王宇杰, 杜紅秀

(太原理工大學(xué)建筑與土木工程學(xué)院, 太原 030024)

在城市建設(shè)等工程中每年產(chǎn)生高達(dá)幾十億立方米的渣土,以太原市小店區(qū)瀟河新城建設(shè)項(xiàng)目為例,挖填方區(qū)域達(dá)到200萬(wàn)m3,需要大量換土處置和廢放外運(yùn),同時(shí)面臨著回填施工場(chǎng)地小、空間窄、回填深度大、回填土夯實(shí)質(zhì)量不穩(wěn)定、難以達(dá)到設(shè)計(jì)要求等難題。流態(tài)固化土作為一種新型綠色工程材料,利用了工程渣土,無(wú)需振搗成型,可泵送或溜槽澆筑,減少了傳統(tǒng)素土、灰土回填的壓實(shí)工序,特別是狹窄空間的填筑工程,更具有無(wú)可替代的技術(shù)優(yōu)勢(shì)[1-3]。

國(guó)內(nèi)對(duì)流態(tài)固化土已經(jīng)有了一定的研究,周永祥等[4]提出了流態(tài)固化土概念,闡明了流態(tài)固化土的施工工藝及基本性能。王麗筠等[5]發(fā)現(xiàn)肥槽回填采用流態(tài)固化土具有施工速度快、安全隱患少、施工過(guò)程綠色、環(huán)保、無(wú)污染等優(yōu)點(diǎn),極大改善了肥槽回填的均勻性。陳榮華等[6]基于粉質(zhì)黏土對(duì)流態(tài)固化土展開(kāi)研究,采用水泥質(zhì)量摻量10%～15%、粉煤灰質(zhì)量摻量30%～50%、生石灰質(zhì)量摻量10%為固化劑時(shí),流態(tài)固化土流動(dòng)性和強(qiáng)度表現(xiàn)良好。王藝程[7]發(fā)現(xiàn)粉煤灰可以很好地改善流態(tài)固化土流動(dòng)性,但若粉煤灰替代水泥量過(guò)大就會(huì)出現(xiàn)強(qiáng)度降低的問(wèn)題。高強(qiáng)[8]利用單純形重心法設(shè)計(jì)流態(tài)固化土固化劑,確定了固化劑的最佳摻量,并通過(guò)掃描電鏡分析水泥基流態(tài)土固化劑的加固機(jī)理。

電化學(xué)阻抗譜法是一種以小振幅的正弦波電位為擾動(dòng)信號(hào)的電化學(xué)測(cè)量方法[9-10],在評(píng)價(jià)固化土內(nèi)部固化效果方面有了較為廣泛的應(yīng)用?，F(xiàn)選取水泥-粉煤灰-礦粉三元體系固化劑固化太原市瀟河新城工程地基土,利用流動(dòng)性測(cè)試、凝結(jié)時(shí)間測(cè)試、無(wú)測(cè)限抗壓強(qiáng)度測(cè)試選擇既能達(dá)到施工性能以及強(qiáng)度要求,又可以節(jié)約成本的最優(yōu)固化劑配比。同時(shí)通過(guò)電化學(xué)阻抗譜測(cè)試,建立阻抗參數(shù)與抗壓強(qiáng)度之間的關(guān)系,探討該方法應(yīng)用于評(píng)價(jià)流態(tài)固化土內(nèi)部固化效果的可行性。

1 試驗(yàn)方案

1.1 原材料

(1)土:土樣取自瀟河國(guó)際會(huì)展中心施工現(xiàn)場(chǎng),測(cè)得土質(zhì)液限WL、塑限Wp、塑性指數(shù)Ip、最優(yōu)含水率wop和最大干密度ρd如表1所示。

表1 土的基本物理性質(zhì)

(2)水泥:采用P·O42.5級(jí)普通硅酸鹽水泥,礦物摻合料選用Ⅱ級(jí)粉煤灰和S95級(jí)礦渣粉,主要化學(xué)成分如表2所示。

表2 水泥、礦渣粉和粉煤灰化學(xué)組分

(3)拌合水:本試驗(yàn)中制備所用的水為瀟河國(guó)際會(huì)展中心施工現(xiàn)場(chǎng)工地水。工地水的化學(xué)組分如表3所示。

表3 工地水的化學(xué)組分

1.2 配合比

單純形重心法通過(guò)測(cè)定試驗(yàn)點(diǎn)的性能指標(biāo),從而預(yù)測(cè)試驗(yàn)區(qū)域內(nèi)其他點(diǎn)的性能[11]。實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)需要滿(mǎn)足的混料條件(Xi≥0,X1+X2+…+Xn=1)進(jìn)行合理的實(shí)驗(yàn)安排。本試驗(yàn)設(shè)定有3種成分的固化劑材料,取上下邊界約束條件為:水泥摻量占固化劑總量的40%～100%,粉煤灰和礦粉摻量均占固化劑總量的0～60%。單純形重心設(shè)計(jì)法的配料點(diǎn)如圖1所示。

上下界約束條件下固化劑配合比實(shí)驗(yàn)區(qū)域是正規(guī)單純形——等邊三角形,應(yīng)用三分量系統(tǒng)的三階單純形重心設(shè)計(jì)方案,因此回歸方程模型為三個(gè)分量的三階重心多項(xiàng)式[12],即

(1)

式(1)中:y為固化土的預(yù)測(cè)值;bi=yi,bij=4yij-2(yi+yj),b123=27y123-12(y12+y13+y23)+3(y1+y2+y3),其中y1、y2、y3、y12、y13、y23、y123分別為7個(gè)試驗(yàn)點(diǎn)T1～T7下的固化土實(shí)測(cè)坍落度、凝結(jié)時(shí)間、抗壓強(qiáng)度值;x1、x2、x3為3種固化劑的摻量。將各個(gè)重心點(diǎn)的實(shí)測(cè)抗壓強(qiáng)度代入回歸方程得到固化土強(qiáng)度預(yù)測(cè)方程。

本次試驗(yàn)固化劑摻量取10%,實(shí)驗(yàn)組編號(hào)中的字母代表固化劑摻量,數(shù)字對(duì)應(yīng)單純形重心設(shè)計(jì)法配料點(diǎn)。不同固化劑配比如表4所示。

圖1 單純形重心設(shè)計(jì)法的配料點(diǎn)Fig.1 Ingredient points of simplex center of gravity design

表4 固化劑配比表

1.3 流態(tài)固化土試樣制備

對(duì)土料進(jìn)行破碎、篩選,得到粒徑小于5 mm的土粒,將土粒置于烘箱內(nèi),在105 ℃下烘至恒重,取出待用。先將部分水加入攪拌機(jī)內(nèi),再向攪拌機(jī)中加入固化劑,啟動(dòng)攪拌器攪30 s。按照配比加入土料,可將土料分成多組多次添加。加入第一次土料后,在保持?jǐn)嚢杵鞒掷m(xù)攪拌的狀態(tài)下,約20 s內(nèi)再加入下一次土料,直至將土料完全加入攪拌機(jī)內(nèi),根據(jù)土料流態(tài)情況加入剩余水量,攪拌器攪拌30 s后取出。根據(jù)《水泥土配合比設(shè)計(jì)規(guī)程》JGJ/T 233—2011相關(guān)規(guī)定,將攪拌好的流態(tài)土裝入 70.7 mm×70.7 mm ×70.7 mm的試模中,試樣在24 h 脫模,將脫模后的試塊(20±1) ℃、相對(duì)濕度95%以上的標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)條件下養(yǎng)護(hù)至14 d進(jìn)行抗壓強(qiáng)度測(cè)試。流態(tài)固化土制備及裝模過(guò)程如圖2所示。

圖2 流態(tài)固化土的制備及裝模Fig.2 Preparation and installation of fluid solidified soil

1.4 試驗(yàn)方法

1.4.1 流態(tài)固化土坍落度測(cè)試

擬用普通混凝土坍落度筒測(cè)試,為了保證預(yù)拌流態(tài)固化土的坍落度可以到達(dá)150～180 mm,試驗(yàn)采用0.49水膠比(水的質(zhì)量比干土與固化劑質(zhì)量)。

1.4.2 流態(tài)固化土凝結(jié)時(shí)間測(cè)試

將拌合均勻的流態(tài)固化土裝入圓模中抹平,并將其放在維卡儀試針下。當(dāng)試針下降到距離底板 3～5 mm時(shí)判定流態(tài)固化土達(dá)到初凝狀態(tài)。終凝針上安裝一個(gè)環(huán)形附件,當(dāng)環(huán)形附件不能在試體上留下痕跡時(shí),判定流態(tài)固化土達(dá)到終凝狀態(tài)。

1.4.3 流態(tài)固化土抗壓強(qiáng)度

測(cè)定流態(tài)固化土抗壓強(qiáng)度選用儀器為萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)。本次實(shí)驗(yàn)選定加載速度1 mm/min開(kāi)始加載,直到壓力峰值出現(xiàn)后試件破壞結(jié)束試驗(yàn),記錄峰值壓力并計(jì)算極限抗壓強(qiáng)度。

1.4.4 阻抗譜試驗(yàn)

采用單通道電化學(xué)工作站測(cè)定電化學(xué)阻抗譜。通過(guò)分析Nyquist圖的容抗弧半徑和Bode圖的阻抗模值來(lái)評(píng)價(jià)固化劑固化效果。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

表5總結(jié)了流態(tài)固化土的坍落度、凝結(jié)時(shí)間和抗壓強(qiáng)度。

表5 流態(tài)固化土坍落度、凝結(jié)時(shí)間、抗壓強(qiáng)度值

2.1 流態(tài)固化土坍落度

不同配比固化劑下的流態(tài)固化土坍落度如圖3所示。從圖3中可以看出粉煤灰含量從0增加到60%時(shí),流態(tài)固化土的坍落度由180 mm增加到 186 mm。這是由于粉煤灰表面光滑,在流態(tài)固化土內(nèi)起到良好的潤(rùn)滑作用。當(dāng)水泥與礦粉復(fù)摻時(shí),流態(tài)固化土的坍落度由180 mm降低到175 mm,說(shuō)明復(fù)摻水泥-礦粉時(shí)的需水量增加,需要結(jié)合更多的自由水,導(dǎo)致坍落度的小幅度下降。

圖3 坍落度值變化Fig.3 Changes in slump value

根據(jù)7個(gè)實(shí)驗(yàn)點(diǎn)的坍落度值,可求解式(1)。坍落度值與三元固化劑摻量組成的關(guān)系式為

y=180x1+178x2+186x3-16x1x2-

4x1x3+51x1x2x3

(2)

通過(guò)上述坍落度預(yù)測(cè)方程,可以計(jì)算不同組分比例來(lái)滿(mǎn)足特定要求的三元體系固化土的坍落度值。

2.2 流態(tài)固化土凝結(jié)時(shí)間

不同配比固化劑下的流態(tài)固化土凝結(jié)時(shí)間如圖4所示。在水膠比0.49情況下,預(yù)拌流態(tài)固化土的終凝時(shí)間的變化規(guī)律與初凝時(shí)間大致相同,如圖4所示。隨著固化劑配合比不同初凝時(shí)間由10 h縮短到8 h,終凝時(shí)間由15.5 h縮短到13 h。水泥與礦粉復(fù)摻下的流態(tài)固化土凝結(jié)時(shí)間最短,水泥與粉煤灰復(fù)摻下的流態(tài)固化土的凝結(jié)時(shí)間最長(zhǎng)。

圖4 凝結(jié)時(shí)間變化圖Fig.4 Setting time variation diagram

根據(jù)7個(gè)實(shí)驗(yàn)點(diǎn)的凝結(jié)時(shí)間,可求解式(1),凝結(jié)時(shí)間與三元固化劑摻量組成的關(guān)系式為

y=8.5x1+8.0x2+10x3+x1x2-x1x3-

1.6x2x3-12.3x1x2x3

(3)

y=14x1+13x2+15.5x3+2.8x1x2+

0.2x1x3+0.2x2x3-27.6x1x2x3

(4)

通過(guò)上述凝結(jié)時(shí)間預(yù)測(cè)方程,可以計(jì)算不同組分比例來(lái)滿(mǎn)足特定要求的三元體系固化土的凝結(jié)時(shí)間。

2.3 流態(tài)固化土抗壓強(qiáng)度

固化劑摻量為10%,水泥-粉煤灰-礦粉不同配比下抗壓強(qiáng)度等值線(xiàn)圖如圖5所示。從圖5中可以看出強(qiáng)度較低的區(qū)域主要集中在粉煤灰40%～60%,水泥摻量40%～60%這片區(qū)域,表明粉煤灰對(duì)固化土強(qiáng)度增長(zhǎng)的作用較低。強(qiáng)度較高的區(qū)域主要集中在礦粉摻量為20%～50%,粉煤灰摻0～20%,水泥摻量40%～80%這片區(qū)域內(nèi)。水泥中加入礦粉,其內(nèi)部水化程度較高,生成了更多的水化硅酸鈣和水化鋁酸鈣凝膠,降低了內(nèi)部孔隙率,提高了流態(tài)固化土密實(shí)度。高強(qiáng)[8]研究也確定了水泥與礦粉是提高固化土強(qiáng)度的重要因素。在工程實(shí)際中,在此區(qū)域選取水泥、粉煤灰、礦粉復(fù)合固化流態(tài)土,既能達(dá)到較高的抗壓強(qiáng)度,又可以減少固化劑中水泥的用量,達(dá)到節(jié)約成本的目的。

圖5 10%、14 d固化土抗壓強(qiáng)度等值線(xiàn)圖Fig.5 Contour map of compressive strength of 10%,14 d

據(jù)7個(gè)實(shí)驗(yàn)點(diǎn)的抗壓強(qiáng)度,可求解式(2),抗壓強(qiáng)度與三元固化劑摻量組成的關(guān)系式為

y=1.73x1+1.99x2+0.86x3+1.44x1x2+

0.14x1x3+0.06x2x3-5.88x1x2x3

(5)

通過(guò)上述抗壓強(qiáng)度預(yù)測(cè)方程,可以計(jì)算不同組分比例來(lái)滿(mǎn)足特定要求的三元體系固化土的抗壓強(qiáng)度。

2.4 流態(tài)固化土的電化學(xué)阻抗譜特征

2.4.1 等效電路模型建立

流態(tài)固化土是由固體、液體、氣體組成,它的導(dǎo)電路徑大致分為3種:固化土中的孔隙溶液傳導(dǎo)、固化土內(nèi)部水化反應(yīng)產(chǎn)生的膠體與土顆粒相接觸部分的傳導(dǎo)、膠體以及土顆粒與之間的孔隙溶液傳導(dǎo)[13]。因此可以在理想條件下獲得流態(tài)固化土內(nèi)部的等效電路模型,通電后,電流通過(guò)銅電極傳導(dǎo)至固化土表面,產(chǎn)生雙電層電容。在實(shí)際測(cè)量中,由于“彌散效應(yīng)”的存在,雙電層電容不是固定值,會(huì)出現(xiàn)一定程度的偏差,為防止這種效應(yīng),將雙電層電容換成常相位角元件(constant phase angle element,CPE)。電流通過(guò)固化土中孔隙溶液傳導(dǎo)產(chǎn)生的電阻用Rs表示。電流通過(guò)膠體、土顆粒與它們之間的孔隙溶液傳導(dǎo)產(chǎn)生的電阻為法拉第阻抗,用F表示。法拉第阻抗分為電化學(xué)過(guò)程電荷轉(zhuǎn)移電阻Rct和擴(kuò)散阻抗W,因此可以得到等效電路圖如圖6所示[14-15]。

圖6 流態(tài)固化土的等效電路圖Fig.6 Equivalent circuit of fluid solidified soil

2.4.2 流態(tài)固化土阻抗譜分析

如圖7所示選擇4個(gè)具有明顯特點(diǎn)配合比下固化土的電化學(xué)阻抗譜圖。

Z′為阻抗實(shí)部;|Z″|為阻抗虛部圖7 不同固化劑配比下流態(tài)固化土的電化學(xué)阻抗譜圖Fig.7 EIS diagram of fluidized solidified soil with different solidifying agent proportions

從Nyquist圖來(lái)看均由高頻區(qū)容抗弧和低頻區(qū)不同程度的擴(kuò)散斜線(xiàn)組成。水泥與礦粉復(fù)摻下的流態(tài)固化土的容抗弧半徑最大,水泥與粉煤灰復(fù)摻下的流態(tài)固化土的容抗弧半徑最小?？梢钥闯鋈菘够“霃降拇笮∨c固化土抗壓強(qiáng)度的大小成正比。在理想狀態(tài)下,低頻區(qū)的擴(kuò)散斜線(xiàn)應(yīng)該是一條45°的斜線(xiàn),但是由于試件表面粗糙不能與電極面充分接觸,導(dǎo)致其擴(kuò)散斜線(xiàn)的斜率變低。從Bode圖來(lái)看固化土的阻抗模值|Z|在水泥與礦粉復(fù)摻下達(dá)到最大,其次是單摻水泥以及水泥、粉煤灰、礦粉復(fù)摻,在水泥與粉煤灰復(fù)摻下達(dá)到最小。固化土的阻抗模值隨著頻率的增大先減小后趨于穩(wěn)定。

2.4.3 等效電路參數(shù)

以圖6所示等效電路模型使用Z-view軟件模擬得出的等效電路參數(shù)如表6所示。

表6 等效電路參數(shù)

(1)流態(tài)固化土溶液電阻Rs:反映的是流態(tài)固化土孔隙溶液電阻,它反比與孔隙溶液中離子的濃度[16]以及材料的內(nèi)部總孔隙率[17-18]?？紫度芤褐写嬖谥伤嗨a(chǎn)生的游離的Ca2+、OH-等離子[19],水泥與礦粉復(fù)合添加時(shí),水泥礦粉間的二次水化反應(yīng)更加充分,消耗了大量的OH-離子,導(dǎo)致孔隙溶液中的離子濃度降低,同時(shí)生成了相對(duì)較多的水化硅酸鈣和水化鋁酸鈣凝膠,更好地填充了固化土內(nèi)部孔隙,降低了流態(tài)固化土的內(nèi)部總孔隙率,因此其溶液電阻Rs是最大的。

(2)固-液界面電阻Rct:反映的是固液界面離子交換過(guò)程的阻力,隨著水泥、粉煤灰、礦粉水化反應(yīng)的持續(xù),越來(lái)越多弱結(jié)合水、自由水與離子參與水化反應(yīng),在固化土強(qiáng)度增加的同時(shí)使得固-液間電荷的轉(zhuǎn)移變得越來(lái)越困難,固-液界面電阻Rct不斷增大。其大小與抗壓強(qiáng)度成正比。

(3)雙電層電容CPE-T:隨著水泥、粉煤灰、礦粉水化反應(yīng)的持續(xù),越來(lái)越多弱結(jié)合水、自由水與離子參與水化反應(yīng),生成水化硅酸鈣和水化鋁酸鈣凝膠,導(dǎo)致土體結(jié)構(gòu)越來(lái)越密實(shí)。

因此雙電層間的電荷量越來(lái)越少,最終導(dǎo)致CPE-T越來(lái)越小。表明CPE-T值與水化程度、離子濃度以及孔隙率有很大關(guān)系。CPE-P 是一個(gè)無(wú)量綱的參數(shù),與彌散角φ有關(guān)。

綜上,流態(tài)固化土的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度從宏觀的角度反映其固化劑固化效果。電化學(xué)阻抗譜參數(shù)可以從微觀的角度來(lái)反映其固化劑固化效果,Nyquist 圖的容抗弧半徑和 Bode 圖的阻抗模值大小與固化體試樣的強(qiáng)度大小呈正相關(guān),內(nèi)部孔隙溶液Rs與強(qiáng)度呈正相關(guān),固-液界面電阻Rct與強(qiáng)度呈正相關(guān),雙電層電容CPE-T與強(qiáng)度呈負(fù)相關(guān)。其主要原因是隨著水泥、粉煤灰、礦粉的加入,土體內(nèi)部發(fā)生水化反應(yīng),離子、弱結(jié)合水和自由水參與水化反應(yīng)生成凝膠,導(dǎo)致土體內(nèi)部的孔隙率降低,離子濃度降低。因?yàn)樗嗯c礦粉水化反應(yīng)相對(duì)其他配比最充分,所以其容抗弧半徑、阻抗模值、Rs、Rct最大。從中可以看出電化學(xué)阻抗譜測(cè)試可以反映固化土試樣內(nèi)部的水化過(guò)程,是評(píng)價(jià)預(yù)拌流態(tài)土固化劑固化效果的一種有效途徑。

3 結(jié)論

(1)采用單純形重心法建立的水泥、粉煤灰、礦粉三元固化劑與流態(tài)固化土坍落度、凝結(jié)時(shí)間和抗壓強(qiáng)度的數(shù)學(xué)模型,可針對(duì)不同要求計(jì)算固化劑配合比,有效指導(dǎo)配合比設(shè)計(jì)優(yōu)化。

(2)水泥、礦粉質(zhì)量比為7∶3復(fù)合固化流態(tài)固化土?xí)r,抗壓強(qiáng)度最高,固化效果最好。水泥、粉煤灰、礦粉質(zhì)量比6∶2∶2的流態(tài)固化土流動(dòng)性和凝結(jié)時(shí)間適宜,抗壓強(qiáng)度較高,既能提升固化土強(qiáng)度又能達(dá)到節(jié)約成本,改善環(huán)境的目的。

(3)利用電化學(xué)阻抗譜法可以通過(guò)分析固化土試樣內(nèi)部的水化過(guò)程,從微觀的角度來(lái)反映其固化劑固化效果,其結(jié)論和無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度得出的固化劑固化效果一致,是評(píng)價(jià)預(yù)拌流態(tài)固化劑固化效果的一種有效途徑。