漳州某工程淤泥质黏土固化性能研究.pdf

福建材试验研究2023年漳州某工程淤泥质黏土固化性能研究陈杨柳（漳州市建筑工程有限公司，福建漳州36 30 0 0）摘要基于工程项目需求,探究了高炉矿渣、粉煤灰及氧化钙对固化土体无侧限抗压强度的影响，旨在为漳州某房建工程项目地基处理提供理论依据。结果表明，高炉矿渣作为固化剂时，淤泥质黏土的无侧限抗压强度随着氧化钙掺量的增加呈现出先增大后减小的趋势，且当氧化钙掺量为干土质量的3%时，无侧限抗压强度达到最大；当粉煤灰作为固化剂时，淤泥质黏土的无侧限抗压强度随着氧化钙含量的增加而增大；复掺15%高炉矿渣+10%粉煤灰对项目的淤泥质黏土固化效果最好。关键词淤泥质黏土；固化性能；高炉矿渣；粉煤灰；氧化钙；无侧限抗压强度0引言随着我国城镇化进程的不断推进，城市空间需求日益增多,随之带来的是在软土地基上的工程建设日益增多。但由于软土地基具有含水率高、土体承载力低、流动性及可压缩性大等特点，若不对其进行固化处理,可能导致建筑物地基失稳或产生不均匀沉降,易对结构的安全性和正常使用功能造成威胁-3。硅酸盐水泥是我国地基处理中应用最为广泛的软土固化剂，但对于含有较多有机质的淤泥质黏土而言，若采用硅酸盐水泥进行固化处理，往往需要掺入较多水泥，这与绿色施工和绿色建筑理念背道而驰，且采用硅酸盐水泥进行软土地基处理时,存在早期强度不足、耐久性差等问题,因此,有学者提出采用其他矿物掺合料作为软土固化剂来取代水泥 4-。陈金洪等 7 采用粒化高炉矿渣-氧化镁取代硅酸盐水泥对连云港地区软土进行了固化处理，结果表明，粒化高炉矿渣-氧化镁固化土的土颗粒胶结程度和无侧限抗压强度均高于硅酸盐水泥固化土，且相同掺量下，粒化高炉矿渣-氧化镁固化土的耐久性较优。周冬青等8 针对合肥滨湖新区湖积淤泥质软土，分别采用粒化高炉矿渣、氧化钙、石膏作为固化剂进行了固化试验，探究了各参数的最优掺量，结果表明，粒化高炉矿渣、氧化钙、石膏的最优掺量分别为11.6%、4.1%和4.5%。梁仕华等9 采用矿渣取代部分水泥形成矿渣+水泥混合固化剂，对软土进作者简介：陈杨柳（19 7 8 一）,男，本科，工学学士，高级工程师，从事建筑施工管理工作。6行了固化处理，探究了矿渣取代率对固化土体无侧限抗压强度、黏聚力和内摩擦角的影响,结果表明,随着矿渣掺量的增加，固化土体的无侧限抗压强度、黏聚力和内摩擦角均随之增大,且研究认为矿渣的最优掺量为6 0%。周世宗等10 研究矿渣和粉煤灰对软土固化性能的影响，结果表明，当固化剂总掺入量为2 5%时，固化土体的无侧限抗压强度、黏聚力和内摩擦角随着粉煤灰掺量的增加而大幅度下降，且矿渣的固化效果优于粉煤灰。综上所述，研究学者已经对软土固化处理展开了一系列研究，但对于不同特性软土而言，采用相同固化剂,其固化效果往往不同,因此有必要针对特定区域软土进行固化性能试验。以漳州某房建工程项目需求为背景，以高炉矿渣、粉煤灰及氧化钙为参数，探究各参数对固化淤泥质黏土无侧限抗压强度的影响，旨在为漳州某房建工程项目软土地基处理提供理论依据。1工程背景某房屋建筑工程位于漳州，根据岩土工程勘察报告，该土层地质条件如表1所示，其中淤泥质黏土的物理性质指标和力学性质指标如表2、表3所示。从表2、表3可知，该房屋建筑工程中淤泥质黏土具有以下特点：含水量较高，最高含水量可达4 5.3%，平均含水量为4 1.8%；有机质含量较高，平均有机质含量达5.34%；土体可压缩性高，平均空隙比为1.10 0%，远高于其他土体；土体承载力低，黏聚力分布区间为611kPa，内摩擦角分布区间为2.5 4.2。因此，为福建材试验研究第7 期（总第2 6 7 期）满足建设工程安全性需求，有必要对该淤泥质黏土进土层编号及名称压缩模量/kPa淤泥质黏土0.812.9黏土1.215.0粉质黏土夹粉土3.39.8粉细砂3.27.0黏土1.641.1粉质黏土1.420.1粉细砂2.89.9项目含水量/%密度/kg/m）干密度/kg/m）分布区间39.545.3样本容量26平均值41.8标准差2.98表3淤泥质黏土力学性质指标压缩系数/压缩模量/黏聚力/内摩擦角/项目kPa分布区间0.780.92样本容量26平均值0.85标准差0.182试验概况2.1试验原材料试验土样均取自于漳州某房建工程场地土层淤泥质黏土。研究表明，高炉矿渣的金属氧化物具有较强的水化活性,在碱性条件下能够反应生成C-S-H凝胶和C-A-H凝胶,是一种良好的固化材料9。文献11研究表明,粉煤灰在碱激发剂作用下能够生成大量的N-A-S-H凝胶，进而提高黏土的无侧限抗压强度。因此，固化剂材料选用高炉矿渣和粉煤灰，化学组成成分如表4 所示；激发剂采用固体粉末状氧化钙，纯度 9 5%。表4高炉矿渣和粉煤灰化学成分分析表材料MgOCaoAl,O,Fe,O3SiO2P,O,K,O高炉矿渣7.6343.018.06 1.1237.290.42粉煤灰0.686.7229.462.7656.372.2试验方案文献 12 研究认为，固化剂掺量为干土质量的20%30%时，对软土的固化效果最好，因此固化剂掺量定为2 5%，以保证试验具有可比性。试件制备前，预先将试验土样放入恒温干燥箱内烘干后，根据表5 试验方案掺入对应的高炉矿渣、粉煤灰和氧化钙，并按试验要求加入足量的水，制备得到固化土样。根据GB/T501232019土工试验方法标准131,将固化土样装入三瓣模中压实，静置养护2 4 h后脱模、密封,并在标准行固化处理。表1某房建工程地质条件厚度/m地基承载力/kPa4.295.9550709.4018.262002509.4018.261602201502209.4018.262803209.4018.26250350表2淤泥质黏土物理性质指标塑性指数液性指数塑限/%液限/%有机质含量/%孔隙比/%1.761.841.161.2326261.811.201.000.87kPakPa4.295.9561126264.947.51.013.42孔隙比/%1.0101.1270.5380.8120.5380.8120.5380.8120.5380.81214.817.21.021.1620.823.537.439.2262616.21.083.020.17养护（温度2 0 3、湿度9 5%）3d、7 d 和14 d后，测定试样的无侧限抗压强度。（）表5试验方案2.54.2263.131.26%1.53液性指数1.021.110.43-0.330.43-0.330.13-0.33-0.332003505.325.361.0101.127262623.538.53.542.13组别高炉矿渣/%粉煤灰/%淤泥质黏土/%氧化钙/%A12A23250A3A4B1B2B3B4C1C2C3C43试验结果与分析3.1氧化钙掺量的影响图1为不同氧化钙掺量下，分别以高炉矿渣、粉煤灰为固化剂的淤泥质黏土无侧限抗压强度的变化情况。1.6m1.4F1.21.0F0.8F0.6F0.4F0.2F0.0L265.340.2110002520515101015520A1A2(a)高炉矿渣固化剂261.1000.02452310045最优氧化100钙掺量3d7d14dA3A4福建材2023年试验研究1.41.21.00.8F0.6F0.40.20.0图1不同氧化钙掺量对固化淤泥质黏土无侧限抗压强度的影响从图1（a）可知，高炉矿渣作为固化剂时，淤泥质黏土的无侧限抗压强度随着氧化钙掺量的增加总体上呈现出先增大后减小的趋势。当氧化钙掺量3%时，固化淤泥质黏土的无侧限抗压强度随着氧化钙掺量的增加而增大；当氧化钙掺量增加到干土质量的3%时，固化淤泥质黏土的无侧限抗压强度达到最大，3d、7d和14 d的无侧限抗压强度分别为0.2 6 MPa、0.7 7 MP a 和1.41MPa；当氧化钙掺量 3%时，固化淤泥质黏土的无侧限抗压强度随着氧化钙掺量的增加而减小。产生上述现象主要与氧化钙的水化反应及高炉矿渣中的氧化钙含量有关。一方面，氧化钙的水化反应会促进C-S-H凝胶和C-A-H凝胶的生成，从而提高淤泥质黏土的固化强度；另一方面，由于高炉矿渣自身氧化钙含量较多,若掺人过多氧化钙作为碱激发剂将产生较多的氢氧化钙晶体析出，导致体系内部出现有害空隙,进而降低淤泥质黏土的无侧限抗压强度。从图1（b）可知，粉煤灰作为固化剂时，淤泥质黏土的无侧限抗压强度随着氧化钙含量的增加而增大。这是因为粉煤灰中的氧化钙含量远低于高炉矿渣中的氧化钙含量，当氧化钙掺量为2%5%时，体系中有足够的SiO,和Al,O与钙离子反应生成C-S-H凝胶和N-A-S-H凝胶，进而改善固化淤泥质黏土的无侧限抗压强度。相比于氧化钙掺量为2%（即B1组）,氧化钙掺量为5%时（B4组），3d、7 d 和14 d的固化淤泥质黏土的无侧限抗压强度分别提高114.3%、2 1.1%和30.8%。3.2固化剂种类及其掺量的影响根据3.1章节研究结果，将碱激发剂氧化钙掺量取为3%，并改变高炉矿渣与粉煤灰之间的比例（简称矿粉比），以探究复掺高炉矿渣和粉煤灰对固化淤泥质黏83dB1B2(b）粉煤灰固化剂7d14dB3B4土无侧限抗压强度的影响，试验结果如图2 所示。1.813d7d14d1.6F1.4F1.21.00.80.6F0.4F0.2F0.0图2高炉矿渣/粉煤灰对淤泥质黏土无侧限抗压强度的影响由图2 可知，在复掺高炉矿渣和粉煤灰体系中，随着粉煤灰掺量的增加，固化淤泥质黏土的无侧限抗压强度呈现出先增大后减小的趋势；当复掺15%高炉矿渣+10%粉煤灰时，淤泥质黏土的固化效果最好，此时3d、7 d 和14 d的无侧限抗压强度分别为0.4 5 MPa、0.9 7 MP a 和1.5 2 MPa。产生上述现象是由于粉煤灰的形态效应（玻璃状微珠）在体系中起到润滑作用，显著提高固化剂的流动性，有利于固化剂在淤泥质黏土中均匀分布，从而提高固化效果。此外,还可以看出，氧化钙掺量为3%时，粉煤灰的固化效果弱于高炉矿渣的固化效果，因此当粉煤灰取代较高炉矿渣多时，固化淤泥质黏土的无侧限抗压强度降低。针对漳州房建工程项目淤泥质黏土，认为复掺15%高炉矿渣+10%粉煤灰的固化效果最好。4结论基于漳州房建工程项目需求，以高炉矿渣、粉煤灰及氧化钙为参数，探究了各参数对固化淤泥质黏土无侧限抗压强度的影响，所得主要结论如下：（1）高炉矿渣作为固化剂时，淤泥质黏土的无侧限抗压强度随着氧化钙掺量的增加总体上呈现出先增大后减小的趋势，且当氧化钙掺量为干土质量的3%时，固化淤泥质黏土的无侧限抗压强度达到最大。（2）不同于高炉矿渣，当粉煤灰作为固化剂时，淤泥质黏土的无侧限抗压强度随着氧化钙含量的增加而增大。（3）在复掺高炉矿渣和粉煤灰体系中，随着粉煤灰掺量的增加，固化淤泥质黏土的无侧限抗压强度呈现出现增大后减小的趋势，且基于试验结果认为，复掺15%高炉矿渣+10%粉煤灰对漳州某房建工程项目的淤泥质黏土固化效果最好。（下转第2 4 页）C1C2C3C4福建材2023年标准与检测表3钢筋力学性能检验结果汇总表屈服强度/抗拉强度/最大力总取样构件轴线MPa2B-(1/1-2)-197(2/C-D)2B-(1/1-2)-(1/E-2/E)2B-(2-1/2)-(1/B-2/B)2B-(1/2-3)-(1/D-2/D)规范指标要求5非结构构件受火影响状况外观检查经检查，一层室内地面找平层普遍灼烧粉碎，二层楼面找平层普遍鼓起、开裂。一层、二层外立面区域多处窗户破损,其中（3）-（B-G）轴窗户普遍破损、玻璃爆裂、窗框变形。一、二层多数窗下方墙体存在竖向裂缝，一层多数墙体粉刷层脱落，个别墙体与柱、梁连接处脱裂，二层多数填充墙油烟附着。6建议火灾后常见的加固方法主要有增大截面加固法、预应力加固法、外包型钢加固法、粘贴钢板加固法、粘贴碳纤维布加固法等 3。应结合现场实际情况，选择安全可靠、施工方法合适且经济的加固方法。（1）评级为IV级的板构件，建议拆除后重新浇筑，新浇筑的楼板应与原结构有可靠的连接。（2）评级为级的柱、梁构件,建议凿除局部酥松部位后采用增大截面法加固，其中钢筋外露、严重过火的柱、梁构件尚应采取外包型钢、粘贴钢板加固。+（上接第8 页）参考文献1沈心媛,万云杰.软土固化材料研究现状与原理浅析.江苏建材,2 0 2 0(2)：13-16.2徐凤旺.复掺稻壳灰与矿粉的水泥固化土强度特性及耐久性研究 D.淮南：安徽理工大学,2 0 2 1.3叶华洋,张伟锋,韦未,等.激发剂-地聚合物对软土固化试验研究.应用基础与工程科学学报,2 0 19,2 7（4）：9 0 6-9 17.4吴俊,征西遥,杨爱武,等.矿渣-粉煤灰基地质聚合物固化淤泥质黏土的抗压强度试验研究 .岩土力学,2 0 2 1,4 2(3):647-655.5曹菁菁,刘松玉.活性氧化镁水泥碳化加固软土地基研究进展.江苏建筑,2 0 14（6）：4 0-4 5.6黄绪泉,黄安宜,王小书,等.氟石膏基胶结材固化淤泥质软土性能研究.新型建筑材料,2 0 18,4 5（5）：7 4-7 8.24（3）评级为级的板构件及评级为,级的柱、梁冷弯试验构件，建议凿除局部酥松部位后采用高性能聚合物砂MPa伸长率/%34019.3195350225365185340235370浆修补，并采取粘贴碳纤维布加固。合格（4）对评级为.级的柱、梁、板构件清洗后重新粉20.0合格16.1合格20.6合格10.0刷,对受损的非结构构件进行修缮。（5）加固过程中若发现结构构件存在异常状况，应及时告知相关单位并采取相应措施，必要时应进行补充检测。7结语火灾初步鉴定程序主要为：建筑、结构布置核查及火作用调查与分析；混凝土承重结构构件损伤状况检查（包括外观检查及初步鉴定评级、钻芯及钢筋检测）;非结构构件受火影响状况外观检查；提出整改建议。根据规范要求，详细的火灾鉴定需要根据检测结果进行结构分析计算和构件校核，并进行结构整体的安全性鉴定评级或可靠性鉴定评级。而实际工程中，初步鉴定报告即可满足业主的需求。加固设计单位一般根据初步鉴定报告对损伤构件进行加固或修复，并以此作为加固的造价依据。参考文献1火灾后工程结构鉴定标准:T/CECS2522019S.北京：中国建筑工业出版社，2 0 19.2建筑结构检测技术标准:GB/T503442019S.北京：中国建筑工业出版社,2 0 19.3混凝土结构加固设计规范:GB503672013S.北京：中国建筑工业出版社,2 0 13.4陈飞,陈恩勇,李宇晗,等.某住宅结构构件过火状况检查.福建建材,2 0 19,2 2 0（8):2 3-2 5.7陈金洪,贺瑶瑶,胡亚风.粒化高炉矿渣-氧化镁固化连云港软土的力学特性试验.林业工程学报,2 0 19,4(2)：133-138.8周冬青,邵艳,曹庆文,等.合肥滨湖新区湖积软土固化配方试验研究.河南城建学院学报,2 0 17,2 6（2）：5 3-6 0.9梁仕华,周世宗,戴君,等.矿渣与水泥固化广州南沙软土试验研究).工业建筑,2 0 15,4 5（10）：116-12 0.10周世宗,梁仕华,戴君.矿渣和粉煤灰固化南沙软土试验研究.水利与建筑工程学报,2 0 15,13（4）：7 6-7 9,12 5.11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.岩石力学与工程学报,2 0 19,38（增刊）：319 7-32 0 5.12 LI D,SELIG E T.Cumulative Plastic Deformation for Fine-Grained Subgrade Soils.JJ.Journal of Geotechnical andGeoenvironmental Engineering,1996,122(12):1006-1013.13土工试验方法标准:GB/T501232019S.北京：中国建筑工业出版社,2 0 19.