水泥固化海相软土的强度特性研究_蔡一平.pdf
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1、Science and Technology&Innovation科技与创新2023 年 第 13 期33文章编号:2095-6835(2023)13-0033-04水泥固化海相软土的强度特性研究蔡一平1,黄根民1,范衍琦1,李正华2,宋 力1,唐家尧1(1.江苏省水利科学研究院材料结构研究所,江苏 扬州 225000;2.江苏省水利建设工程有限公司,江苏 扬州 225000)摘要:海相软土具有高含水率、大孔隙比和低强度等特点,因此,化学固化常用于提升海相软土地基抵抗变形和破坏的能力。通过开展海相软土的固化试验,研究了海相固化土的强度特性和冻融循环下固化土模量劣化特性。研究发现,随着养护龄期的
2、增加,固化土强度不断增长;固化剂掺量越大,强度增幅越明显。养护龄期从 7 d 增至 28 d 后,掺入水泥和石灰的固化土强度增幅介于 131%193%。固化剂掺量较低时,掺入水泥和粉煤灰、水泥和石膏的固化土强度增幅不超过 50%。相同的固化剂掺量下,掺入水泥和石灰的固化土强度比掺入水泥和粉煤灰的工况高 64.3%140%,这表明石灰的固化效果明显优于粉煤灰。冻融循环后固化土内部骨架破碎,孔隙增幅明显;5 次冻融循环后,固化土的动弹性模量仅为初始模量的 40%43%。关键词:海相软土;固化;强度;动模量中图分类号:TU447文献标志码:ADOI:10.15913/ki.kjycx.2023.13
3、.009水泥水化反应生成的水化硅酸钙和钙矾石能填充土体孔隙,提高软土地基强度和承载力1。海相软土具有高含水率、大孔隙比和低强度等特点,化学固化常用于提升其抵抗变形和破坏的能力2-4。为了提升海相软土的力学特性,一些学者们开展了海相软土固化试验研究。王伟齐等5研究了海相软土掺入碱激发剂的固化效果,发现聚羧酸减水剂、硅酸钠和硫酸钠能显著提升固化土强度。邵勇等6发现海相软土掺入碱渣和粉煤灰能达到水泥固化的效果,掺入碱渣和粉煤灰能降低水泥用量。吴燕开等7发现掺入硅灰钢渣能明显提升海相软土的无侧限抗压强度,硅灰钢渣的改良效果显著。另有学者开展了海相软土地基加固的现场试验研究。时洪斌8发现干法、湿法双向搅
4、拌法能明显提升高含水率海相软土地基承载力,加固路基从施工期到运营期的沉降均满足规范要求。谢胜华等9-10开展了粉喷桩加固海相软土地基的现场试验,发现钉形粉喷桩施工扰动小,能显著提升海相软土地基的承载力。陈盛原等11开展了水泥搅拌桩联合堆载预压的海相软土地基处理方式研究,发现先成桩后堆载的施工工艺能更好地保护周边建筑物。水泥为软土固化的最主要固化剂,但是纯水泥固化的工程造价高,且水泥为非再生资源,亟需寻找替代或者降低水泥用量的辅助固化剂。本文开展了海相软土的水泥固化试验,明确石灰、粉煤灰、石膏等辅助固化剂的固化效果。基于冻融循环试验,明确固化土动弹性模量的劣化特性。1试验方案1.1海相软土固化试
5、验所用的海相软土取自于连云港港区,此地区的海相软土含水率、孔隙比和液限分别介于58%80%、1.601.90 和 50%56%之间。海相软土的含水率大于其液限,为高液限土。现场取土风干、破碎后过筛,开展海相软土的水泥固化试验,如图 1所示。图 1风干过筛后的海相软土1.2固化剂基于现有学者的研究成果6,水泥是软土固化的主要固化剂。为了节省水泥用量,进而达到降低工程造价的目的,试验采用水泥主固化剂和其他辅助固化剂固化海相软土。水泥采用的是普通硅酸盐 42.5 水泥,辅助固化剂为石灰、粉煤灰和石膏。主固化剂和辅助基金项目江苏省水利科学研究院自主科研经费专项资金项目(编号:2020z027)科技与创
6、新Science and Technology&Innovation342023 年 第 13 期固化剂的掺量比如表 1 所示。表 1主固化剂和辅助固化剂配比固化剂水泥掺量/(%)辅助固化剂掺量/(%)水泥+石灰4、52、3水泥+粉煤灰4、53、4水泥+石膏3、42、3石膏+粉煤灰03+2、3+2、4+31.3试验方案开展固化试验时,设计的海相软土初始含水率为60%。选用表 1 的固化剂配比开展海相软土的固化试验,测量养护龄期为 7 d、14 d 和 28 d 固化土的强度。基于水运工程混凝土试验检测技术规范12,制备冻融循环试验的固化土试样,养护至 28 d 后开展冻融循环试验,研究冻融循环
7、作用下固化土的模量劣化特性。1.4主要试验步骤海相软土固化试验的主要试验步骤如下:配置初始含水率为 60%的海相软土,按照表 1 的配比将主固化剂和辅助固化剂均匀拌入海相软土中;将配置的海相软土、固化剂混合体缓慢倒入直径和高度均为5 cm 的模具中,采用击实器击实试样;将制备的固化土放入恒温、恒湿的养护箱中,养护龄期达到 7 d、14 d 和 28 d 后,利用三轴压缩仪测量固化土的无侧限抗压强度。测量固化土强度的三轴压缩仪如图 2 所示。图 2测量固化土强度的三轴压缩仪2水泥固化海相软土的强度分析图 3 为不同固化剂下海相固化土的无侧限抗压强度。可发现,随着养护龄期的增加,海相固化土的强度均
8、不断增长。固化剂为水泥和石灰时,3 个配比的固化土强度均随龄期快速增加;养护龄期从 7 d 增至 28 d后,固化土强度增幅为 131%193%。固化剂为水泥和粉煤灰时,低掺量下(4%水泥和 3%粉煤灰)固化土强度随着养护龄期(7 d 增至 28 d)的增长其强度增幅有限,不足 50%。固化剂为水泥和石膏时,低掺量下固化土强度增幅为 24%35%。固化剂掺量较小时,水泥水化反应生成的凝胶含量较少,强度主要发生在早期。(a)水泥+石灰(b)水泥+粉煤灰(c)水泥+石膏图 3不同固化剂下海相固化土强度石灰掺量为 2%时,水泥掺量从 4%增至 5%后 3个龄期的固化剂强度增幅为 39.1%59.9%
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