單組分地聚物加固海相沉積軟土的復(fù)合地基

劉紀(jì)峰， 張會(huì)芝*， 鄭春林， 葉德泰

(1. 三明學(xué)院 建筑工程學(xué)院， 福建 三明 365004；2. 海峽建工集團(tuán)有限公司， 福建 福州 350000；3. 海頤建工集團(tuán)有限公司， 福建 三明 366100)

0 引言

海相沉積軟土在我國(guó)東南沿海廣泛分布， 具有含水量高、 壓縮性高、 孔隙比大、 抗剪強(qiáng)度低等特性， 一旦擾動(dòng)， 其結(jié)構(gòu)性很容易被破壞， 造成強(qiáng)度降低和長(zhǎng)期大變形等工程問(wèn)題[1]。 在海相沉積軟土中進(jìn)行地鐵隧道、 深基坑、 地基處理等施工， 常用水泥漿液加固， 存在能耗高、 二氧化碳排放量大、 抗氯離子長(zhǎng)期侵蝕性能差、 工程造價(jià)較高等不足[2]， 對(duì)性能優(yōu)良、 節(jié)能環(huán)保、造價(jià)低廉的海相沉積軟土加固新材料的需求迫切。

地聚合物(geopolymer， 又稱(chēng)地質(zhì)聚合物或地聚物， 文中統(tǒng)稱(chēng)地聚物)是由硅鋁酸鹽及其氧化物(主要是SiO2和Al2O3)在堿性環(huán)境中反應(yīng)生成的凝結(jié)硬化材料， 具有快硬早強(qiáng)和耐化學(xué)侵蝕性等性能[3]， 可在部分環(huán)境替代水泥制備混凝土， 減少碳排放[4]， 近年來(lái)引起學(xué)者關(guān)注。Coudert 等探討用堿活化高鈣粉煤灰基漿液改善軟黏性土的工程特性[5]； Murmu 等利用氫氧化鈉(NaOH)和偏硅酸鈉(Na2SiO3)激發(fā)粉煤灰制備地聚物改善膨脹土的工程性質(zhì)[6]； Yi 等利用不同激發(fā)劑和?；郀t礦渣制備地聚物加固海相沉積軟土[7]； 俞家人等采用礦渣微粉與堿激發(fā)溶液混合制成的地聚物材料加固軟黏土[8]； 劉旭等的研究表明， 偏高嶺土基地聚物是一種有效的含硫軟土加固材料[9]； Hughes 等將?；郀t礦渣與紅石膏摻和， 進(jìn)行英國(guó)肯特郡泥炭土的加固[10]。

鉛鋅鐵等金屬尾礦的主要成分為硅鋁礦物，通過(guò)高溫?zé)Y(jié)和磨細(xì)， 能產(chǎn)生較好的活性， 可制備單組分地聚物。 劉清等以堿浸鉛鋅渣和偏高嶺土為原料， 以硅酸鈉和氫氧化鈉為激發(fā)劑制備堿浸鉛鋅渣地聚物并分析其力學(xué)性能[11]； Perumal等試驗(yàn)研究了磷礦、 高嶺石和鋰礦尾礦有效參與堿活化的能力， 以及堿性條件下， 熱處理對(duì)提高尾礦活性的效果[12]； 白蕾以粉煤灰、 礦渣等大宗工業(yè)固體廢棄物及水泥為主要原料， 在改性水玻璃的激發(fā)下制備地聚合物注漿材料[13]； 張會(huì)芝等研究了鉛鋅尾礦地聚物建材化利用的可行性[14-15]； Wei 等用高溫活化的釩尾礦和偏高嶺土為前驅(qū)物制備單組分地聚物， 發(fā)現(xiàn)煅燒溫度對(duì)釩尾礦活化至關(guān)重要并最終影響地聚物的抗壓強(qiáng)度， 在400℃～600℃熱活化后， 制備的地聚物標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)7 d 后的抗壓強(qiáng)度達(dá)29 MPa[16]。

國(guó)內(nèi)外學(xué)者的研究推動(dòng)了地聚物加固土體的進(jìn)展， 但對(duì)于鉛鋅尾礦地聚物加固海相軟土地基的研究， 尚未見(jiàn)文獻(xiàn)報(bào)道。 為此， 筆者以鉛鋅尾礦渣為主要原材料制備單組分地聚物， 并探討其加固海相沉積飽和軟土的機(jī)理和形成復(fù)合地基的承載力特性。

1 單組分地聚物的制備及性能測(cè)試

以硅鋁比分別為 2.50、 2.75、 3.00 和 3.25將偏高嶺土和鉛鋅尾礦渣(二者主要礦物成分見(jiàn)表1)摻合， 并分別經(jīng)600℃持續(xù)4 h、 800℃持續(xù)3 h 40min 和1350℃持續(xù)3h 煅燒， 其后摻加燒結(jié)料質(zhì)量比8%的氫氧化鈉和12%的偏硅酸鈉， 磨細(xì)至比表面積 350 ～ 400 m2·kg-1， 按 0.35 的水固比做膠砂試驗(yàn)， 自然養(yǎng)護(hù)28 d 后測(cè)試試樣強(qiáng)度， 試驗(yàn)方案和結(jié)果見(jiàn)表2。 由表2 可知: 當(dāng)硅鋁比為 2.75 ～3.25 時(shí)， 各組試樣的 28 d 抗壓強(qiáng)度略高于325 水泥， 而28 d 抗折強(qiáng)度低于325 水 泥， 即比325 水泥更具有脆硬性。

表1 偏高嶺土和鉛鋅尾礦渣主要礦物成分表 %

表2 試驗(yàn)方案和結(jié)果

2 單組分地聚物加固海相沉積飽和軟土效果與機(jī)理

將采用方案2 ～8 制備的單組分地聚物與被加固海相沉積飽和軟土以15%～25%的質(zhì)量比進(jìn)行充分拌合后， 裝入直徑50 mm、 高100 mm 的PVC 塑料管中， 并分層壓實(shí)， 室內(nèi)自然養(yǎng)護(hù)。 被加固的海相沉積飽和軟土顯著膨脹(圖1)， 養(yǎng)護(hù)28 d 后測(cè)量， 總膨脹率在10%～25%， 并隨地聚物摻量的增加而增大。 養(yǎng)護(hù)7 d 后與同條件養(yǎng)護(hù)的純海相沉積飽和軟土試樣進(jìn)行含水量測(cè)試， 得出單組分地聚物吸水量為其質(zhì)量的35%～50%。養(yǎng)護(hù)28 d 后測(cè)試各試樣的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度: 純海相沉積飽和軟土試樣， 0.248 MPa； 其余試樣，1.500～3.750 MPa， 是純海相沉積飽和軟土試樣的 6～15 倍。

圖1 養(yǎng)護(hù)中的加固試樣顯著膨脹

單組分地聚物加固海相沉積飽和軟土的反應(yīng)機(jī)理如下: 單組分地聚物的主要成分為SiO2和Al2O3， 與海相沉積飽和軟土攪拌混勻后， 地聚物中的堿性激發(fā)劑在水環(huán)境下生成OH-離子， 使攪拌混合體呈堿性， 高濃度的 OH-促使 SiO2、Al2O3中的 Si—O 鍵和 Al—O 鍵斷裂， 生成 N-AS-H 凝膠， 再經(jīng)過(guò)縮聚反應(yīng)形成具有一定強(qiáng)度的聚合物， 這些網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的聚合物強(qiáng)化軟土顆粒之間的黏結(jié)性能， 從而提高其強(qiáng)度[17]。

3 單組分地聚物加固海相沉積飽和軟土復(fù)合地基承載力特性

在單組分地聚物攪拌樁樁位周邊， 正方形(圖2(a))或梅花形(圖2(b))布設(shè)豎向排水體；豎向排水體為直徑7.0～10 cm 的砂井、 袋裝砂井或?qū)挾葹?0 cm 的塑料排水帶， 深度根據(jù)加固土層厚度確定， 水平間距1.0 ～1.5 m， 位置偏差小于5 cm， 垂直度偏差小于1%。 地表鋪設(shè) 0.5 ～1.0 m 厚的中粗砂水平排水體(后期作為復(fù)合地基的褥墊層)， 并壓實(shí)至中密狀態(tài)。

圖2 單組分地聚物攪拌樁和豎向排水體布置圖

根據(jù)攪拌樁樁身強(qiáng)度的設(shè)計(jì)要求， 制備的單組分地聚物摻量為被加固飽和軟土質(zhì)量的15%～25%。 以干粉噴射攪拌法施工， 形成0.2 ～0.5 m直徑的攪拌樁， 可用 “一噴二攪” 或 “二噴三攪” 的施工工藝， 使單組分地聚物與飽和軟土攪拌均勻， 樁位偏差和垂直度偏差根據(jù)《建筑樁基技術(shù)規(guī)范》(JGJ94—2018)確定。

如圖3 所示， 攪拌樁施工完成后， 樁體中的單組分地聚物吸收飽和軟土中水分進(jìn)行水化反應(yīng)， 吸水量為單組分地聚物質(zhì)量的35%～50%，水化反應(yīng)過(guò)程中攪拌樁體積膨脹10%～25%， 膨脹力擠壓周邊土體， 一方面使土體密實(shí)度增加，另一方面產(chǎn)生超孔隙水壓力， 使周邊飽和軟土中的水分通過(guò)豎向排水體排出地面， 再通過(guò)地面上的水平排水體排出場(chǎng)外， 由此加快海相沉積飽和軟土的排水固結(jié)速率。

圖3 攪拌樁膨脹加速飽和軟土固結(jié)示意圖

假定海相沉積飽和軟土層厚50 m， 水平固結(jié)系數(shù) Cv＝ 豎向固結(jié)系數(shù) Ch＝ 1.8×10-3cm2·s-1，袋裝砂井直徑dw＝0.1 m， 砂井水平間距l(xiāng) ＝1.4 m， 砂井深度 H1＝ 10 m， 砂井按圖 2(b)布置，直徑0.5 m 的攪拌樁施工100 d 后， 砂井范圍內(nèi)土層的平均固結(jié)度可達(dá)到96%， 計(jì)算過(guò)程如下:

式(1)～(8)中:def為每個(gè)排水井的有效影響范圍(cm)，Th為水平固結(jié)時(shí)間因數(shù)(無(wú)量綱)，Tv為豎向固結(jié)時(shí)間因數(shù)(無(wú)量綱)， t 為固結(jié)時(shí)間(s)， H為土層的豎向排水距離(cm)， n 為井徑比(無(wú)量綱)，F(xiàn)n為井徑比影響參數(shù)(無(wú)量綱)，為徑向排水平均固結(jié)度(%)，z為豎向排水平均固結(jié)度(%)，rz為砂井范圍內(nèi)土層平均固結(jié)度(%)。

因單組分地聚物具有早強(qiáng)特性， 經(jīng)過(guò)較短的時(shí)間(一般在28 d 內(nèi))， 單組分地聚物攪拌樁就形成樁身強(qiáng)度1.500～3.750 MPa 的結(jié)石體。 由于單組分地聚物攪拌樁的吸水和膨脹雙重作用， 使周邊海相沉積飽和軟土加速排水固結(jié)， 與結(jié)石體共同作用形成復(fù)合地基， 使得海相沉積飽和軟土的強(qiáng)度提高、 變形量降低。 此時(shí)， 地表 0.5 ～1.0 m 厚、 中密狀態(tài)的中粗砂水平排水體， 成為復(fù)合地基的褥墊層， 上部荷載作用后， 攪拌樁和周邊軟土需要變形協(xié)調(diào)， 承載力較大、 變形較小的地聚物攪拌樁刺入褥墊層， 承載力較小、 變形較大的周邊軟土繼續(xù)排水固結(jié)， 強(qiáng)度進(jìn)一步提高， 變形進(jìn)一步降低， 直至二者與上部荷載達(dá)到靜力平衡和變形協(xié)調(diào)狀態(tài)(圖4)。

圖4 地聚物攪拌樁復(fù)合地基示意圖

以上述數(shù)據(jù)繼續(xù)計(jì)算單組分地聚物加固海相沉積飽和軟土復(fù)合地基的承載力。 以25%的質(zhì)量比摻加單組分地聚物， 形成樁身強(qiáng)度為3.75 MPa的攪拌樁， 對(duì)排水固結(jié)后軟土承載力特征值fsk取150 kPa， 經(jīng)計(jì)算， 復(fù)合地基置換率 m ＝ 23.1%，根據(jù)樁側(cè)摩阻力和樁底端承力計(jì)算單樁承載力特征值Ra(kN)為:

根據(jù)樁身強(qiáng)度確定Ra為:

取Ra＝589 kN 計(jì)算復(fù)合地基承載力特征值 fspk(kN)為:

式(9)～(11)中:up為樁身橫截面周長(zhǎng)(m)，qsi為各土層樁周土摩阻力特征值(kPa)， 取35 kPa，li為按土層劃分的各段樁長(zhǎng)(m)， α 為樁端天然地基承載力折減系數(shù)， 取1， Ap為樁端橫截面積(m2)，qp為樁端天然地基承載力特征值(kPa)，取 410 kPa， η 為折減系數(shù)， 取 0.8， fcu為樁身強(qiáng)度(kPa)， λ 為樁間土承載力發(fā)揮度(無(wú)量綱)，取0.5。

4 分析與討論

由表1、 表2 可知， 利用鉛鋅尾礦和偏高嶺土， 通過(guò)調(diào)節(jié)二者的質(zhì)量比使摻合料中的硅鋁比在2.50 ～3.25 之間， 通過(guò)高溫煅燒一定時(shí)間后摻加固體堿激發(fā)劑并磨細(xì)， 制備成單組分地聚物。 在自然養(yǎng)護(hù)條件下， 325 水泥和單組分地聚物的膠砂試樣均未能充分水化， 前者的28 d 抗壓強(qiáng)度為25.5 MPa， 為325 水泥膠砂標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)試件的80%左右。 當(dāng)摻合料中硅鋁比為2.75、 3.00和3.25 時(shí)， 各單組分地聚物的抗壓強(qiáng)度均高于325 水泥地聚物； 當(dāng)摻合料中硅鋁比為2.50 時(shí)，無(wú)論燒結(jié)溫度高低和持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)短， 其試件的抗壓強(qiáng)度均在15.0 MPa 左右， 比325 水泥試件低40%左右。

對(duì)比各組試樣的抗折強(qiáng)度可知， 與水泥膠砂試樣相比， 單組分地聚物試樣的抗折強(qiáng)度普遍較低， 表明單組分地聚物脆性更大， 承受壓力性能較好， 但抗彎曲、 抗剪切性能較差， 在工程應(yīng)用時(shí)應(yīng)充分注意。

固體堿激發(fā)劑摻量相同的情況下， 硅鋁比是決定單組分地聚物強(qiáng)度的主要因素， 本次試驗(yàn)條件下適宜的硅鋁比為3.00±0.25， 燒結(jié)溫度和燒結(jié)時(shí)間的影響較小， 同種條件下， 試件強(qiáng)度隨燒結(jié)溫度增加而輕微下降。 在硅鋁比為 3.25、1 350℃燒結(jié)3 h 時(shí)， 試樣出現(xiàn)熔融板結(jié)現(xiàn)象。 為節(jié)約能源， 后續(xù)試驗(yàn)可采用600℃～800℃的燒結(jié)溫度， 并適當(dāng)減少燒結(jié)時(shí)間。

利用鉛鋅尾礦單組分地聚物加固海相沉積飽和軟土， 加固后的軟土大幅膨脹， 通過(guò)設(shè)置的豎向排水帶、 水平排水體加速飽和軟土的排水固結(jié)， 并形成單組分地聚物攪拌樁樁體， 其膨脹效應(yīng)可使范圍內(nèi)飽和軟土在較短的時(shí)間達(dá)到90%以上的固結(jié)度。 此時(shí)， 地面水平排水體可作為褥墊層協(xié)調(diào)樁-土變形和承載， 地聚物攪拌樁、 排水固結(jié)的土體和褥墊層形成復(fù)合地基， 其承載力特征值可達(dá)排水固結(jié)后軟土承載力特征值的5 倍以上。 文中單組分地聚物加固海相沉積飽和軟土的效果和復(fù)合地基承載力的計(jì)算結(jié)果， 應(yīng)用于工程實(shí)際時(shí)， 應(yīng)結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)測(cè)試進(jìn)一步確認(rèn)。

5 結(jié)論與建議

“碳達(dá)峰、 碳中和” 是我國(guó)綠色發(fā)展的必由之路。 國(guó)務(wù)院發(fā)布的 《2030 年前碳達(dá)峰行動(dòng)方案》 明確指出: 推動(dòng)建材行業(yè)碳達(dá)峰， 鼓勵(lì)建材企業(yè)使用尾礦渣等作為原料或水泥混合材[18]。鉛鋅尾礦渣富含SiO2、 Al2O3等活性成分， 具有很高的利用價(jià)值。 為此， 本次試驗(yàn)以鉛鋅尾礦渣等為原材料， 通過(guò)偏高嶺土調(diào)節(jié)組分中的硅鋁比， 并經(jīng)高溫煅燒后摻加適量的固體堿性激發(fā)劑， 混合后粉磨至比表面積 350 ～400 m2·kg-1，制成單組分地聚物， 將單組分地聚物以15%～25%的質(zhì)量比摻入海相沉積飽和軟土， 利用水化反應(yīng)吸水和膨脹， 加速飽和軟土排水固結(jié)， 最終形成復(fù)合地基， 試驗(yàn)測(cè)試和理論計(jì)算的結(jié)果表明:

(1)按表2 方案制備的單組分地聚物28 d 抗壓強(qiáng)度為15.0～27.4 MPa， 原材料中硅鋁比是單組分地聚物強(qiáng)度的主要影響因素， 本次試驗(yàn)條件下適宜的硅鋁比為3.00±0.25；

(2)單組分地聚物吸水量為其質(zhì)量的35%～50%， 與海相沉積飽和軟土發(fā)生水化反應(yīng)， 混合物體積膨脹10%～25%， 加固后的海相沉積飽和軟土無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度提高6～15 倍；

(3)單組分地聚物攪拌樁加固海相沉積飽和軟土?xí)r， 通過(guò)吸水和膨脹， 能有效加速飽和軟土的排水固結(jié)， 攪拌樁形成樁身強(qiáng)度1.500 ～3.750 MPa 的結(jié)石體， 可與周邊排水固結(jié)的土體、 地面水平排水體形成復(fù)合地基， 其承載力特征值是排水固結(jié)后軟土承載力特征值的5 倍以上。

本次試驗(yàn)還有三個(gè)需要改進(jìn)的方面， 可為下一步研究提供方向。 一是養(yǎng)護(hù)條件對(duì)試件強(qiáng)度有較大影響， 建議后續(xù)研究統(tǒng)一采用標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)， 更具有對(duì)比性； 二是燒結(jié)溫度不宜過(guò)高， 燒結(jié)試樣強(qiáng)度的影響因素可采用正交試驗(yàn)進(jìn)一步分析； 三是地聚物加固海相沉積飽和軟土的膨脹機(jī)理需要進(jìn)一步揭示， 膨脹力需要量化， 為提高飽和軟土固結(jié)速率和完善復(fù)合地基設(shè)計(jì)提供依據(jù)。