化学改良湖相泥炭质土的配合比设计及其应用

阮永芬，杨 冰，吴 龙，刘克文，朱 强

(1.昆明理工大学建筑工程学院,昆明 650500;2.中铁十一局集团城市轨道工程有限公司，武汉 430074； 3.云南建投第一勘察设计有限公司，昆明 650031；4.中铁十六局集团北京轨道交通工程建设有限公司，北京 101100)

0 引 言

滇池湖相沉积的泥炭质土有机质含量高，属于特殊的区域性软土，极差的工程特性[1-2]对泥炭质土场地上的工程设计及施工产生了非常大的影响，出现很多工程事故，需对其进行处理才能满足工程需要。对湖相泥炭质土改良剂方面的研究成为了热点[3-4]。

改良剂的种类很多，工程上常用水泥作为改良剂[5-7]。蒋卓吟等[8]研究水泥、固化剂的用量及龄期对固化泥炭土强度增长的影响规律。李琳等[9]确定了最佳固化剂质量分数配合比方案:水泥6%、石灰6%、石膏粉0.5%。桂跃等[10]提出利用微生物技术制备原生菌高浓度菌液，用来加快土中有机质分解速率，实现在较短时间内显著降低有机质含量、改善土工程性质的目的。但存在外加剂种类少、基本都是基于室内试验、只选择一个工点的泥炭质土进行试验研究的问题。同时微生物改良虽选择多个场地泥炭质土进行室内试验，通过分解泥炭质土有机质中腐殖酸来变相提高强度，但改良后的强度并没有明显增长，时间成本及改良成本都较高。

针对以上问题，本文选择3个场地的泥炭质土，通过添加水泥、氢氧化钠、三乙醇胺、硫酸钠、氯化钠、粉煤灰、石灰、聚羧酸高效减水剂、西卡等11种外加剂，进行23种配合比方案，选择两种水灰比进行试验，对在不同龄期下室内拌制土样进行无侧限抗压强度试验，选择出最佳改良效果的配合比方案，按选出的水灰比配制浆液，通过三轴深搅法将浆液拌入泥炭质土场地，在不同龄期下取样进行无侧限抗压强度试验，同时也在现场进行圆锥轻型动力触探试验，研究最佳外加剂配合比下的实际工程应用效果。

1 泥炭质土的物理力学性质指标

室内试验土样取自地铁5号线的金海新区及兴体路站基坑，现场试验土样取自锦慧中心。几个取土场地及统计分析站点位置如图1所示。

图1 取土位置图Fig.1 Location map of earth collection

从各基坑位置取土后用塑料保鲜袋包裹，密封储存于实验室待用。原状泥炭质土的物理力学性质指标如表1所示。由表1可知：泥炭质土的含水量(w)高，平均值在100%～280%；密度(ρ)较大；孔隙比(e)较大，平均值在3～7；有机质含量(wu)高，平均值在17%～58%；液限(Il)和塑限(Ip)大；抗剪强度指标，粘聚力(c)和内摩擦角(φ)低；无侧限抗压强度(qu)较低[11]。

表1 泥炭质土物理力学性质指标Table 1 Physical and mechanical properties of peat soil

2 实 验

2.1 室内改良试验

在金海新区及兴体路站点基坑处取泥炭质土进行室内改良试验。选取颗粒粗大且廉价的工业废料如粉煤灰来改善泥炭质土含水量高的缺陷，同时采用可促进水泥水化速度的早强剂如硫酸钠、氯化钠、三乙醇胺、氢氧化钠，以及可生成凝胶材料提高土体强度的石灰[12]，6种添加剂配合普通硅酸盐水泥来完成对土样的改良试验，大量研究表明水泥掺入量为25%(文中各用量均为质量分数)适宜[8,13]。

由于泥炭质土的特殊性，室内无法配制重塑土样。现场施工时，水泥浆和湿土进行搅拌，为了模拟现场施工情况，试样制作时，每组取原状湿泥炭质土质量5 kg，掺入不同配合比化学添加剂，控制其水灰比，人工一次均匀搅拌成型，称取每个试件所需改良土，分层装入试模内予以压实。同组试件质量的极差不超过质量平均值的3%。将混合料密封闷料24 h放入湿度为95%、温度为20 ℃的恒温恒湿箱中养护至规定龄期。然后进行无侧限抗压强度试验，平行试验3个，以0.03～0.08 kN/s的速率连续均匀加荷，直至试件破坏，记录破坏荷载，平行试验的极差不超过20%。不同掺量配合比方案如表2所示。

表2 9种外加剂配合比试验方案及无侧限抗压强度Table 2 Test plans of 9 kinds of admixtures and unconfined compressive strength

续表

为了测试更多的外加剂改良土方案，又在兴体路站的5～12 m深处取泥炭质土进行不同配合比试验，方案(1)～(5)在水泥中掺入减水剂：聚羧酸和西卡YP-1、SP-1、SP-2，方案(6)～(11)采用早强剂硫酸钠、氯化钠、三乙醇胺，方案(12)～(14)添加辅助胶凝材料消石灰(氢氧化钙)及粉煤灰，共采用9种外加剂14种配合比进行室内改良试验，水灰比均为1 ∶1，对比分析不同类型添加剂加固效果。外加剂配合比试验方案及7 d、28 d养护龄期的无侧限抗压强度试验结果如表3所示。

表3 14种外加剂配合比试验方案及无侧限抗压强度Table 3 Test plans of 14 kinds of admixtures and unconfined compressive strength

2.2 现场改良试验

为进一步验证室内试验研究出的改良泥炭质土的最佳改良剂配合比方案在实际工程中的应用效果，选择建筑场地锦慧中心的泥炭质土进行改良试验，并对改良后土体进行现场及室内试验。从前面试验结果分析得出，掺入25%水泥、6%生石灰及早强剂改良效果最好，所以采用42.5的普通硅酸盐水泥，水灰比控制在1.0～1.2，水泥掺入量为25%，早强剂+减水剂为水泥用量的3%，生石灰用量为水泥用量的5%～8%。

采用三轴深搅机对现场搅拌深度范围内的素填土、有机质黏土、泥炭质土及粉土4层土加入配制浆液进行搅拌，并严格控制搅拌机下沉及提升速度在0.5～1.0 m/min以内，注浆泵压力控制0.8～1.0 MPa进行不间断供浆，浆液流量为90 L/min。

3 结果与讨论

3.1 室内改良试验结果及分析

对按要求配制好的土样，根据养护龄期要求取样进行无侧限抗压强度试验，研究不同外加剂配合比、水灰比和养护龄期下改良泥炭质土无侧限抗压强度qu的变化规律，从而得到最佳外加剂配合比方案。不同外加剂掺量配合比方案及无侧限抗压强度试验结果如表2所示，表2中的龄期增幅是用龄期60 d的qu值减去7 d龄期的所得。根据表2试验结果，得到不同外加剂配合比、水灰比和龄期下改良泥炭质土qu的变化曲线，如图2、图3所示。

图2 无侧限抗压强度与龄期的关系Fig.2 Relationship between unconfined compressive strength and age

图3 无侧限抗压强度与水灰比的关系Fig.3 Relationship between unconfined compressive strength and water-cement ratio

从图2及表2中都可看出，改良土的qu都随养护龄期的增长而增大，随着龄期的增加，达到28 d时无侧限抗压强度趋于平缓。这是因为水泥不断进行水解水化反应，水泥加固主要是由水泥水化产物Ca(OH)2与土中活性物质火山灰发生反应，产生胶结作用使土体强度提高，固化过程包括水泥水化和水解以及水泥水化产物与土颗粒相互作用两个方面[13-15]。

(1)水泥水化和水解

硅酸盐水泥主要包括提高早期强度的硅酸三钙(3CaO·SiO2)、增强后期强度的硅酸二钙(2CaO·SiO2)、促进早凝的铝酸三钙(3CaO·Al2O3)、促进早期强度但强度低、含量较少的铁铝酸四钙(4CaO·Al2O3·Fe2O3)和硫酸钙(CaSO4)等[16]。水泥在加固土体时发生化学反应如下：

2(3CaO·SiO2)+6H2O→3CaO·2SiO2·3H2O+3Ca(OH)2

(1)

反应(1)生成强度高的凝胶形态水化硅酸钙和晶体状氢氧化钙。

2(3CaO·SiO2)+4H2O→3CaO·2SiO2·3H2O+Ca(OH)2

(2)

3CaO·Al2O3+6H2O→3CaO·Al2O3·6H2O

(3)

4CaO·Al2O3·Fe2O3+ 2Ca(OH)2→3CaO·Al2O3·6H2O+3CaO·Fe2O3·6H2O

(4)

土颗粒周围吸附着水化硅酸钙和水化铝酸钙，形成紧密的网状，使水泥土强度提高。

(2)土颗粒与水化产物作用

水泥生成水化产物后，一方面继续与土体反应生成使强度提高的物质，另一方面凝结硬化，构成水泥土骨架。主要的作用力包括火山灰反应，硅酸钙类及铝酸钙类水化产物晶体与土颗粒结合形成牢固的空间联结，土体强度得以提高[17]。水泥中的Ca2+、Al3+与腐殖酸发生反应生成钙、铝键等复合体，影响了水泥固化效果，但强度整体处于上升趋势，说明随着养护龄期不断增加，有机质的影响会逐渐减弱[18]。

无侧限抗压强度均在60 d时最大，但增幅不一致，从7 d到60 d，方案7的强度增幅最大，达到612.52 kPa；在相同配合比条件下水灰比对改良土的qu值影响也大，如图3所示，改良剂配合比相同时，水灰比为1 ∶1的方案3、5的改良土的qu明显高于水灰比为0.6 ∶1的方案4、6。从表2也可看出，方案3的qu明显高于方案4，最大差100.58 kPa发生在龄期为14 d时，方案5的qu明显高于方案6，最大差176.56 kPa发生在龄期为60 d时，而在方案8、9中，又是水灰比为0.6 ∶1的qu高，平均提高284.75 kPa。水灰比代表了一种分散相体积的大小，水灰比高代表水泥中空间大，较为分散，随着水泥水化的进行，水化产物逐渐搭接形成稳定的网络结构[19]。因此，随着龄期增加，qu随水灰比增加而减小，水灰比相同时，水泥掺量的影响也非常明显。

通过以上比较分析可知，影响改良土的因素有很多。比较9种外加剂配合比方案改良后土样的qu值，方案5即25%水泥+6%生石灰+1%粉煤灰的改良剂配合比最好。邵玉芳等[20]的研究结果表明，通过添加工业废料粉煤灰可较好地消除胡敏酸及富里酸对水泥土的影响。尤其在土样含水量大的情况下，粉煤灰可有效地改善这一情况[21]。其次是掺入25%水泥的方案2，且都随着养护龄期的增大，qu提高最明显，方案5的qu的龄期增幅达到432.90 kPa，尽管方案2的qu龄期增幅较小，但在泥炭质土中加入25%的水泥后，在龄期小于28 d以前qu值在所有方案中最高，只是龄期为60 d时，方案5的qu最高，其次是方案7，第3才到只加水泥的方案2。

在地铁的站点，对于盾构始发、接受洞口段以及盾构施工过程中，都对加固(改良)土提出其无侧限抗压强度qu需大于等于1 MPa的要求，所以方案2、5及7都满足要求，但方案5最好。另外在对加固土强度要求不是很高的情况下，单一掺入水泥对泥炭质土的改良效果也可以，加入水泥qu提高很快，但水泥掺入量不得小于25%，如方案1中，尽管水泥掺量已经达到20%，但随养护龄期增长，qu提高并不大，在9种方案中，qu均最低，但水泥掺量超过25%后，强度提高，但提高幅度有所缓和，说明25%时水泥水化反应达到峰值。如果把水泥与其他外加剂混合对泥炭质土进行改良，qu会随养护龄期的增长而提高更多，如方案5。

从表3中可知，28 d养护龄期的强度高于7 d，28 d后的qu除方案(8)外，都不小于150 kPa，改良后土体qu都比原状土提高很多，前5种添加减水剂的改良方案经过28 d的养护后qu均提高了10～20 kPa，但方案(2)中qu增长为0 kPa，与方案(1)相比方案(2)的聚羧酸含量却提高了0.5%，这是由于聚羧酸减水剂含量增加后，水泥颗粒表面吸附的聚羧酸减水剂分子抑制其早期水化反应，同时大量未吸附的分子又与Ca2+发生络合反应，使水泥颗粒更难发生水化。

方案(6)～(11)在水泥中添加早强剂对土进行改良，当水泥含量保持在20%或26%时，不断增加早强剂的含量，qu降低，添加早强剂后缩短了水泥水化诱导期，加快了水泥的反应，当硫酸钠、氯化钠、三乙醇胺掺量分别为2%、0.5%、0.05%时出现峰值，在过量掺入早强剂时qu不再提高。而随着龄期增长，方案(11)的qu增加最大，达到了30 kPa，强电解质提高水泥中的离子强度，促进水泥的反应，同时硫酸钠与水化产物氢氧化钙反应生成石膏和氢氧化钠，溶液pH值升高，促进粉煤灰溶解，当硫酸钠掺量达2%以上时，可有效减缓粉煤灰对水泥水化早期的抑制作用[22]。

表2与表3相比，表2中改良剂的配合比方案中，水泥掺量基本都高于表3，而其他外加剂的掺量都低于表3，qu值都高于表3。在表3中，方案(14)的qu最大，其和表2中方案5、6、7使用的外加剂材料基本相同，qu值在两个表中均最大，说明生石灰或消石灰(氢氧化钙)、水泥和粉煤灰的外加剂组合对泥炭质土改良效果最好[23]。添加石灰后发生消化放热反应使土膨胀挤密，同时与空气或土中的CO2反应生成CaCO2和MgCO3，具有微结晶性能的产物使土粒联结，也可产出与水泥类似的胶凝物质，提高水泥土的强度，加入一定量的石灰可改变土的黏结性，增强土粒间的结合，形成土骨架，但加入的石灰过量后会破坏土颗粒原始胶结能力，强度下降[24]。表2中方案5、6、7中粉煤灰掺量为1%，但在表3的方案(14)中增加到16%，qu没有增大，粉煤灰在与泥炭质土反应时会生成较多金属氧化物，不同于水泥，无法生成能使土体稳定的骨架结构物质，所以粉煤灰的掺入对改良土的强度影响不明显[25]。

结合两地试验研究可以看出，添加水泥对泥炭质土的改良起着至关重要的作用，配合其他外加剂改良土体，能有效提高其强度。

3.2 现场改良试验结果及分析

对经过搅拌改良后的4层土，采用轻型圆锥动力触探试验分别检测成桩后3 d、7 d、14 d、28 d的锤击数。由于14 d及28 d龄期的搅拌桩因桩身强度太高，动力触探试验无法贯入，故取消试验。试验结果如表4所示，表中为动力触探的平均击数。

从表4可看出，经过改良后每一层土体的动力触探击数都提高很多，与其他土层相比，泥炭质土改良后动力触探击数提高最大，即改良后的土体强度增长很快，改良效果较好。养护3 d的击数提高232%，是原来土层的3.32倍，7 d时提高598%，是原来土层的6.98倍。养护7 d时，按击数提高的幅值由大到小排序，分别为泥炭质土、有机质土、粉土及素填土。从选用添加剂的机理分析，水泥主要与土中的有机质反应，所以对粉土及素填土改良效果不大，而泥炭质土具有含水率高、密度大等特点，早强剂、生石灰又可以很好地改良这一性状，所以泥炭质土比有机质土强度提高大。

表4 轻型圆锥动力触探试验结果Table 4 Results of light cone dynamic penetration tests

对成桩后7 d、14 d、28 d的深层搅拌桩采用薄壁取土器钻芯法取样。钻芯取样法，如泥炭质土是在其深度范围的搅拌桩体上、中、下部位，每一处钻孔取样6件，进行室内无侧限抗压强度试验后取平均值。室内qu试验的结果如表5所示，表5中分别给出14 d及28 d龄期的qu与7 d龄期相比提高的幅值。

表5 无侧限抗压强度试验结果Table 5 Results of unconfined compressive strength tests

从表5中可看出，搅拌桩加入外加剂进行搅拌改良后，无论哪一种土层中仅14 d养护龄期的qu都已大于1 MPa，强度提高非常快，提高幅值都超过了200%。与表2及表3中改良后土体的无侧限抗压强度测试值相比，qu都提高很多，改良效果比室内试验的效果好。因为现场搅拌与室内搅拌试验相比，现场取出改良后的泥炭质土已经不完全是泥炭质土中加入外加剂，采用三轴搅拌设备对加入场地中的浆液进行两喷三搅时，已经带入上下的填土、有机质土及粉土进入泥炭质土中进行拌和、置换，所以强度提高很快，远高于室内改良后的土体强度值。

4 结 论

(1)土体强度随龄期的延长而增大，龄期大于28 d时，强度增长效果最佳。

(2)外加剂中，水泥含量决定了湖相泥炭质土的改良效果,将42.5普通硅酸盐水泥掺入量维持在25%时效果最好。

(3)通过比较23种配合比方案改良土体的无侧限抗压强度，在掺入比为25%水泥+6%生石灰+1%粉煤灰，水灰比为1 ∶1时，强度最大时达到1 171.38 kPa。

(4)通过室内试验得到最佳配合比方案，即42.5普通硅酸盐水泥掺量为25%，生石灰掺量为5%～8%，早强剂+减水剂为水泥用量的3%，水灰比为1 ∶1。

(5)试验场地对泥炭质土的改良效果存在差异，现场对泥炭质土进行搅拌时，会把相邻土体带入搅拌、置换，改良后土体强度提高非常大，使得现场改良处理效果比室内改良试验效果好。