复合水泥土处理软土地基的方法探析

常乃坤 （安徽省路桥工程集团有限责任公司，安徽 合肥 230000）

1 引言

软土地基因自身强度的缺陷，容易出现土体破坏、失稳、不均匀沉降等问题，对公路工程影响巨大。对于软土地基的处理有很多方法，其中最为常见的处理方法是将水泥和软土充分混合，经过水泥与土颗粒间以及水泥自身的物理化学反应，形成固化土体，该方法将极大地提高地基强度。但是，该方法对水泥的需求量较大，成本较高。为节省项目成本，大量的学者利用粉煤灰、石灰、脱硫石膏、赤泥来替代部分水泥，从宏观力学特性到微观机理都获得了大量的学术成果。

本文将针对安徽地区的软土，通过添加粉煤灰和脱硫石膏来替代部分水泥，制备复合水泥土，研究其力学特性，分析不同外加剂种类、掺量、龄期下复合水泥土的抗压强度的变化，并结合实际工程评价该方法的经济性。

2 试验方案与材料

2.1 试验材料

本次试验主要材料包括：水泥、粉煤灰、脱硫石膏以及试验用土。其中水泥选用P.C 42.5普通硅酸盐水泥，土体为取自合肥某高速路基段粉质粘土，粉煤灰和脱硫石膏为市场常见材料，具体化学成分见表1。

2.2 试验方案

根据《土工试验方法标准》（GB/T50123-2019），设计水灰比为 0.5，本次试验中将考虑不同外加剂（水泥、粉煤灰、脱硫石膏）的掺量、养护龄期，通过无侧限抗压强度试验获得不同影响因素下水泥土强度的变化，具体的试验方案见表2，其中表2中所提含量皆为外加剂与干土的质量比。

粉煤灰和脱硫石膏的主要化学成分(%) 表1

试验方案 表2

3 试验结果分析

3.1 强度随龄期的变化

根据表2中的试验方案，分别获得不同外加剂产量下水泥土无侧限抗压强度随养护龄期的变化曲线，如图1所示。

图1 复合水泥土抗压强度随龄期的变化

从图1中可以看出：所有方案中水泥土的无侧限抗压强度随着养护龄期的增加而逐渐增大，并呈现前期强度快速增加后期较缓。但是，在方案1～方案4中水泥土在14天之前强度提升较快，方案5和方案6在7天之前强度增加较快。这与外加剂含量有关，当外加剂含量越高，前期水化反应越剧烈，表现出强度增加越明显的宏观力学特性。此外，在相同养护龄期下，外加剂的掺量越高，复合水泥土的强度越大，对土体的加固效果越显著。

同时，在相同外加剂（水泥、粉煤灰、脱硫石膏）掺量下，养护7天后加入粉煤灰和脱硫石膏的方案2、4、6的强度要分别高于方案1、3、5。出现该现象的主要原因包括以下两个方面：首先，粉煤灰和脱硫石膏的加入填充了土颗粒间的孔隙，起到了密实作用；其次，在微观层面，脱硫石膏造成土体呈现碱性环境，加速试样中的铝酸三钙会与 CaSO·2HO发生化学作用产生钙矾石，会进一步对孔隙进行填充压实土体，同时也起到一定的胶结作用，试样的整体性得到改善，故而宏观强度的提高。但在7天之前，加入粉煤灰和脱硫石膏的方案2、4、6的强度要分别低于方案1、3、5。这可能与前期粉煤灰的水化活性还未被完成激活有关，这也表明脱硫石膏对粉煤灰水化活性的激活效应存在一定滞后现象。

3.2 粉煤灰和脱硫石膏对强度的影响

在相同水泥掺量下，添加一定量的粉煤灰和脱硫石膏后，复合水泥土和水泥土强度随龄期的变化的柱状图，如图2和3所示。

图2 方案1和方案4中复合水泥土强度变化

在图2中，当水泥掺量为12%时（即方案1和方案4），在同一龄期下加入粉煤灰和脱硫石膏的方案4中复合水泥土的强度在要远高于未加入粉煤灰和脱硫石膏的方案1，其中在龄期为3d、7d、14d、28d，强 度 分 别 提 高 了 6.02%、19.35%、34.26%、47.93%，可见粉煤灰和脱硫石膏的加入有利于土体强度的提高，且随着龄期的增加粉煤灰和脱硫石膏的促进作用逐渐提高。

在图3中，当水泥掺量为15%时（即方案3和方案6），在同一龄期下加入粉煤灰和脱硫石膏的方案6中复合水泥土的强度在要远高于未加入粉煤灰和脱硫石膏的方案3，其中在龄期为3d、7d、14d、28d，强度分别提高了 17.81%、44.78%、14.14%、17.78%，且随着龄期的增加粉煤灰和脱硫石膏的促进作用先增加后减弱。这与粉煤灰和脱硫石膏的掺量比不同有关，当粉煤灰与脱硫石膏的掺量比为2：1时，脱硫石膏对粉煤灰水化活性的激活作用比较缓慢，随龄期的增加而逐渐释放，导致强度平稳提高；而当粉煤灰与脱硫石膏的掺量比为1：2时，在养护初期脱硫石膏极大地激发了粉煤灰水化活性，才导致前期强度迅速提高。

图3 方案3和方案6中复合水泥土强度变化

此外，在材料拌和养护过程中，由于粉煤灰和脱硫石膏中存在大量的AlO和CaO，导致液相中出现Ca、AlO，生成大量的钙矾石，并以微晶形式与其他水化产物相互穿插，形成了致密结构，使土体强度增加。这就解释了在相同水泥掺量下增加粉煤灰和脱硫石膏有利于土体强度的提高。

4 案例分析

4.1 项目概况

某新建路段中软土主要发育河漫滩地形或一、二级阶地低洼区，地下水想深较选，大部分款土直接出露地表，局部存在1-2m的表层覆土，主要为粉质粘土和细砂，工程地质条件较差，下卧层也为粉质粘土、部分砂砾层，工程性质一般、承载力低，设计中要合理选择适当的处理方案，以满足沉降及稳定性的要求。软土路基处理断面图，如图4所示。

图4 软土路基处理断面图

4.2 方案比选与经济性评价

当原材料：水泥选用P.C 42.5水泥。配合比设计：水灰比按照0.50，水泥掺量分别按方案1～方案6进行设计，28天无侧限抗压强度分别为1.548 MPa、1.654 MPa、2.21 MPa、2.29 MPa、2.494 MPa、2.603 MPa，其中方案 1和方案2不符合设计要求。换言之，只有当外加剂掺量在15%和18%时才能满足本工程要求。对比方案3和方案4，方案4可以发现水泥节约20%，对比方案5和方案6，方案6可以发现水泥节约16.67%。结合第3节中抗压强度分析，在添加粉煤灰和脱硫石膏后的处理方法可达到节约水泥、降低施工成本、增加施工质量的效果。因此，本工程可采用方案4。

5 结论

本文采用试验手段，分析不同外加剂种类、掺量、龄期下复合水泥土的抗压强度的变化，并将室内试验结果用于具体工程，得到如下主要结论：

①添加粉煤灰和脱硫石膏后会改变水泥土随龄期的变化速率，同时，在相同外加剂掺量下，添加粉煤灰和脱硫石膏的复合水泥土强度要略高于未添加粉煤灰和脱硫石膏的水泥土；

②粉煤灰与脱硫石膏的配比将影响脱硫石膏对粉煤灰水化活性的激活效应，当粉煤灰与脱硫石膏的配比为1：2时，将有利于激活效应；

③根据实际工程，从抗压强度角度分析后可最高节约水泥20%，进一步降低施工成本且增加施工质量的效果；同时，有效利用工业废料粉煤灰和脱硫石膏，符合国家环保、绿色施工理念。