徐日庆， 王 旭， 文嘉毅， 朱兵见

(1. 浙江大学 滨海和城市岩土工程研究中心, 杭州 310058； 2. 浙江加州国际纳米技术研究院台州分院， 浙江 台州 318000； 3. 台州学院 建筑工程学院， 浙江 台州 318000)

滨海地区的淤泥地基以及吹填土一直以来都是地基处理的难点.地基的处理方式也随着技术的进步而得到不断的提升，目前大量采用的深厚淤泥质土或者吹填土地基处理方式有真空预压、固化法、电渗、搅拌桩等.但是由于地基土的初始含水率高，压缩性高，强度低，对于需要大型机械上机施工的工法，仍需要对地基土进行超前处理.

淤泥质土的浅层加固技术是一种新型的地基处理方式，也称为淤泥质土加固技术，是通过地基处理手段对强度极低的淤泥质土进行浅层加固形成硬壳层，从而提高地基的承载力，施工机械能够进场从而进行地基处理施工.闫澍旺等[1]研究了在吹填土上吹填一层粉细砂形成硬壳层以提高地基的承载力，从而满足插板机的承载力要求.董志良等[2]研究了适用于天津滨海新区超软土的浅层加固技术.邵杰[3]分析了日本的浅层地基改良工法的最终版——淤泥上履带行走式稳定土拌合法(SLM工法)，从理论推导、数值模拟等方面深入分析淤泥地基上覆固化层的承载性能.王晓琳等[4]通过颗粒流计算软件PFC模拟了固化疏浚淤泥双层地基，通过计算得到固化层能有效的提高地基的承载力.王桦等[5]对于硬壳层在路基中应力扩散的作用进行了研究.

软土的浅层加固技术可以采取多种方式，可以通过自然晾晒、吹填砂垫层[1]、浅层土体排水[2]、化学加固等措施实现浅层软土的加固，形成硬壳层.通过掺入固化剂的手段进行淤泥质土的浅层加固可以大幅缩减成本与工期，同时通过运用工业废渣废料进行地基土的固化，符合我国建设资源节约型和环境友好型社会的目标.固化剂的掺入使吹填土、淤泥质土等高含水量、低强度、高压缩性的地基土能够达到一定的表面承载力.当地基土达到足够的上机强度时，可以进行地基处理工作，比如打桩和插板.目前针对浅层地基加固的理论研究较多，但是适用于浅层地基加固的固化剂比较缺少.因此研制一种高效经济的浅层软土固化剂是非常有必要的.

1 基础固化剂

浅层软土的固化剂主要作用是在施工早期在淤泥质土的表层形成硬壳层，从而能够进行下一步的施工，需要具有的特性是经济环保和高效节约.对于地基加固的固化材料，国内外学者都进行了很多的研究，粉煤灰是一种很好的固化材料[6-8].粉煤灰是火电厂排出的主要固体废弃物，主要成分是SiO2、Al2O3、FeO等.相比较水泥而言，粉煤灰是一种更为廉价的材料，但是粉煤灰相对于水泥的活性较低，因此粉煤灰的早期强度较低.但是在一定的激发剂作用下以粉煤灰作为固化剂，固化土的强度也能够达到较为理想的值，比如在质量分数为15%的粉煤灰和15%的生石灰固化含水率为50%的淤泥质土，28天后强度能够达到680 kPa，完全满足施工要求.因此，粉煤灰是一种理想的浅层固化材料.

而粉煤灰与生石灰所混合形成的二灰更是常用于路基的固化[9].二灰是粉煤灰与生石灰的合称，经二灰加固的土体称为二灰土，二灰是常用的软土地基加固材料.本试验以二灰作为淤泥质土的基础固化剂.二灰固化淤泥质土的机理主要是石灰中CaO、粉煤灰及土体中的活性成分SiO2、Al2O3、Fe2O3在一定含水率条件下发生火山灰反应.

CaO·SiO2·nH2O

(1)

二灰土中上述反应生成的水化硅酸钙等不溶于水的稳定性结晶化合物，在空气和水中可逐渐硬化，将二灰拌合物中的固体颗粒胶结在一起，降低空隙率和渗透性，使二灰固化软土的强度得到显著提高[10].二灰土中的生石灰具有一定的吸水作用，可以降低淤泥质土的含水率.熟化后的氢氧化钙吸收水中和空气中的二氧化碳，反应生成不溶于水的碳酸钙，这种反应使粉煤灰固化，将粉煤灰颗粒胶结起来提高二灰土的强度.

关于固化剂中粉煤灰与石灰的质量比也是众说纷纭.根据《公路路面基层施工技术规范》(JTJ034-2000)中的规定，采用二灰土做基层时，石灰与粉煤灰的质量比常用1∶2～1∶4,王华阳[11]经过大量的对比试验，得出对于低塑性土两者之间的质量比在1∶2～1∶3之间比较合适.因此在本试验中选用的生石灰和粉煤灰的质量比为1∶3.

根据容许的地基承载力，利用地基承载力特征值计算公式计算出室内试验所得到的无侧限抗剪强度qu(在无侧限的条件下，内摩擦角φ=0°，抗剪强度cu=qu/2).在一般情况下，7天后现场抗剪强度cu基本达到100 kPa以上，固化效果可以满足多数施工机械的行走[3].为使二灰固化土能够尽早地达到理想的强度，向其中添加一定的添加剂，以提高二灰土的早期强度，并且通过设计试验确定添加剂的质量比.

2 试验设计

2.1 试验材料

向淤泥质土中加入一定量的生石灰与粉煤灰.本试验所采用的基础固化剂中粉煤灰与生石灰的质量比为3∶1.通过前期的配比试验，选取的基础固化剂的添加比例为20%，即基础固化剂占淤泥质土含水总质量的20%.

2.1.1淤泥质土 土体取自台州椒江地区的滩涂淤泥，淤泥的基本物理性质指标和主要化学成分的质量分数(w)如表1和2所示.

表1 淤泥质土基本参数Tab.1 Parameters of mucky soil

表2 淤泥质土和粉煤灰的主要化学成分Tab.2 Chemical composition of mucky soil and flyash

2.1.2基础固化剂 所选用的粉煤灰来自浙江某热电厂一级粉煤灰，主要化学成分见表2.

所选用的生石灰是工业生石灰，其中CaO与MgO的总质量分数大于80%.

2.1.3固化添加剂 选用的固化添加剂为硅酸钠、硫酸钙和氯化钙，均为分析纯试剂，硫酸钙(CaSO4)，工程上称为石膏，是常用的早强剂，用以提高火山灰反应的早期强度.林彤等[12]在生石灰粉煤灰固化淤泥质土的试验中发现，添加了质量分数为3%的石膏作为外掺剂的试样，其无侧限抗压强度均得到了显著的提高(1天提高29.3%，7天提高229.4%，28天提高226.5%，90天提高27.2%)，可以看出石膏对于二灰加固淤泥的早期强度能够起到显著提高的作用，但是对于最终的强度提高并不明显.Sivapullaiah等[13]通过一系列的试验发现，硫酸钙的掺量控制在一定的范围内才能够对二灰加固土起到增强的作用.石膏能够起到早强的作用主要是两点：首先是石膏自身水化产物具有一定的强度；其次由于石膏的存在，可以和粉煤灰所进行的火山灰反应的产物进一步反应生成钙矾石(3CaO·Al2O3·3CaSO4·32H2O).石膏自身的早凝作用以及反应催化作用，使石膏对于二灰固化土的早期强度的提高有较好的作用.

氯化钙(CaCl2)对于粉煤灰也具有提高其强度的作用，也是硅酸盐水泥常用的早强剂.CaCl2的加入使得体系中Ca2+浓度提高，提前生成水化铝酸四钙，反应式为

3CaO·Al2O3·CaCl2·10H2O

(2)

氯化钙溶于水后电离的Ca2+和Cl-扩散能力较强，能够穿透粉煤灰颗粒表面的水化层[14]与内部的活性硅铝酸盐反应，并形成稳定的钙矾石，并且能够加速粉煤灰水化生成更多的Ca(OH)2[15].此外CaCl2还可以和Ca(OH)2反应生成不溶于水的氧氯化钙复盐，增加体系中的固相成分.

2.2 粉煤灰激发添加剂配方试验

混料试验可以通过试验，考察各种混料成分与试验指标之间的关系.混料试验设计中，试验指标只与每种成分的质量分数有关，且每种成分的质量比必须是非负的，各种成分的质量分数之和等于1(即100%)[16].设y为实验指标，wi(i=1,2,…,p)为成分i的质量分数，那么混料问题的约束条件为

(3)

3分量混料试验设计的约束条件为

(4)

3分量2阶多项式回归的规范形式为

(5)

3分量3阶多项式回归方程的规范形式为

(6)

通过试验所得的指标y便可以求出回归系数b，进而就可以确定回归方程.

试验所用的淤泥质土的含水率大于液限，土体强度极低，为了控制变量，将淤泥质土进行烘干，碾磨成土粉，再加水配制成固定含水率50%的淤泥质土.试样尺寸为标准的三轴试样尺寸，即直径为39.1 mm，高为80 mm.试样在模具中自然条件下养护24 h后，拆模后用塑料膜密封后置于养护室内养护，温度控制在(20±5) ℃[17].

试验中以初始含水率为50%的淤泥质土作为具备典型意义的待固化土.以粉煤灰和生石灰为基础固化剂总掺量为20%，固定粉煤灰与生石灰占淤泥质土的质量比为3∶1.添加剂的质量比确定通过混料试验设计，选用的3种添加剂分别为硅酸钠、硫酸钙、氯化钙，这3种添加剂的掺量比例定义为其质量与二灰质量和之比.固定添加剂总量占二灰质量的10%，即为淤泥质土的2%.通过Design-Expert软件对试验方案进行设计，设计参数如表3所示.其中：xi为成分i的编码值，i=1代表硅酸钠，i=2代表硫酸钙，i=3代表氯化钙.因为试验的主要目的是为了研究固化土的早期强度，所以每组试验设置3个龄期(t)，分别为t=3，7，28 d，每组做3个平行试验，取三者的平均值作为试验结果.

表3 混料试验设计参数Tab.3 Parameter of the mixture experiment design

3 试验结果分析

图1 基础固化土强度与龄期的关系Fig.1 Relationship between the basic solidified soil strength and the age

在进行固化剂配方的试验之前，首先测定了仅掺入粉煤灰与生石灰的基础固化土的强度(qu)，其中粉煤灰与生石灰的添加量之和为待固化淤泥质土的质量的20%，粉煤灰与生石灰的质量比为3∶1，试验的结果如图1所示.可以看出，二灰固化土的强度增长较为缓慢，且28天的qu仅为150 kPa，但是，固化土的强度还是能够持续增长，从文献[12]的实验结果来看，粉煤灰与生石灰的质量比为3∶1时，90天的强度是28天强度值的4倍以上.因此，有效的添加剂激发粉煤灰从而提高固化土的早期强度是非常有必要的.

通过设计的添加剂掺量比例进行固化剂试验，所得到的试验结果如表4所示.可以看出，无论添加剂掺入何种比例，其固化土的强度均有一定的增长，但是不同比例的添加剂对于固化土强度的增长的影响不同，随着龄期的增长也越明显.

表4 固化剂配比试验结果Tab.4 Results of the mixture ratio test

3.1 单因子效应分析

从试验的结果我们可以看出，3种添加剂在单掺的情况下硅酸钠与硫酸钙的效果最好，试验结果也相近，最低的是氯化钙.在单掺硅酸钠的情况下，3天的qu为75.00 kPa，7天的为258.33 kPa，28天的为480.00 kPa.而在只添加硫酸钙的情况下3天的qu为76.67 kPa，7天的为267.50 kPa，28天为563.67 kPa.然而在单掺氯化钙的试样强度却很低，3天的qu为45.00 kPa，7天的为103.33 kPa，28天的为266.67 kPa.单掺氯化钙早期强度较低的主要原因是：过量的氯化钙的掺入使固化土中的Cl-质量分数增加，反应生成过量的钙矾石稳定性较差，使反应产物的强度降低，同时氯化钙有一定的吸湿性，导致土体的含水率增加，从而使土体强度下降，因此马保国等[18]建议氯化钙的掺量应控制在2%.

3.2 不同龄期下结果分析

3天的试验结果通过软件计算，得到的3阶3次回归方程为

y3d=751.6w1+768.2w2+184.9w3+

17 062w1w2+1 395w1w3+2 395w2w3+

487 940w1w2w3+518 330w1w2(w1-w2)+

43 330w1w3(w1-w3)

(7)

通过计算得到当w1=0.074，w2=0.026，w3=0时(见图2)，固化土3天的强度能够达到最高，为141 kPa，可见，硅酸钠对于固化土的早期强度的增长作用最大，氯化钙对于3天的强度没有增益作用.

图2 3种添加剂3天强度交互作用等高线图Fig.2 Contour map of the interaction of 3 additives in 3 days

7天的试验结果通过软件计算，得到的3阶3次回归方程为

y7d=2 585.6w1+2 677.2w2+1 035.6w3+

3 257w1w2-5 577w1w3+3 923w2w3+

1 357 940w1w2w3-118 330w1w2(w1-w2)+

701 670w1w3(w1-w3)

(8)

图3 3种添加剂7天强度交互作用等高线图Fig.3 Contour map of the interaction of 3 additives in 7 days

图3所示为3种添加剂共同作用下对于固化土强度的影响，可以看出，氯化钙过量时对于固化土的强度增长没有效果，只有掺入适量的氯化钙的时候，才能够使固化土的强度得到增加.硅酸钠与硫酸钙对于强度增长的作用类似，并且都能够使固化土的强度得到有效的提高，因此在配方中掺入的硅酸钠与硫酸钙相较于氯化钙多.通过回归方程的计算，得到w1=0.045，w2=0.041，w3=0.014时，固化土7天的强度能够达到最高，为293.3 kPa.

28天的试验结果通过软件计算，得到的3阶3次回归方程为

y28d=4 846.7w1+5 683.4w2+2 713.4w3+

18 468w1w2-31 596w1w3-20 198w2w3+

3 626 490w1w2w3+379 320w1w2(w1-w2)+

1 335 360w1w3(w1-w3)

(9)

28天龄期的各个添加剂的表现和7天龄期的类似，通过回归方程的计算，得到w1=0.057，w2=0.030，w3=0.013时(见图4)，固化土28天的强度能够达到最高，为624.06 kPa.

图4 3种添加剂28天强度交互作用等高线图Fig.4 Contour map of the interaction of 3 additives in 28 days

由于浅层固化淤泥质土的固化剂所需要的是早期强度，所以综合考虑各个龄期的重要性，通过最优化计算得到添加剂的最佳配比，即硅酸钠、硫酸钙和氯化钙的质量比为 55∶31∶14.同时，该比例在3天的强度值为118.33 kPa，7天的强度值为291.92 kPa，28天的强度值为623.79 kPa.通过反查各个龄期的强度，该配比比较适合.

4 固化剂特性试验

4.1 固化土强度随龄期的变化规律

根据确定的添加剂配比，对于最优添加剂下的固化土进行强度随龄期变化规律的探究.为综合考量固化剂的固化效果，选用的5个龄期，较为全面的分析龄期对于固化土的影响，结果如图5所示.由图5可见，在固化的前期，固化土的强度增长较快，并在14天左右达到了500 kPa，为60天龄期强度的一半，之后由于固化土中反应减缓，强度增长较慢.该情形比较适合于淤泥质土的浅层固化，前期强度增长快，可以在短时间内实现上机施工.随着强度达到上机强度，固化土的强度增长变缓，可以减少打桩插板等施工的阻力.此外，经固化处理之后的淤泥还可以作为后期施工的填土材料，不需要通过运输处理，减少了运输成本和对环境的影响.

图5 最优配比固化土强度与龄期的关系Fig.5 Relationship between the solidified soil strength and the age at the optimum ratio

4.2 固化土微观固化机理

图6所示为固化土的扫描电镜结果，由于每个龄期采用的都是 3 000 倍的放大倍数，由图6(a)可见，在7天龄期下，有很多明显的针状产物(钙矾石)，这也是固化产物前期强度主要来源.由图6(b)可见，在14天龄期下，针状产物明显发育，长度直径都有所增加，说明还有较多的钙矾石生成，并更具结构性.产物中生成的钙矾石针柱状晶体限制土粒的移动，并且填充了孔隙，从而使固化土的强度得以提高[19].随着反应的进行，由图6(c)可见，针状产物减少，原因是钙矾石随着龄期的增长转化成低硫型硫铝酸盐或者反应碳化生成碳硫硅钙石等[20]，因此在28天时看不到较为明显的针状结构.

图6 不同龄期下固化土微观结构特征Fig.6 Microstructure features of the solidified soil in different ages

5 结语

浅层固化是一种新型有效的淤泥质土加固形式，目前在工程中应用较少，主要原因是缺少专门的固化施工设备和浅层固化剂.本文从适用于淤泥质土浅层固化的淤泥土出发，通过混料试验设计，设计了一种以二灰为基础固化剂的淤泥质土浅层固化剂.通过试验得到该固化剂适用于淤泥质土浅层固化的最优添加剂配比.但是本文的研究也存在一定的不足，还需要进一步的进行试验研究，比如含水率与固化剂掺量的关系、添加剂掺量与含水率的关系、以及适用于高有机质淤泥质土的固化研究.