● 摘要
软土固化技术是经济、社会效益很高且应用极其广泛的一类地基处理技术。目前虽然研究设计了许多固化剂，但主要是某种固化剂针对某种或某些土有效，对于如何根据土的特性优化设计固化剂还未见报道；要进行固化剂的优化设计必须弄清以下几点问题①对于不同土样形成最佳固化土结构固化剂应提供的水化物种类、数量和组合；②土中化学因素对固化剂水化物生成过程与生成量的影响以及调控方法；③不同水化物生成过程的协调性及调控方法，而目前对这些问题均未解决。本文通过对固化土结构形成模型研究、土与固化剂之间的相互作用及其对固化剂水化产物形成数量和形貌影响的研究、固化土结构中膨胀与胶结结构形成协调发展的研究、以及原状土物理特性与最优固化土结构所需水化物种类和数量之间关系的研究，提出一种固化剂优化设计新方法，该方法可根据土的物理性质、化学性质因素，以固化土的组成和结构最优化为目标，配制适应不同土质条件的固化剂。主要研究内容如下：（1）提出并通过试验验证了一个新的固化土结构形成模型，该模型指出了对于不同土样形成最佳固化土结构所需要的水化物种类、数量和组合。首先提出一个新的粉砂土固化土结构形成模型，并基于这一结构形成模型，根据理想球状颗粒体系的堆积密度公式推导了固化土结构形成过程中固化剂浆液包裹土颗粒和填充土颗粒之间孔隙所分别对应的固化剂掺量的理论计算公式；通过对不同粉砂土样形成的水泥固化土抗压强度增量与水泥掺量关系试验，对比理论计算结果与试验结果，以及使用电子扫描电镜（SEM）微观观测，验证了该固化土结构形成模型。该模型指出粉砂土固化土结构是由固化剂胶凝性水化物充分包裹胶结土颗粒和胶凝性水化物或膨胀性水化物填充土颗粒间的孔隙而构成，其中孔隙填充对固化土抗压强度贡献较大。通过对不同粘土含量土样形成的水泥固化土抗压强度与水泥掺量关系试验以及微观观测，提出了粘性土固化土结构形成模型，该模型指出与粉砂土固化土不同，粘性土固化土中既存在土团粒之间孔隙又存在土团粒内部孔隙，因此，加固粘性土的固化剂除需要胶凝性水化物包裹胶结粘土团粒、胶凝性水化物或膨胀性水化物填充土团粒间孔隙之外，还需要膨胀性水化物挤压填充土团粒内孔隙，以增加固化土密实性，提高固化土强度，此外，硬凝反应可提高土团粒内粘土团粒间的连接强度，对固化土强度也有相当的贡献。（2）考察了土中化学性质因素对固化剂水化物生成过程与生成量的影响，确定了影响固化剂水化过程与生成量的土质因素及调控方法，并在此基础上建立了土样化学性质因素与调控水化环境所需的外掺剂之间的数量关系。本研究选取几组物理力学性质相近的典型土样，掺加不同比例的水泥制备成固化土，通过测定固化土抗压强度、根据固化土孔隙液离子浓度计算在多种离子作用下固化土孔隙液中Ca(OH)2浓度、X射线衍射测定固化土中水化物生成量，试验结果表明：固化土孔隙液中Ca(OH)2浓度影响固化土中固化剂水化物生成过程与数量，固化土孔隙液中Ca(OH)2浓度达到饱和土样化学性质不影响固化土中固化剂水化物生成，反之则影响；通过在物理力学性质相近化学性质不同的试验土样中掺加等比例的水泥掺量，对比不同土样的固化土抗压强度和孔隙液中Ca(OH)2浓度，利用土质学知识，考察了影响固化土孔隙液Ca(OH)2浓度的土质因素，试验结果表明：土样PH、矿物成分和土颗粒硅铝含量是影响固化土孔隙液Ca(OH)2浓度的主要土质因素。通过在物理力学性质相近化学性质不同的土样中掺加等量水泥和外掺剂，考察相同龄期不同土样固化土抗压强度，利用水泥化学和溶液化学基本理论分析了外掺剂对固化土孔隙液Ca(OH)2浓度的影响，试验表明：若在固化剂中加入可提供OH-离子的外掺剂，可提高固化土孔隙液中Ca(OH)2浓度，减小甚至消除土质因素（土样PH、矿物成分和土颗粒硅铝含量）对固化土中固化剂水化硬化的影响，对固化土抗压强度发展的影响，并在此基础上利用逐步回归分析方法建立了土样化学性质与固化剂中外掺剂掺量之间的数量关系。（3）提出了影响固化土结构中胶结与膨胀协调发展的主要因素和调控方法。使用普通硅酸盐水泥、石膏和硫铝酸盐水泥、高铝水泥作为膨胀型复合固化剂的组分，通过改变复合固化剂中膨胀组分的种类和含量，调整固化土中膨胀性水化物钙矾石生成速度，以及在复合固化剂中掺加Ca(OH)2提高固化土孔隙液碱度，测定不同固化剂配比的固化土在不同龄期的抗压强度，利用X-射线衍射分析、热量分析测定固化土各龄期胶凝性水化物与膨胀性水化物生成情况，试验结果表明：固化土结构中胶结与膨胀是否能协调发展，主要取决于膨胀性水化物钙矾石与胶凝性水化物CSH生成速度、固化土孔隙液的Ca(OH)2浓度以及土样的孔隙率，若提高固化土中膨胀性水化物生成时间或降低胶凝性水化物生成时间，膨胀性水化物在胶凝性水化物还未大量生成前生成，其膨胀填孔的作用远大于破坏已有结构的作用，有利于固化土强度的提高。（4）根据上述研究，提出了一个固化剂优化设计方法，该方法可以根据拟加固土样的物理性质和化学性质，设计出使固化土结构最优的固化剂组成。依据固化土结构形成模型提出的不同土质的固化土形成最优结构所需要的水化物种类，通过理论推导和试验数据拟合，建立了土样的物理力学性质指标（如粒径分布、孔隙率等）与不同土质固化土形成最佳结构所需要的固化剂各组分掺量的理论计算公式。试验证明：对不同的典型土样，利用该公式计算得到的固化剂各组分的掺量与试验得到的比较接近，且按本设计方法配制出的固化剂加固效果显著优于水泥加固的效果。（5）初步提出了利用工业废渣配制软土固化剂的设计原理和方法。首先根据固化土结构形成模型提出的加固粘性土所需的水化物种类（胶凝性水化物、膨胀性水化物和碱性物质），将现有的工业废渣进行了分类。按本研究固化剂设计方法使用工业废渣作为固化剂组分加固土样，对比掺工业废渣的固化土与只有水泥形成的固化土抗压强度，试验结果表明：与水泥相比，用工业废渣作为固化剂组分可提供碱度、提供膨胀性水化物以及固化土中调整胶凝性水化物与膨胀性水化物生成速率的优势，并且按照本研究提出的固化剂优化设计方法，以工业废渣为固化剂组分加固的软土，其固化土抗压强度显著高于水泥固化土。