Ca(OH)2改善弱酸性软土水泥土性能的试验与实践

2020-06-29苏文生

福建工程学院学报 2020年3期

苏文生

(福建省建筑设计研究院有限公司，福建福州 350025)

软土地基的特性表现为承载能力较弱、含水量高、承受荷载时变形较大，且对于素填土等常见的地基土来说处理难度较高。若地基处理效果不满足工程要求，在软土上修筑的建筑结构容易发生沉降量大、不均匀沉降等问题。通常采用水泥对软土进行加固，如高压旋喷桩或水泥搅拌桩等。已有较多学者研究了水泥土的各种工程性质[1-3]，马冬梅[4]研究了添加适量的石膏、粉煤灰和添加剂SN- II对矿渣水泥土抗压强度的影响，骆以道等[5]研究了搅拌水泥土抗压强度的特性，均取得了较好的成果。

软土中往往含有一定量的有机物，当内部有机物分解后，土体会呈现出弱酸性，对钢筋及混凝土等建筑材料均有腐蚀作用。若弱酸性软土仅采用纯水泥进行加固，不利于水泥的水合和水化反应，水泥土的部分工程性能包括强度、密度、压缩性等可能达不到设计要求。为了提高加固效果，根据酸碱中和反应原理，本实验在水泥土室内试验中添加碱性外加剂，分析对水泥土性能的影响，碱性外加剂选取成本相对较低的Ca(OH)2。

1 工程概况

某新建防洪堤位于中国东南沿海地区，堤坝中心线长度为3817 m，主要用以预防本地沿海的风浪增水。堤坝顶部宽度为6.0 m，堤坝高度位于2.1～4.9 m之间，迎水面坡度为1∶3，采用浆砌片石砌筑，背水面坡度为1∶5，采用撒播草籽的方式进行防护。堤坝采用附近山体开挖的花岗岩风化残积土进行回填，剔除直径大于20 cm的块石，采用分层填筑碾压的形式。根据工程地质勘察报告，该防洪堤在里程数K1+230～K1+890段内为低洼地区，地基内存在厚度为3.1～10.7 m不等的淤泥和淤泥质土，呈现灰黑色和黑色，经室内土工试验测试，其含水量位于32.3%～62.4%，不排水抗剪强度较低，位于8.7～14.5 kPa之间，有机质含量位于2.7%～4.9%，pH值位于6.4～6.8之间，表现出弱酸性。

为了提高该软土地基的承载力，减小沉降量，增加堤坝的稳定性和缩短建设周期，该地基需进行地基处理。经业主、勘察、专家组、设计等单位研究论证，该地基采用水泥搅拌桩复合地基，桩径为0.6 m、桩距为1.8 m，采用梅花形进行布设，设计桩长进入软土下部土层1.0 m，具体桩长以施工现场实际情况进行控制。根据附近区域以往的工程经验，若只采用纯水泥对其进行固化，有时加固效果欠佳，为此本工程拟尝试添加Ca(OH)2对场地弱酸性软土进行中和反应。为了验证其可行性和改善效果，首先在室内进行配方试验，测试其工程性质改善状况，确定外加剂合适的掺量，并将其应用到实际工程中。

2 试验方法

2.1 试验材料

试验土样材料取自该堤坝K1+230～K1+890段典型软土，主要为淤泥。土样采集使用塑料密封袋保水密封，运回实验室后放入恒温箱内保存，温度设置与地基温度保持一致，保证土样性质未发生较大变化。碱性外加剂选用工业级Ca(OH)2，水泥采用普通325硅酸盐水泥。经测试，该水泥主要化学成分SiO2含量为24.3%，CaO为60.4%，Al2O3为3.1%。

2.2 试验方案

试验通过研究Ca(OH)2对弱酸性软土水泥土性能的影响，对比各掺量碱性外加剂水泥土的性能，从而得到相关结论。根据Ca(OH)2的掺量分为5组，第1组为对比组，Ca(OH)2的掺量为水泥掺入量的0%，第2至第5组Ca(OH)2的掺量分别为3%、7%、10%和15%。试验中Ca(OH)2作为唯一变量，需要控制水泥掺量，每一组水泥掺量均为土样质量的18%，保持水灰比为1∶2。试验共进行4项指标的研究，分别为密度、无侧限抗压强度、抗渗性和压缩性。无侧限抗压强度与密度的试件模具均为内径45 mm、高90 mm的PVC管材，相应试件体积为143.14 cm3；渗透性试验与压缩性试验采用标准试件，直径均为61.8 mm、高为40 mm的圆柱体。为减少试验误差，每种条件的试样均制作3个，试验结果取3个试件测试结果的平均值。

2.3 试验准备

(1)模具准备：做好标签，将模具按标签摆放好，并在模具内部涂抹满润滑剂；(2)工具、仪器准备：试验所需的仪器、工具有砂浆搅拌器、研磨钵、汤勺、天平和称取容器等，将搅拌器、容器冲洗干净，确保无前次试验遗留材料，天平要求精确度达到0.01 g。

2.4 试验过程

首先将原状土样称重，取约1 500 g，放置于搅拌容器内；水泥取约270 g，放在研磨钵或其他搅拌容器中；取碱性外加剂Ca(OH)2，根据制样掺量(分别为0%、3%、7%、10%、15%)称取合适的质量，放入水泥粉所在的容器内，将水泥与外加剂混合均匀，使用汤勺搅拌10～15次；将水泥与外加剂混合物掺入搅拌容器的土样中，加入适量的自来水，快速放入砂浆搅拌器中搅拌，搅拌时间控制在6～8 m，使得各种材料充分混合。将搅拌好的材料倒入模具中，每个模具分3次压实，并将两端刮平；每组试件做好后贴标签，放到恒温箱中进行养护，保持温度和湿度一定。养护24 h后取出来拆模，放置于室内自然养护；每组试件分别养护7、14、28 d；由于水泥土压实时体积会增大，可能会很难拆掉模具，此时需破坏模具(PVC管)。待试件养护到相应龄期时，分别测试上述四项工程性质，各测试方法严格按照《土工试验方法标准》中的方法进行。

3 试验结果分析

3.1 密度

外加剂的掺入不宜对水泥土密度产生较大影响，否则在做地基处理时，水泥土桩重量的增大会提高下部未处理地基土体的附加应力，产生更大的沉降。根据试验结果，将碱性外加剂掺量与各组试件密度绘制成图1(以28 d养护龄期的密度为例)。可见：(1)当Ca(OH)2掺量增加时，水泥土试件的密度略有增大，但增幅较小；(2)28 d养护时间，Ca(OH)2掺量为3%时，水泥土试件密度仅增加1.5%，掺量为10%时密度增加到4.8%；(3)掺量0%～10%时，水泥土密度与Ca(OH)2掺量近似呈线性比例关系，掺量大于10%后，增长速率降低，曲线变缓。可见掺加Ca(OH)2对水泥土密度的增加作用较小，对水泥土桩产生的附加应力较低，即掺加Ca(OH)2对加固效果的不利影响较小。因为水泥土掺入Ca(OH)2后，Ca(OH)2与土样反应生成的化合物，其颗粒间隙比纯水泥土样反应生成化合物的要小，导致添加Ca(OH)2的试件孔隙减小，质量差异不大的条件下水泥土的密度略有增加。

图1 Ca(OH)2掺量与水泥土密度的关系曲线Fig.1 Relation curve between content of Ca(OH)2 and the density of cement-soil

3.2 无侧限抗压强度

通过比较添加不同含量的碱性外加剂Ca(OH)2对水泥土强度的提高作用，将各个不同龄期试件的无侧限抗压强度与外加剂掺量关系绘制成图2。可以分析出：(1)添加外加剂的水泥土试件抗压强度有明显提高，提高幅度达到21%～50%。(2)水泥土试件的抗压强度随着外加剂掺量的增加而增加，外加剂掺量在5%～10%时增速较明显，掺量小于5%时增幅不大，曲线较缓，外加剂掺量在5%～10%时曲线趋于指数变化，当掺量超过10%时，水泥土试件抗压强度增速趋缓。(3)掺量相同时，随着养护时间的增加，水泥土抗压强度随之增加，养护7～14 d内水泥土抗压强度增幅较大，而养护14～28 d内，水泥土抗压强度增幅相对较小，表现出碱性外加剂Ca(OH)2对弱酸性水泥土早期强度有较好的提高作用，对后期水泥土强度的提高幅度没有早期的高。当掺量超过10%时，水泥土试件抗压强度增幅较小，说明Ca(OH)2掺量并非掺加越多效果越好。究其原因，主要是Ca(OH)2掺量过大时，在固化反应过程中，体积出现膨胀，试样孔隙增多，导致整体强度增幅不明显。且掺加过多的外加剂会增加软土处理的成本，不利于工程的经济性。综合提高效果和经济性，建议Ca(OH)2掺量不宜超过10%。

图2 无侧限单轴抗压强度与Ca(OH)2掺量关系曲线Fig.2 Relation curve between uniaxial unconfined compressive strength and Ca(OH)2 content

3.3 渗透系数

防洪堤地基渗透性一般要求较高，渗透系数越小，渗流量越小，对于防洪越有利。将试验测试得到的水泥土试件渗透系数与Ca(OH)2掺量关系如图3所示。由图3可见，28 d龄期时，随着掺量的增加，水泥土试件的渗透系数也随之降低，渗透系数从2.2×10-7cm/s降低到4.2×10-8cm/s，10%～15%掺量时曲线趋于平缓；可见Ca(OH)2掺入后，能够较明显地降低水泥土渗透系数，这对于防渗工程具有重要作用。在28 d渗透系数曲线中，Ca(OH)2掺量为7%时，渗透系数基于该曲线趋势稍高，但曲线趋势与7 d和14 d曲线大致相同，推测为试验误差导致。碱性外加剂提高弱酸性水泥土抗渗性能的原因主要是Ca(OH)2与土体发生化学反应生成固结体，提高了水泥土的密度，填充颗粒之间的孔隙，阻碍了水分子的运动，使水泥土抗渗性能得到提高。

图3 渗透系数与Ca(OH)2掺量关系曲线Fig.3 Relation curve between permeability coefficient and Ca(OH)2 content

3.4 压缩模量

水泥土的压缩性关系到整个复合地基的沉降量，将水泥土试样压缩模量与外加剂Ca(OH)2掺量的关系曲线见图4。由图4可见，随着外加剂掺量增加，各个不同龄期的水泥土压缩模量均有提高，并呈现出随着龄期的增加，压缩模量也随着增加。28 d龄期时，随着掺量的增加，压缩模量由43 MPa提高到50 MPa。水泥土压缩模量的增加程度与土体原有的压缩性、材料间化学反应程度、充填孔隙的大小等密切相关[6]。压缩模量增加的原因主要是碱性外加剂Ca(OH)2与土样反应生成的化合物，使得颗粒间隙减小，水泥土密度增加，进而导致水泥土压缩模量增加。

图4 压缩模量与Ca(OH)2掺量关系曲线Fig.4 Relation curve between compressive modulus and Ca(OH)2 content

4 现场应用效果

本防洪堤软土地基加固中，基于上述室内试验结果，结合现场工程条件和经济性要求，水泥掺量控制在18%、Ca(OH)2掺量控制在10%左右。现场施工完毕后，进行水泥搅拌桩钻孔取芯和复合地基承载力检测试验，取芯孔数36孔。其中两处典型的芯样如图4所示(桩号分别为125#和342#)。可以看出，掺入Ca(OH)2后，水泥土芯样以长柱状为主，部分呈短柱状、块状，芯样基本连续、完整、胶结程度较好，水泥搅拌基本均匀、断口基本吻合，芯样侧面局部见蜂窝麻面；桩身完整性较好，未见明显断桩现象，桩身完整性为II类。且在施工过程中，加入Ca(OH)2后水泥浆流动性基本保持不变，搅拌性能不会降低，不会对施工造成不利影响。另外，对现场取出4个孔的芯样进行了部分工程性质的测试，平均重度17.81 kN/m3，无侧限抗压强度2.84 MPa，渗透系数2.32×10-8cm/s，压缩模量43.2 MPa，基本与室内试验数据一致。现场应用结果表明，掺加Ca(OH)2并不会对水泥土桩重度有较大影响，同时还增加了水泥土桩的无侧限抗压强度，降低水泥土的渗透系数，提高了其压缩模量。