CN111635204A - 低水泥基土体固化剂及其生产方法和应用 - Google Patents

Abstract

本发明公开了低水泥基土体固化剂及其制备方法和应用，该固化剂由包括以下重量百分含量的原料经烘干处理、球磨细化和拌合均匀得到：水泥10％～30％、填充剂10％～40％、钢铁渣30％～60％、石膏5％～15％、硫铝酸盐激发剂0.01％～5％和聚合物减水剂0.01％～1％。本发明采用复合掺合料结合化学激发胶凝材料产生叠加效应，经原料配比和材料掺合量优化得到新的土体固化剂，可以替代水泥用于加固土体形成密实固化体微结构，增强土体强度和无侧限抗压强度，改善其抗渗透性能，满足永久性地基处理、深基坑的临时性围护结构和止水帷幕、水利工程护堤等工程应用。

Description

低水泥基土体固化剂及其生产方法和应用

技术领域

本发明涉及建筑材料技术领域，具体涉及一种低水泥基土体固化剂及其制备方法和应用。

背景技术

在住宅、厂房、货物堆场的地基加固，深基坑的临时性围护结构和止水帷幕，水利工程的护堤等工程建设中，常用搅拌桩、旋喷桩等施工方法将普通水泥与土体搅拌，形成具有一定强度的地基结构，以提高地基的承载力和挡土挡水性能。在道路工程的基层和底基层、河岸滩涂的促淤工程中，通常使用石灰或水泥作为固化材料，以提高地基的承载力。然而，普通水泥、石灰形成的加固土体强度偏低，特别是在沿江、沿海处，由于粘土含水量很高，这些材料的固化效果不理想，易造成住宅楼沉降大、基坑开挖边坡塌方等工程事故。

据估计，我国每年用于加固土体等岩土工程的水泥约占水泥总用量的10％以上，主要用于地基、路基、边坡加固、矿井充填、废弃泥浆处置、污染土壤治理、防渗墙等。但是，现有的水泥类材料在复合地基加固中存在水化环境恶劣、Ca²⁺不足、水化产物生成速度不协调和分布弱化、土体微结构不致密以及强度和耐久性不足等问题。

发明内容

为克服现有技术中水泥固化土壤存在的水化环境恶劣、Ca²⁺不足、水化产物难以连续分布、耐久性不足等缺陷，本发明的主要目的在于提供一种低水泥基土体固化剂，采用复合掺合料结合化学激发胶凝材料产生叠加效应，经原料配比和材料掺合量优化得到该土体固化剂。

本发明的另一目的在于提供上述低水泥基土体固化剂的制备方法。

本发明的再一目的在于提供上述低水泥基土体固化剂应用于高含水率土壤固化工程。

本发明还提供了由上述低水泥基土体固化剂制备的固化土体制件，用于地基处理或基坑围护。

为实现上述发明目的，本发明采用的技术方案如下：

第一方面，本发明的低水泥基土体固化剂，包括以下重量百分含量的原料：水泥10％～30％、填充剂10％～40％、钢铁渣30％～60％、石膏5％～15％、硫铝酸盐激发剂0.01％～5％和聚合物减水剂0.01％～1％；

其中，所述水泥选自P.O.42.5水泥和/或P.O.52.5水泥。

所述低水泥基土体固化剂为灰色粉末状，且比表面积为300～550m²/kg，优选比表面积为350～500m²/kg，更优选比表面积为450～500m²/kg。

在某些实施方案中，所述填充剂选自垃圾处理除尘灰、烧结脱硫灰、电厂粉煤灰或干法脱硫灰中一种或两种以上组合，比表面积大于350m²/kg；所述钢铁渣由矿渣或钢渣经烘干粉磨处理得到，比表面积大于350m²/kg；在某些实施方案中，所述石膏选自脱硫石膏、磷石膏或氟石膏中一种或两种以上组合，且其三氧化硫的含量大于35％。

进一步，所述填充剂、钢铁渣和石膏均可由电力、钢铁和铸造行业产生的固废、副产物或工业粉尘收集处理得到。

在某些实施方案中，所述聚合物减水剂为聚羧酸，固含量不低于98％。

第二方面，所述低水泥基土体固化剂的制备方法，包括将所述原料经烘干处理、球磨细化和拌合均匀的步骤；其中，所述原料采用自然烘干或低于100℃的低温烘干后球磨细化至细度要求。

第三方面，所述低水泥基土体固化剂应用于高含水率土壤固化工程。在某些实施方案中，所述低水泥基土体固化剂用于永久性地基处理、深基坑的临时性围护结构和止水帷幕、水利工程的防护堤或海底淤泥固化。

第四方面，本发明的固化土体制件，包括所述低水泥基土体固化剂，且其掺量为5％～25％，优选掺量为5％～25％，更优选掺量为15％。在某些实施方案中，所述的固化土体制件还包括土和水，且水灰比为0.45～2.0，优选水灰比为0.8～1.5，更优选水灰比为0.6。

第五方面，所述固化土体制件的制备方法，包括步骤：

(1)土自然风干后依次经破碎、粉碎和过5mm筛，得过筛细土；

(2)步骤(1)中过筛细土和所述低水泥基土体固化剂按比例放入砂浆搅拌机内缓慢搅拌均匀，一次性加入水搅拌5～15min，得到拌合料；

(3)步骤(2)中拌合料快速倒入固定于振动台上的模具内，沿水平方向由边缘向中心进行多次螺旋插捣，至所述拌合料均匀密实；再经振动台振实不少于2min，试模上沿口刮平，盖塑料薄膜成型1～5天，拆模，于18～22℃、湿度≥95％的条件下养护。

优选地，步骤(2)中加水后采用慢转和快转交替搅拌的方式。

优选地，步骤(3)中所述模具内表面预先均匀涂一薄层矿物油。

优选地，所述固化土体制件可为柱体、砖块或桩体。

第六方面，所述固化土体制件在地基处理或基坑围护中的应用。

与现有技术相比，本发明的有益之处在于：

(1)与传统水泥相比，本发明的低水泥基土体固化剂以工业废料为主要原料，经过与化学激发胶凝材料复合产生叠加效应，在常温下通过搅拌直接与地基土颗粒胶结，有效改善原状土的变形特性，无侧限抗压强度、抗剪强度、压缩性以及抗渗透性等工程特性明显提升，早期强度高、稳定性和耐久性好，同时改善土体抗渗透性能，完全可以替代水泥应用于固化土体。

(2)本发明的低水泥基土体固化剂可由电力、钢铁和铸造等行业产生的固废、副产物或工业粉尘收集处理后与水泥和激发剂经过烘干、粉磨和混合工序后得到，矿渣和其它工业固废的含量超过70％，水泥使用量少，在不影响加固质量的条件下可减少CO₂的排放和固废对环境的影响，是绿色环保产品。

(3)本发明的低水泥基土体固化剂具有替代普通硅酸盐水泥的施工可行性，可以通过和土体搅拌形成具有足够强度和满足渗透要求的固化土体制件，与普通水泥相比，在相同掺入量的条件下其处理深度、复合地基的承载力和刚度、质量可靠性均明显提高，耐久性更好，有利于缩短工期或者减少材料用量。

(4)与普通水泥相比，本发明的低水泥基土体固化剂在达到相同强度要求的条件上所需养护时间更短，节省工程工期，进一步降低成本。

附图说明

图1是不同掺量时水全浸泡条件下的固化土体试块：(a)、(c)和(e)依次为固化剂掺量10％、15％和20％；(b)、(d)和(f)依次为水泥掺量10％、15％和20％。

图2不同掺量时干湿循环条件下的固化土体试块：(a)、(c)和(e)依次为固化剂掺量10％、15％和20％；(b)、(d)和(f)依次为水泥掺量10％、15％和20％。

图3是干湿循环次数对固化土体试块吸水率的影响。

图4是不同掺量时硫酸盐侵蚀条件下的固化土体试块：(a)、(c)和(e)依次为固化剂掺量10％、15％和20％；(b)、(d)和(f)依次为水泥掺量10％、15％和20％。

图5是固化剂10％、15％和20％掺量下固化土体试块的XRD图像。

图6是水泥10％、15％和20％掺量下固化土体试块的XRD图像。

图7是固化剂不同掺量下各龄期时固化土体试块的抗压强度：(a)10％，(b)15％，(c)20％。

图8是干湿循环作用后不同固化剂时固化土体试块的抗压强度：(a)固化土，(b)水泥土。

图9是干湿循环后固化剂不同掺量下固化土体试块的抗压强度耐蚀系数K_f。

图10是硫酸盐侵蚀后不同固化剂掺量下固化土体试块的抗压强度：(a)固化土，(b)水泥土。

图11是硫酸盐侵蚀后固化剂不同掺量固化土体试块的抗压强度耐蚀系数K_f。

图12是不同掺量的固化土和水泥土在14d、28d、56d和90d龄期时无侧限抗压强度随掺量变化：(a)固化剂，(b)水泥。

图13是固化剂和水泥在掺量分别为10％、15％和20％下的固化土体无侧限抗压强度随龄期变化：(a)固化剂，(b)水泥。

图14是14d、28d和90d龄期不同固化剂掺量下固化土体试块的45°剪切角抗剪强度对比曲线：(a)固化剂，(b)水泥。

图15是14d、28d和90d龄期下不同固化剂掺量下固化土体试块的粘聚力对比曲线：(a)固化剂，(b)水泥。

图16是14d、28d和90d龄期下不同固化剂掺量下固化土体试块的内摩擦角对比曲线。

图17是固化剂和水泥在10％、15％和20％掺量在不同龄期下固化土体试块的抗剪强度对比曲线：(a)固化剂，(b)水泥。

图18是固化剂和水泥在掺量分别为10％、15％和20％下固化土体试块的粘聚力随龄期变化：(a)固化剂，(b)水泥。

图19是固化剂和水泥在掺量分别为10％、15％和20％下固化土的内摩擦角随龄期变化的对比曲线。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明的实施方案进行详细描述，但是本领域技术人员将会理解，下列实施例仅用于说明本发明，而不应视为限定本发明的范围。实施例中未注明具体条件者，按照常规条件或制造商建议的条件进行，所用试剂、产品或仪器未注明生产厂商者的，均市购获得。

<低水泥基土体固化剂的制备方法>

以下实施例中采用的低水泥基土体固化剂(简称固化剂或GS固化剂)，是由包括以下重量百分比含量的原料经烘干处理、球磨细化和拌合均匀后得到比表面积为300～550m²/kg的灰色粉末：P.O.42.5水泥10％～30％、填充剂10％～40％、钢铁渣30％～60％、石膏5％～15％、硫铝酸盐激发剂0.01％～5％、聚羧酸0.01％～1％；其中：水泥还可选为P.O.52.5水泥，填充剂选自垃圾处理除尘灰、烧结脱硫灰、电厂粉煤灰或干法脱硫灰中一种或两种以上组合，比表面积大于350m²/kg，钢铁渣由矿渣或钢渣经烘干粉磨处理得到，比表面积大于350m²/kg，石膏选自脱硫石膏、磷石膏或氟石膏中一种或两种以上组合，且其三氧化硫的含量大于35％，聚合物减水剂为聚羧酸，固含量不低于98％。上述填充剂、钢铁渣和石膏均可由电力、钢铁和铸造行业产生的固废、副产物或工业粉尘收集处理得到。

<固化土体试块的制备方法>

选取珠三角地区的典型土样，水泥为P.O.42.5水泥(采用国标基准水泥)，低水泥基土体固化剂通过上述制备方法得到。分别用所得低水泥基土体固化剂和水泥对土体进行加固制备固化剂固化土(简称固化土或GS固化土)和水泥固化土(简称水泥土)的试块，掺量取用10％、15％、20％，水灰比为0.6，土体含水率为44.3％，采用50×50×50mm³试块，在成型3天后拆模进行养护若干天，养护条件是20±2℃，湿度≥95％。具体成型过程如下：

将土样自然风干，然后破碎成小块烘干，在粉磨机里粉碎，并过5mm筛去除未粉碎的大颗粒，取过筛的土作为试验用土备用，将土、固化剂放入砂浆搅拌机，缓慢搅拌使材料均匀混合，再加水搅拌直至均匀，拌和水一次性加入，再将转速改为快转，使粘在搅拌棒上的固化土回落到搅拌器中。慢转与快转交替进行使试验材料均匀混合，大致运行10分钟后即可停止搅拌。每批实验的加固体用量均采用同一批次搅拌。

制作试块前，在试模内表面应涂薄层植物油，方便试块脱模；固化土搅拌后尽快倒入模具中使其成型，并且成型前后时间间隔不超过25min。在成型的过程中，拌合物分多次插捣。每次装料高度宜相等，插捣时采用捣棒，每层按螺旋方向从边缘向中心插捣15次。在插捣底层拌合物时，捣棒应达到试模底部，插捣上层时，捣棒应贯穿该层后插入下一层5～15mm，插捣时捣棒应保持垂直，插捣后用刮刀沿试模内壁插拔数次。试模应固定在振动台上振实，振实时间不应少于2min，振实后拌合物应高出试模上沿口，试模顶部多余的水泥土应刮除，抹平后应盖上塑料薄膜。

<性能测试或表征方法>

参考标准包括《水泥土配合比设计规程》(JGJ/T 233-2011)、《土壤固化剂应用技术规程》(CJJ/T286-2018)和《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法》(GB/T50082-2009)。

(1)耐久性评价：结合GB/T50082-2009《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法》，固化土或水泥土完全浸泡于硫酸钠溶液和干湿循环浸泡于水中，通过浸泡后试块抗压强度与标准养护条件下同龄期抗压强度标准值之间的比值定义为抗蚀系数，结果为三个试块算术平均值：

K_f为抗压强度耐蚀系数(％)，f_s、f₀分别为受侵蚀后试块抗压强度测定值与同龄期原养护条件下抗压强度测定值(MPa)。

(2)固化剂反应过程和硬化机理表征：采用X射线衍射分析量化表征固化剂反应产物及其演化过程，用扫描电镜观察硫酸盐侵蚀破坏后样品形貌特征，用扫描电镜背散射模式分析判断土与固化剂界面结合状态，对其进行面扫描分析。

(3)混合均匀度和强度相关性试验：待试样养护至28d时，部分样品进行无侧限抗压强度试验，两个样品留存为均匀度检测。均匀度检测采用显微镜或数码相机拍摄取照，将横截面划格分析追踪剂在每个区间的分布情况，采用图像分析方法分析每个区间内追踪剂含量及差异情况，建立混合均匀情况与强度之间的相互关系。

以下通过具体实施例对本发明的低水泥基土体固化剂和其制备的固化土体制件进一步解释说明。

实施例1清水全浸泡试验

固化土体试块标准养护90天后，常温下对试块采用全浸泡方式浸泡30天，以作为对照平行组与硫酸盐侵蚀、干湿循环作用组进行比较，并在30天浸泡结束后，总的龄期共120d，对120d龄期的试块进行抗压强度测试，如图1所示。

由图1可知，固化剂10％掺量下的试块在水浸泡30d后出现了微小裂缝，颜色较浅，且随着掺量增加，含有固化剂的试块外表颜色逐渐加深，而颜色方面，不同水泥掺量下则有相反。

实施例2干湿循环试验

固化土体试块养护90天后，将试块放入清水中浸泡24小时，再拿出晾干放置24小时，每日中午12点进行浸泡或取出。整个过程均在室温下进行，干湿循环30天后，测得其抗压强度，分析其在干湿循环条件下的强度变化情况，如图2和3所示。

由图2可知，在干湿循环中，掺量为10％时的固化剂、水泥土试块均出现了少量裂缝，其余试块较为完整，表明固化剂掺量提高对于改善其干湿循环条件下试块完整性、强度保持都有一定价值。图3可知，掺量为10％的水泥土在早期干湿循环时，可能出现了裂缝，在而后的过程中，裂缝出现了闭合或者连通性变差，使得吸水率降低。在循环11次后吸水率陡增，是由于干湿循环破坏了孔隙结构，使得孔隙率增大，从而吸水率急剧增大。整体看来，固化土的吸水率低于水泥土。

实施例3硫酸盐浸泡试验

将养护90天后的固化土体试块放入质量分数为5％的硫酸钠溶液中完全浸泡30d，观察硫酸盐腐蚀破坏过程。腐蚀龄期结束后，水泥土试块完全发生破坏，而固化土样品依旧保持完整，并进行抗压强度测试，如图4所示。

由图4可知，三种掺量水泥配制的固化土经过质量分数为5％的硫酸钠溶液浸泡侵蚀30天后，均完全破坏；而掺加固化剂的土体试块仍旧完整，并测得抗压强度值。随着固化剂掺量增加，试块外观保持良好，在较低掺量下，角部、棱边出现少量裂缝，表现出一定程度腐蚀破坏，但较水泥土而言明显得到改善，水泥土中随着水泥掺量的增加，水泥土的破坏程度越彻底。固化剂试块为完整的，说明固化土在抵抗硫酸盐侵蚀方面比水泥土具有优势。

实施例4物相分析

固化土体试块和水泥土试块养护90天后，进行固化土的微观产物分析，采用X射线衍射仪(XRD)研究产物的物相组成，具体测试步骤如下：

将按照抗压强度样品制备方法得到预定龄期的样品取出，敲碎成小块状后置于样品瓶中，倒入大量的无水乙醇(液面应保持在样品上表面以上)进行终止水化，隔天换一次无水乙醇，换2～3次无水乙醇后，取出样品，在40℃、1.0×10^-2MPa真空度下抽真空24h(中间用玻璃棒搅拌试样两次)；然后利用球磨机磨细后(通过80μm的筛)放在滤纸上，然后将样品连同滤纸放在真空干燥器中，在40℃、1.0×10^-2MPa下抽真空12小时，取出，放在1.0×10^{- 2}MPa真空度的真空干燥箱中备用。

样品测试由日本Rigaku公司制造的D/max2550VB3+/PC型X射线粉末多晶衍射仪，测试条件设置为工作电压40kV，工作电流250mA，DS＝0.5°，RS＝0.15mm，铜靶Kα射线。各龄期水化样品扫描范围为5°～70°。连续扫描测试时，步长(2θ)为0.02°，扫描速度为10°/min；步进扫描测试(FT)时，步长为0.02°，每步停留时间4s。

90d龄期的固化土和水泥土试块XRD测试分别如图5和图6所示，可以看出固化剂在不同掺量下反应产物的物相存在着一定的差异，随着固化剂掺量增加，CaCO₃增加；随着水泥掺量的增加，CaCO₃也随之增加，这是由于水泥土碱性程度更高，在养护、制样过程中出现碳化。

实施例5抗压强度测试

(1)龄期和掺量对抗压强度的影响：对清水浸泡试验、干湿循环试验和硫酸盐浸泡试验后的试块进行抗压强度测试，结果如表1所示。

表1：不同养护龄期下的抗压强度(MPa)

固化土和水泥土的抗压强度随着固化剂掺量的增加而提高，GS固化反应时间较长，随着龄期的增长，抗压强度逐渐提高，如图7所示。28d后，10％和20％掺量下的固化土的抗压强度增长速率均高于水泥土，图7(b)中也可以发现水泥土的强度提升速率要高于固化土。整体来看，固化土抗压强度明显高于水泥土，固化土的强度高于水泥土的二倍，固化剂的强度较水泥土明显提高，用固化剂加固软土地基具有更好的承载力。

(2)腐蚀破坏后力学性能变化：对于耐久性试验中的各试块抗压强度变化情况进行测量与分析，结果如表2所示。将表2中干湿循环和硫酸盐侵蚀后的试块进行抗压强度测试并与水浸泡(120d)强度进行对比，计算所得的抗压强度耐蚀系数K_f如表3所示。

表2：腐蚀作用后抗压强度(MPa)

表3：腐蚀作用后抗压强度耐蚀系数K_f(％)

固化土的强度普遍高于水泥土，随着固化剂和水泥掺量增加，抗压强度也逐渐增加，如图8所示。

抗压强度耐蚀系数K_f，其数值越大，表明破坏作用对其影响越小。相比于清水全浸泡试验，干湿循环和硫酸盐侵蚀试验中的试块强度都有所降低，如图9所示。干湿循环中，较低固化剂掺量下固化土的强度下降更为明显，随着固化剂掺量增加，强度保留率有明显提升，其中固化剂改善效果更为明显，表明固化土在耐地下水位变动区的干湿循环破坏能力要优于水泥土,；固化剂掺量从10％～20％，掺量增大，干湿循环对其无侧限抗压强度影响越小。

固化土的强度普遍高于水泥土，随着固化剂和水泥掺量增加，抗压强度也逐渐增加，如图10所示。相比于清水全浸泡试验，硫酸盐侵蚀试验中的试块强度都有所降低。相比于干湿循环，硫酸盐侵蚀下的试块的强度损失更明显，腐蚀更为严重，且水泥土在硫酸盐侵蚀下发生了完全破坏，表明水泥土不能用于含有硫酸盐的环境中。

水泥土比固化土更耐干湿循环的破坏，固化土耐硫酸盐侵蚀性能要强于水泥土，低掺量固化土耐硫酸盐侵蚀的性能较差，如图11所示。在硫酸盐溶液中浸泡30d后，固化剂掺量为20％时的抗压强度耐蚀系数K_f达到了69％，抗压强度有所保留，但是更长时间的硫酸盐侵蚀依然会使得试块强度继续下降。

综上，固化土体的力学性能在干湿循环和硫酸盐侵蚀的耐久性方面优于水泥土。干湿循环条件下，固化土和水泥土的强度损失不大，固化土强度保留率更高；但在硫酸盐侵蚀使得固化土下降了30％～67％，而水泥土则在不到30天的硫酸盐侵蚀过程中发生了完全破坏。

<应用实例>

将本发明的低水泥基土体固化剂用于加固海底淤泥，其土样的基本物理力学指标如表4所示，固化土体的制备方法同上<固化土体试块的制备方法>，同时设置P.O.42.5水泥加固海底淤泥试块作为对照，进行无侧限抗压实验和变角板剪切实验。

表4：土样的基本物理力学指标

(1)无侧限抗压实验：采用的压力试验机符合现行国家标准《试验机通用技术规程》GB/T2611-2007的规定，为微机控制万能试验机，测量精度为±1％，并且具有连续加荷速率控制装置，能均匀、连续加荷，试验中加载时采用的是应力控制，速度控制在0.15kN/s，试块加压方向为试块成型时的振捣方向。分别测试固化土体试块在不同固化剂掺量(10％、15％、20％)和不同龄期(14d、28d、56d、90d)下的无侧限抗压强度，并与相同掺量和龄期的水泥土体试验数据进行对比。

(2)变角板剪切实验：采用液压式万能试验机进行变角板剪切试验，分别测试不同固化剂掺量(10％、15％、20％)和不同龄期(14d、28d、90d)下的固化土体试块的抗剪试验，利用压力机施加垂直荷载，使试块沿某一剪切面产生剪切破坏，以α值为30°～70°(以采用较大的角度为好)的夹具进行试验，在单向压缩试验机上求得所施加的极限荷载。然后通过静力平衡条件解析剪切面上的法向压应力和剪应力，绘制法向压应力与剪应力的关系曲线，得到固化土的抗剪强度、黏聚力和内摩擦角，并与相同掺量和龄期的水泥土试验数据进行对比。相同条件下，固化剂加固海底淤泥的无侧限抗压强度明显优于水泥，具有早期强度高的优势，如表5所示。

表5：固化剂加固海底淤泥无侧限抗压强度

固化土无侧限抗压强度随掺量的增加逐渐增大，增长趋势与水泥土类似。固化土的早期强度高，在龄期和掺量分别为14d、10％时，无侧限抗压强度都已经达到了1.26MPa，是相同条件下水泥土强度的2.5倍。随着掺量的不断增大，固化土的无侧限抗压强度的增加幅度也比水泥土的大。相较于水泥土，固化土的早期强度高、强度增长更快，如图12所示。

固化土强度提高系数为固化土无侧限抗压强度与水泥土无侧限抗压强度的比值。由表6可知，14d龄期时，在相同掺量时固化土无侧限抗压强度为水泥土无侧限抗压强度的2.47～2.81倍，28d龄期时为水泥土无侧限抗压强度的2.18～2.91倍，56d龄期时为水泥土无侧限抗压强度的2.03～2.18倍，90d龄期时为水泥土无侧限抗压强度的1.97～2.71倍。应用到工程实际中，基本上掺量10％的固化土无侧限抗压强度可以达到掺量15％的水泥土无侧限抗压强度，掺量15％的固化土无侧限抗压强度可以达到掺量20％的水泥土无侧限抗压强度，掺量15％的固化土无侧限抗压强度可以达到掺量20％的水泥土无侧限抗压强度。

表6：固化剂加固海底淤泥无侧限抗压强度提高系数

随着龄期的增加，固化土和水泥土的无侧限抗压强度都在增长，增加趋势基本一致且呈非线性增长，如图14所示。龄期小于28d时，强度的增长幅度较大，曲线较陡，固化土的强度增长曲线明显比水泥土的增长曲线陡峭，即增长速率明显高于水泥土；龄期大于28d后，强度增长趋势有所减缓。因此，固化土的无侧限抗压强度明显大于相同条件下的水泥土，且随着龄期增长其强度提高更明显。相同条件下，固化剂加固海底淤泥的抗剪强度参数明显优于水泥，如表7所示。

表7：固化剂加固海底淤泥变角板剪切试验结果

各个龄期，不同固化剂掺量下，固化剂加固海底淤泥抗剪强度随掺量的增长趋势与水泥类似，呈非线性增长，如图14所示。

由表8可知，14d龄期时，对于相同掺量的固化土和水泥土，固化土抗剪强度为水泥土抗剪强度的2.3～3.4倍，28d龄期时为水泥土抗剪强度的1.8～2.0倍，90d龄期时为水泥土抗剪强度的2.0～2.5倍。应用到工程实际中，基本上掺量10％的固化土抗剪强度可以达到掺量15％的水泥土抗剪强度，掺量15％的固化土抗剪强度可以达到掺量20％的水泥土抗剪强度。

表8:45°剪切角下固化土抗剪强度提高系数

各个龄期下，固化土粘聚力随固化剂掺量的增长趋势与水泥土基本一致且增长幅度呈线性增长，如图15所示。相同条件下，固化土的粘聚力明显大于水泥土的粘聚力，且随着掺量的不断增加，粘聚力之间的差距也越来越大，其粘聚力至少为水泥土的1.8倍，说明固化剂提高固化土的粘聚力明显优于水泥。

各个龄期下，固化土内摩擦角随掺量的增长趋势与水泥土基本一致且增长幅度呈线性增长，如图16所示。14d龄期时，固化土内摩擦角在28.2°～31.8°之间，而水泥土的内摩擦角在25.0°～30.5°之间，两种固化土的内摩擦角相差不大；28d龄期时，固化土内摩擦角在29.1°～35.2°之间，而水泥土的内摩擦角在25.7～31.6°；90d龄期时，固化土内摩擦角在30.1°～41.5°，而水泥土的内摩擦角在28.4°～40.3°。随着含量的不断增加，两种固化土的内摩擦角相差不大，相同掺量条件下，固化土内摩擦角略高于水泥土的内摩擦角；在龄期90d时，内摩擦角之间的差距较明显。说明提高固化剂的掺量，有助于提高固化土的内摩擦角，但提升效果不是很明显，对后期内摩擦角的提升较好。

随着龄期的增加，同配合比的固化土和水泥土的抗剪强度都在增长，增加趋势基本一致且呈非线性增长，如图17所示。掺量为10％，龄期小于28d时，抗剪强度的增长幅度较大，曲线较陡，固化土的抗剪强度增长曲线比水泥土的增长曲线略陡，即增长速率略高于水泥土；龄期大于28d后，固化土的抗剪强度增长趋势有所减缓；掺量大于10％，龄期小于28d时，固化土的抗剪强度增长曲线比水泥土的增长曲线略陡，即增长速率略高于水泥土；龄期大于28d后，固化土和水泥土抗剪强度增长速率又进一步增加，但固化土抗剪强度增长速率略高于水泥土。表明固化土具有较高的早期抗剪强度，而且随着龄期增长其抗剪强度提高也明显。

随着龄期的增加，固化土和水泥土的粘聚力都在增长，增加趋势基本一致且呈非线性增长，如图18所示。龄期小于28d时，粘聚力的增长幅度较大，曲线较陡，固化土的粘聚力增长速率高于水泥土；龄期大于28d后，粘聚力增长趋势有所减缓。因此，固化土的粘聚力明显大于相同条件下的水泥土，且随着龄期增长其强度提高更明显。

随着龄期的增加，固化土和水泥土的内摩擦角都在增长，增加趋势基本一致且呈非线性增长，如图19所示。龄期小于28d时，固化土的内摩擦角曲线较陡，固化土的增长速率略高于高于水泥土；龄期大于28d后，固化土的内摩擦角的增长速率减缓；图中可以明显看出，固化剂加固海底淤泥具有较高的内摩擦角，相同条件下，固化土的内摩擦角大于水泥土，且固化的龄期越大，其加固效果越明显。

上述对实施例的描述是为了便于该技术领域的普通技术人员能理解和使用本发明。熟悉本领域技术人员显然可以容易的对这些实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中，而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于上述实施例。本领域技术人员根据本发明的原理，不脱离本发明的范畴所做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。

Claims (13)

1.低水泥基土体固化剂，其特征在于，包括以下重量百分含量的原料：水泥10％～30％、填充剂10％～40％、钢铁渣30％～60％、石膏5％～15％、硫铝酸盐激发剂0.01％～5％和聚合物减水剂0.01％～1％；

其中，所述水泥选自P.O.42.5水泥和/或P.O.52.5水泥。

2.根据权利要求1所述的低水泥基土体固化剂，其特征在于，所述土体固化剂为灰色粉末状，比表面积为300～550m²/kg。

3.根据权利要求1或2所述的低水泥基土体固化剂，其特征在于，

所述填充剂选自垃圾处理除尘灰、烧结脱硫灰、电厂粉煤灰或干法脱硫灰中一种或两种以上组合，比表面积大于350m²/kg；

所述钢铁渣由矿渣或钢渣经烘干粉磨处理得到，比表面积大于350m²/kg；

所述石膏选自脱硫石膏、磷石膏或氟石膏中一种或两种以上组合，且其三氧化硫的含量大于35％。

4.根据权利要求1或2所述的低水泥基土体固化剂，其特征在于，所述聚合物减水剂为聚羧酸，且固含量不低于98％。

5.权利要求1～4任一项所述低水泥基土体固化剂的制备方法，其特征在于，包括将所述原料经烘干处理、球磨细化和拌合均匀的步骤；其中，所述原料采用自然烘干或低于100℃的低温烘干后球磨细化至细度要求。

6.权利要求1～4任一项所述的低水泥基土体固化剂应用于高含水率土壤固化工程。

7.根据权利要求6所述的应用，其特征在于，所述低水泥基土体固化剂用于永久性地基处理、深基坑的临时性围护结构和止水帷幕、水利工程防护堤或海底淤泥固化。

8.一种固化土体制件，其特征在于，包括权利要求1～4任一项所述的低水泥基土体固化剂，且其掺量为5％～25％；

还包括土和水，且水灰比为0.45～2.0。

9.根据权利要求8所述的固化土体制件，其特征在于，所述低水泥基土体固化剂的掺量为10％～20％。

10.根据权利要求8所述的固化土体制件，其特征在于，水灰比为0.8～1.5。

11.根据权利要求8～10任一项所述的固化土体制件，其特征在于，所述固化土体制件可为柱体、砖块或桩体。

12.权利要求8～11任一项所述固化土体制件的制备方法，其特征在于，包括步骤：

(1)土自然风干后依次经破碎、粉碎和过5mm筛，得过筛细土；

(2)步骤(1)中过筛细土和权利要求1～4任一项所述低水泥基土体固化剂按比例放入砂浆搅拌机内缓慢搅拌均匀，一次性加入水搅拌5～15min，得到拌合料；

(3)步骤(2)中拌合料快速倒入固定于振动台上的模具内，沿水平方向由边缘向中心进行多次螺旋插捣，至所述拌合料均匀密实；再经振动台振实不少于2min，试模上沿口刮平，盖塑料薄膜成型1～5天，拆模，于18～22℃、湿度≥95％的条件下养护。

13.权利要求8～11任一项所述的固化土体制件在地基处理或基坑围护中的应用。

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