利用粉煤灰-矿渣地聚合物的软基淤泥改良*

刘勇文，胡 畔，马 力

(1.黄河水利职业技术学院土木与交通工程学院，河南 开封475004；2.郑州大学 土木工程学院，河南 郑州 450001)

我国长江、黄河中下游沿河岸区广泛分布着软土层，在航道整治中一般需要先进行地基加固再修筑护岸，软基处置问题一直是水运岩土工程领域的重要研究内容之一[1]。深层搅拌桩技术是一种常见的软基处置技术，该方法将水泥或石灰作为改良剂，通过搅拌机械将软土和改良剂拌合而形成具有一定强度的桩体，改良剂的含量一般控制在20%～30%[2-3]。

然而，生产水泥和石灰的过程本身具有一定的环境污染性，寻求可替代的环保胶凝材料具有重要意义[4]。Ding等[5]通过控制粉煤灰、水泥和软土的比例，发现粉煤灰在一定水泥掺量条件下能充分发挥火山灰反应、明显提高软土强度。James等[6]通过对比矿渣粉与石灰粉的改良效果发现，两者进行联合改良产生的改良土UCS值最高。王东星等[7]采用激发粉煤灰作为改良材料，发现镁碳酸盐是碳化改良联合技术提高软土强度的关键因素。邵俐等[8]指出，在石灰提供的碱性条件下，高炉矿渣能够更好地进行水化反应、增加改良土强度。粉煤灰(FA)和矿渣(S)都是工业废料，相对水泥改良剂更加经济，两者均富含铝和硅，若与碱激发液(L)混合，容易形成由AlO4和SiO4四面体结构单元组成三维立体网状结构的粉煤灰-矿渣地聚合物，化学式为Mn[(Si-O2)m-Al-O]n·qH2O，其中M为碱金属，m可以为1、2、3，n为聚合度，q为结合水量[9]。地聚合物为非金属材料，属于复杂的多晶和多相聚集体，包括晶态、玻璃态、胶凝态及气孔等，具有优良的机械性能和耐酸碱、耐火、耐高温的性能[10]，在软基处理深层搅拌技术中有取代普通水泥的趋势，相比普通水泥，地聚合物的CO2排放可减少约 70%，但目前利用FA和S生成地聚合物实现软基改良的相关研究较少。

鉴于此，本文针对某航道整治工程软基的深层搅拌技术处理，研究利用粉煤灰(FA)-矿渣(S)地聚合物进行淤泥改良的规律。对现场淤泥质土加入10%、20%和30%的地聚合物改良剂和传统改良剂，配置了不同的含水率试样，进行了无侧限抗压强度(UCS)试验、弯拉模量试验和扫描电子显微镜(SEM)成像测试，以分析改良土力学性质和微观结构的变化特征，旨在为类似工程利用地聚合物改良方法进行软基处理提供参考。

1 试验材料

山东省菏泽市某航道是京杭运河的重要支线航道之一，其复航工程全长61.1 km，为Ⅲ级航道，沿线为平原、丘陵地貌，地势由西北向东南倾斜，地质构造较复杂。该复航工程涉及疏浚工程、堤坝工程、道路工程、环水保工程等，其中堤坝工程地基以淤泥为主，部分位置存在淤泥、粉土、粉质黏土交错互层，厚度在20 m左右，最大处接近30 m。地基淤泥(MS)含水率高、承载力低，天然含水率超过55%，为棕黑色流塑状，现场计划采用深层搅拌桩法对其进行处置。

试验材料取自淤泥顶面以下2～3 m，将其存放在塑料袋里转移至实验室，其物理特性为：比重2.71，砂粒含量10.3%、粉粒含量48.4%、黏粒含量41.3%，液限wL为48.3%、塑性指数IP为16.1%，pH值为7.8，有机质含量4.3%。该淤泥中粉粒和黏粒含量合计为89.7%，其主要化学成分为SiO2(68.61%)、Al2O3(13.65%)、CaO(2.54%)、MgO(2.12%)。试验涉及的改良地聚合物为粉煤灰(FA)-矿渣(S)地聚合物，原材料FA、S、水泥和石灰均来自山东本地的供应商。其中FA中主要化学元素为硅(23.35%)和铝(13.62%)；S中主要化学元素为钙(20.98%)和硅(14.01%)；用于改良的水泥为普通硅酸盐水泥P42.5，主要化学成分为CaO和SiO2，两者含量约占82%，烧失量为0.95%；生石灰主要化学成分为CaO(76.56%)和MgO(0.38%)。MS、FA、S的SEM图像见图1，可以看出MS颗粒呈现不规则的团簇状、FA颗粒呈大小不一的球形、S颗粒呈半多边形形状。

图1 SEM图像

2 试验方法

在36.2%、48.3%、60.4%这3种含水率下研究不同改良剂对软土工程性质和微观结构的影响，这3种含水率对应的液限分别为0.75wL、1.00wL和1.25wL。具体的配合比见表1。

表1 改良土试样的配合比

为了制备地聚合物改良试样，采用搅拌装置将MS、FA、S混合3 min，同时加入富含钠离子的碱激发液，其质量与FA+S的质量之比为1:1。充分搅拌后再加入水分混合3 min。对于传统改良剂(水泥、水泥+石灰、石灰)改良试样，同样采用了6 min的混合搅拌时间。UCS试验和弯拉回弹模量试验参照JTG E51—2009《公路工程无机结合料稳定材料试验规程》[11]开展，在此不做详述。样品制作完成后立刻用塑料薄膜包裹，放置在恒温(23±1)℃的房间中进行养护，养护时间分别为7 d和28 d。UCS试验结束后，在试样上切取样品再进行SEM测试，以分析试样的微观结构。

3 试验结果分析

3.1 UCS试验

7 d和28 d养护条件下，改良剂掺量对改良土UCS值的影响见图2。文献[12]指出采用深层搅拌桩处置软基，桩体的UCS值至少应达到1.034 MPa以上，该值在图中以黑色水平虚线表示。可以看出，当改良剂掺量为10%时，除了含水率为0.75wL时的水泥改良土，其余所有改良土的UCS都没有达到要求。对于该工程，MS的天然含水率远高于0.75wL，因此无论采用何种改良剂，10%的改良剂掺量都难以取得理想的处置效果。

注：虚线为7 d养护，实线为28 d养护。

当改良剂掺量达到20%和30%时，地聚合物改良土(MS+FA+S)的UCS值最高，其次是水泥改良土，再次为水泥+石灰改良土和石灰改良土。当改良剂掺量为30%、含水率为0.75wL时，地聚合物改良土与水泥改良土相比，7 d和28 d养护条件下UCS分别提高75.9%和93.5%。地聚合物改良土的UCS较高是因为同时发生了火山灰反应(式(1)～(3))和地聚合反应(式(4)～(5))。

3Ca(OH)2+2SiO2→3CaO·2SiO2·3H2O

(1)

6CaO+3SiO2+H2O→6CaO·3SiO2·H2O

(2)

Ca(OH)2+Al2O3+2SiO2+3H2O→

CaO·Al2O3·2SiO2·4H2O

(3)

n(OH)3-Si-O-Al-O-Si-(OH)3

(4)

(Na)(-Si-O-Al-O-Si-)+4H2O

(5)

图3 不同含水率下的改良土UCS值

因此，对于地聚合物改良土，含水率不宜过高。考虑到经济成本，20%的地聚合物改良剂掺量(5%FA+15%S)较为理想，而且适用的含水率范围较广，即0.75wL～1.25wL。

为了评估MS改良后刚度的变化，利用弹性模量E50作为刚度评价指标，即UCS试验中应力-应变曲线上0.5UCS处对应的切线模量。图4显示了各类改良剂作用下改良土E50与UCS的关系。可以看出，随着UCS的增加，地聚合物改良土和传统改良土的E50都有所增加，后者增速更快，E50-UCS具有较好的线性关系。同时可以看出，在同一UCS下，地聚合物改良土刚度相对水泥改良土的更小，但差别不大。

图4 改良土刚度与UCS的关系

3.2 弯拉模量试验

当进行弯拉模量试验时，试样的上部和下部分别承受压应力和拉应力，压缩和拉伸都导致试样弯拉破坏，但后者的影响占主导。7 d和28 d养护条件下，改良剂对改良土弯拉模量R的影响见图5，影响规律跟UCS的相似，但略有一些差异。总体来看，水泥改良土的R值最高，其次是地聚合物改良土、水泥+石灰改良土和石灰改良土。含水率对于R的影响不明显。含水率为1.00wL、养护28 d时，改良剂掺量由10%增加至20%，上述4种改良土的R分别增加0.43、0.79、0.21、0.10 MPa。

注：虚线为7 d养护，实线为28 d养护。

对于地聚合物改良土，掺量从20%增加到30%时，R值有所下降，而且28 d养护时的R值低于7 d养护时的R值。从弯拉模量来看，地聚合物改良剂掺量控制在20%是最优的。图6显示了各类改良剂作用下改良土R与UCS的关系。可以看出，对于传统改良土，随着UCS增加，R快速提高；但是对于地聚合物改良土，R随着UCS增加而先增后减。

图6 改良土弯拉模量R与UCS的关系

3.3 SEM测试

为了解改良土的微观结构，采用扫描电镜(SEM)对试样放大3 000倍进行观察。SEM试样取自经历了UCS试验的试样，养护时间统一为28 d，含水率统一为1.00wL。图7显示了不同改良剂作用下改良土的微观结构。在图7a)中，可以看出FA与S充分发挥了作用，产生了均匀的絮状凝胶产物，与周边颗粒紧密胶结，土体结构更加密实。而从图7b)可以看出，尽管水泥也发挥了作用，但是微观结构不够密实，初始的孔隙被用线条圈住，以便于与UCS试验形成的破损和表面不均匀区分。不够密实的微观结构也导致了水泥改良土的UCS相对较低，仅为3.1 MPa，而地聚合物改良土的UCS达到了5.1 MPa。对于图7c)和图7d)，可以看出明显出现了孔隙，尤其当石灰单独使用时，可以观察到海绵状的结构，这导致水泥+石灰改良土和石灰改良土的UCS都很低，分别为1.2、0.3 MPa。

图7 改良土的SEM图像

不同地聚合物改良剂掺量下的改良土SEM图像见图8，含水率统一为1.00wL。在图8a)中，没有发现明显的地聚合反应，这是由于改良剂掺量较少所致，甚至还可以看见原始的团聚状淤泥颗粒，这与宏观试验得出的较低UCS值(0.2 MPa)相吻合。而对于图8b)和图8c)，可以看出结构逐渐密实，UCS分别高达5.1 MPa和7.2 MPa。

图8 不同地聚合物改良剂掺量下的改良土微观结构

4 结论

1)对于本工程软基淤泥，采用水泥+水灰和石灰作为改良剂的改良效果较差。对于地聚合物改良剂和水泥改良剂，当掺量大于10%时，改良土的UCS逐渐增加，相对于水泥改良剂，地聚合物改良剂提升UCS的效果更加明显。

2)随着UCS的增加，地聚合物改良土和传统改良土的E50都有所增加，E50与UCS具有较好的线性关系，在同一UCS下，地聚合物改良土刚度相对水泥改良土的略小。

3)弯拉模量R值随着改良剂掺量的增加而上升，整体变化趋势跟UCS相似，总体来看，水泥改良土的R值最高，其次是地聚合物改良土、水泥+石灰改良土和石灰改良土。含水率对于R的影响不明显。

4)考虑到经济成本，20%的地聚合物改良剂掺量(5%FA+15%S)较为理想，而且适用的含水率范围较广，即0.75wL～1.25wL。

5)从微观结构来看，地聚合物改良土中，FA与S充分发挥了作用，产生了均匀的絮状凝胶产物，与周边颗粒紧密胶结，土体结构更加密实；水泥改良土微观结构的密实程度欠佳；水泥+石灰改良土和石灰改良土的孔隙较为明显，尤其当石灰单独使用时，可以观察到海绵状的结构，这导致水泥+石灰改良土和石灰改良土的UCS都很低。