溶洞回填黏土快速固化配方试验研究

倪嘉卿 李忠，2 朱帅

1.上海工程技术大学城市轨道交通学院 201620

2.兰州理工大学土木工程学院 730050

在岩溶发育地层桩基成孔施工过程中针对中小型无填充或半填充溶洞，传统处理方法为片石黏土回填，然而黏土结构松散、强度低、力学性能差［1］，常造成漏浆、回填次数多、进度缓慢等问题。通过对黏土进行固化来改善其力学性能就成了解决上述问题的一种方法。

国内外学者对土壤固化已进行了诸多研究，Tingle［2］等发现木质素能够有效提高土体抗压强度。王连锐［3］等使用巴氏杆菌微生物方法固化黏土，试验结果表明：改良后的土样密度增加，孔隙比下降，抗剪强度和无侧限抗压强度提高。董邑宁［4］等将新型固化剂Ι＃与普通硅酸盐水泥进行对比，试验结果表明，固化剂Ι＃对黏土的加固效果优于水泥，固化土的强度为水泥土的1.5 ～2.4 倍。有机聚合物、微生物或无机结合料都证明固化黏土能有效改善其力学性能，提高强度。然而一般方法固化速度较慢，白应华［5］等使用Na2SiO3激发矿渣-粉煤灰胶凝材料，证明当碱当量为8%时能最有效增快抗压强度增长。杜天玲［6］等使用水玻璃激发矿渣粉煤灰地聚物，来加速地聚物的水化反应。多年来土体固化技术被广泛应用于路基、桥梁、隧道［7-9］等工程中。

现有诸多研究针对上述工程，仅考量固化较长时间后土体的抗压强度，缺少对前期抗剪强度发展的研究。本文使用无机结合料固化黏土，将Na2SO4与CaO 作为激发剂，测试黏土的前期固化程度变化以及抗剪强度参数。

矿渣表面的网络结构保护层，导致了矿渣的水化速度缓慢［10-13］。SO2-4具有一定激发矿渣的作用，但在碱性环境中才能充分发挥作用。

式（2）中的OH-与Na＋，在碱性环境中，使矿渣中富钙相发生分解反应，溶出Ca2＋：

富钙相溶解，矿渣解体，富硅相暴露，OH-对矿渣中的Si-O-Si 或Si-O-Al 共价键进行作用，破坏矿渣玻璃体结构：

并在Na＋作用下发生如下反应：

式（2）中生成的CaSO4·2H2O 晶粒微小，比直接掺入石膏粉分散度大，活性大，C3A 反应速度加快，消耗Ca（OH）2又促进了C3S 水化反应。

2.1 试验目的

保持在素土中添加的矿渣与水泥熟料总量不变，改变两者的比例，找到固化黏土最优的配比，并在此基础上通过单掺Na2SO4和复掺Na2SO4＋CaO达到加速上述无机胶结材料的水化反应速度，快速固化黏土的目的。

2.2 试验材料

本试验选用桂林市平乐县沙子镇的黏土作为试验用土，呈红褐色。水泥为海螺牌普通硅酸盐水泥P.O 42.5。矿渣为白色S95 粒化高炉矿渣。Na2SO4和CaO 为西陇化工分析纯试剂。通过XRF测试，分别测试黏土与矿渣的化学组成，具体化学成分及含量见表1。

由表1可以发现矿渣中CaO、Al2O3和SiO2的含量高达85.23%。黏土中SiO2的含量为51.33%，与此黏土实际含沙量较多的情况相吻合。

表1 黏土及矿渣化学组成Tab.1 Chemical composition of clay and slag

2.3 试验方案

1.方案1

保证总凝胶材料用量为素土质量的10%，改变水泥和矿渣的比例，比较凝结时间，寻找到最优配比。具体配比方案见表2。

表2 水泥和矿渣配比方案Tab.2 Cement＆Slag ratio schemes

其固化剂名称中“C”指水泥熟料，“S”指粒化高炉矿渣，字母前数字为两者所占比例。

2.方案2

综合考虑工程成本与凝结时间，以方案1 中编号Ⅳ为基础，单掺Na2SO4来比较其对加速固化的作用，Na2SO4掺量为矿渣的质量百分数，具体配比方案见表3。其中“Na”指Na2SO4，“Ca”指CaO，字母前的数字代表该种材料占矿渣质量的百分数。

表3 单掺Na2SO4 配比方案Tab.3 Single admixture Na2SO4 ratio scheme

3.方案3

选取方案2 中对加速固化黏土效果最好的30Na0Ca为基础，并掺入CaO，其掺量为矿渣的质量百分数，具体配比方案见表4。

表4 复掺Na2SO4 ＋CaO配比方案Tab.4 Mixed Na2SO4 ＋CaO ratio scheme

2.4 试验过程及方法

1.凝结时间测试试验

由于黏土回填溶洞桥梁桩基的功法对于黏土物理形态的特殊性要求，本研究采用维卡仪试针距离试模底部距离来衡量拌合后土样的凝结速度快慢，从干料（黏土和固化剂）加水拌合开始计时。同一配方下制样3 个，在前6h 内，每隔半小时测试一组数据，6h ～72h 内每12h 测试一组数据，每组数据测试5 次。具体步骤参考《土工试验方法标准》（GB／T 50123—2019）与《水泥土配合比设计规程》（JGJ／T 233—2011）。

2.直接剪切试验

同一配方下制样60 个，12 个为一组分别自然养护1d、2d、3d、5d、7d。抗剪强度试验采用ZJ型应变控制式直剪仪（四联剪），轴向应力控制在100kPa、200kPa、300kPa、400kPa。

3.1 凝结时间

以维卡仪试针距底高度来衡量固化剂水化反应速率与凝结时间，相同时间下距底高度越高，意味着水化反应速率越快，凝结所需时间越短。凝结时间按方案分别分析。

1.方案1

图1 为水泥矿渣总量为干土质量10%掺量下，不同水泥矿渣比例下维卡仪试针距离模具底部高随时间变化曲线。分析可知：在固定水泥与矿渣总量不变的情况下，随着水泥含量的增加在6h处的距底高度呈现先增大后减小的趋势，其中编号Ⅲ在6h处的距底最大为28.5mm，也意味着在前6h 中固化剂50C50S 的水化反应最为迅速，前6h 平均增长速率为4.75mm／h。而50C50S在6h ～72h 内高度增量仅为3.6mm，为总增量的11.2%，意味着编号Ⅲ固化土在前6h内反应生成了绝大多数的水化凝胶产物。在6h ～72h内距底高度增长最快的为10C90S 变化量为23mm，为总增量的100%，即前6h 固化剂10C90S反应速度缓慢，不能提供固化土所需的水化凝胶产物。

图1 10%掺量下不同水泥矿渣配比Fig.1 Different cement slag ratio under 10% dosage

当水泥含量为50%时，能够最有效的0 ～6h内固化黏土，继续增加水泥含量反而会使0 ～6h内固化速度减慢。并且水泥在黏土固化早期起到主导作用，提供了早期水化凝胶产物，而矿渣的水化反应速度较慢，承担6h ～72h 内黏土固化的主要作用。

2.方案2

在工程中矿渣的成本低于水泥，结合实际工程成本和试验结果考虑，选用30C70S 作为黏土固化剂的基础。在30C70S 的条件下，单独添加Na2SO4作为加速矿渣水化反应的激发剂。由图2可知，随着Na2SO4含量的增加，其固化效果也随之改善，并在30% Na2SO4出现拐点。以其中效果最好的30Na0Ca为例，其6h高度为17.3mm，

图2 水泥矿渣3∶7 条件下不同含量配比Fig.2 Ratio of Na2SO4 with different contents in cement slag at 3∶7

与30C70S相比增加了103.5%，在6h ～72h 高度增量为21.5mm，而30C70S 在相同时间内的增量为20.3mm，两者相差仅为1.2mm。

由此可见，单独掺和Na2SO4对矿渣的激发作用有一定的效果，但是对6h ～72h 内加速矿渣水化反应效果有限。

3.方案3

在30%Na2SO4掺量情况下赠加CaO，由图3可知，30Na20Ca 在6h 处距底高度为20.3mm，与30Na0Ca 相比增加了17.1%。相较于单独掺和Na2SO4，加入CaO 对前6h 凝结效果并不明显，但对6h ～12h 后加速水化反应效果显著，30Na20Ca在6h ～12h内高度增量为18.4mm，增长率为90.6%。30Na30Ca 在24h 后的试针距底高位为40mm，可以认为固化后黏土已经拥有一定强度。以距底高度25mm为固化标准，无外加剂所需时间为60h，最优配比即在水泥矿渣之比3∶7 条件下30Na20Ca所需时间为6.6h。

图3 水泥矿渣3∶7， 30%Na2SO4 条件下不同CaO 含量Fig.3 Different contents of CaO in cement slag 3∶7，30%Na2SO4

3.2 抗剪强度

由于回填溶洞固化黏土的特殊性，测试1d、2d、3d、5d、7d 养护龄期下抗剪强度参数，即黏聚力c。得到图4 抗剪强度参数随龄期的变化规律：总体呈现黏聚力c随时间增长的趋势，特别的30C70S 在2d 后出现了黏聚力下降的现象，而30Na20Ca黏聚力c 随养护龄期增长而增大，且大致为30C70S 的10 倍，100C0S 的1.5 ～3倍，但30Na20Ca 单日黏聚力增量即每间隔24h后黏聚力变化量由18.56kPA 降至3.57kPA，并未出现如张小芳等［10］文献中黏聚力c与养护龄期呈线性增长的趋势。证明了30Na20Ca 具有一定减少工程成本的作用，前5d 内大量胶结材料已被消耗发生水化反应，Na2SO4和CaO 对水泥矿渣固化剂具有良好的激发作用。

图4 黏聚力-养护龄期变化曲线Fig.4 Cohesion-curing age

1.不考虑成本情况下，使用质量比为7∶3的水泥矿渣固化黏土在不同水泥矿渣配比综合所需凝结时间最短。

2.单一掺和Na2SO4对于水泥矿渣固化剂有一定激发作用，但效果有限。Na2SO4激发矿渣在碱环境作用下才能得到充分的发挥。

3.复掺Na2SO4＋CaO，能有效增加固化土的黏聚力c，黏聚力c并随养护龄期增长而提升。

4.本研究将无机凝胶材料总量控制在素土质量的10%，缺少凝胶总量对固化土影响的研究，存在改变凝胶材料总量能大幅缩短凝结时间、提高固化土强度的可能。

后续研究可以考虑固化后土壤前期对解决工程困难、缩短工期、提高施工效率等问题，更可以将固化土壤在长期时间下性能的损失等问题纳入研究的范围。