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基于聚合物材料与水泥协同的软土岩层加固技术研究

2025-05-11 42 上传者：管理员

摘要：针对传统加固方式对软土岩层加固效果较差的问题，提出通过聚合物材料与水泥协同对软土岩层进行加固。试验首先研究了单一固化体系组分含量对软土岩层的影响，然后研究了最佳加固条件下，软土岩层的加固效果。试验结果表明，最佳固化配比为，水泥掺入比30%～40%,粉煤灰掺入比应不超过8%,水玻璃掺入比不超过6%,湿陷性黄土含量约为20%～30%。在此条件下，固化体无侧限抗压强度超过100 MPa,含水率约为120%,干密度约为0.6 g/cm3,300 kPa垂直抗剪强度超过140 kPa,粘聚力超过25 kPa,内摩擦角约为16°,表现出良好的固化效果。

关键词：
加固效果
聚合物材料
胶结凝胶
软土加固技术
软土岩层
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随着现代建筑行业的迅猛发展,许多工程建设不可避免的需要穿过软土岩层｡受软土岩层特殊土体性质的影响,在进行工程建设前,需要对软土岩层进行加固处理,避免在工程建设过程中出现沉降的现象｡但目前所用的加固方法多为水泥加固或混凝土加固,虽然有一定加固效果,但还无法达到理想要求｡对此,部分学者也进行了很多研究,杨望星采用粉煤灰､水玻璃､氢氧化钠和水制备粉煤灰基地聚合物,将其部分替代水泥用于软土加固,研究不同替代比例对加固土性能及固化剂成本的影响,粉煤灰基地聚合物替代比例分别为20%和40%时,就可以达到与水泥相同的加固效果,提升了软土加固的环保和经济效益[1]｡彭元栋针对水泥固化剂加固软土强度不足,完整性差的问题,引入新研发的软土固化剂对软土地层进行加固,经过新型固化剂加固后的固化体,较水泥掺量为20%的固化体强度增加91%,加固效果满足设计要求,且相较水泥加固软土而言,成本节约25%左右[2]｡李松波则采用粉煤灰矿渣基地聚物对软土进行加固,并对其加固效果进行研究,粉煤灰矿渣基地聚物可有效对软土进行加固,在矿渣掺量､碱掺量和地聚合物掺量分别为40%､10%和12%时达到最佳的加固效果[3]｡杨兴华以传统水泥搅拌桩加固方案为对比,研究了水泥石灰钢渣碎石夯扩桩复合地基在软土地基加固中应用,在软土地基承载力增强方面表现出一定的优势[4]｡试验以陈玉龙的复合碱激发偏高岭土研究结果为参考,研究了聚合物材料与水泥协同对软土岩层的加固效果｡

1、试验部分

1.1材料与设备

主要材料:水泥(P·O42.5德仁耐火材料);粉煤灰(一级品,荣域矿产品);水玻璃(AR,德闻化工);天然泥炭土和湿陷性黄土(均采集自云南昆明某地)｡

主要设备:JS750型小型混凝土搅拌机(华龙建筑机械);HZJ-A型混凝土振动台(盛世慧科检测设备);STM-1型电子万能试验机(检卓仪器科技);ZJ⁃1B型电动应变控制式直剪仪(鑫科建筑仪器)｡

1.2试样的制备

由于软土岩层的复杂性,分别采集软土岩层常见土体———泥炭土和湿陷性黄土,研究聚合物对软土岩层的加固效果;

(1)对采集到的泥炭土剔除杂质后,充分破碎备用｡对湿陷性黄土风干碾碎后过筛剔除杂质,通过手工喷壶喷洒自来水并小心翻拌,使湿陷性黄土保持在天然含水率状态,并用保鲜膜密封后静置;

(2)在小型混凝土搅拌机中依次放入泥炭土､湿陷性黄土､水泥和粉煤灰粉末,打开搅拌机搅拌5min使其充分混合,然后放入水玻璃和水,继续搅拌,使混合物呈现出均匀的膏体状态;

(3)将膏体材料分3次倒入提前刷涂有脱模剂的模具中,每次倒料需要充分振捣,排出膏体中气泡方可继续倒料;

(4)倒料结束后,放在混凝土振动台上振动5min振实,然后用刮刀将多余膏体刮去后,用保鲜膜密封好,静置1d脱模,然后在标准养护的条件下养护28d,养护温度和湿度分别为(20±2)℃和(95±2)%｡

1.3性能测试

1.3.1无侧限抗压强度

通过电子万能试验机对固化体的无侧限抗压强度进行测定,位移速率为1mm/min[6]｡

1.3.2直接剪切试验

在300kPa垂直压力的条件下,通过电动应变控制式直剪仪进行直接剪切试验,剪切速率为0.8mm/min,剪切结束后,计算固化体粘聚力和内摩擦角[7⁃8]｡

1.3.3干密度测试

通过烘干法测试固化体的含水率,并计算固化体的干密度[9⁃10]｡

2、结果与讨论

2.1对单一泥炭土的加固效果

2.1.1水泥对固化效果的影响水泥对固化体无侧限抗压强度的影响见图1｡

图1水泥掺入比对加固效果的影响

由图1可知,随水泥掺入比的增加,固化体试件的无侧限抗压强度也明显增加,即水泥对软土岩层表现出一定的加固效果｡这是因为水泥水化产物为C—S—H､C—A—H等胶结凝胶,对分散的土颗粒有胶结作用,使土体内部形成稳定的固化物骨架,增加了土体结构的密实度,进而增加了固化体的抗压强度[11⁃12]｡而随水泥掺入比的增加,生成的胶结凝胶也随之增加,对土壤的加固效果也越好｡但水泥掺入比超过30%后,加固物抗压强度增长趋势变缓,这是因为水化产物完全将土壤胶结在一起后,多余的胶结凝胶在内部堆积,无法硬化,不能提供更多的强度｡同时,胶结凝胶也无法填充土体内部的空隙,内部密实度较低,因此加固作用有限[13]｡在实际应用中,适合的水泥掺入比为30%~40%｡后续试验中,选择水泥掺入比30%继续进行试验｡

2.1.2粉煤灰对固化效果的影响

水泥对软土土壤有一定的加固效果,但还无法达到加固要求,因此继续使用粉煤灰对软土进行加固｡粉煤灰加固软土试件无侧限抗压强度变化见图2｡

图2粉煤灰对加固效果的影响

由图2可知,随粉煤灰掺入比的增加,固化物的无侧限抗压强度也随之增加｡但增长趋势在粉煤灰掺入比超过8%后开始变缓｡出现这个变化的主要原因在于,粉煤灰中存在大量无定型的硅铝化合物,与水泥水化产物氢氧化钙反应,消耗了体系内的钙离子,促进了水化反应的进行,增加了固化物内部的水化产物｡同时,未参与反应的粉煤灰还可能填充土体内的孔隙,增强了固化物内部的密实度,进而增加了固化体的抗压强度[14⁃15]｡但泥炭土中固体土颗粒粒径较小,且整体占比较小,因此即便生成再多的胶结凝胶,也无法构成固化物骨架｡而过多胶结凝胶在固化物内部堆积,无法硬化也没有强度产生,因此对强度的提升效果较差[16]｡也就是说,粉煤灰对加固软土岩层有积极的作用,但这种加固作用存在最佳阈值,因此从加固效果考虑,在实际应用中,粉煤灰掺入比应不超过8%｡在后续试验中,选择粉煤灰掺入比为8%继续进行试验｡

2.2对复合土体固化效果的影响

2.2.1湿陷性黄土含量对固化体系的影响

在实际工程应用中,软土岩层的固化往往涉及多种土体｡在以上2个结论中,已经确定了水泥和粉煤灰对单一泥炭土的加固效果｡在最佳加固条件下,掺入湿陷性黄土,确定湿陷性黄土对水泥与粉煤灰加固体系的影响,结果见图3｡

图3湿陷性黄土含量对加固效果的影响

由图3可知,随湿陷性黄土掺量的增加,固化体系无侧限抗压强度表现出先增加后降低的变化趋势｡这就说明少量的湿陷性黄土对水泥与粉煤灰加固体系的加固效果有增强作用｡这与泥炭土和湿陷性黄土的土体性质有关｡分别对泥炭土和湿陷性黄土土体进行重塑筛分后发现,泥炭土多为粒径小于0.075mm的土颗粒和尚未分解完成的纤维,大颗粒土体较少｡而湿陷性黄土大部分均为粒径超过0.075mm的大颗粒土体｡二者结合后,湿陷性黄土可为体系提供部分矿质元素和游离氧化物,增加了体系内的胶结成分[17]｡同时,大颗粒土体在体系内可以起到“细骨料”的作用,可有效增强土体间的咬合力｡而泥炭土的小颗粒在体系内起到了填料的作用,可填充植物纤维间的孔隙,增强土体内部的密实度[18]｡另一方面,湿陷性黄土具备较强的亲水性,在体系内可吸附泥炭土腐殖质内的自由水,这就降低了泥炭土的含水率｡而被湿陷性黄土吸附的自由水又会参与后续水泥水化反应和火山灰反应,进一步增加了固化体系的强度[19]｡但在软土岩层体系中,湿陷性黄土主要作为外加材料,因此其掺入比越多,需要的固化剂越多｡当固化剂掺入比固定,过量的湿陷性黄土会导致材料内部固化效果变差,进而导致固化体系的强度有一定下降｡因此,在实际工程应用中,应控制湿陷性黄土含量为20%~30%｡在后续试验中,选择湿陷性黄土含量为20%的固化体系继续试验｡

2.2.2水玻璃对固化体系的影响

水玻璃对固化体系加固效果的影响见图4｡

由图4可知,随水玻璃掺量的增加,土体的无侧限抗压强度表现出先增加后降低的变化趋势｡这是因为少量的水玻璃可有效激发粉煤灰的化学活性,对地聚合物凝胶的生成有促进作用,生成的胶凝材料可填充土体间的空隙,进而改善了水泥固化体强度｡同时,水玻璃自身具备一定的粘结性,可增强基体对土颗粒的连接,因此固化体系的强度有一定增加[20]｡但水玻璃掺量过多的条件下,与腐殖质发生中和反应,生成水的同时,降低了整个体系的碱度,使得腐殖质在固化过程中不断释放腐殖酸,持续腐蚀固化结构,进而降低了固化体的强度｡综上,在实际工程应用中,选择适合的水玻璃掺入比应不超过6%,在试验中,选择水玻璃掺入比6%继续进行试验｡

图4水玻璃掺量对加固效果的影响

2.3固化体物理指标分析对最佳固化条件制备的固化体基础物理性能进行分析,结果见表1｡

表1基础物理性能分析

由表1可知,经过最佳固化条件固化后,固化体含水率明显降低｡这再次说明湿陷性黄土会吸收体系内多余的自由水参与到水泥水化反应中,降低了整个体系的含水率｡在水泥和水玻璃的共同作用下,固化体系生成更多胶凝产物,材料的粘聚力明显提升｡而湿陷性黄土和粉煤灰可有效填充固化体系内部空隙,同时,还可增加体系内部固体颗粒的摩擦力,进而提升了体系内部的机械咬合力,固化体系整体性能提升,使得固化材料的干密度､抗剪强度､粘聚力和内摩擦角均有所提升｡

3、结语

(1)水泥水化产物胶结凝结可有效胶结分散土颗粒,使土体内部形成稳定的固化物骨架,增加土体结构的密实度;

(2)粉煤灰可促进水化反应的进行和填充固化体内部的空隙,进而增强了固化物内部的密实度;

(3)湿陷性黄土内部存在矿质元素和游离氧化物等胶凝成分,且大部分均为粒径超过0.075mm的大颗粒土体｡进入固化体系后,可以起到“细骨料”的作用,增强土体间的咬合力;

(4)水玻璃可有效激发粉煤灰的化学活性,促进地聚合物凝胶的生成｡同时,水玻璃自身具备一定的粘结性,可增强基体对土颗粒的连接,进而增加了固化土体的固化效果;

(5)对固化后土体的物理性能进行测试,确定经过固化后,材料的含水率明显下降,干密度､抗剪强度､粘聚力和内摩擦角均明显提升,固化体系加固效果良好｡

参考文献:

[1]杨望星,陈柯宇,俞烨炜,等.粉煤灰基地聚合物替代水泥加固软土的试验研究[J].浙江理工大学学报(自然科学版),2022,47(3):433⁃440.

[2]彭元栋,张克含,李少华,等.新型软土固化剂加固软土试验及应用研究[J].隧道建设(中英文),2023,43(S1):139⁃144.

[3]李松波.粉煤灰矿渣基地聚物对软土加固效果的影响研究[J].化学工程师,2023,37(11):98⁃102.

[4]杨兴华,王晓帆.水泥石灰钢渣碎石夯扩桩复合地基在软土地基加固中应用[J].路基工程,2022(1):78⁃82.

[5]陈玉龙.复合碱激发偏高岭土基地聚合物固化土体的试验研究[D].昆明:昆明理工大学,2023.