复合固化剂改良地铁渣土的无侧限抗压强度研究

吴琰 朱晓东 陈玥 薛丹璇

中国市政工程华北设计研究总院有限公司 天津300132

引言

近年来，我国的地铁建设蓬勃发展，盾构掘进过程中会产生大量的渣土，其含水率高、渗透性强、抗压强度低，无法直接用于工程建设。当前，我国地铁渣土处置能力严重不足，管理水平不高，多采用堆放、填埋的方式进行处置。为提高资源化利用水平，减少对环境产生不利影响，开展对地铁渣土固化再利用的研究。

传统固化剂主要由水泥、石灰、粉煤灰、碱渣、高炉矿渣、钢渣、硅粉等材料单独使用或组合而成。倪嘉卿等［1］进行了在水泥、矿渣的基础上分别添加掺Na2SO4、CaO回填黏土快速固化室内试验研究，结果表明复掺Na2SO4＋CaO，且两者含量分别为矿渣质量的30%和20%时，固化效果最佳。王东星等［2］研究了氯氧镁水泥固化淤泥力学特性，结果表明氯氧镁水泥固化淤泥体系中MgO活性越高，固化土中生成的水化产物越多，试件无侧限抗压强度越高。王东星等［3］研究了碱激发粉煤灰固化淤泥的微观机理，结果表明碱和粉煤灰混合料能有效提高固化土无侧限抗压强度。石宇等［4］对钢渣粉固化淤泥质水泥土强度进行了研究，研究表明在水泥添加量一定的情况下添加钢渣粉能有效提高无侧限抗压强度。Deepak Gupta 等［5］研究了利用粉煤灰、水泥和纤维增强黏性土进行力学性能实验，研究表明混合料的加入使固化土最大干密度降低，最佳含水率增加，对固化土强度的增强效果明显。王朝辉等［6］研究新型CVC 固化剂固化淤泥，研究表明提高CVC 固化剂蛭石掺量，能增大固化土干缩应变、平均干缩系数，减小失水率和劈裂强度，原状土中有机质含量对固化淤泥的耐水性、抗冻融性有不利的影响，CVC固化剂固化淤泥力学性能优于其他普通固化剂。王朝辉等［7］研究新型CDK固化剂固化淤泥，研究表明CDK 粉加入到淤泥中，其内部并没有发生化学反应产生新的物质，只是CDK 粉吸水降低含水率的过程，最终CDK粉与淤泥融合，增强淤泥内部结构。吴雪婷等［8］研究ISS 固化剂和水泥对宁德海相淤泥进行化学固化，研究表明ISS 固化剂通过降低结合水膜的厚度，同时水泥发生水化反应将高含水率淤泥中的自由水转变为矿物结晶水，两者联合使用对于降低淤泥初始含水率均具有积极作用。

传统的固化剂对于改良地铁渣土，起到一定的效果，但也存在着很多不足：工程造价高，偏重于某一方面固化土性能的改善，施工效果不易控制。本文拟在水泥粉煤灰的基础上加入高分子聚合物A，提高固化土的强度和其他物理力学性能。

1 试验方法

本文初拟复合固化剂最优的组合配比为水泥：粉煤灰：高分子聚合物A ＝6∶6∶1，同时将掺量相同的水泥作为对照组试验（表1），试验所用盾构渣土含水率为50%。

表1 不同固化剂掺量方案Tab.1 Different curing agent dosage schemes

本实验采用Y-Ⅱ型应变控制式无侧限压缩仪，根据《公路土工试验规程》（JTG 3430—2020），试件直径3.8cm，高度8cm，应变控制式无侧限压缩仪下压板每分钟上升高度1mm，当轴向应变小于3mm时，每0.2mm 记录一次轴向力和位移读数，当轴向应变大于3mm 时，每0.4mm 记录一次轴向力和位移读数，当轴力达到峰值后继续进行2cm位移或试件完全破坏时停止试验。

无侧限抗压强度试验中轴向应变按公式计算：

无侧限抗压强度试验中平均断面面积按公式计算：

无侧限抗压强度试验中Z轴向应力按公式计算：

式中：h0为试件初始高度（cm）；Δh为轴向变形（cm）；A0为试件横截面面积（cm2）；C为测力计率定系数（N／0.01mm）；R为测力计读数（0.01mm）。

2 固化土无侧限抗压强度

2.1 试件强度及对比分析

不同固化剂的掺量及养护龄期对固化土无侧限抗压强度的影响见表2。

表2 不同固化剂掺量下各龄期固化土强度Tab.2 Strength of solidified soil at different ages with different dosage of curing agent

水泥固化剂掺量为4%时，水泥固化土7d无侧限抗压强度为647kPa；水泥固化剂掺量为16%时，7d 无侧限抗压强度为931kPa；水泥固化剂掺量提高了300%，固化土无侧限抗压强度仅提高了43.9%。可见，水泥作为固化剂时，提高水泥掺量对固化土无侧限抗压强度提高效果不理想。水泥固化剂掺量为4%时，7d 无侧限抗压强度为647kPa，180d无侧限抗压强度为763kPa，随着龄期增加无侧限抗压强度提高了18%；水泥固化剂掺量为16%时，7d 无侧限抗压强度为931kPa，180d 无侧限抗压强度为993kPa，随着龄期增加无侧限抗压强度提高了6.6%。可见，水泥作为固化剂时，提高养护龄期对固化土无侧限抗压强度提高效果不理想。

复合固化剂掺量为4%时，复合固化土7d无侧限抗压强度为1339kPa；复合固化剂掺量为16%时，7d无侧限抗压强度为2741kPa；复合固化剂掺量提高了300%，复合固化剂土无侧限抗压强度提高了104.7%。可见，复合固化剂掺量的提高对固化土无侧限抗压强度提高效果显著。复合固化剂掺量为4%时，7d 无侧限抗压强度为1339kPa，180d无侧限抗压强度为1768kPa，随龄期增加无侧限抗压强度提高了32%；复合固化剂掺量为16%时，7d 无侧限抗压强度为2741kPa，180d无侧限抗压强度为4377kPa，随龄期增加无侧限抗压强度提高了60%。可见，随龄期的增加，复合固化剂对固化土无侧限抗压强度的提高效果显著。

水泥固化剂和复合固化剂作用于地铁渣土，固化土无侧限抗压强度均随固化剂掺量增加而提高。固化剂掺量4%时，复合固化土7d 无侧限抗压强度为水泥固化土7d 无侧限抗压强度的2.07倍；复合固化土180d无侧限抗压强度为水泥固化土180d无侧限抗压强度的2.32倍。固化剂掺量为16%时，复合固化土7d无侧限抗压强度为水泥固化土7d 无侧限抗压强度的2.91 倍；复合固化土180d无侧限抗压强度为水泥固化土180d 无侧限抗压强度的4.37倍。可见，复合固化剂土的无侧限抗压强度较同掺量、同龄期的水泥固化土显著提升。

水泥固化剂掺量为4%时，水泥固化土180d无侧限抗压强度比7d 无侧限抗压强度提高了18%；复合固化剂掺量为4%时，复合固化土180d无侧限抗压强度比7d 无侧限抗压强度提高了32%。水泥固化剂掺量为16%时，180d 无侧限抗压强度比7d 无侧限抗压强度提高了6.6%；复合固化剂掺量为16%时，复合固化土180d 无侧限抗压强度为4377kPa，比7d无侧限抗压强度提高了60%。可见，相同掺量下，复合固化土的无侧限抗压强度随龄期增长的幅度远远大于水泥固化土。

2.2 试件应力-应变和破坏形态

水泥固化剂固化土7d 无侧限抗压试验中应力-应变曲线如图1a 所示，随着水泥固化剂掺量的增加，应力随应变上升阶段斜率不断增大；应力峰值点对应的应变不断减小；应力-应变曲线中塑性屈服阶段逐渐减弱；固化土强度增大在破坏阶段导致试件开裂破坏，残余应力变得难以计量。

图1 不同固化剂固化土的应力-应变曲线Fig.1 Stress-strain curves of soil solidified with different curing agents

复合固化剂固化土7d 无侧限抗压试验中应力-应变曲线如图1b 所示，随着复合固化剂掺量的增加，应力-应变曲线与水泥土变化趋势相似，应力随应变上升阶段斜率不断增大；应力峰值不断增大及其对应的应变不断减小；应力-应变曲线中塑性屈服阶段逐渐减弱；由于复合固化剂固化土强度增长更大，其破坏阶段导致试件基本都完全崩解。

固化土破坏形态主要有两种，如图2 所示。图2a为塑性破坏，试件为一条主裂缝与试件主轴呈45°发展，其应力-应变曲线表现为加载初期应力随着应变呈线性增加，当应力达到峰值强度一半左右时，应力随应变线性增长的斜率变小，但应力仍然处于增加阶段，直到试件破坏。图2b为脆性破坏，试件裂纹的萌生方向、发展方向，直至裂纹连通方向均与荷载方向平行或呈较小的夹角，无侧限抗压强度越大，试件主裂纹与主轴夹角越小，应力-应变曲线表现为加载初期应力随应变呈线性迅速增长，持续到应力到达峰值点后应力迅速降低，应力-应变曲线中塑性屈服阶段不明显。

图2 固化土破坏形态Fig.2 Failure pattern of solidified soil

分析认为两种裂缝主要影响因素是有无“套箍作用”，塑性破坏因试件强度较低单轴受压导致竖向缩短，横向扩张，由于无侧限压力机垫块的横向位移远远小于固化土试件的横向位移，因此垫块与土样接触面上的摩擦力约束土样的横向变形，“套箍作用”出现。脆性破坏因试件无侧限抗压强度较高，垫块与土样接触面上的摩擦力不足以约束土样的横向变形，因此无“套箍作用”出现。

3 地铁渣土含水率对复合固化土强度的影响

不同地铁渣土含水率情况下，复合固化剂掺量和养护龄期对固化土无侧限抗压强度的影响，如图3 所示。

图3 不同地铁渣土含水率固化土无侧限强度曲线Fig.3 Unconfined strength curve of solidified soil with different moisture content of residues

当地铁渣土含水率为30%时，以养护60d固化土强度为例，随着复合固化剂掺量的增加，固化土强度呈线性增加，固化剂掺量为4%时，固化土强度为2834kPa，当固化剂含量增加至16%时固化土强度达到5135kPa，是相同水泥掺量固化土强度的5 倍，复合固化剂对于含水率为30%的地铁渣土固化效果明显，固化土强度随固化剂掺量增加而提升。

当地铁渣土含水率为50%时，养护龄期7d、14d、28d、60d的固化土强度曲线随复合固化剂掺量曲线变化规律如下：养护龄期为7d 和14d时，固化土强度随着复合固化剂的掺量增加而提高，曲线斜率逐渐增大，养护龄期28d 和60d 时固化土强度增长速率更快，掺量由8%增加到16%过程中，固化土强度呈线性增长，斜率保持不变。

当地铁渣土含水率为70%时，固化土养护7d，复合固化剂掺量在4%到12%范围内对于固化土强度提升不明显，当复合固化剂掺量提升至16%时，固化土强度增长斜率明显相对于固化剂掺量12%时增大，固化土强度由882kPa 增加至1567kPa。养护龄期为14d、28d、60d 时固化土强度随固化剂掺量变化曲线相似，固化剂掺量由4%增加到8%时，固化土强度无明显增加，当固化剂掺量继续增加，固化土强度呈线性增加。

4 复合固化剂固化土强度曲线拟合

考察不同复合固化剂掺量固化土强度随龄期增长规律，考察不同含水率地铁渣土随复合固化剂掺量和养护时间固化土强度变化规律，建立不同含水率地铁渣土随固化剂掺量、养护时间变化的固化土强度综合计算模型，采用曲线模型分析固化土随养护龄期变化规律，固化土无侧限抗压强度随龄期变化规律如图4 所示，根据实测固化土强度拟合曲线为：

图4 不同龄期下固化土强度Fig.4 Strength of solidified soil at different ages

式中：a、b、c为常数。

图4a为地铁渣土含水率30%，不同固化剂掺量对应的固化土强度拟合曲线，拟合优度R2均大于0.99；图4b 为地铁渣土含水率50%，不同固化剂掺量对应的固化土强度拟合曲线，拟合优度R2均大于0.95；图4c为地铁渣土含水率70%，不同固化剂掺量对应的固化土强度拟合曲线中，拟合优度R2均大于0.97。

由图4 可以看出，曲线模型符合固化土强度随龄期增加而增大的变化规律，固化土前28d 强度增长速率快，28d～60d 强度增长速率逐渐减小，当龄期趋近于无限长时，固化土强度达到峰值不再增加。

5 结论

1.在相同掺量、相同龄期的条件下，无论是早期强度，还是后期强度，复合固化土的力学性能远远高于水泥固化土。

2.水泥固化剂掺量的增加，对于水泥固化土强度的增长作用有限；复合固化剂掺量的增加，对于复合固化土强度的增长效果显著。

3.龄期对于水泥固化土无侧限抗压强度的提升作用较小，对于复合固化土无侧限抗压强度的增长明显。

4.当地铁渣土含水率为30%～70%时，复合固化土无侧限抗压强度随着复合固化剂掺量增加而提高，随着龄期的增长不断提升；含水率越高，龄期对复合固化土强度提升越大。