吹填软土固化室内试验研究

袁保军，贾 磊

(中交上海航道勘察设计研究院有限公司，上海 200120)

我国东部沿海地区软土分布广泛且吹填软土成陆的工程众多，对于此类软土场地常采用无砂垫层真空预压法进行软土加固[1]，加固后的场地已具备一定的承载力，但较难满足车辆通行和开发建设的需求。

针对上述情况，结合目前较为成熟的软土固化技术[2]，在软土或真空预压加固后的场地上，通过利用吹填软土与土壤固化剂拌和后，在地基表层形成一层厚度较小、强度较高、覆盖面积较大的人工硬壳层[3]，既可以有效控制和减小软基的沉降量、满足后续工程建设需求，又节省了砂石等稀缺材料用量。

相对于一般传统掺入比的固化土，围海造陆等相关工程中由于固化土工程量大，普遍用较低掺入比的固化材料对其进行处理[4]，形成的固化土特性不同于常规的水泥土，且关于较低掺入比的固化土的研究较少，积累的经验公式也较少[5]。本文以福建莆田某工程吹填软土为研究对象，采用较低掺入比的水泥、水泥+复合激发剂及水泥+矿渣微粉分别拌制固化土试样，通过室内无侧限抗压强度试验，分析研究较低入比情况下的龄期、掺入比、固化剂种类等对固化土强度的影响，为工程实践提供指导作用。

1 工程概况

工程位于福建省莆田市秀屿区，工程范围内陆域吹填于2015年完成，吹填土主要为淤泥质黏土和淤泥，厚度为2.6～10.8 m。吹填土下部为厚度5～10 m的天然淤泥或淤泥质软土层，该层含水量大、孔隙比大、工程性质差。采用无砂垫层真空预压法对吹填软土及下部土层进行排水固结处理，真空预压处理完毕后，场地表层填筑0.6～2.5 m厚土石方至设计高程，其需求的土石方量较大，且周边缺乏满足要求的土石方来源，拟采用工程区周边同时间吹填的软土掺拌固化剂固化后作为填筑料。本文针对该工程吹填软土为研究对象，采用较低掺入比的3种固化剂进行室内试验，并分析研究固化土的强度规律。

2 固化土室内试验

2.1 试验材料

2.1.1试验土体

试验所用土体取自工程区的吹填软土，该土的主要物理力学性质指标见表1。

表1 试验土体物理力学性质指标

2.1.2土壤固化剂

1)水泥。采用P·O 42.5水泥。

2)水泥+复合激发剂。复合激发剂的主要成分为硫酸钠、氯化钙、硅酸钠、氢氧化钠、硫酸铝，配制时在1 kg水泥中掺入3 g硫酸钠、2 g氯化钙、2 g硅酸钠、1 g氢氧化钠、2 g硫酸铝。

3)水泥+矿渣微粉。采用P·O 42.5水泥；矿渣微粉选用满足《用于水泥、砂浆和混凝土中的粒化高炉矿渣粉》[6]的产品，其等级为S95，掺量固定为2%。

2.1.3拌和用水

拌和用水为实验室自来水，水的密度ρ=1.0 t/m3。

2.2 试验方案实施

2.2.1试验方法

为研究影响固化土强度增长的因素，通过无侧限抗压强度试验测定固化土的无侧限抗压强度。

试样制备及试验方法按《水泥土配合比设计规程》[7]附录A、B执行，无侧限抗压强度试验采用70.7 mm×70.7 mm×70.7 mm立方体试样。

2.2.2试验组次

根据地勘资料，工程范围内吹填土经自然晾晒后，表层已形成一层约0.5 m厚含水率较低的硬壳层，硬壳层下部软土含水率依然较高，含水率从表层至深层分布范围为41.9%～81.1%，故本次试验试样初始含水率设定为40%、60%、80%共3组。

通过自然晾干后的土体添加自来水调节淤泥初始含水率至40%、60%、80%，再将掺入比为4%、5%、7%的固化剂(掺入比为掺入的水泥质量与被加固土的湿质量之比)，用砂浆搅拌机将淤泥搅拌均匀，制作成型，在标准养护条件下温度(20±2)℃、相对湿度95%以上，经过养护龄期7、28 d后分别进行试验，一定龄期下每个配比平行试验的试样为6个，试验组次见表2。室内试验见图1。

表2 试验组次

图1 室内试验

3 试验结果分析

3.1 不同固化剂对固化土强度的影响

3种固化剂在5%掺入比条件下，相同初始含水率时固化土抗压强度关系曲线见图2。可以看出，3种固化剂配置试样的固化强度均随着龄期的增加而增加。以水泥固化剂试样为参照，试验结果如下：

1)40%、60%、80%初始含水率条件下水泥+复合激发剂试样的28 d抗压强度分别为水泥固化剂试样强度的1.10、1.35、1.09倍。这表明添加了复合激发剂试样的固化强度较单水泥固化剂试样有所提高，这是由于复合激发剂为碱性激发剂，改变固化土的pH值，促进水泥在土体中的水化反应，从而提高固化土的强度。

2)40%、60%、80%初始含水率条件下水泥+矿渣微粉试样的7 d抗压强度分别为水泥固化剂试样强度的1.23、2.09、1.69倍；水泥+矿渣微粉试样的28 d抗压强度分别为水泥固化剂试样强度的1.72、2.93、2.43倍。这表明添加了矿渣微粉试样的固化强度较单水泥固化剂试样大幅度提高，通过分析认为原因有：①矿渣微粉是活性材料，含有大量的活性氧化硅、活性氧化铝等，可以参与水泥的水化水解反应，与氢氧化钙反应产生水化硅酸钙和水化铝酸钙，使土体的强度增强[8]；②在水泥掺入比相同的条件下，额外掺加2%矿渣微粉提高固化剂的总掺入比，对提高固化土强度产生有利影响。

3)40%、60%、80%初始含水率条件下水泥固化剂试样28与7 d抗压强度的比值分别为1.23、1.22、1.17，水泥+矿渣微粉试样28与7 d抗压强度的比值为1.72、1.71、1.68。试验表明水泥+矿渣微粉试样抗压强度增长更快，且28 d后强度增长趋势更高，认为在水泥掺入比相同的情况下，水泥+矿渣微粉固化剂中多加2%的矿渣微粉对固化土强度产生较大影响。

图2 5%掺入比时3种固化土强度关系曲线

3.2 添加剂对固化土强度的影响

掺入比7%的水泥+复合激发剂和掺入比5%的水泥+矿渣微粉固化剂配制的固化土试样在相同初始含水率条件下，对应的固化土无侧限抗压强度关系曲线见图3。以水泥+复合激发剂试样为参照，试验结果如下：

1)40%、60%、80%初始含水率条件下水泥+复合激发剂试样28与7 d抗压强度的比值分别为1.72、1.64、1.81，水泥+矿渣微粉试样28与7 d抗压强度的比值为1.72、1.71、1.68。这表明两种固化剂试样抗压强度增长均较快，即在总掺量相同的条件下矿渣微粉和复合激发剂会对固化土强度增长产生较大影响。

2)40%、60%、80%初始含水率条件下水泥+矿渣微粉试样的7 d抗压强度分别为水泥+复合激发剂试样的0.91、1.48、1.33倍，28d抗压强度分别为水泥+复合激发剂试样强度的0.92、1.55、1.24倍。这表明试验土体含水量为60%、80%时，水泥+矿渣微粉固化剂试样抗压强度均高于水泥+复合激发剂试样。

试验过程中当土体初始含水量40%时，机械搅拌困难，采用人工搅拌，固化剂与土体难以拌和均匀，导致40%含水量时水泥+矿渣微粉固化剂试样强度离散很大，而60%、80%初始含水率试样均为机械搅拌制作，搅拌较充分，试验可靠性高，故可以认为其余条件相同时，5%掺入比水泥+矿渣微粉固化剂(其中水泥掺入比5%、矿渣微粉掺入比2%)固化效果高于7%掺入比的水泥+复合激发剂，即在总掺入比不变的条件下利用部分矿渣微粉替代水泥既可以提高固化效果，又可以节省成本，具有较高的应用价值。

图3 不同矿渣微粉掺入比下固化土强度关系曲线

3.3 掺入比对固化土强度的影响

水泥+复合激发剂固化剂在40%、60%、80%初始含水率条件下，不同掺入比的固化土强度关系曲线见图4。可以看出，随着固化剂掺入比越高，固化土的强度也越高。以4%掺入比的固化土抗压强度为参考，试验结果为：1)初始含水率40%时，掺入比为5%、7%的试样28 d抗压强度分别为掺入比4%试样的1.62、2.76倍。2)初始含水率60%时，掺入比为5%、7%的试样28 d抗压强度分别为掺入比4%试样的1.24、1.74倍。3)初始含水率60%时，掺入比为5%、7%的试样28 d抗压强度分别为掺入比4%试样的1.71、3.07倍。

试验结果表明，对于3种初始含水率，固化土掺入比由4%提高至5%，固化土强度提高到1.24～1.71倍；固化土掺入比由4%提高至7%，固化土强度提高到1.74～3.07倍。固化土掺入比的变化对固化土强度有显著影响，实际应用时应根据目标软土的具体情况确定固化剂最佳掺入比，在保证固化效果的基础上节省造价。

图4 不同掺入比下固化土强度关系曲线

3.4 初始含水率比对固化土强度的影响

水泥+复合激发剂和水泥+矿渣微粉试样在各含水率条件下，龄期7、28 d的固化土强度变化曲线见图5。可以看出，水泥+复合激发剂、水泥+矿渣微粉试样在龄期7、28 d时固化土强度均随着初始含水率的增加而降低。

初始含水率40%的试样液性指数为0.58，处于软塑状态(接近硬塑)，搅拌不均导致固化土强度离散性大，图中未列出。

因此，当实际工程中软土含水量较高时，为达到相同的固化效果，应适当增加固化剂掺量；当含水量较低的土体接近硬塑状态时，固化剂的拌和难度较大，实际工程中应考虑不均匀性对强度的影响，并采用适宜的拌和机械；或者将土体晾晒粉碎后，再拌和固化剂，确保最终的固化效果。

图5 各初始含水率下固化土强度的变化曲线

4 结论

1)吹填软土通过掺入3种固化剂后，固化土强度增长明显，可用于本工程场地的填筑，推荐吹填软土掺入5%水泥+2%矿渣微粉固化剂，可达到良好的固化效果。

2)水泥掺入比相同情况下，水泥+复合激发剂以及水泥+矿渣微粉的固化土试样均较单掺水泥固化剂试样的强度提高，掺入水泥+矿渣微粉的强度明显高于掺入水泥+复合激发剂。

3)总掺入比相同的情况下，5%掺入比的水泥+粉煤灰固化剂试样固化强度比7%掺入比的水泥+复合激发剂试样固化强度有较大提高，在控制总掺入比不变的条件下利用部分矿渣微粉替代水泥既可以提高固化效果，又可以节省成本。

4)掺入比的变化对固化土强度有显著影响，固化土的强度随着固化剂掺入比增加而提高，实际应用时应确定固化剂最佳掺入比，在保证固化效果的基础上节省造价。

5)固化土试样强度随着初始含水率的增加而降低，当实际工程中软土含水量较高时，为保证固化效果，应适当增加固化剂掺量；当含水量较低的土体接近硬塑状态时，应采取适合的机械和工艺，降低拌和不均匀性对强度的影响，确保最终的固化效果。