新型固化剂GSC固化软土的力学性能试验研究

孙家瑛，沈建生，2

（1.浙江大学宁波理工学院 绿色建材与废弃物资源化研究中心，浙江 宁波 315100；2.浙江大学 建筑工程学院，杭州 310058）

坚持可持续发展道路，是中国一项长期的基本国策，工业废渣的再生利用，环境的综合治理，一直是可持续发展的核心内容。脱硫石膏和钢渣是常见的2种工业废弃物，随着工业规模的不断扩大，上述2种废弃物产量也在逐年增加，给城市的环境带来沉重的负担［1－3］。目前在岩土工程中利用工业废渣进行土体改良非常广泛，有文献研究表明，固化剂HS［4］、MBER［5］均是由水泥与工业废渣混合制成的，武汉大学发明的HAS固化剂是以矿渣渣为主要原料的一种新型灰渣胶凝材［6］。但尚未有文献载明利用钢渣、脱硫石膏等工业废渣混合，在不掺水泥的情况下作为软土的固化剂的研究。

研究表明：1）矿渣激发后水化产物除了与硅酸盐相同的C－S－H凝胶外，还产生了难溶的、高强的沸石类矿物［7］；2）钢渣粉的化学成分和矿物相组成与水泥熟料相似，具有一定的活性［8］；3）脱硫石膏含有较多的二水硫酸钙（CaSO4·2H2O），其固化后产生钙矾石，具有支撑及充填性作用［9］；施惠生等［10］研究发现，脱硫石膏对矿渣具有改性作用。如果将钢渣、矿渣、石膏三者混合运用于软土的固化，不仅可以减少燃煤电厂及冶金厂废渣的堆放场地，减少二次污染，而且可以减少天然石膏的开采量，保护天然石膏资源，节省开矿费用，符合中国可持续发展战略和循环经济理念，具有重要的现实意义。

本文以钢渣、脱硫石膏、矿渣为主要原料，掺入水泥熟料作为矿物激发剂，制成脱硫石膏及钢渣矿渣复合胶凝材料（以下简称GSC）。将此材料用于固化软土。通过GSC固化土的无侧限抗压强度与水泥土无侧限抗压强度的比较，来探讨其固化软土的力学性能，并用似水灰比指标对GSC固化剂的固化效果进行预测，以探讨GSC在实际工程应用中的可行性。

1 原材料及试验方法

1.1 试验用原材料

水泥：P·O 42.5R普通硅酸盐水泥；脱硫石膏为北仑电厂的工业废料；矿渣、钢渣微粉由上海宝钢冶金公司生产，通过正交试验确定各原料的配合比，GSC其组成为：m（脱硫石膏）∶m（钢渣微粉）∶m（矿渣粉）∶m（水泥熟料）＝12∶43∶40∶5。水泥及GSC的物理力学性能见表1。GSC中钢渣微粉的主要化学成分见表2。

土样为宁波典型的淤泥质粉质黏土，土样的基本物理力学指标见表3。

表1 水泥及GSC的物理力学性能

表2 钢渣微粉的主要化学成分

表3 试验土样物理力学性能

1.2 试验方法

固化剂的掺入比aw为8%、10%、12%、15%、20%，掺入比aw指的是掺入固化材料质量与湿土质量的比值。养护龄期为7、14、28、60、90d。具体试样制备如下：

1）将原状土风干碾碎，过2mm筛后加入适量的水，将含水率调至37%，采用B10型搅拌机搅拌均匀。

2）往原状土中分别加入指定比例的水泥和GSC进行混合，并搅拌均匀，水泥按8%、10%、12%、15%掺入，水灰比为0.5；GSC按8%、10%、12%、15%、20%掺入，水灰比为0.3、0.4、0.5。

3）将搅拌均匀的混合料分层振实成型，制成直径为39.1mm、高为80mm的圆柱体试样，用袋养的方法把试样放入标准养护箱内养护至指定的龄期。

将养护至设计龄期的试样进行无侧限抗压强度试验。试验采用应变式三轴剪力仪，加荷速率为0.8mm／min，在室温条件下进行单轴压缩试验。

2 试验结果与分析

2.1 固化土无侧限抗压强度随龄期的变化规律

图1给出了GSC固化土在不同掺入比，不同水灰比下无侧限抗压强度随龄期的变化曲线。从图中可以看出，无侧限抗压强度随龄期的增大而不断增大。

从图1中可以发现，GSC在龄期达到7d以前固化效果不明显；当龄期达到7d以后，GSC固化土的无侧限抗压强度增长较为明显；当龄期超过28d时，强度仍有较大的增长，但增长的幅度随着龄期的增加而逐渐降低。图中曲线从下到上观察可以发现，随着龄期的增长，强度的增长上面较下面明显，说明掺入比高的固化土随着龄期的增长较快。

图1 GSC固化土tqu关系曲线

2.2 固化土无侧限抗压强度随掺入比的变化规律

图2给出了GSC固化土在水灰比0.3时，不同龄期固化土无侧限抗压强度随掺入比的变化规律。从图中可以看出：无侧限抗压强度随掺入比的增大而不断增大，龄期达到60d后强度的增长较少。图中各曲线的斜率为递增关系，说明强度增长速率随着掺入比的增大而增大。

图2 GSC固化土aw qu关系曲线（水灰比0.3）

图3给出了GSC固化土在不同水灰比时，在龄期达到28d后固化土无侧限抗压强度随掺入比的变化规律。从图中可以看出：相同条件下，无侧限抗压强度随着水灰比的增大而减小，间接说明了土的含水量对水泥土的强度存在影响。当土中的水含量加大时，土的有效应力就小，相应的土的抗压强度就削弱。图1中后期强度的提高有一部分因素是水泥基固化材料的水化作用，使得土中的水分减少，孔隙由水化胶结物填充，土的有效应力增加，固化土的无侧限抗压强度也相应的提高。

图3 GSC固化土aw qu关系曲线

2.3 GSC和水泥固化效果的比较分析

图4表明，GSC固化土无侧限抗压强度随龄期的变化规律与水泥固化土的无侧限抗压强度变化规律一致，GSC固化土的早期强度较水泥土的早期强度要低。

图4 GSC、水泥tqu关系比较曲线

从图4（a）中可以发现当GSC水灰比0.3；水泥土水灰比0.5时，在同一掺入比下，当龄期达到60d以后，两者的无侧限抗压强度相当。图4（b）中表明：当GSC掺入比高于水泥掺入比5%时，在GSC固化土的水灰比和水泥土的水灰比均为0.5的情况下，龄期达到28d后，两者的强度相当；相同条件下，当GSC固化土水灰比降低时，在龄期达到28d后，GSC固化土的无侧限抗压强度均大于水泥固化土。

当GSC掺入比高于水泥掺入比3%时（见表4），在龄期达到28d时，水灰比0.3的GSC固化土强度高于水灰比0.5的水泥土强度3%；当龄期达到60d时，GSC固化土强度高于水泥土强度30%；达到90d时，GSC固化土强度高于水泥土强度37%。当水灰比均为0.5时，GSC固化土28d强度低于水泥土强度23%，当龄期达到60d时，GSC固化土强度低于水泥土强度21%，达到90d时，GSC固化土强度低于水泥土强度15%。

表4 固化土强度随龄期的变化值

当GSC掺入比与水泥掺入比均为12%时（表4），在龄期达到28d时，水灰比0.3的GSC固化土强度低于水灰比0.5的水泥土强度37%，当龄期达到60d时，GSC固化土强度低于水泥土强度26%，达到90d时，GSC固化土强度低于水泥土强度22%。

2.4 似水灰比与加固土无侧限抗压强度的关系

似水灰比R［11］，指单位体积GSC固化土在配置前水的质量与GSC的质量之比，最大似水灰比与土的性质有关［12］。中国有很多学者研究了关于水泥土无侧限抗压强度与水灰比、水泥用量之间的关系［13－16］，运用似水灰比R，考虑水灰比、掺入比、含水量的关系，见式（1）。

式中：M为水灰比，%；ωn为土的天然含水量，%；aw为掺入比，%。

通过试验结果可得到GSC固化土无侧限抗压强度qu与似水灰比1／R成直线关系（见图5）。

式中KE为直线斜率，称为GSC加固土的加固系数，大量研究表明，水泥土的加固系数KE随着龄期的增大而增大［15－17］。从图5可以发现，GSC固化土的KE也存在此规律。直线与横坐标的交点为1／R0，R0为最大似水灰比，式（2）表明某一种土的R0可视为常量，通过回归分析如图5所示，可以得出该种土的R0＝4.1。

3.5 GSC固化土加固系数KE与龄期的关系

图5 无侧限抗压强度与似水灰比之间的关系

在实际工程中，水泥土的强度常常通过28d取样来测试其固化效果，为了更好的了解固化土后期强度的发展，就要对其进行强度预测，如Sakka等［15］、Horpibulsk等［17］都提出了相应的预测公式。本文通过含1／R，KE的预测公式（2）来研究GSC固化剂的固化效果及在工程应用中的可行性。KE／K28与龄期t的关系见图6。通过回归分析得到：

由式（2）、（3）可以得到：

图6 KE／K28与龄期之间的关系

当已知某种似水灰比R及其在龄期28d时的强度系数K28，就可以通过式（4）计算出GSC固化土在任意龄期的强度。图7为实测强度与预测强度进行了比较，两者的相关系数为0.98，具有很好的相关性，因此用公式（4）对GSC固化土进行强度预测是可行的。

图7 实测强度与预测强度的比较

3 结 论

1）通过大量的试验得到，当GSC掺入比越大，对软土的固化效果越好，当GSC固化土水灰比与水泥土的水灰比相同时，在龄期达到28d后，当GSC掺入比高于水泥掺入比3%时，GSC固化土强度略低于水泥土且随着龄期的增长，差距相应的缩小。当GSC固化土水灰比降低时，在龄期达到28d后，当GSC掺入比高于水泥掺入比3%时，GSC固化土的无侧限抗压强度均大于水泥固化土且随着龄期的增长，差距相应的增大。因此用GSC替代水泥作为软土固化剂可以满足固化土强度要求。

2）GSC固化土早期强度低，后期强度增长潜力大，因此有待对此水泥基材料的早期强度进一步研究，使后期强度能够提早激发出来。

3）GSC固化剂掺入比及水灰比对土的加固效果有着显著的影响，当水灰比增大时，固化强度降低；掺入比增大时，固化强度提高。

4）对现有公式进行修正，得到GSC固化土强度预测公式，能够较为准确的预测固化土后期强度。

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