合肥滨湖新区湖积软土固化配方试验研究

周冬青，邵 艳，曹庆文，张宝良，李季佩(安徽建筑大学 土木工程系，安徽 合肥 230601)

合肥滨湖新区湖积软土固化配方试验研究

周冬青，邵 艳，曹庆文，张宝良，李季佩
(安徽建筑大学 土木工程系，安徽 合肥 230601)

湖积软土在合肥滨湖新区分布广泛，其性能难以满足工程建设需要，需进行固化处理。采用固化助剂粒化高炉矿渣(GGBS)和激发剂CaO、石膏，通过组合配比对加固体进行室内无侧限抗压强度试验。以GGBS、CaO和石膏的掺量作为影响因子，以7 d和28 d固化体的无侧限抗压强度作为响应值，采用Box-Behnken法进行试验。结果表明：7 d时，GGBS与石膏的交互作用显著；28d时，石膏与CaO的交互作用显著。通过交互作用分析，最终得出3种外添剂GGBS、CaO和石膏在7 d和28 d的最优配比分别为12.18%、3.62%、3.71%(7 d) 和11.6%、4.08%、4.50%(28 d)。将GGBS固化土与水泥土的固化效果进行对比分析，验证新型固化材料GGBS作为软土固化剂的可行性。

GGBS固化土；无侧限抗压强度；Box-Behnken法；最优配比

软土固化是软土地区应用最广泛的地基加固方法[1]，重要内容之一是考虑软土的成因来选择固化剂的种类及配比。合肥滨湖新区广泛分布着河湖相软土层，属第四纪沉积物，厚度约为10 m，土层大多为含水丰富的淤泥或淤泥质黏土[2]，具有承载力低、地基沉降变形大等特点，不利于滨湖地区城市建设[3]。粒化高炉矿渣微粉(GGBS)具有潜在的水化活性，水化产物与水泥相同，可以替代水泥作为湖积软土的固化剂。采用粒化高炉矿渣微粉替代或者部分替代水泥作为软土固化剂不仅可以减少水泥生产过程带来的环境影响，同时还能够提高软土固化效果，降低工程造价[4-5]。

Box-Behnken法是一种能够同时考虑多个影响因子来寻求最优目标值的试验方法，它不仅可以建立影响因子与目标值之间的函数关系，还可分析不同影响因子之间的交互作用规律。将Box-Behnken法应用于合肥湖积软土固化剂配方的研制，分析三种添加剂矿渣微粉GGBS、CaO和石膏的交互作用规律，建立添加剂和强度目标值之间的函数模型，进而确定固化剂和复合激发剂之间的最优配比。以合肥滨湖新区地基软土为试验对象，选取粒化高炉矿渣(GGBS)替代常用的水泥作为软土固化剂，选用CaO和石膏作为GGBS的激化剂对软土进行固化，通过将矿渣类固化土与水泥土的固化效果进行对比，分析GGBS软土固化剂的可行性。

1 试验方法

1.1 试验材料

本次试验所用土取自合肥滨湖地区某工程地基软土，基本物理指标见表1。试验所用的材料包括粒化高炉矿渣(GGBS)、纯度为98%的CaO以及常用的建筑石膏。

表1 土样的基本物理指标

1.2 试样的制作与养护

将取回的软土放置于105 ℃～110 ℃的烘箱中烘干，取出击碎，过2 mm筛，去除杂质，置于塑料袋内密封备用。根据已有的单掺试验成果[6]，初步给出掺量范围：GGBS为8%～14%，CaO为2%～5%，石膏为2%～5%。将过筛后的干土、水、GGBS、CaO和石膏按比例放入搅拌机中搅拌均匀，制成固化土混合料，然后将其放入三瓣模(直径为39.1 mm，高为80.0 mm)内分层击实。试样制作完成后在三瓣模的两端盖上玻璃片以防止水分流失(见图1)，静置24 h后脱模取出放入不透气的保鲜袋内密封，标记配比含量以及日期(见图2)后放于养护器皿中养护，直至养护龄期取出进行试验。

图1 三瓣膜放置试样 图2 保鲜膜密封养护

1.3 试验设计

本次Box-Behnken试验设计[7]采用三因素(X1，X2，X3)、三水平(-1，0，+1)布置试验，试验总数为2K·(K-1) +C0。其中：K表示因素的个数，C0表示中心试验点的重复次数，本次试验K=3，C0=5。利用Design Expert软件对试验数据进行拟合，建立二阶经验模型。模型为：

(1)

式中：Y为预测响应值；β0为常数；βi为线性系数；βij为交互作用系数；βii为平方系数；k为因子数。

本次试验中，变量因子分别为GGBS(X1)、CaO(X2)、石膏(X3)，其三水平分别记作-1、0、+1，见表2。

表2 自变量及其编码水平

采用Box-Behnken法建立试验设计方案，以7d龄期和28d龄期的无侧限抗压强度作为响应值，依次进行试验，试验安排与试验结果见表3。

表3 三因素三水平的Box-Behnken试验设计方案

2 试验结果与数据分析

2.1 模型的建立与分析

利用Design-Expert软件，对表3试验结果进行二次多项式回归拟合，得到二阶模型方程各项系数及其方差分析结果如表4所示。

注：7d模型 R2=0.9655；28d模型R2=0.9508。

由方差分析可知：7d龄期和28d龄期的模型均显著(P=0.000 3，0.000 9)，表明模型与实际情况拟合很好。据此对于7d龄期，各因素对固化土强度的线性效应和曲面效应均显著，X1X3的交互作用显著；28d龄期，各因素对强度的线性效应和曲面效应均显著，X2X3的交互作用显著。对于7d的回归分析结果，通过Design-Expert软件剔除不显著项X1X2、X2X3，给出二阶模型为：

Y7=1452.80+110.13X1+37.00X2+49.88X3-53.00X1X3-128.15X12-163.40X22-105.15X32

(2)

对于28d的回归分析结果，剔除项为X1X2、X1X3，二阶模型为：

Y28=2752.20+305.88X1+318.00X2+277.37X3+239.25X2X3-614.35X12-600.60X22-268.35X32

(3)

2.2 交互作用与固化机制分析

由上述分析可知，7d龄期时GGBS与石膏的交互作用显著，在式(2)中将X2固定在0水平，便得到GGBS与石膏掺量间交互作用对强度影响的响应面图和等高线图，见图3。

图3 GGBS和石膏对7 d龄期的强度交互作用的响应面和等高线图

对于28d龄期，CaO与石膏的交互作用显著，在式(3)中将X1固定在0水平，便得到CaO与石膏掺量间交互作用对强度影响的响应面图和等高线(见图4)。

图4 CaO和石膏对28d龄期的强度交互作用的响应面和等高线图

由图4可知：CaO和石膏的交互作用明显，当CaO掺量在2%～5%时，Y28随石膏掺量的增大呈现先增大后减小的变化趋势。另外，固化土强度同样随CaO掺量的增加呈先增大后减小的变化趋势。这是由于在起初石膏含量逐渐增加时，钙矾石的生成量也是在不断增加，由于钙矾石的膨胀作用不断填充加固土的孔隙，使得土体强度得到提高，当随着石膏的不断增加达到一个峰值后，生成的多余钙矾石会破坏生石灰，经过一系列水化反应生成水化硅酸钙(CSH)导致固化土强度的整体降低。

2.3 配方优化分析

通过Design-Expert软件对7d和28d龄期的交互作用分析，可以得出GGBS、CaO、石膏的最优配合比。对于7d龄期，最优配比为12.18% 、3.62% 、3.71%，在此配比下Y7=1 479.33kPa。对于28d龄期试样，最优配比为11.6%、4.08%、4.50%，Y28=2 936.78kPa。

为了检验模型的实用性，将对应的编码带入式(2)、式(3)，计算所得的预测值与试验结果进行对比，见表5。由表5可知：预测值与实际值比较接近，说明该法对于固化土在实际工程中的配比设计具有重要意义。

表5 实测值与预测值对比

3 GGBS固化土与水泥固化土力学性质的对比分析

上述试验和分析证明了GGBS、CaO和石膏可以有效固化湖积软土，提高土体的强度。工程上一般以28d强度作为检测值，为了验证GGBS、CaO和石膏混合固化剂在工程中的可行性，将水泥固化土的试验结果与最优配比为11.6%、4.08%、4.50%的GGBS固化土进行对比。

3.1 固化土强度变化规律的对比

选用水泥对软土进行加固，试验条件和养护条件与上述矿渣固化土相同，水泥的掺入比分别为8%、11%、14%，水泥固化土含水率取自然含水率(32.51%)，图5为水泥土与GGBS固化土无侧限抗压强度比较曲线。

图5 水泥土与GGBS固化土无侧限抗压强度比较曲线

由图5可知：固化土的强度随水泥掺量的增加而增大，其3条增长曲线近乎平行。水泥掺量为8%的固化土养护3d后强度即达到700kPa，之后其强度增长速率较低，强度增长曲线整体趋于平缓，养护28d后水泥固化土强度为988kPa，其3d无侧限抗压强度就已达到28d强度的75%。掺量为11%和14%的水泥固化土强度高于掺量为8%水泥固化土，但其强度增长曲线与掺量为8%的水泥固化土相近，养护初期其强度增长迅速，水泥掺量为11%固化土的 3d侧限抗压强度可以达到28d强度的62%，掺量为14%的固化土3d强度可以达到28d的61%以上。不同配比的水泥固化土无侧限抗压强度试验表明：随着养护龄期的增长和水泥掺入比的增加，固化土强度也随之增长，在养护初期固化土强度增长迅速，可以很快形成一定强度，其固化土3d无侧限抗压强度基本上可以达到28d强度的60%以上。

配比为11.6%、4.08%、4.50%的GGBS固化土初期强度与水泥掺量为11%的固化土相近，但是随着养护龄期的增长，矿渣固化土的28d强度远远大于掺量为11%的水泥固化土；与掺入比为14% 的固化土相比，养护初期矿渣固化土强度要小于掺量为14%的水泥固化土，但是随着养护龄期的增长其强度很快超过14%的水泥固化土。与水泥固化土相比，矿渣固化土的初期强度较低，其7d抗压强度仅达到了28d强度的41%，与水泥土的60%相比有较大差距；但矿渣固化土的后期强度增长潜力较大，其28d抗压强度比3d增长了约157%。

3.2 固化土应力应变关系比较分析

水泥和GGBS固化土都可以有效提高软土的强度，但是水泥和GGBS对固化土的影响也有不同。选取养护28d后的水泥和配比为11.6%、4.08%、4.50%的GGBS固化土的应力应变曲线进行对比，如图6所示。

图6 28d水泥土与GGBS固化土应力应变关系曲线比较 图7GGBS固化土的破坏形态

由图6可知：3个掺入比不同的水泥固化土应力应变曲线相近，基本上呈脆性破坏，试验初期应力应变曲线呈直线上升，临近破坏时进入塑性阶段，其塑性阶段十分短暂试样很快达到破坏，强度急剧降低。3个掺入比不同的水泥固化土均在应变约为2.5%时强度达到最大值，试样破坏。

配比为11.6%、4.08%、4.50%的固化土应力应变曲线与水泥固化土相似，但与水泥固化土相比，GGBS固化土强度更高，其应力应变曲线上升更加陡峭，当应变为2.1%时试样即遭到破坏，其塑性阶段比水泥固化土更加短暂，破坏方式更趋近于脆性破坏。其试样破坏如图7所示，试样破坏时固化土没有明显变形，在试样上形成了一个由上而下呈45°的通缝，土体的破坏性质越来越接近混凝土的受压破坏，属于脆性破坏。

4 结论

(1)根据回归方程的方差分析，7d龄期时，三因素对固化土强度的线性效应和曲面效应均显著，GGBS与石膏的交互作用显著；28d龄期时，各因素对强度的线性效应和曲面效应均显著，CaO与石膏的交互作用显著。

(2)采用Box-Behnken法设计优化了GGBS、CaO、石膏三者的配比：对于7d龄期，最佳配合比为12.18% 、3.62% 、3.71%，在此配比下Y7达到1 479.33kPa；对于28d龄期，最佳配合比为11.6%、4.08%、4.50%，Y28达到2 936.78kPa。验证试验的结果表明，预测值与实测值比较接近。说明对合肥湖积软土的固化配方研究具有广阔的应用前景。

(3)将水泥固化土与矿渣固化土的固化效果进行对比，分析表明：矿渣可以有效固化合肥湖积软土，其配比为11.6%、4.08%、4.50%的矿渣固化土28d强度完全可以超过掺入比为14%的水泥固化土，同时矿渣固化土前期强度比水泥固化土低，但试样的后期强度增长潜力较大。

(4)GGBS固化土与水泥固化土应力应变曲线对比表明：配比为11.6%、4.08%、4.50%的GGBS固化土更趋近于脆性破坏，其应变为2.1%时试样即达到破坏，可以极大地降低软土的压缩性，减小软土变形引起的破坏。

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Experiment research on mixture ratio of stabilizing lacustrine soft soil in Binhu New Area of Hefei Province

ZHOU Dong-qing, SHAO Yan, CAO Qing-wen, ZHANG Bao-liang, LI Ji-pei
(DepartmentofCivilEngineering,AnhuiJianzhuUniversity,Hefei230601,China)

The lacustrine soft soil is widely distributed in Binhu New Area of Hefei Province, and its performance is difficult to meet the need of project construction, which needs to be cured. (GGBS) and activator CaO, gypsum were used to control the indentation strength of the solidified body by the combination ratio. The effects of GGBS, CaO and gypsum as the influencing factors were studied by Box-Behnken method with the unconfined compressive strength of 7 d and 28 d. At 28 days, the interaction between gypsum and CaO was significant. The optimal ratios of GGBS, CaO and gypsum were 12.18%, 3.62%, 3.71% (7 d) and 11.6% and 4.08% respectively at 7 d and 28d, respectively, by interaction analysis. 4.50% (28 d). The feasibility of GGBS solidified soil and cement soil was compared and analyzed to verify the feasibility of the new curing material GGBS as soft soil curing agent.

GGBS stabilized soil; unconfined compressive strength; Box-Behnken method; optimum mixture ratio

2016-12-31

安徽省自然科学基金项目(1508085ME76)

周冬青(1991—)，男，安徽宿州人，硕士研究生。

1674-7046(2017)02-0053-08

10.14140/j.cnki.hncjxb.2017.02.010

TU472

A