王观次，郭跃飞，罗正东

（1、岳阳市公路桥梁基建总公司 湖南 岳阳 414000；2、湘潭大学土木工程与力学学院 湖南 湘潭 411105）

0 引言

湖相软土在我国南方地区分布广泛，土质多为高含水率、高压缩性且富含有机质的软土，具有特殊的工程特征。近些年来，我国基础设施建设范围不断扩大，这对湖相软土固化技术提出了更高的要求［1］。水泥搅拌桩是一种应用最为广泛的软弱地基处治技术［2］，然而水泥土在施工和服役过程中存在干缩大、易开裂、水稳性差等问题，并且水泥固结性能受土质影响较大，尤其是对含水率高、塑性指数大及含有有机质的软土固化效果不够理想［3-4］。另外，水泥在生产过程中不仅需要消耗大量能源，而且碳酸盐分解会产生大量的CO2，带来了巨大的环保问题［5］。

地聚物作为一种绿色胶凝材料，有着比普通硅酸盐水泥更好的力学性能，被认为是最有可能代替水泥的新型固化剂［6］。众多学者采用地聚物对软土进行固化处理，如王东星等人［7-8］采用碱激发粉煤灰胶凝材料对淤泥进行固化处理，相比于水泥，地聚物固化淤泥具有更高的无侧限抗压强度，并获得了较佳的抗变形能力。此外，相关研究表明，粉煤灰/钢渣基地聚物搅拌桩加固软土地基具有更高的无侧限抗压强度值［9-10］。

上述研究虽与地聚物固化土密切相关，但均未依据实际工程背景提出具体的配合比方案。此外，矿渣-粉煤灰-金矿渣基地聚物对湖区软土固化土的强度影响规律研究还鲜有报道。因此，本文以处治湖区软土为例，在前期试验的基础上，研究固化剂含量、矿渣-粉煤灰-金矿渣比对地聚物固化土试样7 d、28 d无侧限抗压强度的影响，同时，设置一组固化剂含量相同的水泥土进行对比。以期为地聚物处治湖区软土地基提供参考，为实际工程提供指导。

1 试验材料

1.1 试验土

试验土取自湖南省岳阳市洞庭湖区某施工工地现场，根据《土工试验方法标准：GB/T 50123—2019》，测得软土的物理力学试验指标如表1所示。

表1 软土的物理力学参数Tab.1 Physical and Mechanical Parameters of Soft Soil

1.2 固化剂

水泥选用市售P.O.42.5级普通硅酸盐水泥。地聚物主要成分包括硅铝原材料（矿渣、粉煤灰和金矿渣）和碱激发剂；其中，粉煤灰为F 类低钙粉煤灰，矿渣为S95 级矿粉，矿渣、粉煤灰和金矿渣的化学成分如表2所示；碱激发剂由模数为3.31的硅酸钠溶液和市售固体氢氧化钠（NaOH）片剂搅拌而成。

表2 矿渣粉、粉煤灰和金矿渣的成分分析Tab.2 XRF Composition Analysis of Slag，Fly Ash and Gold Mine Tailing in the Present Study

2 试验方案

重塑土与天然含水率相同，即50%；水泥和地聚物加固软黏土的固化剂掺量分别为8%、12%和16%；并在12%地聚物掺量基础上，设置3种矿渣-粉煤灰-金矿渣比例，分别为8∶1∶1、6∶2∶2和4∶3∶3，具体试验方案如表3所示。

表3 试验方案Tab.3 Test Plan

3 试验过程

3.1 试样制备

试样制作及养护：①根据上述试验方案，称量相应干土粉及水，用室内搅拌机搅拌2 min，制成含水率为50%的重塑土，装入密封袋中闷1 d备用；②将模数为3.31的液体硅酸钠与一定质量的NaOH片剂采用磁力搅拌器均匀混合制得模数为1.2 的碱激发剂，再将碱激发剂和拌合水预先混合，待冷却至室温，最后掺入混合均匀的矿渣-粉煤灰-金矿渣干粉中以形成地聚物浆料；③将制备完成的固化剂浆料连续均匀地掺入重塑土样搅拌锅中，并继续搅拌直至混合物达到均匀状态；④按照《水泥土配合比设计规程：JGJ/T 233—2011》，制作边长为70.7 mm 的立方体试样，每组土样均制作6组平行试样；⑤制备完成后，将试样用保鲜膜密封放置在标准养护室内养护24 h后脱模，然后继续置于标准养护箱中养护至目标龄期。

3.2 试验方法

待固化土样养护至相应龄期后，采用型号为CMT5105的万能试验机进行无侧限抗压强度试验。如图1所示。轴向应变速率设置为1 mm/min，当测力计读数出现峰值时，继续进行3%～5%的应变后停止试验，当读数无峰值时，试验应进行到应变达20%为止，均匀加荷直至试件破坏，记录最大压力值，然后转换为最大抗压强度值。强度代表值取6组平行试样强度的平均值。

图1 无侧限抗压强度试验Fig.1 Unconfined Compressive Strength Test

4 试验结果及分析

4.1 强度与固化剂类型及掺量的关系

从图2可以看出，固化剂类型、掺量和养护龄期对于固化土强度体系的形成影响较大。当水泥掺量为8%～16%时，水泥土的28 d强度分别为1.21 MPa、1.33 MPa和1.45 MPa，呈现出线性增长规律，这是由于随着固化剂掺量的提高，水化产物增多，促使水化产物与土颗粒形成丰富的胶凝相，土体逐渐固化形成更加稳定的整体［11］。但同时，水泥掺量的增加并不利于经济性和环保需求，因此，需根据实际工况优选掺量。

图2 固化剂类型及掺量对固化软土无侧限抗压强度的影响Fig.2 Effect of Curing Agent Type and Dosage on the Unconfined Compressive Strength of Stabilized Soft Soil

由图2 可知，当固化剂掺量从8%增加到12%时，地聚物固化土的28 d 无侧限抗压强度提高了39.4%，当固化剂掺量继续增加到16%时，B-16 的28 d 强度比B-12仅提高了9.2%，分析其原因：16%掺量的地聚物固化土中，碱在体系中的含量增大，抑制了原料的溶解，并且使得部分原料产生沉积，减弱了固化土强度的提升幅度［12］。因此，从经济角度出发，在实际应用中地聚物掺量推荐取12%。

此外，对比水泥固化土和地聚物固化土的强度值可知，相同条件下地聚物固化土的无侧限抗压强度整体高于水泥。其中，B-12 的28 d 强度为1.84 MPa，较A-12 提高了38.3%。由此可见，地聚物相较于水泥，有对湖区软土具有更显著的固化效果。这可能是由于地聚物作为具有一定活性的含铝硅酸盐物质，在碱的作用下向土相中溶出碱根离子，然后逐渐聚合形成-Si-O-Al-或-Si-O-Al-O-Si-O-或-Si-O-Al-OSi-O-Si-O-结构的聚合硬化体，土体的黏聚力得到很大程度的改善，整体强度上升［12］。由此可见，地聚物固化土中发生的硬化与水泥固化土强度形成过程有着本质区别。

4.2 地聚物固化土强度与矿渣-粉煤灰-金矿渣比例的关系

除固化剂类型、掺量外，地聚物固化土强度还与矿渣-粉煤灰-金矿渣比例密切相关。设计3 种矿渣-粉煤灰-金矿渣比例，分别为8∶1∶1、6∶2∶2 和4∶3∶3，其地聚物固化土样的7 d、28 d无侧限抗压强度结果如图3所示。可以看出，随着矿渣掺量的降低，地聚物固化土试样的强度逐渐降低，与高矿渣掺量固化土（C-12）相比，B-12 的28 d 强度下降了7.0%，而D-12 的28 d强度下降了20.7%。这是由于矿渣属于高钙原材料，为地聚物固化土强度的形成提供了丰富的钙组分，但又由于其水化反应活性较高，反应速度过快，易导致凝结时间不够稳定，影响施工质量。而粉煤灰和金尾矿属于高硅低钙材料，活性较低，适度增大粉煤灰和金尾矿的比例可调控地聚物的凝结硬化速率，增加其稳定性［13］。另外，粉煤灰和金尾矿均属于工业废弃物，具有产量大、价格低廉的优势。因此，综合考虑，推荐选用6∶2∶2 作为矿渣-粉煤灰-金矿渣较佳比例用于地聚物固化湖区软土。

图3 矿渣-粉煤灰-金矿渣比例对固化软土无侧限抗压强度的影响Fig.3 Effect of Slag-fly Ash-gold Mine Tailing Ratios on the Unconfined Compressive Strength of Stabilized Soft Soil

5 结论

通过矿渣-粉煤灰-金矿渣地聚物固化湖区软土无侧限抗压强度试验及机理分析，得到以下几点结论：

⑴水泥和地聚物固化湖区软土的无侧限抗压强度随着固化剂掺量和龄期的增长而有所提高。当固化剂掺量相同时，地聚物固化湖区软土的无侧限抗压强度高于水泥。因此地聚物可以替代水泥作为固化湖区软土的固化剂。

⑵地聚物掺量从8%增加至12%的强度提升幅度明显高于12%～16%。因此，考虑实际工程需要及经济性要求，地聚物掺量宜取12%。

⑶当地聚物掺量一定时，固化土的强度随矿渣掺量的增加而增加，但提高粉煤灰和金矿渣所占比例可有效改善地聚物固化土的工作性能和降低成本。因此，宜取6∶2∶2作为矿渣-粉煤灰-金矿渣的较佳比例。