高强粉质黏土-水泥搅拌土固化剂配比研究

刘银芳，胡椿华，秦金龙，童立红，朱碧堂，郭易盟，李志平

（1.福建岩土工程勘察研究院有限公司，福建 福州 350001；2.华东交通大学江西省地下空间技术开发工程研究中心，江西 南昌 330013；3.核工业华东建设工程集团有限公司，江西 南昌 330013）

在SMW 工法中，水泥土搅拌墙常作为止水帷幕，未考虑其强度在基坑开挖支护中的贡献。随着绿色基坑支护技术的发展，有必要在满足低渗透率基础上，提高水泥土搅拌墙的强度，从而合理地考虑水泥土在支护结构中的贡献。粉质黏土作为水泥土搅拌墙常用原材料，其强度低、结构性差，往往需要通过合理的手段改良加固后才能应用于实际工程建设中[1－2]。改良粉质黏土强度的方法有很多，例如：夯实[3]、干湿循环[4]、冻融[5]以及外掺固化剂[6]等。经过已有研究可知，通过物理的方法改变粉质黏土的性质对其强度影响都不大[7-9]。

经研究发现，外掺固化剂对粉质黏土抗压强度影响较为显著，其中无机、有机类高分子合成材料或盐溶液等固化剂通过水化反应、离子吸附交换和凝聚作用等，增强土体内部颗粒之间的联结作用，从而使土体更加密实和稳定[10]。江守慈等[11]对不同水泥掺入比（20%、25%和30%）水泥土的强度特性进行了分析，试验结果表明随着水泥掺入比的提高，水泥土的无侧限抗压强度相应增大。Phetchuay 等[12]在粉质黏土中加入粉煤灰和电石渣，研究发现两种材料能提高其工程性能。何财胜等[13]将不同掺量的水泥、石膏和水玻璃加入水泥土中进行室内强度试验，通过对试验结果比较分析发现三种材料对水泥土强度的影响程度大小，并且得到最优固化剂配合比，确定了掺合料的掺入量与水泥用量之间存在一个比例关系。Nalbantoglu 等[14]在黏土中加入石灰和粉煤灰可以有效地改良黏土的物理性质，例如减小其膨胀性和可压缩性等。Bozbey 等[15]使用不同掺量石灰对黏土进行改良，对试验结果分析发现，石灰能够有效地提高了黏土的塑性、压缩强度等力学性质。根据以上学者的研究表明，水泥、水玻璃、石灰和石膏等固化剂对粉质黏土无侧限抗压强度都有一定增强效果，且搅拌土无侧限抗压强度与加入的固化剂种类有关，不同固化剂对其抗压强度影响程度不同。

本文以南昌地区粉质黏土为例，通过正交试验探究水泥掺入比、水玻璃掺量、生石膏掺量和生石灰掺量对水泥搅拌土的抗压强度的影响，最终确定固化剂最优配比组合，并且通过扫描电镜试验，对高强粉质黏土-水泥搅拌土的微观结构进行了分析，阐述了高强水泥搅拌土的产生机理。

1 试验

1.1 试验材料

本试验采用南昌市地铁4 号线七里站地段粉质黏土作为原料土，随机从中取出部分土样进行室内物理试验，得到其力学指标如表1 所示。先将原料土放入烘箱中进行烘干处理，温度控制在105 ℃左右，时间超过8 h，之后用工具击碎烘干后的土样，过5 mm 筛出去大粒径杂质，最后将制备好的土放置于密封塑料桶中以备试验使用。

表1 试验土样的物理参数Tab.1 Physical parameters of the test soil samples

本试验用主固化剂为普通硅酸盐水泥，标号等级为42.5，江西赣江海螺水泥有限责任公司生产。试验用外掺剂有生石膏：主要成分为CaSO4·2H2O；生石灰：其主要成分为CaO，灼烧后氧化钙含量不低于98%；水玻璃，硅酸钠水溶液，呈无色半透明黏稠状；萘系减水剂：萘磺酸盐甲醛缩合物，呈褐色粉末状；砂：产自南昌市天然河砂，细度模数为3.32。

1.2 正交试验方案

本试验采用正交试验设计安排，对照组配比为水泥掺量20%、萘系减水剂掺量1.5%，将该正交试验基准组命名为S 组。在此基础上，本文确定4 个考察因素，分别为：水泥掺量、水玻璃掺量、生石膏掺量和生石灰掺量，对应将4 个因素命名为：因素A、因素B、因素C 和因素D，其中每个因素包含4个水平，采用正交表为L16（44），所选用的因素及对应水平列于表2。

表2 正交试验方案的因素水平表Tab.2 Factor levels for the orthogonal test protocol%

1.3 试样的制备

试验制作时，先称取一定质量的干土样置于立式砂浆搅拌机，按照设计含水率加水搅拌至均匀，再依次加入一定比例的水泥和各外掺剂组分充分搅拌，并按照水灰比的设定，加入一定量的水，充分搅拌至均匀后得到拌和物，待用于制样。根据《水泥土配合比设计规程》（JGJ/T 233—2011）的规定，每组配合比制作12 个边长70.7 mm 的立方体试块，该正交试验共16组，共计制备192 个有效试样。待试样制作完成后，随后进行拆模、养护，待养护龄期达到7 d 和28 d 后将其取出，进行强度试验。拆模前水泥土试块如图1 所示。

图1 水泥土试样Fig.1 Cement soil specimen

1.4 扫描电镜试验

本次试验采用扫描电子显微镜（SEM）对水泥搅拌土的微观结构特性以及内部微观形貌进行观测和分析。

2 试验结果与分析

2.1 正交试验结果

水泥土试块养护到7 d 和28 d 后分别进行无侧限抗压强度试验，对应试验方案及计算结果如表3。

表3 7 d 和28 d 龄期正交试验表Tab.3 Orthogonal test at 7 d and 28 d

根据正交试验设计，以水泥土7 d 和28 d 无侧限抗压强度为评价指标，由正交试验结果可以得到每个因素各个掺量水平下搅拌土的强度值，并绘制其影响趋势图，如图2（a）和图3（b）所示。

图2 7 d 各因素的实际掺量与抗压强度的关系Fig.2 Relationship between the actual dosing and compressive strength of each factor at 7 d

图3 28 d 各因素的实际掺量与抗压强度的关系Fig.3 The relationship between the actual dosing and compressive strength of each factor at 28 d

对比图2（a）和图3（b）可知，7 d 和28 d 龄期时四个因素在各水平掺量下与搅拌土抗压强度的关系趋势比较相近。从图2（a）和图3（b）可以看出，当水泥掺入比从16%提升至24%过程中，搅拌土的无侧限抗压强度一直增长，但随着水泥掺入比增加到28%，强度反而减小。同样，随着水玻璃和生石膏的掺入比变大，搅拌土的无侧限抗压强度总体呈现上升趋势。但在搅拌土28 d 龄期时，水玻璃掺入比从0%增长到2%其无侧限抗压强度反而减小；在搅拌土7 d 龄期时，石膏掺入比从0%增长至3%其无侧限抗压强度也在减小。对于生石灰，在其掺入比达到2%的时候，搅拌土的无侧限抗压强度达到最大。搅拌土强度增加的原因是生成水化产物：钙矾石晶体和硅酸钙凝胶，它们相互结合填充孔隙，使搅拌土内部更加紧实。

另外，结合表3 给出的正交试验中各种固化剂对搅拌土7 d 龄期无侧限抗压强度影响的试验结果，养护龄期为7 d 时，第12 组试验的强度是最高的，其值为3.2 MPa，相较于基准对照组2.3 MPa，强度提升了39%，其试验条件为：A3B4C2D1，此时试验配比为：水泥掺入比24%、水玻璃6%、生石膏2%、生石灰0%。由表4 可知，养护龄期为28 d 时，第12 组试验的强度也是最高的，其值为8.6 MPa，同比基准对照组5.7 MPa，搅拌土强度提升了51%，其试验条件为：A3B4C2D1。对试验结果分析发现，生石灰对搅拌土抗压强度的影响略大于生石膏。

表4 正交试验极差表Tab.4 Range of orthogonal test

综合上述试验结果与分析，在搅拌土的正交试验中，使用第12 组配合比浇筑时搅拌土强度达到最大值，因此选定用于粉质黏土固化改良的最优配比为：水泥掺入比24%、水玻璃6%、生石膏2%、生石灰0、萘系减水剂1.5%。为了方便表述，将此配比中的外掺剂命名为固化剂DH。基于正交试验，推荐在水灰比为1.5、粉质黏土含水率为12%左右的条件下使用固化剂DH。

2.2 极差分析

按照正交试验的分析方法，对表3 结果进行处理，得到正交试验极差表，见表4。

由表4 中抗压强度的各因素极差值可以看出，搅拌土试块7 d 龄期和28 d 时水泥掺量对搅拌土抗压强度的影响最大，这也与一般规律吻合，其次是水玻璃掺量，但在搅拌土试块7 d 龄期时生石灰掺量比生石膏掺量对搅拌土抗压强度影响大，而28 d 龄期时正好相反。

2.3 方差分析

以28 d 无侧限抗压强度试验结果为例，进行单变量方差分析，结果如表5 所示。

表5 28 d 无侧限抗压强度试验结果方差分析Tab.5 Variance analysis of 28 d lateral limitless compressive strength test results

F0.01（3，6）=9.78，F0.05（3，6）=4.76，F0.1（3，6）=3.29。如果F＞F0.01（3，6），则说明该因素对指标有显著影响，即用符号“＊＊”表示；如果F0.05（3，6）＜F＜F0.01（3，6），则说明该因素对指标有一定程度影响，即用符号“＊”表示；如果F0.1（3，6）＜F＜F0.05（3，6），则说明该因素对指标有影响；如果F＜F0.1（3，6），则说明该因素对指标几乎没有影响。

由表5 可知，水泥掺入比和水玻璃掺量对搅拌土28 d 抗压强度均有显著影响，但水泥掺量是影响搅拌土的主要因素，其次是水玻璃掺量，生石膏掺量和生石灰掺量对搅拌土28 d 抗压强度有一定程度影响。这与极差分析结果略有不同，但都证明了添加这4 种外掺剂是改良搅拌土的有效加固手段。

2.4 因素指标分析

由于极差分析法的局限性，不能很准确地证实各因素对指标的影响，同时不能把试验条件改变引起的数据波动和由误差的数据波动区分开[16]，为减小误差，需对各因素贡献率的计算进行分析，各因素贡献率结果见表6。

表6 28 d 抗压强度下各因素与误差的贡献率结果Tab.6 Results of the contribution of each factor to the error at 28 d compressive strength

由表6 中搅拌土28 d 抗压强度下各因素与误差的贡献率结果可知，水泥掺量对28 d 抗压强度的影响程度最大，这与极差分析结果一致，水玻璃掺量次之。同时从表中结果可知，生石灰掺量和生石膏掺量引起的数据波动均大于误差引起的数据波动，其中生石膏对应的数据波动在4 个因素中最小。

2.5 高强水泥搅拌土机理分析

为了进一步分析粉质黏土改良后强度提升的机理，分别对粉质黏土原状土和经过最优配比固化剂改良过的水泥土开展了扫描电镜试验。图4 和图5 为粉质黏土改良前后在放大4 000 倍下的SEM图像。由图4 可知，土体内部的物质以片状和颗粒状为主，片状土质间存在裂缝，局部出现土颗粒堆积，整体来看孔隙较大，颗粒物间胶结程度差，这也导致土体结构疏松和强度低的原因。由图5可以清晰地看出，土颗粒之间的孔隙基本都由凝胶物质填充，其表面已被绝大多部分胶结物质所覆盖，材料中颗粒之间的孔隙明显减小，分散的颗粒逐渐形成团聚状结构，搅拌土的密实性大幅度提高，搅拌土抗压强度的得以提升，这也说明多种外掺剂在合理配比下对粉质黏土改良效果良好。

图4 粉质黏土原状土的SEM 图像Fig.4 SEM image of a silty clay in situ soil

图5 正交试验最优配比组的SEM 图像Fig.5 SEM image of the optimal ratio group from the orthogonal test

水泥土结构的密实性主要受硅酸盐水泥与水起水化反应的程度及相应产物多少的影响，而外掺剂的作用机理正是推动水泥土微观结构朝有利于提高强度和耐久性的方向发展。水玻璃加入水泥土中能够加速浆液的凝结，同时作为原材料参与水化反应。生石灰的掺入可以直接在固化土中间接补充足够的Ca2+和OH-离子浓度，促进搅拌土中水泥水化速率提升，使得早期水化硅酸钙形成，显著增强搅拌土的早期抗压强度。生石膏与水泥反应生成大量水化产物，并且水化产物不断膨胀，使水泥土的结构不断密实，强度增长，承载力提高。上述几种材料按照合理的比例加入搅拌土中，能够大幅度提升搅拌土的力学性能。

3 结论

1）通过极差分析法对正交试验结果进行分析，对搅拌土的抗压强度影响程度从大到小依次为水泥掺量，水玻璃掺量，生石膏和生石灰掺量。

2）对试验结果进行单因素方差分析，可知影响搅拌土无侧限抗压强度的主要因素为水泥掺入比和水玻璃掺量，而生石膏掺量和生石灰掺量是对搅拌土无侧限抗压强度有一定程度影响。

3）确定粉质黏土固化改良的最优配比为水泥掺入比24%、水玻璃6%、生石膏2%、生石灰0%、萘系减水剂1.5%，并推荐在水灰比为1.5、粉质黏土含水率为12%时使用。经过DH 固化剂改良后，粉质黏土可以在标准龄期28 d 时强度可以达到8.6 MPa。

4）高强粉质黏土-水泥搅拌土的改性机理主要包括：搅拌土的力学特性离不开水泥的水化和凝结硬化、土颗粒中的离子交换与团粒化作用以及碳酸化作用等；按照一定合理配比下的固化剂可以帮助改善提高土壤pH 值、增加溶液Ca2+浓度，激发活性矿物解离并不断参与水化反应生成凝胶性物质，有助于强化微观骨架，使得搅拌土的抗压强度等宏观力学性能大幅度提升。