苏科技大学土木工程与建筑学院，江苏 镇江 212003摘 要：为实现工业废渣和软土共同资源化利用，文中利用水泥、矿渣和磷石膏固化软土，分别对其力学性能进行室内试验和微观分析。正交试验结果优化得出的最佳配比为水泥矿渣磷石膏=120.5，固化软土7 d无侧限抗压强度高达4 494.75 kPa。关键词：软土固化；工业废渣；资源化利用中图分类号：U414文献标识码：A文章编号：1006-2890（2023）07-0011-03Optimization of the Proportion of Soft Soil Solidified by Low Content CementChen Huadong1,Dong Wanying2*,Gao Chao1,Zhang Yongsheng1,Zhan Qiwei21.Jiangsu Traffic Engineering Group Co.Ltd.,Zhenjiang,Jiangsu 212100 2.School of Civil Engineering and Architecture,Jiangsu University of Science and Technology,Zhenjiang,Jiangsu 212003Abstract:In order to realize common resource utilization of industrial waste slag and soft soil,this paper uses cement,slag and phosphogypsum to solidify soft soil,and carries out laboratory test and microscopic analysis on its mechanical properties respectively.The optimal ratio of cementslag phosphogypsum=120.5 was obtained by orthogonal test,and the unconfined compressive strength of the cured soft soil reached 4 494.75 kPa for 7 days.Key words:Soft soil curing;Industrial residue;Resource utilization0 引言城市化进程及城市更新过程中,兴修地下工程、市政工程，在施工过程中产生大量废弃软土，以河滩、湖滩区域分布最为广泛。这类软土因其含水率高、黏粒含量高、承载能力弱等特点不能适用于工程需要，且软土堆放占用土地面积大、后续处理难度高1-3。因而对于软土的固化改良是一项关键技术，可有效节约资源与保护环境。目前，国内外学者已经围绕软土固化技术展开了诸多研究，传统常用的软土固化材料是硅酸盐水泥。为减少硅酸盐水泥用量，不少学者采用工业废渣代替水泥对固化软土展开研究。黎家国等4利用混凝土再生粉、砖粉、脱硫石膏、矿渣复合制成胶凝材料固化软土，通过研究不同掺入比、不同水灰比、不同含水率时，RBGS（即混凝土再生粉、砖粉、脱硫石膏、矿渣复合制成的胶凝材料）固化土的无侧限抗压强度，当 RBGS掺入比高于水泥掺入比5%时，其固化效果与水泥相当；王臻华等5研究发现，仅掺入水泥难以达到理想的固化效果，而掺入复合固化剂的固化软土，在干湿循环作用下能保证整体的完整性，其平均累计相对质量损失率较低，无侧限抗压强度显著提高；王东星等6基于传统水泥和石灰固化处理方法，提出了利用大掺量低钙粉煤灰、水泥和石灰固化剂进行软土固化处理的方法，以期改善软土的强度和耐久性，达到软土和粉煤灰双重资源化利用；杨黎等7开展海相软土固化、干湿和冻融循环试验，研究水泥混掺石灰、粉煤灰和石膏固化土的固化特性和强度劣化机理。结果表明，水泥和石灰混掺的固化效果、干湿循环耐久性最优，水泥和粉煤灰次之，水泥和石膏最差。另有学者将多种工业副产品与相应的激发材料进行混合，再对软土进行固化处理，不仅可以实现对软土的固化，同时可对工业副产品进行资源化利用。本文以矿渣和磷石膏为主要材料代替水泥固化软土，与单掺水泥、矿渣和磷石膏固化软土形成对比。研究了单掺水泥、矿渣和磷石膏对固化软土力学性能的影响，阐述了不同掺量固化材料对固化软土性能的影响规律；设计正交试验筛选了不同固化材料及不同配合比的影响规律，深入研究各种配合比固化软土的力学特性及影响规律。1 试验材料与方法1.1 材料试验选取自镇江路桥 G312 国道、G346 国道镇江戴家门至高资段扩建工程区域软土作为研究对象，该试验用土呈灰褐色。参照 JTG 34302020 公路土工试验规程，检测软土的含水率、液塑限、pH值、粒径分布等相关指标，如表1 所示，粒径分布曲线如图1 所示。选取硅酸盐水泥、矿渣和磷石膏作为原材料固化软土，采用 X射线荧光光谱仪测得固化剂主要化学成分，详见表2。第一作者：陈华东（1976-），男，江苏镇江人，本科，高级工程师，主要研究方向为道路及岩土工程。通信作者：董婉莹（1998-），女，江苏徐州人，硕士，主要研究方向为岩土工程及固废资源化利用。江西建材试验与研究122023年7 月表1 软土的主要物理指标含水率/%液限/%塑限/%塑性指数比重/（g cm-3）最大干密度/（g cm-3）黏粒含量/%有机质含量/%pH值45.632.317.414.92.131.82461.727.45表2 水泥、矿渣和磷石膏的主要化学组成%材料种类Al2O3SiO2CaOFe2O3MgOP2O5SO3Na2OLOI水泥6.4521.3557.033.964.010.583.10-2.51矿渣11.1632.2138.451.4310.28-2.75磷石膏4.394.5539.08-3.9240.725.002.34图1 软土粒径分布曲线1.2 试验方案参照 JTG 34302020公路土工试验规程中相关要求，开展不同固化材料不同掺量的单掺试验，从而初步确定各固化材料的掺量范围及其对固化软土强度的影响规律。固化软土制备试验的水土比固定为0.5，即软土含水率为50%。基于软土特性，试验选取水泥、矿渣和磷石膏作为固化材料，开展水泥、矿渣和磷石膏单掺试验，设置水泥的掺量分别为3%、4%、5%、6%、7%和8%，矿渣掺量分别为6%、8%、10%、12%和14%，磷石膏掺量分别为0.5%、1%、2%、3%、4%和5%（均以干土质量计）。由于各固化剂之间可能存在交互作用，需对固化剂各组分的不同组合进行试验，各固化材料（因素）对固化软土强度的作用规律不同，且每个因素的水平（掺量范围）也不同。为确定复合固化剂的配方，需明确各因素、各水平的组合关系，设计合理的正交试验方案。本试验研究以7 d无侧限抗压强度作为评价指标，选取“三因素三水平”正交表 L9（33）设计正交试验，对应因素水平如表3 所示。表3 正交试验的因素及水平水平因素水泥掺量 A/%磷石膏掺量 B/%矿渣掺量 C/%1611027312385142 结果与讨论2.1 水泥掺量对固化软土强度的影响水泥掺量对固化软土无侧限抗压强度影响显著。当水泥固化软土龄期为7 d时，水泥掺量分别为3%、4%、5%、6%、7%和8%，其固化软土无侧限抗压强度分别为80.90、119.10、318.80、563.70、710.40 和845.00 kPa；随着水泥掺量的增加，固化软土的无侧限抗压强度均有不同程度的增加。与水泥掺量3%相比，掺量为4%、5%、6%、7%和8%时水泥固化软土无侧限抗压强度分别提高了47.22%、294.07%、596.79%、778.12%和944.49%。由此可见，提高水泥的掺量有利于提升水泥固化软土的效果，但水泥掺量超过一定界限时，随着水泥掺量的增加，水泥固化软土效果增幅不明显；与水泥掺量6%相比，水泥掺量7%时水泥固化软土无侧限抗压强度提高了26.02%；与水泥掺量7%相比，水泥掺量8%时水泥固化软土无侧限抗压强度提高了18.95%。因此，水泥掺量应控制在一定范围，掺量过大不仅对改善固化软土效果不显著，而且增大了软土处置的成本。2.2 矿渣掺量对固化软土强度的影响随着矿渣掺量的增加，固化软土无侧限抗压强度呈现先增大后减小的趋势。在固化龄期为7 d时，矿渣掺量为6%、8%、10%、12%和14%，其固化软土无侧限抗压强度分别为69.98、94.35、120.10、167.30 和136.97 kPa；与矿渣掺量为6%相比，掺量8%、10%、12%和14%的固化软土无侧限抗压强度增幅为34.82%、71.62%、139.07%和95.73%。因此，矿渣固化软土的无侧限抗压强度均呈现先增大后减小的趋势；当掺量低于12%时，随着掺量的增大，固化软土无侧限抗压强度逐渐上升；当掺量大于12%时，随着掺量的增大，固化软土无侧限抗压强度开始下降。由此可见，矿渣固化软土的合理掺量为12%。2.3 磷石膏掺量对固化软土强度的影响磷石膏掺量对固化软土效果影响不明显。在养护龄期为 7 d时，磷石膏掺量为0.5%、1%、2%、3%、4%和5%，固化软土无侧限抗压强度分别为9.20、9.00、11.30、9.23、13.10 和13.21 kPa；随着磷石膏掺量的增加，固化软土无侧限抗压强度呈现无规律的变化，未出现明显增长趋势。由此可见，磷石膏掺量的增大无助于固化软土效果的提升。磷石膏作为一种活性混合材料，其本身与水水化反应较为缓慢，通常需加入激发剂或提高环境温度来提升水化反应速率。本试验过程中未加入激发剂、未提高环境温度，因此，单掺磷石膏固化软土无侧限抗压强度早期较低、后期改善显著。基于以上结果，单掺水泥、矿渣、磷石膏固化软土效果存在显著差异，水泥固化效果最优，矿渣次之，磷石膏最差。在单掺试验过程中，只有水泥可进行正常的水化反应,产生较多的胶凝性水化产物，固化软土效果较为理想。但是，在没有激发剂的情况下，单掺矿渣和单掺磷石膏水化反应受限，只能产生数量较少的胶凝性水化产物，因此,固化软土效果较差。2.4 复合固化剂对固化软土强度的影响按照表3 开展正交试验，在固化软土龄期为7 d的条件下，正交试验中各因素水平对固化软土无侧限抗压强度的影响规律如表4 所示。由表4 可以看出，编号2 的组合（A1B2C2）是复合固化剂的最佳配合比，该固化软土7 d无侧限抗压强度高达4 494.75 kPa，此时各固化材料的配比为：水泥掺量6%，矿渣掺量12%，磷石膏掺量3%，即水泥 矿渣 磷石膏=120.5。进一江西建材试验与研究132023年7 月步对表4 分析可知，各组正交试验中水泥、矿渣和磷石膏在交互作用下对固化软土7 d无侧限抗压强度的影响十分显著。在单掺固化材料的情况下，水泥掺量6%、矿渣掺量12%、磷石膏掺量3%固化软土强度分别为510.23、98.47、24.13 kPa；在复合固化材料固化情况下，固化软土强度高达4 494.75kPa，与单掺水泥、矿渣、磷石膏相比，固化强度提高了780.93%、4 464.59%、18 527.23%，与单掺试验的固化软土强度形成了极其强烈的对比。表4 龄期7d时正交试验的试验结果和极差分析试验编号影响因素7 d无侧限抗压强度/kPaA/%B/%C/%161012 598.15261234 494.75361453 590.65471032 928.24571253 314.27671412 767.12781052 779.42881213 442.95981432 724.60K110 683.558 305.818 808.22K29 009.6311 251.9710 147.59K38 946.979 082.379 684.43K13 561.182 768.602 936.07K23 003.213 750.663 382.53K32 982.323 027.463 228.11R578.86982.06446.46与此同时，对正交试验结果进行进一步的方差分析，极差R值越大，对应的因素对强度的影响越大，即为主要因素；R值越小，对应的因素对强度的影响越小，即为次要因素。本正交试验中影响固化软土强度的因素主次关系为：B A C，即矿渣和水泥的掺量是主要影响因素，磷石膏的掺量是次要影响因素。以水泥、矿渣、磷石膏为基础优化设计的复合固化剂，固化软土强度大幅提升，主要原因为水泥水化生成较多的氢氧化钙，在较高碱性环境的长期作用下，水泥水化产物氢氧化钙和工业废渣磷石膏协同激发了矿渣的火山灰反应活性，矿渣中活性氧化硅和活性氧化铝得到充分反应，生成更多的水化产物水化硅酸钙、水化铝酸钙和钙矾石，形成以钙矾石晶体为骨架、水化硅酸钙为胶体的固化软土颗粒新体系，从而大幅提升了固化软土的强度。3 结论本文以7 d无侧限抗压强度作为固化软土的评价指标，系统研究了水泥、矿渣和磷石膏的掺量对固化软土强度的影响规律，确定了各固化材料的掺量范围和最优掺量。设计了正交试验，优化了复合固化剂的最佳配比：水泥掺量6%，矿渣掺量12%、磷石膏掺量3%，即水泥 矿渣 磷石膏=120.5，固化软土7 d无侧限抗压强度高达4 494.75 kPa。参考文献 1 王贺，张琦，裴云鑫.浅析淤泥与软土质路基的处理J.江西建材，2018（14）：105，107.2 廖峰.海相淤泥固化的主要技术指标效果分析与研究进展J.江西建材，2021（9）：16-18.3 孙海超，王文军，凌道盛.低掺量水泥固化土的力学特性及微观结构J.浙江大学学报（工学版），2021，55（3）：530-538.4 黎家国，何旭东，沈建生，等.废渣型固化剂对软土固化的研究与应用J.低温建筑技术，2021，43（8）：119-122.5 王臻华，项伟，吴雪婷，等.固化剂固化淤泥的耐久性和稳定性研究J.安全与环境工程，2019，26（4）：74-78，86.6 王东星，王宏伟，邹维列，等.碱激发粉煤灰固化淤泥微观机制研究J.岩石力学与工程学报，2019，38（S1）：3197-3205.7 杨黎，张辉，陈永辉，等.连云港徐圩港区海相软土固化特性及强度劣化机理研究J.水运工程，2023（3）：157-164.（2）提高蒸养温度在基准蒸养温度50 的条件下，提高蒸养温度至80 的文化砖分析其在不同养护条件下的褪色现象。提高蒸养温度的文化砖试样，与蒸养温度为50 的文化砖颜色变化完全不同。随着养护龄期的增长，其颜色变化不明显。由此说明，提高蒸养温度加速了文化砖胶凝材料的水化，使得后期文化砖的颜色变化不大。但随着养护龄期的增大，提高蒸养温度的文化砖试件泛碱逐渐严重。不同的养护条件下均产生一定程度的泛碱，水养环境下相对较严重。（3）喷洒乳液文化砖脱模后，通过在文化砖表面喷洒聚合物乳液，使乳液覆盖文化砖表面。随着养护龄期的延长，文化砖表面都有一定程度的褪色。在不同的养护环境下，表面喷有乳液的文化砖相对于基准，褪色现象有所改善。3 结论（1）采用有机硅防水剂和降低水灰比均能很好地抑制文化砖的褪色现象；采用纤维素醚，文化砖的褪色现象未得到明显改善，相反，泛碱的情况比基准更加严重。（2）延长文化砖蒸养护时间24 h或提高蒸养温度80，并不能有效抑制褪色现象，且对文化砖表面造成一定的破坏和引发返碱现象。降低色浆0.04 的水灰比对文化砖面层进行改性，一定程度上改善了文化砖的泛碱与褪色性能。水养护条件相对标准养护与自然养护对文化砖的后期褪色抑制作用更好。（3）生产配比中通过掺入0.1%的色浆有机硅防水剂改性和降低0.04 水灰比，以及在文化砖表面喷洒乳液和采用水养护等工艺措施均可抑制文化砖的褪色现象，提升文化砖的装饰性能和耐久性。参考文献 1 金左培.文化石的基本性能与生产方法 J.材料研究，2002（5）：27-28.2 陈汉斌，夏艺，由继业，等.人造文化石的简介与应用J.建筑学报，2011（8）：112-113.3 夏艺，周仁道，蔡世凯，等.文化石基本性能的试验研究J.新型建筑材料，2013（7）：88-90.4 金左培.文化石的装饰效果及其生产工艺J.新型建筑材料，2001（2）：41-42.5 尹瀛.文化石的应用与技术要求 J.甘肃科技纵横，2002，31（6）：48.6 韩静云，许如源.彩色混凝土人行道砖的褪色探讨J.新型建筑材料，2002（5）：40-41.（上接第10 页）