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基于正交試驗(yàn)的復(fù)合土壤固化劑配合比設(shè)計(jì)研究

2021-10-18 11:00董博聞王修山沈森杰
人民長江 2021年9期
關(guān)鍵詞:生石灰淤泥黏土

董博聞 王修山 沈森杰

摘要:為有效利用沉淤廢土資源,并減少傳統(tǒng)土壤固化劑所帶來的環(huán)境污染,研發(fā)新型環(huán)保的土壤固化劑具有重要意義。采用三因素、三水平的正交試驗(yàn)方法,設(shè)計(jì)了 9 組不同配合比的淤泥固化劑復(fù)合材料試驗(yàn)方案,并進(jìn)行無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn),運(yùn)用極差分析和方差分析對試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析,得到復(fù)合土壤固化劑的最優(yōu)配合比。以最優(yōu)配合比制作試件,并探究了不同固化劑摻量和養(yǎng)護(hù)齡期對淤泥質(zhì)黏土強(qiáng)度的影響。結(jié)果表明:復(fù)合土壤固化劑中生石灰含量是影響淤泥質(zhì)黏土強(qiáng)度的最主要因素,其次為納米SiO2、礦渣摻量;摻加10%復(fù)合土壤固化劑的淤泥質(zhì)黏土28 d無側(cè)限抗壓強(qiáng)度達(dá)到峰值。

關(guān) 鍵 詞:沉淤廢土;復(fù)合土壤固化劑;正交試驗(yàn);無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)

中圖法分類號:U416

文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A

文章編號:1001-4179(2021)09-0193-05

DOI:10.16232/j.cnki.1001-4179.2021.09.031

0 引 言

濱海地區(qū)的淤泥質(zhì)土以及吹填土一直以來都是道路路基處理的難點(diǎn)[1]。據(jù)官方統(tǒng)計(jì),僅僅浙江省內(nèi)每年由建設(shè)工程所帶來的淤泥質(zhì)廢土就高達(dá)數(shù)億噸,如何處治利用這些沉淤廢土也成為國內(nèi)近幾年急需解決的一個問題。

對于現(xiàn)有的工程沉淤廢土,常用的方法往往是海洋傾倒和陸地拋填等,這樣往往帶來大面積的土地資源侵占問題,并存在較大的污染隱患[2]。近幾年,土壤固化劑作為一種新型材料在巖土工程領(lǐng)域受到了廣泛的關(guān)注,早期的傳統(tǒng)土壤固化劑以水泥、石灰、二灰土或者水泥石灰綜合固化劑為主[3]。這些傳統(tǒng)土壤固化劑的出現(xiàn),很大程度上改善了這些沉淤廢土的處理情況。因?yàn)榫邆湎鄬捎^的強(qiáng)度和性能,這些加固土也被廣泛地應(yīng)用在道路、水利、地基基礎(chǔ)工程等領(lǐng)域。然而隨著這些傳統(tǒng)固化劑的推廣,其潛在的缺點(diǎn)也慢慢顯露出來,如早期強(qiáng)度低,并且其強(qiáng)度對水泥和石灰的用量有著較高的依賴性;水泥水化作用產(chǎn)生的C-S-H膠結(jié)物過多引起體積收縮而導(dǎo)致路面開裂,從而影響工程質(zhì)量;水穩(wěn)性較差等問題[4-6]。其中,水泥生產(chǎn)過程中存在嚴(yán)重的環(huán)境污染問題,最明顯的就是生產(chǎn)水泥所排放的CO2占世界人為排放CO2的 5%~7%。除排放的CO2之外,其生產(chǎn)過程中還有大量的粉塵以及SO2等有毒氣體排入大氣中,對環(huán)境造成很大的污染[7]。

近些年,Cheng[8]、王東星[9]、何晶[10]等發(fā)現(xiàn)堿激發(fā)礦渣可以顯著提高固化劑活性,提升固化土的力學(xué)特性,可以減少或者代替水泥基等傳統(tǒng)固化材料。硅粉因其較高的火山灰活性,也已經(jīng)開始廣泛使用在高性能的混凝土配置工藝中[11-13],但其在巖土工程以及道路工程領(lǐng)域的研究和應(yīng)用并未得到推廣。本文通過正交試驗(yàn)研究了不同摻量納米SiO2、礦渣、生石灰對濱海地區(qū)淤泥質(zhì)黏土的加固效果,并采用極差和方差分析得到復(fù)合土壤固化劑最優(yōu)配合比。通過宏觀無側(cè)限抗壓試驗(yàn),驗(yàn)證復(fù)合固化土在道路路基施工的可行性,以減輕環(huán)境污染且有效降低工程成本。

1 試驗(yàn)材料與方案

1.1 試驗(yàn)材料

1.1.1 黏 土

試驗(yàn)所用的淤泥質(zhì)黏土來自浙江省杭州市某建設(shè)場地,土顆粒分析結(jié)果如表1所列。

根據(jù)液、塑限聯(lián)合測定法,測得黏土液限WL=48.7%,塑限WP=29.6%。同時測得試驗(yàn)土的天然含水率W=42.1%。

1.1.2 其他材料

(1)納米SiO2。

試驗(yàn)采用的納米SiO2產(chǎn)自上海科延實(shí)業(yè)有限公司,其產(chǎn)品的外觀和基本參數(shù)如表2所列。

(2)高爐礦渣。

試驗(yàn)采用的高爐礦渣產(chǎn)自鞏義市龍澤凈水材料有限公司,密度為2.9 g/cm3,其主要化學(xué)成分如表3所列。

(3)生石灰。

試驗(yàn)采用的生石灰產(chǎn)自英歌礦業(yè)有限公司,其CaO含量為82%,MgO含量為1.6%,屬于優(yōu)質(zhì)石灰。

1.2 正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)?zāi)康臑榇_定復(fù)合土壤固化劑中各成分因素水平對固化淤泥質(zhì)黏土的加固效果,以生石灰含量(A)、納米SiO2含量(B)、礦渣含量(C)作為正交試驗(yàn)3個因素,每個因素設(shè)置3種水平,選用L9(34)正交表,如表4所列。

2 最優(yōu)配比試驗(yàn)研究

2.1 擊實(shí)試驗(yàn)

將固化劑以及淤泥質(zhì)黏土按正交實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)進(jìn)行混合后,采用擊實(shí)試驗(yàn)得到最優(yōu)含水率以及最大干密度,為制備后期試驗(yàn)試件做好準(zhǔn)備,結(jié)果如表5所列。

2.2 正交試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.2.1 無側(cè)限抗壓試驗(yàn)結(jié)果

采取正交試驗(yàn)方案制備φ50×50圓柱體試件,分別測試其標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)和浸水養(yǎng)護(hù)7,28 d后的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度。試驗(yàn)加載速率為1 mm/min,試驗(yàn)結(jié)果如表6所列。正交分析結(jié)果見表7。

表6表明:固化土在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)條件下,其7 d的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度最高可達(dá)到3.12 MPa,28 d的抗壓強(qiáng)度最高為5.25 MPa。在水養(yǎng)條件下,其7 d的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度最高可達(dá)1.52 MPa,28 d的抗壓強(qiáng)度最高達(dá)3.43 MPa。綜上可知,試件的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度隨養(yǎng)護(hù)齡期的增加而增加,并且在9次實(shí)驗(yàn)中第6組的標(biāo)養(yǎng)和水養(yǎng)抗壓強(qiáng)度最高,相應(yīng)的水平組合是當(dāng)前最好的水平搭配。

2.2.2 極差和方差分析

(1)極差分析。

由表7可以直觀看到,無論是在水養(yǎng)還是標(biāo)養(yǎng)情況下,生石灰的含量對無側(cè)限抗壓強(qiáng)度的影響最大。在標(biāo)養(yǎng)條件下,礦渣的含量對固化土強(qiáng)度的影響程度小于生石灰的含量,納米SiO2的含量對試驗(yàn)結(jié)果的影響程度最小;在水養(yǎng)條件下,納米SiO2的含量對固化土的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度影響大于礦渣對試件強(qiáng)度的影響。

由圖1可知,在標(biāo)養(yǎng)7d條件下的固化土,固化劑中各因素影響大小順序?yàn)锳>C>B,并且可以明顯看到,固化土的無測限抗壓強(qiáng)度隨著生石灰摻量(A)的增加而增加,并且漲幅較大,A3為最佳摻量;隨著納米SiO2摻量(B)的增加先增大后減小,B2為最佳摻量;隨著礦渣摻量(C)的增加而增加,但其漲幅較小,其中C3為最佳摻量。

同理,在水養(yǎng)7 d條件下的固化土,固化劑中各因素對強(qiáng)度的影響大小順序?yàn)锳>B>C。由圖2可以看出,試件的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度隨著生石灰摻量(A)的增大先增大后減小,最佳摻量為A2;隨著納米SiO2摻量(B)的增大而增大,最佳摻量為B3;隨著礦渣摻量(C)的增加先增加后減小,其中C3為最佳摻量。

(2)方差分析。

根據(jù)方差分析可知,空列的方差值最小,因此可以將空列作為誤差來源看待,通過對各因素的誤差平方總和以及自由度的計(jì)算,借助SPSS軟件可以計(jì)算得到標(biāo)養(yǎng)情況下其構(gòu)造方差統(tǒng)計(jì)量F分別為F0.01=105.17、F0.05=4.36、F0.1=12.00。因此,生石灰對固化土標(biāo)養(yǎng)7 d無側(cè)限抗壓強(qiáng)度影響最為顯著,礦渣以及納米SiO2對固化土7 d無側(cè)限抗壓強(qiáng)度影響較為顯著。在水養(yǎng)情況下,其構(gòu)造方差統(tǒng)計(jì)量F分別為F0.01=140.31、F0.05=21.72、F0.1=0.742。由此可見,石灰同樣對固化土水養(yǎng)7 d無側(cè)限抗壓強(qiáng)度影響最為顯著,納米SiO2對固化土7 d無側(cè)限抗壓強(qiáng)度影響為顯著,礦渣的影響不顯著。

根據(jù)極差和方差分析綜合來看,為了加強(qiáng)復(fù)合土壤固化劑對淤泥質(zhì)黏土強(qiáng)度的提升,以及考慮到長三角沿海地區(qū)常年潮濕的天氣情況,并結(jié)合水養(yǎng)以及標(biāo)養(yǎng)條件下7d的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度正交分析,確定了最終復(fù)合固化劑的配合比為生石灰(A)∶納米SiO2(B)∶礦渣(C)=32∶3∶65。

3 固化土無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)

根據(jù)正交試驗(yàn)所得固化劑最優(yōu)配比(A∶B∶C=32∶3∶65)來制備φ50×50圓柱體固化土試件。為確定不同固化劑摻量以及養(yǎng)護(hù)齡期對無側(cè)限抗壓強(qiáng)度的影響,設(shè)計(jì)固化劑占干土質(zhì)量6%,8%,10%,12%這4種工況條件,并且在標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下分別養(yǎng)護(hù)3,7,14,28 d,記錄其無側(cè)限抗壓強(qiáng)度結(jié)果,見表8。

3.1 固化土強(qiáng)度與固化劑摻量的關(guān)系

復(fù)合固化土無側(cè)限抗壓強(qiáng)度隨摻量變化曲線見圖3。圖3表明:淤泥質(zhì)土的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度隨著復(fù)合固化劑摻量的增加先增加后減小,且各齡期強(qiáng)度均呈相似趨勢。以標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)28 d為例,當(dāng)固化劑摻量為10%時,固化土的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度達(dá)到峰值(5.59 MPa),滿足公路路面基層施工設(shè)計(jì)抗壓強(qiáng)度要求。同時,摻10%固化劑的固化土其強(qiáng)度較摻6%和8%時分別提高了42.2%和28.8%。當(dāng)固化劑摻量由10%增加到12%時,固化土的強(qiáng)度由峰值下降至5.30 MPa,這是由于固化劑摻加過多導(dǎo)致生成的水化產(chǎn)物過多,不僅沒有起到填充土顆粒間空隙的作用,反而導(dǎo)致土體開裂,土顆粒之間的間距增大,對固化土強(qiáng)度增長起到抑制作用[14-15]。由此可見,復(fù)合固化劑摻量為10%時對固化土無側(cè)限抗壓強(qiáng)度的提高最為顯著。

3.2 固化土強(qiáng)度與養(yǎng)護(hù)時間的關(guān)系

圖4反映了固化土無側(cè)限抗壓強(qiáng)度隨養(yǎng)護(hù)齡期的變化關(guān)系曲線。由圖4可知:使用復(fù)合固化劑固化的的黏土其無側(cè)限抗壓強(qiáng)度隨著齡期的延長而增加,在28 d強(qiáng)度達(dá)到峰值5.59 MPa。由此可見,添加復(fù)合固化劑的淤泥質(zhì)黏土其強(qiáng)度特性有顯著的改善。同時,當(dāng)養(yǎng)護(hù)齡期到達(dá)7 d時,固化劑摻量為10%的復(fù)合固化土強(qiáng)度最高可達(dá)4.45 MPa,并且其3 d到7 d的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度由2.51 MPa增長至4.45 MPa,增長了77.3%,養(yǎng)護(hù)28 d的強(qiáng)度較7 d的強(qiáng)度增長25.6%。

綜上所述,添加復(fù)合固化劑可利用納米SiO2更小的粒徑和更大的比表面積來促進(jìn)礦渣水化反應(yīng)[16],從而顯著提升淤泥質(zhì)土的早期強(qiáng)度,并且養(yǎng)護(hù)3~14 d其無側(cè)限抗壓強(qiáng)度可保持一個較高的增長速率,后期的強(qiáng)度增長速率雖然趨于平緩但仍有較為穩(wěn)定的增長。

3.3 無側(cè)限抗壓強(qiáng)度與齡期以及摻量的擬合關(guān)系

采用Origin軟件對圖3~4中數(shù)據(jù)進(jìn)行函數(shù)擬合,得到擬合結(jié)果如圖5所示,擬合函數(shù)如下:

qu=-3.883+0.36004x+0.96093y-0.0091x2-0.04219y2+0.00269xy(1)

式中:qu為無側(cè)限抗壓強(qiáng)度;x為養(yǎng)護(hù)齡期;y為固化劑摻量。

決定系數(shù)R2為0.93,說明所采用的擬合函數(shù)可以很好地體現(xiàn)無側(cè)限抗壓強(qiáng)度與齡期以及摻量的合理關(guān)系。

4 結(jié) 論

(1)通過極差以及方差分析得知生石灰的摻量對固化淤泥質(zhì)黏土的加固效果影響最為顯著,納米SiO2摻量的影響較為顯著,礦渣摻量對于固化效果的影響不顯著。

(2)綜合考慮復(fù)合土壤固化劑對淤泥質(zhì)土強(qiáng)度提升的效果、固化劑使用環(huán)境、經(jīng)濟(jì)效益等因素,最終確定復(fù)合土壤固化劑最優(yōu)配比為生石灰∶納米SiO2硅∶礦渣=32∶3∶65。

(3)采用最優(yōu)配比的復(fù)合土壤固化劑對淤泥質(zhì)黏土進(jìn)行土體固化,得到固化土強(qiáng)度與固化劑摻量、齡期的變化擬合結(jié)果,最終可以確定固化劑最佳摻量為10%,并且固化土強(qiáng)度隨著齡期的增長而增長,說明其對淤泥質(zhì)黏土具有較好的固化效果。

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(編輯:胡旭東)

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