水泥-生石灰固化吹填土无侧限抗压强度试验研究

刘 科，沈 扬，刘汉龙

(1.河海大学 岩土力学与堤坝工程教育部重点实验室， 江苏 南京 210098；2.中国人民解放军海军91954部队， 湖南 永州 425042)

随着我国沿海城市经济建设的飞速发展，土地的需求量日益增加，呈现出寸土寸金的趋势，为适应城市化的发展要求，人工填(海)筑地基与吹(冲)填造陆技术为解决这一问题提供了一种新的思路与途径。

所谓吹填土，是通过绞吸船把原状淤泥在水中搅拌成一定比例浓度的泥浆经过管道水力吹至围堤内沉积的过程[1]。在实施填海工程的地区通常拥有大量的海底淤泥，由于此时的淤泥含水率较高(高达100%以上)、压缩性较高(一般压缩系数av>2.0 MPa-1)、孔隙比大(大于2.5)、灵敏度很高、抗剪强度低(十字板抗剪强度小于10 kPa)、渗透系数和固结系数较小(渗透系数在10～6 cm/s以下量级)，无侧限抗压强度在50 kPa以下，呈软塑状态。一般需要进行有效的加固处理后才能应用到工程建设中。采用水泥和生石灰作为固化剂进行固化处理是一种有效的处理方法，当淤泥与水泥或生石灰相接触后，固化剂颗粒表面的矿物很快与粘土中的水发生水解、水化反应以及凝硬、碳酸化作用，生成坚硬的钙化物，使土体具有一定的强度而达到加固的效果。

本文从我国国情和应用性出发, 考虑大面积处理和推广，探讨低价格淤泥固化技术，研究低水泥和石灰掺量条件下淤泥固化土的工程力学性质。通过大量试验，分析了固化剂含量和养护龄期两个因素对固化土无侧限抗压强度增长的影响，为吹填淤泥固化技术的推广提供一定的经验。

1 试验材料与方法

1.1 试验材料

试验用的淤泥取自浙江省温州民营科技产业基地永兴园区吹填淤泥试验场地，该基地软基处理面积160万m2，其中科研试验研究场地20万m2，淤泥的物理性质指标如表1所示。由表1可见，经真空预压处理后，含水率不高，低于液限，处于可塑状态。根据淤泥液限和塑性指数，可以确定该淤泥的分类为中塑性黏土(CI)。淤泥的级配曲线如图1所示。颗粒组成中，小于0.005 mm的含量为42%，介于0.005～0.075 mm的含量为57.3%，大于0.075 mm的含量为0.7%。试验用的水泥为南京江南水泥厂生产的“钟山牌”32.5#普通硅酸盐水泥，生石灰采用Ⅱ级钙质石灰。

表1 试验淤泥物理性质指标

1.2 试验方法

无侧限抗压强度试样的制备方法是在淤泥中按照设计比例加入固化剂和水后用机械搅拌机强制搅拌均匀后，无侧限抗压强度试样分三层装入内径3.91 cm、高8.0 cm的钢制模具内，每层经小击实锤击实到特定高度后，用土工刀刮毛后再装入下一层，直到装满。

图1 试验淤泥的颗粒分布曲线

土样装入模具后用聚乙烯塑料袋密封并置于(20±2) ℃、湿度﹥90%的养护箱中养护24 h后进行脱模，脱模后的试样用塑料袋密封后继续养护到指定天数在无侧限抗压强度仪器上进行试验，每个配比测定3个平行样，取其平均值。试验结果见表2。试验配比SS-X-Y中，X代表X%的水泥掺量(干土的质量比)，Y代表Y%的生石灰掺量。

表2 淤泥固化土强度试验结果

2 试验结果分析

2.1 单一水泥固化强度分析

2.1.1水泥掺入比与强度的关系

从图2中单一水泥掺量与强度的关系可以看出，在工程实用范围内，可以用式(1)来表示水泥掺入比与固化土强度的直线关系，而且各个龄期的相关度都在0.95以上。

qu=k(ac-a0)

(1)

式中，qu为固化土无侧限抗压强度；k为水泥固化系数，反映水泥固化效果；ac为水泥掺入比；a0为最低水泥掺入比。从图2中拟合的三个公式可推出：该吹填淤泥固化的最低水泥掺入比为1%，当水泥掺入比低于1%时，固化土几乎没有强度。最低掺入比随着龄期的变化而变化不大[2]，据此可认为，对于同一淤泥，a0基本不受龄期的影响。水泥固化系数k是反映水泥固化效果的指标，k值越大表明水泥的固化效果越好，由图2可看出k值随着龄期的增长而增加，固化土的前期强度增长较快，到后期增长趋缓。

图2 固化土抗压强度与水泥掺入比的关系

图3 水泥固化系数与龄期的关系

水泥固化系数k与龄期的关系，可以用式(2)的乘幂关系来表示，见图3。可方便确定某个龄期的固化系数。朱伟等[3]利用水泥加固海洋疏浚泥得到过类似的结果。

k=23.35t0.29

(2)

2.1.2龄期与强度的关系

Mitchell[4]给出了水泥固化土的无侧限抗压强度预测公式，公式表明无侧限抗压强度与龄期具有对数关系，李义喜[5]对水泥和石灰固化淤泥质软土的研究也得出了类似的结论。笔者分析了水泥固化吹填土在28 d养护期内，固化土的强度与龄期的关系呈对数关系(见图4)，这与Mitchell和李义喜的研究结果是一致的。本试验中，对于不同的水泥掺入比，强度随龄期的变化也不相同，当水泥掺入比为2%时，强度随着龄期的增长速度较慢，而水泥掺入比为5%时，强度随龄期增长较快。图表还表明：水泥固化土的28 d强度比7 d强度可提高1.5～1.6倍，14 d强度比7 d强度可提高1.1～1.2倍，固化土的强度在28 d以后还有一定的增长趋势。《地基处理手册》[6]的经验总结，水泥土的90 d无侧限抗压强度约为28 d的2倍左右，可见，水泥土的强度在短期可以达到工程的预可值。

图4 固化土抗压强度与龄期的关系

2.2 单一生石灰固化强度分析

2.2.1生石灰掺入比与强度的关系

图5可以看出，低配比石灰加固吹填淤泥的抗压强度随着石灰掺入比的增加而线性增长，强度增长幅度没有水泥土的大，随着掺入比的增加，强度是等幅增长。但研究表明[6]，随着生石灰掺量的增加，强度并不是一直增大，增大到一定值后，反而降低了，这表明，生石灰的掺量存在一个最佳掺入比。考虑到大面积推广和经济性，这里暂未通过试验得到该吹填淤泥的生石灰最佳掺入比。

图5 固化土抗压强度与石灰掺入比的关系

2.2.2龄期与强度的关系

图6 固化土抗压强度与龄期的关系

图6中可见，石灰土的无侧限抗压强度在低配比下，随着龄期的增长，强度不断增大，2%到3%这一过程强度增长较快，3%到5%区间增长较慢。在同一含水率下，对比水泥土，同一低配比下的石灰土固化效果要稍好于水泥土，原因在于：生石灰提供钙离子的能力及生成氢氧化钙的数量要强于水泥。

2.3 水泥和生石灰双掺固化强度分析

2.3.1水泥和生石灰双掺掺入比与强度的关系

从双掺效果图7中可发现，随着等比双掺的增加，强度与掺入比是呈线性增长的，但是前期强度增长缓慢，后期增加明显，如等比1%掺量时，28 d强度值与14 d的强度值差不多，等比5%掺量时，28 d强度值增至14 d的强度值的两倍，原因在于水泥掺量存在最低掺量，这时起固化作用的是生石灰，随着等质量的水泥和生石灰掺入量增加，钙离子浓度和溶液的碱性环境增强，加速了水化产物的稳定和析出，从而加强了土颗粒之间的连接，使土体强度得以增强。

图7 固化土抗压强度与水泥-石灰掺入比的关系

2.3.2水泥和生石灰双掺，强度与龄期的关系

由图8可见，低配比双掺的强度值与龄期的关系是近似线性关系，龄期为7 d和14 d时的强度增长较缓慢，当龄期为28 d的时候强度急剧增长，这说明水泥和生石灰双掺固化时，早期强度增长较缓慢，后期强度增长很快，能达到工程的强度要求值。

图8 固化土抗压强度与龄期的关系

2.3.3水泥和生石灰双掺对比分析

选择有代表性的2%配比和4%配比作为分析，由图9和图10可知，单一水泥或者生石灰的固化效果明显差于同比例的双掺效果，水泥和生石灰各1%双掺的强度是单一2%水泥和单一2%生石灰的总和还大，水泥和生石灰各2%双掺的强度虽不及单一4%水泥和单一4%生石灰的总和，但都大于单一配比固化剂掺量强度，这说明：水泥和生石灰双掺固化的效果，要优于单一的固化效果，另外，低配比下的单一水泥土强度是差于同比例掺量的石灰土强度的，但水泥土的强度随着水泥的掺量增加，相比石灰土的强度增长是较快的。

图9 固化土抗压强度与龄期的关系

图10 固化土抗压强度与龄期的关系

3 结 论

(1) 在一定含水率下的固化土，采用低配比的水泥或生石灰作为固化剂能有效提高吹填土的强度，但水泥固化土存在一个最低掺入比a0，当水泥掺入比低于a0时，固化效果不明显，当水泥掺入比超过最低掺入比时，强度随着掺入比的增加而增大。且对于同一吹填土，水泥固化系数与龄期呈乘幂关系，最低水泥掺入比基本不受龄期的影响。对于石灰土而言，则存在一个最佳掺入比，低于这一值时，强度随着掺入比而增长，大于这一值时，强度反而下降。这对于工程实际应用，有一定的指导作用，实际工程中，要通过室内试验来寻找这一水泥最低掺入比和石灰最佳掺入值。

(2) 在低配比条件下，水泥土的强度，可以通过对数曲线来预测，石灰土的强度，可通过线性关系来预测，水泥石灰土，也可以近似用线性关系曲线来预测强度值，以便指导工程实际。

(3) 水泥土早期强度不及石灰土早期强度增长的快，但随着掺入比的增加，水泥土的后期固化效果要优于石灰土后期固化效果。

(4) 水泥和生石灰双掺固化效果，要优于单一水泥或生石灰的固化效果。等质量的水泥和生石灰掺入后，钙离子浓度和溶液的碱性环境增强，加速了水化产物的稳定和析出，从而加强了土颗粒之间的连接，使土体强度得以增强。生石灰与水泥相比是一种比较廉价的固化材料，生石灰和水泥共同作用可节省出等质量的水泥，考虑到大面积吹填固化和经济性，可大大降低工程的造价。

[1] 曹 星, 陈元明, 董建军, 等. 吹填法[M]. 北京：水利水电出版社, 2006.

[2] 汤怡新, 刘汉龙, 朱 伟. 水泥加固土工程特性实验研究[J]. 岩土工程学报, 2000, 22(5): 449-554.

[3] 朱 伟, 张春雷, 高玉峰, 等. 海洋疏浚泥固化处理土基本力学性质[J]. 浙江大学学报(工学版), 2005, 39(10): 1561-1565.

[4] Mitchell J K. The properties of cement-stabilized soil[M]. McGraw-Hill: McGraw-Hill Publishing, 1976.

[5] 李义喜. 水泥、石灰加固淤泥土无侧限抗压强度试验研究[J]. 广西城镇建设, 2009, 14(8): 101-104.

[6] 《地基处理手册》编写委员会. 地基处理手册(第2版)[M]. 北京: 中国建筑工业出版社, 2000.

[7] 缪志萍, 刘汉龙. 疏浚土工程特性的试验研究[J], 四川建筑科学研究, 2005, 31(6): 109-112.