粉煤灰矿渣基地聚物对软土加固效果的影响研究*

李松波

（中南勘察基础工程有限公司，湖北武汉 430081）

地聚物在20 世纪70 年代由Davidovit 提出[1]，主要由碱激发剂激发硅铝酸盐，是目前在建筑领域被认为最具前景的绿色新型材料[2]。它既具有比水泥更优异的性能，又具有生产工艺简单、能耗少、环境污染小等优点[3-7]，在土木工程材料[8]、快速修补材料[9]、防护涂料[10]、软土地基加固[11]、固化化学污染和放射性废物[12]等领域得到广泛应用。粉煤灰矿渣基地聚物在降低水泥生产、使用过程中碳排放量的同时，还可以有效消耗粉煤灰以及矿渣两种工业固体废弃物，起到双重环境保护的效果。因此，本文针对地聚物在软土地基加固领域的应用展开研究，制备不同矿渣掺量和碱掺量的地聚物试样，在基于力学强度找出最佳矿渣掺量和碱掺量的基础上，开展了不同地聚物掺量和初始含水率的加固软土的抗压强度、内聚力、内摩擦角测试，找出最佳软土加固的地聚物配比。本文的研究成果可为地聚物在软土加固方面的应用提供理论基础。

1 实验部分

1.1 材料及仪器

实验材料由粉煤灰、矿渣、水玻璃、NaOH 、水泥、软土和水组成。其中，粉煤灰选自河南怡晟公司，符合一级粉煤灰标准；矿渣选自河南恒扬实业有限公司，符合S105 等级标准；水玻璃选自山东优索化工科技有限公司，符合一级水玻璃标准；NaOH 选自河南维联精细化工有限公司，纯度大于99%；水泥选用市售P.O42.5 普通硅酸盐水泥；软土取自武汉市长江沿岸某基坑埋深3～6m 处。利用荧光光谱分析实验分析粉煤灰和矿渣的主要矿物成分，结果见表1。

记得在我七八岁的时候，家里人就不让我睡懒觉，爷爷经常说的两句话：“晚上不睡是赖人，早上不起是病人。”“早睡早起不惹是非。”要我养成良好的起居习惯。

表1 粉煤灰和矿渣的主要矿物成分含量（%）Tab.1 Main mineral components content of fly ash and slag

现场取样开展软土的原状土样实验，软土的基本力学性质见表2。

(3)加强反滤排水措施。设置适当级配的砂反滤层，用以截留坝体中的细颗粒，保证不流出坝体，减少流土和管涌风险。当出现管涌时，具体措施有设置反滤围井、反滤层压盖、透水压渗平台、蓄水反压方式。

表2 软土的基本力学性质Tab.2 Basic mechanical properties of soft soils

抗压强度测试选用WAW-300B 型微机伺服万能试验机，内聚力、内摩擦角测试选用南京土壤仪器厂生产的ZJ 型应变控制式直剪仪。

1.2 实验方案

由图1（b）可见，当保持矿渣掺量不变时，随着碱掺量的增大，粉煤灰矿渣地聚物净浆的28d 抗压强度均出现了先增大后减小的变化规律，原因在于，适量的OH-能够加快粉煤灰矿渣中水化反应原物质的溶解和反应，提高净浆的抗压强度；但一旦OH-过多则会导致净浆后期硅铝酸盐反应受阻，结构电负性失去平衡，其强度反而降低。矿渣掺量分别为10%、20%、30%、40%、50%时，最合适的碱掺量分别为8%、10%、10%、11%、12%，可见，矿渣掺量越高，合适的碱掺量也越高。

2.2.1 粉煤灰矿渣地聚物对加固土抗压及抗剪强度的影响 当在软土中掺加不同质量的粉煤灰矿渣地聚物时，养护7d 和28d 后加固土的抗压强度变化见图2。

当保持水胶比以及碱激发剂模数分别为0.3 和1.0 不变时，分别改变矿渣掺量和碱掺量，测试地聚物28d 抗压强度，结果见图1。

表3 实验方案（wt%）Tab.3 Test scheme

表3 中，矿渣掺量是指矿渣在胶凝材料中的质量占比；碱掺量是指水玻璃中Na2O 在胶凝材料中的质量占比。水胶比保持0.3 不变，激发剂模数为1.0。

依据地聚物力学测试结果选取最佳低聚配比后，分别在软土中掺加4%、8%、12%、16%以及20%的地聚物进行加固，并对加固效果进行抗压强度、内聚力、内摩擦角分析，找出最佳的地聚物配比。

2 结果与讨论

2.1 地聚物配比实验

人体内含量最多的脂类为TG，体内绝大多数组织均可利用TG分解的产物供给能量，其主要在脂肪组织中贮存。当体内的TG含量升高时，胆固醇酯转移蛋白活性增加，VLDL中更多的TG转移至HDL和LDL中，从而使HDL及LDL中的TG含量增加，胆固醇含量减少；另一方面肝脂酶和LpL会进一步水解HDL和LDL中的TG，形成密度较正常高、体积较正常小的HDL和LDL颗粒。小而致密的HDL因其体积小，较易从肾脏排出，造成HDL-C的下降；

图1 粉煤灰矿渣地聚物净浆28d 抗压强度的变化曲线Fig.1 The 28d compressive strength change curves of fly ash slag geopomer clean pulp

由图3 可见，粉煤灰矿渣地聚物掺量分别为4%、8%、12%、16%以及20%时，养护28d 后加固土的内聚力分别为10.5、25.4、78.2、225.3 和458.5kPa，相应的内摩擦角分别为10.2°、13.6°、20.0°、26.2°和28.9°。可见，随着粉煤灰矿渣地聚物掺量的增大，加固土内聚力的增长速率越来越大，而其内摩擦的增长速率越来越小。即加固土的内聚力和内摩擦角分别与粉煤灰矿渣地聚物掺量呈指数递增式和指数衰减式增大关系。

为了分析矿渣和水玻璃掺加对地聚物力学参数的影响规律，分别制备了不同矿渣掺量和碱掺量的25 个试样，具体方案见表3。

综合分析不同矿渣和碱掺量条件下粉煤灰矿渣地聚物净浆的28d 抗压强度实验结果可知，当矿渣掺量为40%时，碱掺量为10%时，粉煤灰矿渣地聚物综合性价比最好。因此，本文加固软土采用粉煤灰矿渣地聚物的水胶比、碱激发剂模数、矿渣掺量以及碱掺量分别0.3、1.0、40%和10%。

2.2 软土加固效果实验

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可以看出，在参考模型中，知识主题出现的先后顺序层次较为清晰，整个小学阶段、初中阶段贯穿“未知数、变量的运用”，不断强化代数思维的渗透，将“算术”与“代数”进行有效衔接；小学结束之前设置“代数式的运算”延续到整个初中、高中阶段，从值的“输入输出”开始，为之后“代数式概念”做准备；初中阶段设置“代数式概念”；高中阶段根据实际需要设置“代数式的证明”．

图2 加固土抗压强度随粉煤灰矿渣地聚物掺量的变化曲线Fig.2 Change compressive strength curves of reinforced soil with the content of fly ash slag geopomer

由图2 可见，粉煤灰矿渣地聚物掺量分别为4%、8%、12%、16%以及20%时，加固土的7d 抗压强度值分别为0.12、0.35、1.02、3.24 以及6.57MPa，而其28d 抗压强度值则分别为0.21、0.62、2.08、8.05 以及15.0MPa。由此可知，随着煤灰矿渣地聚物掺量的增大，加固土的抗压强度呈指数递增式增大，且煤灰矿渣地聚物掺量越大，加固土的后期强度增长幅度比率也越高。原因在于，煤灰矿渣地聚物掺量越大，煤灰矿渣地聚物消耗的软土自由水比率也越高，相应的水化反应产物也越多，其填充在软土孔隙中，不仅可以起到填充作用，增加土体密实性，而且还能将土体颗粒紧密联系在一起共同形成承载体系，从而大大提高软土的抗压承载能力。

由图5 可见，软土初始含水率分别为32%、40%、48%、56%以及64%时，加固土的内聚力分别为133.5、100.3、78.2、45.2 和14.0kPa，相应的内摩擦角分别为22.8°、21.5°、20.0°、16.5°和11.2°。可见，随着软土初始含水率的提高，加固土的内聚力和内摩擦角分别呈近线性式减小和指数递增式减小。

图3 加固土抗剪强度随粉煤灰矿渣地聚物掺量的变化曲线Fig.3 Cohesion and internal friction angle change curves of reinforced soil with the amount of fly ash slag geopomer

由图1（a）可见，当保持碱掺量不变时，粉煤灰矿渣地聚物净浆的抗压强度随着矿渣掺量的增大而大体呈线性增大，原因在于，矿渣掺量越大，粉煤灰地聚物中的CaO 含量就越高，其水化反应生成的C-S-H 凝胶就越多，相应的净浆抗压强度也越高。碱掺量分别为6%、8%、10%、12%、14%时，矿渣掺量每增加10%，粉煤灰矿渣地聚物净浆的28d 抗压强度分别增长4.5、4.4、6.0、7.7 和8.1MPa，可见碱掺量越大，粉煤灰矿渣地聚物净浆的28d 抗压强度随矿渣掺量的增大幅度就越高。

2.2.2 软土初始含水率对加固土抗压及抗剪强度的影响 当保持粉煤灰矿渣掺量为12%不变，不同软土初始含水率条件下加固土的7d 和28d 抗压强度变化情况见图4。

图4 加固土抗压强度随软土初始含水率的变化曲线Fig.4 Compressive strength change curves of reinforced soil with initial moisture content of soft soil

由图4 可见，软土初始含水率分别为32%、40%、48%、56%以及64%时，加固土的7d 抗压强度值分别为1.53、1.23、1.05、0.72 及0.22MPa，而其28d抗压强度值则分别为3.72、2.68、2.08、1.44 及0.35MPa。由此可知，随着软土初始含水率的增大，加固土的抗压强度呈近线性式减小，即软土初始含水率每提高8%，加固土抗压强度将减小0.8MPa。原因在于，软土初始含水率越大，加固土的整体水胶比就越大，粉煤灰矿渣地聚物水化产物填充在含水孔隙的密度就越小，其粘结土颗粒的作用也越有限，相应的加固效果就越差。

当保持粉煤灰矿渣掺量为12%不变，养护28d后不同软土初始含水率条件下加固土的两个抗剪强度指标见图5。

图5 加固土内聚力和内摩擦角随软土初始含水率变化曲线Fig.5 Cohesion and internal friction angle change curves of reinforced soil with initial water content of soft soil

当在软土中掺加不同质量的粉煤灰矿渣地聚物时，养护28d 后加固土抗剪强度的两个指标（内聚力和内摩擦角）变化见图3。

2.3 出院或死亡时血常规检测 出院或死亡当日行血常规检查，死亡组淋巴细胞比率、单核细胞比率、红细胞计数、红细胞比积及血小板计数均低于存活组，差异有统计学意义(P<0.05)；中性粒细胞比率高于存活组，差异有统计学意义(P<0.05)，见表3。

2.3 水稳定性分析

当在软土中掺加不同质量的粉煤灰矿渣地聚物，并先养护28d 再浸水30d 后进行单轴压缩实验，得到加固土抗压强度的变化曲线见图6。

图6 浸水30d 后加固土抗压强度随粉煤灰矿渣地聚物掺量的变化曲线Fig.6 Change compressive strength curves of reinforced soil with the content of fly ash slag geopomer after 30d immersion in water

对比图2 可以看出，粉煤灰矿渣地聚物掺量分别为4%、8%、12%、16%以及20%时，先养护28d 再浸水30d 后加固土的单轴抗压强度分别为0.15、0.52、1.75、7.12 及13.8MPa，是未浸水条件下的71.4%、83.8%、84.1%、88.4%和92.0%。由此可知，粉煤灰矿渣地聚物掺量越大，加固土的水稳定性越好，原因在于，粉煤灰矿渣地聚物水化产物填充在软土孔隙中，不仅能提高土体的密实性，而且能加强土颗粒间的整体联系性，粉煤灰矿渣地聚物掺量越大，这种作用效应就越明显，因而，加固土的水稳定性就越强。

3 结论

（1）粉煤灰矿渣地聚物净浆抗压强度随矿渣掺量的增大呈线性增大，随着碱掺量增大呈先增后减。矿渣掺量为40%、碱掺量为10%时，粉煤灰矿渣地聚物综合性价比最高。

（2）随着煤灰矿渣地聚物掺量的增大，加固土的抗压强度和内聚力呈指数递增式增大，而内摩擦角则呈指数衰减式增大。

没有回答，肃立的人不约而同地望向南坝、东坝的方向，天未破晓，他们眺望的地方沉浸在黑暗里，但登上库来时迟恒看过，那里万家灯火。

（3）随着软土初始含水率的增大，加固土的抗压强度和内聚力呈线性减小，而内摩擦角则呈指数递增式减小。

（4）粉煤灰矿渣地聚物掺量越大，加固土水稳定性就越好，当其掺量为12%时，加固土水稳定系数达84%以上。