1、第 26 卷第 2 期2023 年 2 月建筑材料学报JOURNAL OF BUILDING MATERIALSVol.26，No.2Feb.，2023掺入粉煤灰软黏土的复合碱渣土力学特性探究王元战1，*，孙春鹏1，王轩2，陈艳萍2，龚晓龙2（1.天津大学 水利工程仿真与安全国家重点实验室，天津 300072；2.天津港（集团）有限公司，天津 300461）摘要：为探究承载性能优良且经济适用的碱渣地基土方案，设计了 24种掺入粉煤灰和软黏土的复合碱渣土，并且综合无侧限抗压强度与经济指标，通过模糊评价法确定了复合碱渣土的最优配合比，同时对其进行了劈裂抗拉试验、静力三轴试验和蠕变试验.结果表明：软
2、黏土、粉煤灰均对碱渣有明显加固作用，软黏土的加入可减少粉煤灰的用量，具备较好的经济适用性；复合碱渣土的劈裂抗拉强度与其无侧限抗压强度之比为 0.15；固结围压对复合碱渣土不排水强度的影响最大，超固结比次之，固结比最小；当上部荷载未达到长期强度时，复合碱渣土的蠕变特征较为稳定且数值极小.关键词：复合碱渣土；粉煤灰；最优配合比；三轴试验；蠕变特性中图分类号：TU521文献标志码：A doi：10.3969/j.issn.1007-9629.2023.02.014Mechanical Properties of Composite Soda Residue Soil Mixed with Fly A
3、sh and Soft ClayWANG Yuanzhan1，*，SUN Chunpeng1，WANG Xuan2，CHEN Yanping2，GONG Xiaolong2（1.State Key Laboratory of Hydraulic Engineering Simulation and Safety，Tianjin University，Tianjin 300072，China；2.Tianjin Port（Group）Co.，Ltd.，Tianjin 300461，China）Abstract:To explore the economically suitable soda r
4、esidue foundation soil with excellent bearing performance，24 kinds of composite soda residue soil mixed with fly ash and soft clay were designed.Taking both unconfined compressive strength and economic factor into consideration，the optimal proportion was determined through fuzzy evaluation method.Sp
5、litting tensile test，static triaxial test and creep test were carried out for composite soda residue soil with optimal proportion.The results show that both soft clay and fly ash have obvious reinforcement effect on alkali slag.Addition of soft clay can reduce the amount of fly ash and has good econ
6、omical applicability.The ratio of splitting tensile strength of composite soda residue soil to its unconfined compressive strength is 0.15.The consolidation confining pressure has the greatest influence on the undrained strength of the composite soda residue soil，followed by the over-consolidation r
7、atio and the consolidation ratio is the least.When the upper load does not reach the long-term strength，the creep characteristics are relatively stable and the value is extremely small.Key words:composite soda residue soil；fly ash；optimal proportion；triaxial test；creep property碱渣是氨碱法生产纯碱时所产生的白色固体废料，
8、每生产 1 t纯碱将会排出 0.30.6 t废渣1.截至当前，中国多地碱厂所排放的碱渣大量堆积2-3，碱渣的综合利用已经是一个重要的研究课题.碱渣最有效的处理方法是将其用于工程填垫.根据工程实践，用胶凝材料加固碱渣的效果远优于原位加固4.众多学者用粉煤灰、水泥、生石灰和高炉矿渣等材料对碱渣进行固化处理，使其物理力学性能得到了不同程度的提高4-7.此外，也有学者直接将碱渣用于软黏土加固8-9.然而，众多学者大都只考虑文章编号：1007-9629（2023）02-0206-09收稿日期：2021-12-21；修订日期：2022-02-22基金项目：国家自然科学基金资助项目（51979191）；天津
9、港科技计划项目（2020-165）第一作者（通讯作者）：王元战（1958），男，天津人，天津大学教授，博士生导师，博士.E-mail：第 2期王元战，等：掺入粉煤灰软黏土的复合碱渣土力学特性探究土体性能而忽略了经济因素，且许多改良方案对掺入碱渣的含水率缺乏控制，同一方案中碱渣含水率的不同将导致掺入碱渣的干质量不同，进而产生不同的试验结果，这导致试验结论不具备可推广性.另外，当前对于复合碱渣土的研究大多仅限于探究其基本物理力学指标，关于实际工程中的复杂工况鲜有研究.软黏土可取自工程场地，量大、造价低廉，是一种经济可行的掺和材料.本文掺入粉煤灰及软黏土对碱渣进行加固，综合无侧限抗压强度（UCS）值
10、及经济指标，通过模糊评价法来确定其最优配合比.模糊评价法对经济因素赋予权重，在保证了力学性能的同时考虑了加固成本.试验过程中在掺合比例上严格采用干质量比，使试验结果具备一定的可推广性.针对最优配合比复合碱渣土进行了劈裂抗拉试验以及不同固结围压、超固结比、固结比条件下的静力三轴试验和蠕变试验，进一步探究了在复杂工况下复合碱渣土的力学特性，可以为碱渣在基础工程中的应用提供参考.1试验方案1.1试验材料碱渣取自天津港的渣坑，取样深度为地下24 m，其物理特性见表 1（其中 L、IP、CC、CS分别为饱和度（质量分数，文中涉及的饱和度、液限等除特别说明外均为质量分数或质量比）、液限、塑性指数、回弹指数
11、），化学组成见表2.粉煤灰为二级粉煤灰，密度为 2.55 g/cm3，堆积密度为1.12 g/cm3，其主要化学组成如表3所示.软黏土取自天津港滨海地区的软黏土土层，其物理特性如表4所示.其中：e为孔隙比.1.2击实试验根据赵献辉等5和冀国栋等6关于粉煤灰加固碱渣的配比研究，综合考虑经济性与加固效果，选取5%、10%和 15%（干质量比）作为粉煤灰掺量，同时设计无粉煤灰掺入的对照组.在每组粉煤灰掺量均确定的前提下，将软黏土占碱渣与软黏土总质量比例由 0%以每组 10%为梯度上升至 50%.综上，粉煤灰掺量分为 4种，碱渣与软黏土比例为 6种，共有 24种配合比，如表5所示.1.3无侧限抗压试验
12、与劈裂抗拉试验依据击实试验得到表 5中 F0-G1至 F15-G6总计24 种复合碱渣土的最优含水率与最大干密度，以95%压实度制备尺寸为80.039.1 mm 的试样，试样制备完成后以标准养护条件分别养护至 7、28 d.加入 7 d龄期是为了满足施工进度需求，掌握复合碱渣土的早期强度增长.每种配合比 7、28 d龄期各准备 3个平行试样，养护至规定龄期后，通过应变式无侧限压缩仪测定其无侧限抗压强度.采用模糊评价法，综合考虑各配合比条件下的无侧限抗压强度与造价成本，选出最优配合比；随后，针对最优配合比的复合碱渣土，将其养护至28 d，通过万能试验机进行劈裂抗拉强度试验.1.4静力学三轴试验静
13、力学三轴试验针对最优配合比复合碱渣土进行，试验方案如表6所示.其中：OCR为超固结比，c为固结围压，s为剪切围压，K为固结比，v0为轴向固结应力.1.5静荷载蠕变试验静荷载蠕变试验同样针对最优配合比复合碱渣土进行，试验方案如表 7所示，选用分级加载的方式进行试验.采用 5级荷载的方式逐级施加，每级上部表 1碱渣的物理特性Table 1Physical characteristics of soda residueWater content(by mass)/%203.6Density/(g cm-3)1.24Relative density2.24L/%90.3IP16.6CC1.27CS0.
14、06表 2碱渣的化学组成Table 2Chemical composition of soda residuew/%CaCO355.7Ca(OH)29.5CaCl28.4SiO25.8CaSO44.7Al2O33.8NaCl3.3Acid insoluble8.8表 3粉煤灰的主要化学组成Table 3Main chemical composition of fly ashw/%Al2O324.20SiO245.10CaO5.60SO32.10FeO0.85表 4软黏土的物理特性Table 4Physical properties of soft clayDensity/(g cm-3)1.8
15、20Water content(by mass)/%48.62Dry density/(g cm-3)1.220e1.315207建筑材料学报第 26卷应力增量取 qf/5.其中：qf为试样静力抗剪强度，由静力学三轴试验得到.2确定复合碱渣土的最优配合比通过击实试验得到各配合比复合碱渣土的最优含水率及最大干密度，以 95%压实度及最优含水率制备无侧限抗压强度试样，进而进行无侧限抗压强度试验，得到表 5中 F0-G1至 F15-G6共 24种复合碱渣土的 7、28 d 无侧限抗压强度，最后通过模糊评价法，综合考虑其 7、28 d无侧限抗压强度及固化成本，确定最优配合比.2.1击实试验结果通过击实
16、试验得到 F0-G1至 F15-G6共 24种掺入粉煤灰和软黏土的复合碱渣土的最优含水率及最大干密度，如表 8所示.由表 8可见：随着软黏土、粉煤灰掺量的提高，复合碱渣土的最大干密度逐渐增加，最优含水率逐渐降低；软黏土及粉煤灰均能起到填充孔隙和吸收水分的作用，但软黏土的效果不及粉煤灰理想.表 7静荷载蠕变试验方案Table 7Static load creep test schemeTest No.L01L02L03c/kPa100150200Upper load/kPa38/72/114/152/19052/104/156/208/26065/130/195/260/325Drain valveOffOffOff表 5复合碱渣土的配比方案Table 5Proportion scheme of composite soda residue soilGroup No.F0-G1F0-G2F0-G3F0-G4F0-G5F0-G6F5-G1F5-G2F5-G3F5-G4F5-G5F5-G6F10-G1F10-G2F10-G3F10-G4F10-G5F10-G6F15-G1F15-G2F15-