復合固化劑改良地鐵渣土的無側限抗壓強度研究

吳琰 朱曉東 陳玥 薛丹璇

中國市政工程華北設計研究總院有限公司 天津300132

引言

近年來，我國的地鐵建設蓬勃發展，盾構掘進過程中會產生大量的渣土，其含水率高、滲透性強、抗壓強度低，無法直接用于工程建設。當前，我國地鐵渣土處置能力嚴重不足，管理水平不高，多采用堆放、填埋的方式進行處置。為提高資源化利用水平，減少對環境產生不利影響，開展對地鐵渣土固化再利用的研究。

傳統固化劑主要由水泥、石灰、粉煤灰、堿渣、高爐礦渣、鋼渣、硅粉等材料單獨使用或組合而成。倪嘉卿等［1］進行了在水泥、礦渣的基礎上分別添加摻Na2SO4、CaO回填黏土快速固化室內試驗研究，結果表明復摻Na2SO4＋CaO，且兩者含量分別為礦渣質量的30%和20%時，固化效果最佳。王東星等［2］研究了氯氧鎂水泥固化淤泥力學特性，結果表明氯氧鎂水泥固化淤泥體系中MgO活性越高，固化土中生成的水化產物越多，試件無側限抗壓強度越高。王東星等［3］研究了堿激發粉煤灰固化淤泥的微觀機理，結果表明堿和粉煤灰混合料能有效提高固化土無側限抗壓強度。石宇等［4］對鋼渣粉固化淤泥質水泥土強度進行了研究，研究表明在水泥添加量一定的情況下添加鋼渣粉能有效提高無側限抗壓強度。Deepak Gupta 等［5］研究了利用粉煤灰、水泥和纖維增強黏性土進行力學性能實驗，研究表明混合料的加入使固化土最大干密度降低，最佳含水率增加，對固化土強度的增強效果明顯。王朝輝等［6］研究新型CVC 固化劑固化淤泥，研究表明提高CVC 固化劑蛭石摻量，能增大固化土干縮應變、平均干縮系數，減小失水率和劈裂強度，原狀土中有機質含量對固化淤泥的耐水性、抗凍融性有不利的影響，CVC固化劑固化淤泥力學性能優于其他普通固化劑。王朝輝等［7］研究新型CDK固化劑固化淤泥，研究表明CDK 粉加入到淤泥中，其內部并沒有發生化學反應產生新的物質，只是CDK 粉吸水降低含水率的過程，最終CDK粉與淤泥融合，增強淤泥內部結構。吳雪婷等［8］研究ISS 固化劑和水泥對寧德海相淤泥進行化學固化，研究表明ISS 固化劑通過降低結合水膜的厚度，同時水泥發生水化反應將高含水率淤泥中的自由水轉變為礦物結晶水，兩者聯合使用對于降低淤泥初始含水率均具有積極作用。

傳統的固化劑對于改良地鐵渣土，起到一定的效果，但也存在著很多不足：工程造價高，偏重于某一方面固化土性能的改善，施工效果不易控制。本文擬在水泥粉煤灰的基礎上加入高分子聚合物A，提高固化土的強度和其他物理力學性能。

1 試驗方法

本文初擬復合固化劑最優的組合配比為水泥：粉煤灰：高分子聚合物A ＝6∶6∶1，同時將摻量相同的水泥作為對照組試驗（表1），試驗所用盾構渣土含水率為50%。

表1 不同固化劑摻量方案Tab.1 Different curing agent dosage schemes

本實驗采用Y-Ⅱ型應變控制式無側限壓縮儀，根據《公路土工試驗規程》（JTG 3430—2020），試件直徑3.8cm，高度8cm，應變控制式無側限壓縮儀下壓板每分鐘上升高度1mm，當軸向應變小于3mm時，每0.2mm 記錄一次軸向力和位移讀數，當軸向應變大于3mm 時，每0.4mm 記錄一次軸向力和位移讀數，當軸力達到峰值后繼續進行2cm位移或試件完全破壞時停止試驗。

無側限抗壓強度試驗中軸向應變按公式計算：

無側限抗壓強度試驗中平均斷面面積按公式計算：

無側限抗壓強度試驗中Z軸向應力按公式計算：

式中：h0為試件初始高度（cm）；Δh為軸向變形（cm）；A0為試件橫截面面積（cm2）；C為測力計率定系數（N／0.01mm）；R為測力計讀數（0.01mm）。

2 固化土無側限抗壓強度

2.1 試件強度及對比分析

不同固化劑的摻量及養護齡期對固化土無側限抗壓強度的影響見表2。

表2 不同固化劑摻量下各齡期固化土強度Tab.2 Strength of solidified soil at different ages with different dosage of curing agent

水泥固化劑摻量為4%時，水泥固化土7d無側限抗壓強度為647kPa；水泥固化劑摻量為16%時，7d 無側限抗壓強度為931kPa；水泥固化劑摻量提高了300%，固化土無側限抗壓強度僅提高了43.9%?？梢?，水泥作為固化劑時，提高水泥摻量對固化土無側限抗壓強度提高效果不理想。水泥固化劑摻量為4%時，7d 無側限抗壓強度為647kPa，180d無側限抗壓強度為763kPa，隨著齡期增加無側限抗壓強度提高了18%；水泥固化劑摻量為16%時，7d 無側限抗壓強度為931kPa，180d 無側限抗壓強度為993kPa，隨著齡期增加無側限抗壓強度提高了6.6%?？梢?，水泥作為固化劑時，提高養護齡期對固化土無側限抗壓強度提高效果不理想。

復合固化劑摻量為4%時，復合固化土7d無側限抗壓強度為1339kPa；復合固化劑摻量為16%時，7d無側限抗壓強度為2741kPa；復合固化劑摻量提高了300%，復合固化劑土無側限抗壓強度提高了104.7%?？梢?，復合固化劑摻量的提高對固化土無側限抗壓強度提高效果顯著。復合固化劑摻量為4%時，7d 無側限抗壓強度為1339kPa，180d無側限抗壓強度為1768kPa，隨齡期增加無側限抗壓強度提高了32%；復合固化劑摻量為16%時，7d 無側限抗壓強度為2741kPa，180d無側限抗壓強度為4377kPa，隨齡期增加無側限抗壓強度提高了60%?？梢?，隨齡期的增加，復合固化劑對固化土無側限抗壓強度的提高效果顯著。

水泥固化劑和復合固化劑作用于地鐵渣土，固化土無側限抗壓強度均隨固化劑摻量增加而提高。固化劑摻量4%時，復合固化土7d 無側限抗壓強度為水泥固化土7d 無側限抗壓強度的2.07倍；復合固化土180d無側限抗壓強度為水泥固化土180d無側限抗壓強度的2.32倍。固化劑摻量為16%時，復合固化土7d無側限抗壓強度為水泥固化土7d 無側限抗壓強度的2.91 倍；復合固化土180d無側限抗壓強度為水泥固化土180d 無側限抗壓強度的4.37倍?？梢?，復合固化劑土的無側限抗壓強度較同摻量、同齡期的水泥固化土顯著提升。

水泥固化劑摻量為4%時，水泥固化土180d無側限抗壓強度比7d 無側限抗壓強度提高了18%；復合固化劑摻量為4%時，復合固化土180d無側限抗壓強度比7d 無側限抗壓強度提高了32%。水泥固化劑摻量為16%時，180d 無側限抗壓強度比7d 無側限抗壓強度提高了6.6%；復合固化劑摻量為16%時，復合固化土180d 無側限抗壓強度為4377kPa，比7d無側限抗壓強度提高了60%?？梢?，相同摻量下，復合固化土的無側限抗壓強度隨齡期增長的幅度遠遠大于水泥固化土。

2.2 試件應力-應變和破壞形態

水泥固化劑固化土7d 無側限抗壓試驗中應力-應變曲線如圖1a 所示，隨著水泥固化劑摻量的增加，應力隨應變上升階段斜率不斷增大；應力峰值點對應的應變不斷減??；應力-應變曲線中塑性屈服階段逐漸減弱；固化土強度增大在破壞階段導致試件開裂破壞，殘余應力變得難以計量。

圖1 不同固化劑固化土的應力-應變曲線Fig.1 Stress-strain curves of soil solidified with different curing agents

復合固化劑固化土7d 無側限抗壓試驗中應力-應變曲線如圖1b 所示，隨著復合固化劑摻量的增加，應力-應變曲線與水泥土變化趨勢相似，應力隨應變上升階段斜率不斷增大；應力峰值不斷增大及其對應的應變不斷減??；應力-應變曲線中塑性屈服階段逐漸減弱；由于復合固化劑固化土強度增長更大，其破壞階段導致試件基本都完全崩解。

固化土破壞形態主要有兩種，如圖2 所示。圖2a為塑性破壞，試件為一條主裂縫與試件主軸呈45°發展，其應力-應變曲線表現為加載初期應力隨著應變呈線性增加，當應力達到峰值強度一半左右時，應力隨應變線性增長的斜率變小，但應力仍然處于增加階段，直到試件破壞。圖2b為脆性破壞，試件裂紋的萌生方向、發展方向，直至裂紋連通方向均與荷載方向平行或呈較小的夾角，無側限抗壓強度越大，試件主裂紋與主軸夾角越小，應力-應變曲線表現為加載初期應力隨應變呈線性迅速增長，持續到應力到達峰值點后應力迅速降低，應力-應變曲線中塑性屈服階段不明顯。

圖2 固化土破壞形態Fig.2 Failure pattern of solidified soil

分析認為兩種裂縫主要影響因素是有無“套箍作用”，塑性破壞因試件強度較低單軸受壓導致豎向縮短，橫向擴張，由于無側限壓力機墊塊的橫向位移遠遠小于固化土試件的橫向位移，因此墊塊與土樣接觸面上的摩擦力約束土樣的橫向變形，“套箍作用”出現。脆性破壞因試件無側限抗壓強度較高，墊塊與土樣接觸面上的摩擦力不足以約束土樣的橫向變形，因此無“套箍作用”出現。

3 地鐵渣土含水率對復合固化土強度的影響

不同地鐵渣土含水率情況下，復合固化劑摻量和養護齡期對固化土無側限抗壓強度的影響，如圖3 所示。

圖3 不同地鐵渣土含水率固化土無側限強度曲線Fig.3 Unconfined strength curve of solidified soil with different moisture content of residues

當地鐵渣土含水率為30%時，以養護60d固化土強度為例，隨著復合固化劑摻量的增加，固化土強度呈線性增加，固化劑摻量為4%時，固化土強度為2834kPa，當固化劑含量增加至16%時固化土強度達到5135kPa，是相同水泥摻量固化土強度的5 倍，復合固化劑對于含水率為30%的地鐵渣土固化效果明顯，固化土強度隨固化劑摻量增加而提升。

當地鐵渣土含水率為50%時，養護齡期7d、14d、28d、60d的固化土強度曲線隨復合固化劑摻量曲線變化規律如下：養護齡期為7d 和14d時，固化土強度隨著復合固化劑的摻量增加而提高，曲線斜率逐漸增大，養護齡期28d 和60d 時固化土強度增長速率更快，摻量由8%增加到16%過程中，固化土強度呈線性增長，斜率保持不變。

當地鐵渣土含水率為70%時，固化土養護7d，復合固化劑摻量在4%到12%范圍內對于固化土強度提升不明顯，當復合固化劑摻量提升至16%時，固化土強度增長斜率明顯相對于固化劑摻量12%時增大，固化土強度由882kPa 增加至1567kPa。養護齡期為14d、28d、60d 時固化土強度隨固化劑摻量變化曲線相似，固化劑摻量由4%增加到8%時，固化土強度無明顯增加，當固化劑摻量繼續增加，固化土強度呈線性增加。

4 復合固化劑固化土強度曲線擬合

考察不同復合固化劑摻量固化土強度隨齡期增長規律，考察不同含水率地鐵渣土隨復合固化劑摻量和養護時間固化土強度變化規律，建立不同含水率地鐵渣土隨固化劑摻量、養護時間變化的固化土強度綜合計算模型，采用曲線模型分析固化土隨養護齡期變化規律，固化土無側限抗壓強度隨齡期變化規律如圖4 所示，根據實測固化土強度擬合曲線為：

圖4 不同齡期下固化土強度Fig.4 Strength of solidified soil at different ages

式中：a、b、c為常數。

圖4a為地鐵渣土含水率30%，不同固化劑摻量對應的固化土強度擬合曲線，擬合優度R2均大于0.99；圖4b 為地鐵渣土含水率50%，不同固化劑摻量對應的固化土強度擬合曲線，擬合優度R2均大于0.95；圖4c為地鐵渣土含水率70%，不同固化劑摻量對應的固化土強度擬合曲線中，擬合優度R2均大于0.97。

由圖4 可以看出，曲線模型符合固化土強度隨齡期增加而增大的變化規律，固化土前28d 強度增長速率快，28d～60d 強度增長速率逐漸減小，當齡期趨近于無限長時，固化土強度達到峰值不再增加。

5 結論

1.在相同摻量、相同齡期的條件下，無論是早期強度，還是后期強度，復合固化土的力學性能遠遠高于水泥固化土。

2.水泥固化劑摻量的增加，對于水泥固化土強度的增長作用有限；復合固化劑摻量的增加，對于復合固化土強度的增長效果顯著。

3.齡期對于水泥固化土無側限抗壓強度的提升作用較小，對于復合固化土無側限抗壓強度的增長明顯。

4.當地鐵渣土含水率為30%～70%時，復合固化土無側限抗壓強度隨著復合固化劑摻量增加而提高，隨著齡期的增長不斷提升；含水率越高，齡期對復合固化土強度提升越大。