复合型地聚合物加固软土的微观性能研究

谭 健

(广东冠迪建设有限公司 广州市 510000)

0 引言

在沿海地区道路工程施工建设中常遇到软土路基，但是软土不能提供路基所需的承载力，因此需要对软土路基进行加固处理使其能达到道路施工建设的需求[1]。搅拌桩是一种有效地处理软土地基的手段，常用生石灰作为固化剂加固软土，在瑞典研发了深层搅拌技术；而现在常用波特兰水泥作为固化剂，因为它易于获得，价格低廉[2]；但对于某些软体土质，仅使用水泥加固软土的效果却不明显，从而局限了该方法的使用范围[3]。由于碱性材料具有良好胶凝特性，进而引起了学者研究的兴趣[4]。地聚合物材料价格低廉、污染小，具备良好的力学性能和耐腐蚀性能，是一种环境友好的新型碱性建筑材料，应用前景非常广泛[5-7]。

在实验室采用地聚合物处理软土，测定龄期为7d、28d及60d地聚合物土试件的无侧限抗压强度和抗剪强度等力学指标，分析地聚合物加固软土影响因素，结合试验路段现场取芯地聚合物处理软土试样进行静载荷试验，分析其效果。所研究的内容可为软土路基处理提供新的解决方法，对软土路段路基处理具有重要施工指导意义。

1 原材料与正交试验分析

1.1 原材料

以复合型地聚合物作为固化剂、试验路段取出的软土作为土样，42.5水泥、水作为辅助材料进行研究。

(1)复合型地聚合物。以粉煤灰、矿渣、石灰为矿物原材料，硅酸钠作为碱激发剂，配成复合型地聚合物。其性能指标如表1所示。

表1 DW型地聚合物的性能指标

(2)软土。试验路段施工现场取软土试样，将其粉碎、烘干，经5mm筛子筛分，软土的技术指标如表2所示。

表2 软土的技术指标

1.2 试验方案

采用正交试验分析地聚合物掺量、含水率和搅拌时间对地聚合物处理软土路基的力学强度影响。通过查阅相关文献，在配合比设定方面，首先选择复合型地聚合物掺入比为9%、11%、13%，含水率按天然含水率2%等指标进行控制，水灰比取0.5。将所选用的不同配合比制成立方体(70.7mm×70.7mm×70.7mm)以及圆柱体(直径61.8mm、高20mm)试件，按照要求养护到规定龄期，而后对试件进行无侧限抗压强度和无侧限抗剪强度测试。

1.3 正交试验结果与分析

1.3.1正交试验结果

试件达到养护龄期为7d、28d、60d的抗压强度和抗剪强度测试结果见表3，表中A为聚合物掺入量，A1掺量为9%，A2掺量为11%，A3掺量为13%；B为软土含水率，B1含水率为47%，B2含水率为49%，B3含水率为51%；C为搅拌时间，C1搅拌时间为180s，C2搅拌时间为360s，C3搅拌时间为540s。

表3 正交试验设计及强度测试结果

1.3.2正交实验结果分析

对表3中7d、28d、60d龄期时的复合型地聚合物土试件进行无侧限抗压强度测试和抗剪强度测试结果进行极差分析，如表4、表5所示，各个因素对地聚合物处理软土的抗压强度、抗剪强度的关系如图1、图2所示。

表4 不同因素下抗压强度的极差分析

表5 不同因素下无侧限抗剪强度的极差分析

图1 不同因素与抗压强度之间关系图

图2 不同因素与抗剪强度之间关系图

由表4和表5计算结果可知不同养护龄期下复合型地聚合物土试件的无侧限抗压强度与抗剪强度变化基本相同，影响试件力学强度的因素大小关系为A>B>C。

当A因素(地聚合物)掺量由9%增加到13%时，地聚合物加固软土的抗压强度和抗剪强度也随之增加；根据图1和图2的曲线可知在养护龄期28～60d比7～28d的增长速度快，表明在养护后期试件力学强度形成较快，且地聚合物掺量与力学强度具有相关性，结合地聚合物加固软土的经济性，选用复合型地聚合物掺量为13%。

随着B因素(软土含水率)的增大，地聚合物加固软土试件的抗压强度及抗剪强度呈逐渐递减趋势，含水率的高低也会影响地聚合物土的均匀程度，因此选用含水率为47%。

在不同的搅拌时间条件下地聚合物加固软土试件力学强度变化很小，表明搅拌时间对试件强度影响较小，为了使地聚合物土达到最好效果，因此搅拌时间选择为540s。优选出地聚合物土试件的最终配合比为A3B1C3，即地聚合物掺量为13%、含水率为47%和搅拌时间为540s。

2 复合型地聚合物土力学性能研究

2.1 复合型地聚合物土的抗压强度与抗剪强度关系

抗剪强度和抗压强度是表征土力学性能的指标，为了研究复合型地聚合物加固软土试件的力学强度之间的关系，对龄期为60d地聚合物土试件进行抗压强度与抗剪强度试验，其结果如表6所示。

表6 复合型地聚合物土的抗压强度与抗剪强度结果

通过表6可知复合型地聚合物土试件的力学强度具有正相关性。当抗压强度值fcu处于3.75～4.73MPa时，其抗剪强度值为0.753～1.52MPa以及内摩擦角在34°～47°之间波动，其抗压强度值大约为抗剪强度值的3.03～5.12倍。

2.2 不同方式加固软土的力学特性

为了研究地聚合物及水泥作为固化剂处理软土的力学特性，在保持相同条件下对养护龄期为60d的原状土、水泥土以及地聚合物土进行无侧限抗压强度试验研究，选用地聚合物及水泥的掺量为9%、11%、13%，天然含水率为47%，搅拌时间为540s。

表7 不同掺量下地聚合物及水泥加固软土的抗压强度

由表7可知原状土抗压强度值是0.04MPa，而掺量为9%的地聚合物土和水泥土的抗压强度值分别为3.60MPa、2.98MPa，分别相比于原状土抗压强度值提高了89倍、74倍，且地聚合物土抗压强度是水泥土抗压强度的1.21倍；掺量增加到13%时，地聚合物土、水泥土的抗压强度值分别为4.46MPa、3.47MPa，相比于原状土抗压强度值提高了114倍、85倍。水泥和地聚合物加固软土能提高软土抗压强度，而在相同掺量条件下地聚合物土试件的抗压强度比水泥土抗压强度要高。

3 复合型地聚合物土微观性能研究

通过微观结构研究地聚合物土作用机理，分析复合型地聚合物土微观结构对宏观性能的影响。采用SEM电镜扫描分析28d地聚合物土试件以便更好研究地聚合物土的微观特性。

采用不同掺量复合型地聚合物加固软土试件进行电镜扫描测试，试件样品大小为10mm×10mm×10mm，在试验前应采用粗砂纸对试验样品进行打磨平整、抛光，采用热传导性好的金属喷射在试样表面，最后对试样进行烘干至无水分后备用。图3为试件经电镜扫描放大5000倍的测试结果[8-10]。

图3 不同掺量地聚合物土微观结构图

从图3(a)中可以看出原状土试件结构分布着较多密集孔隙，骨架具有松散性，堆积而成土颗粒。图3(b)为掺量为10%地聚合物土，试件表面有大量白色结晶体覆盖在土体表面，使土粒粘结为一个整体结构，地聚合物经过水化会产生类沸石前驱体，而后变为非晶相物质与土颗粒相互结合为整体，致使孔隙减少，软土的剪切、抗压和抗渗性能得到提升。观察图3(b)～图3(d)可发现不同掺量的地聚合物土试件密度不同，随着地聚合物掺量的增加，地聚合物土致密性越高，试件宏观力学性能越好。

4 地聚合物处理软土的稳定性验算

为了测试试验路段地聚合物处理软土地基的效果，采用堆载法对抽检的3根搅拌桩进行逐级加载的静载荷试验，其检测结果如表8所示。由测试结果可知，聚合物搅拌桩承载能力和力学强度、搅拌桩桩体的完整性，均达到设计规范要求，合格率为100%，因此采用地聚合物搅拌路基软土能够起到良好的效果。

表8 搅拌桩静载荷检测结果

5 结语

(1)影响复合型地聚合物加固软土路基力学强度的主要因素是地聚合物掺量，随着养护时间和地聚合物掺量的增加会使其力学强度值增加，但随着软土中含水率的增加而减小；在相同条件下养护时间为60d地聚合物处理软土路基的无侧限抗压强度fcu与无侧限抗剪强度τ之间关系为τ=0.26fcu。

(2)复合型地聚合物水化形成类沸石前驱体晶体填充软土颗粒间空隙率降低，致使软土体系结构更加密实，进而可提高软土力学强度。

(3)结合试验路段现场钻孔取芯的稳定性验算分析、抗压强度试验和静载荷检测，地聚合物搅拌桩桩体具有良好的完整性且搅拌均匀，抗压强度、静载承载力值能够满足软土地基设计要求。