工业废渣固化剂加固滨海软土固化试验研究

张晓彬

（唐山工业职业技术学院，河北 唐山 063299）

0 引言

滨海软土具有含水率高、压缩性大、透水性差、内聚力小、抗剪强度低、固结系数小等特点[1]，滨海软土主要是指由淤泥、淤泥质土、冲填土、杂填土或夹杂泥炭、贝壳、生物残骸等高压缩性土层构成。在外荷载作用下，需要经过较长时间压缩固结才能稳定，也会产生较大沉降及不均匀变形，所以需要进行处理，以改善地基土的性质，改善地基土的力学性能，保证建筑物的正常使用[2]。

搅拌法是目前软土地基加固领域一种常用方法，搅拌法常用的固化剂是水泥，用量占原状土的10%～20% 之间，即水泥的占比相当大。通过特制的搅拌机械边钻进边往软土中喷射浆液或雾状粉体，在地基深处就地将软土和固化剂强制搅拌，使喷入软土中的固化剂和软土之间所产生的一系列物理- 化学作用，形成具有整体性、水稳性的水泥加固土桩柱体，由若干根这类加固土桩柱体和桩间土构成复合地基[3]。

随着城镇化的发展及对环保要求的提升，寻找一种新型复合绿色环保材料作为软土固化剂成为热门的研究课题。同时我国北方沿海地区的钢铁厂和热力厂产生的大量工业废渣（脱硫石膏、矿渣、铝渣）的处理也面临着巨大的压力[4-5]。本文拟利用工业废渣制备不同成分的固化剂对曹妃甸软土进行试验研究，通过对比试验研究工业废渣固化剂在实际工程中应用的可行性。

1 试验方案

1.1 原材料

试验采用的软土取自河北省唐山市曹妃甸区某建筑工地，主要成分为淤泥质黏土，有机质含量8.4%，主要物理力学参数如表1 所示，脱硫石膏采用火电厂脱硫后的副产品，矿渣取自曹妃甸区某钢铁企业，水泥采用42.5 的普通硅酸盐水泥。铝渣是电解铝企业的含铝废弃物，三氧化二铝含量在45% 以上，7 d 膨胀率大于0.025%，28 d 膨胀率小于0.05%，水化过程中具有微膨胀效果，可以抵消土地固化中收缩效应。粉煤灰为二级粉煤灰，且其中Al2O3与SiO2质量百分比之和大于70% 且CaO质量百分比小于等于10%。氢氧化钠为干粉试样，其中氢氧化钠含量质量大于99%。

表1 土样物理力学性能

1.2 试验方法

通过改变固化剂中不同的组分比例，制备不同配比的固化剂。然后取不同掺入量的固化剂分别加入到含水率为65%、75%、85%的3 种土样，混合并搅拌均匀得到固化土试件，试样制备完成后，自然养护1 d 脱模，并称重，将试样装入洒水湿润后的塑料保鲜袋中，置于标准养护室内养护，养护温度控制在25 度左右，相对湿度大于等于95%，养护至所需龄期测得7 d、28 d 龄期的无侧限抗压强度。通过固化剂不同成分设计制备3 种固化剂，以9% 掺入量加固滨海软土，测定加固土地的力学性能。然后采用固化剂3（RTGHJ3）研究不同掺入量情况下加固滨海软土后的无侧限抗压强度。同时试验六采用水泥为固化剂作为对比试验，掺入量采用12%进行加固滨海软土。试验方案如表2 所示。

表2 试验方案

2 试验结果及分析

2.1 理论分析

脱硫石膏中的主要成分为CaSO4，其会发生如下化学反应，反应见式（1）。

水泥中的化学成分铝酸钙和石膏反应变成钙矾石，钙矾石形成后体积整体增大约1.2 倍，体积膨胀导致固结软土孔隙比减少；此外除了化学反应膨胀作用外，钙矾石相互交叉的结晶，也形成了特有的空间网架结构，填充于软土孔隙中，钙矾石降低了加固土的孔隙比，减小了加固土的平均孔径，必然提高软土的无侧限抗压强度。由干燥状态的生石灰变成的熟石灰有很强的吸水能力，该吸水作用一直到与周围软土平衡为止，在这种状态下的化学反应见式（2）。

水和石膏反应生成的钙矾石的膨胀特性与液相CaO、OH-的浓度有关。一旦加固土孔隙水中浓度太低，在远离含铝相表面的地方钙矾石以较粗大的单个晶体析出，晶体在孔隙中可，不依托于固相地自由生长，不产生晶体压力，从而使结构强度显著提高。此外要重点控制CaO 的掺量，原则是要在水泥浆凝结硬化前恰好用完，以防止在水泥浆硬化后产生钙矾石，造成膨胀现象使硬化的水泥浆开裂而破坏。充分资源化利用工业废弃物粉煤灰，加入氧化钙，调节软土的pH 值，促进水化和硬化过程，以期达到较好的加固效果。

2.2 试验结果

不同试验的试验结果如表3 所示。

表3 试验结果

2.3 试验分析

不同含水率情况下，含水率越低固结软土的无侧限抗压强度越低，含水率65% 的固结软土试块的无侧限抗压强度最高。在同样固化剂掺入量（9%掺入量）、含水率65%的滨海软土情况下，试件养护28 天测定不同组分配比固化剂加固试件的无侧限抗压强度，如图1 所示。固化剂RTGHJ3 的28天无侧限抗压强度达到了1.61 MPa，对比固化剂RTGHJ1、RTGHJ2，固化剂RTGHJ3 的前期强度增长速度较快，65%含水率条件下，7 天无侧限抗压强度达到了1.55 MPa，达到了理想的加固效果。

图1 不同配比固化剂加固试件强度

采用RTGHJ3 固化剂加固软土试样并采用9%、12%、15%3 种不同掺入量情况下，研究加固试件的无侧限抗压强度，对比不同水泥掺量情况下的固化效果，不同掺入量下无侧限抗压强度如图2 所示，固化剂RTGHJ3 加固曹妃甸软土达到了理想的加固效果且经济效果显著，从图可知，采用掺入量12% 时，加固试件的28 天无侧限抗压强度达到了1.75 MPa，加固试件的强度显著提高，因此工程应用建议采用12% 掺入量的RTGHJ3 固化剂进行固结处理。

图2 RTGHJ3 不同掺入量加固试件强度

在软土含水率65%、固化剂掺入量均为12%情况下，水泥固结软土和RTGHJ3 固化剂固结软土后试件的7 天、28 天无侧限抗压强度实验结果如图3 所示。从图中数据可知，采用RTGHJ3 固化剂固结滨海软土的28 天无侧限抗压强度达到了1.15 MPa。

图3 RTGHJ3 不同掺入量加固试件强度

3 结论

1）该试验充分利用火电厂、炼钢厂等企业的工业废渣制备软土固化剂，降低了企业环保压力，同时解决了水泥紧缺的问题，降低了工程成本，具有较大的经济效益和环保效率。

2）利用工业废渣配置软土固化剂相对于传统石灰的固结，提高了无侧限抗压强度，相对于传统水泥的固结减少了固化土干缩性，同时该固化剂的7 天及28 天的无侧限抗压强度能满足工程需求，尤其对于沿海地区淤泥质软黏土软土加固效果显著。

3）采用固化剂RTGHJ3 在掺入量12% 情况下的加固试件无侧限抗压强度显著提高，为工程实践提供了数据支撑。