1. 引言
高压旋喷止水帷幕因施工快速、适用性强被广泛应用于土石坝、深基坑等防渗工程。但是，当前高压旋喷止水帷幕工程存在成本过高、工程质量可靠性差以及资源浪费严重等缺点。同时，多种工业固体废弃物具有潜在活性，采用固废材料研发经济、可靠的复合固化材料成为当前解决上述工程问题的有效途径。
高压旋喷止水帷幕固结体为水泥土，不同施工工艺的含水率差异很大。国内外学者对不同固废材料、浆液含水率条件的掺配效果进行了探索和研究。固废材料在水泥土中的应用方面，蒙强等 [1] 采用粉煤灰作为水泥掺合料加固饱和软黏土，结果表明其加固效果良好，但粉煤灰与水泥掺量的比例不宜超过1:1。董玉萍等 [2] 研究发现，高钙粉煤灰对水泥土的早期强度影响较小，通过添加化学激发剂可有效激发高钙粉煤灰的活性，使其早期强度提高。崔靖俞等 [3] 通过渗透试验，发现粉煤灰可提高水泥土的长期抗渗性能。梁仕华等 [4] 认为粉煤灰可提高水泥土的结构致密性，提高水泥土的无侧限抗压强度、内摩擦角与粘聚力。脱硫石膏主要成分为硫酸盐，对于水泥具有早强与缓凝的双重作用，在水泥土中主要被作为激发剂应用。黄新等 [5] [6] 采用SEM电镜扫描分析了水泥与废石膏加固软土的微观结构，结果表明水泥水化作用产生的水化硅酸钙附着于土颗粒孔隙壁上，对土体孔隙的填充效果有限，而加入废石膏后，石膏与水泥反应生成的钙矾石可显著降低土的孔隙率。霍曼琳等 [7] 进行了石膏外加剂改良高压旋喷桩的现场试验研究，2%掺量的脱硫石膏对于提高桩体强度与成桩质量效果显著。Papageorgiou A等 [8] 采用脱硫石膏激发水泥，认为脱硫石膏的掺量不宜高于10%，否则会引起水泥性能的衰减。Tzouvalas G等 [9] 认为脱硫石膏具有良好的缓凝作用，但会影响材料的抗压强度。米栋云 [10] 研究了赤泥的掺入对水泥土力学特性与渗透特性的影响，结果表明在水泥土中掺加部分赤泥可提高水泥土的无侧限抗压强度，渗透系数也明显降低。陈金辉 [11] 结合XRD试验、SEM试验与压汞试验分析了镍渣水泥土的固化机理，指出镍渣可以改善水泥土的孔隙特性。柯开展 [12] 认为水泥土的无侧限抗压强度随镍渣掺量的增加而降低，特别是早期强度下降明显，28d后水泥土强度下降幅度才逐渐减小。
多种固废材料与水泥复配固化剂方面，庞文台等 [13] 认为单掺粉煤灰对水泥土的抗渗性能影响很小，加入石灰可以激发粉煤灰的火山灰作用，抗渗性能提高50%以上。王贤昆等 [14] 采用脱硫石膏与粉煤灰对水泥土进行复合改性，结果表明脱硫石膏与粉煤灰对水泥土3 d强度基本无影响，28 d前脱硫石膏对水泥土强度的影响高于粉煤灰，28 d后粉煤灰影响更显著。Telesca等 [15] 采用脱硫石膏、氢氧化钙与粉煤灰配置了新型胶凝材料，分析了其水化过程中的物相组成。Poon等 [16] 采用脱硫石膏激发粉煤灰的活性，用于危险固废的固化处理，取得了良好的效果。
可见，相关研究主要集中在力学性能上，对固废材料复合固化剂的施工性能与抗渗性能研究较少。本文基于由固废材料研发的环保型高压旋喷止水帷幕固化剂，通过室内试验，评价了材料的施工性能、力学性能、抗渗性能等指标。对有效降低高压旋喷止水帷幕工程成本、确保工程质量、实现固废材料的环保再生利用具有显著的社会和经济效益。
2. 试验材料与方案
2.1. 试验材料
试验用土样取自济南机床一厂基坑工程并过2 mm方孔筛密封保存备用。其基本物理性质如表1所示，颗粒分析试验结果如图1所示。可见，试验土样中粉粒与黏粒含量占97%，其中粉粒占85.9%，黏粒占11.1%，结合液塑限试验结果判定该土为粉质黏土。天然含水率在15%~29%，分布范围较宽，可能会导致高压旋喷止水帷幕工程中固结体的性能差异。
Table 1. Physical properties of testing soil
表1. 试验土样物理特性
Figure 1. Particle size distribution of silty clay
图1. 粉质黏土颗粒粒径分布
研发的复合固化剂由水泥、烧结法赤泥、粉煤灰、GM激发剂组成。其中，试验用水泥为山东省水泥厂生产的P.O-42.5普通硅酸盐水泥。烧结法赤泥取自中国铝业山东分公司，由于堆存的烧结法赤泥为块状，在实验室中经破碎过1 mm方孔筛后使用。烧结法赤泥主要化学元素组成为Ca、C、Si、Fe、S、Na等，其中含钙量高达39%，主要矿物组成为水化硅酸钙、碳酸钙、钙钛矿、铁铝酸钙等。烧结法赤泥干容重较小，具有较大的比表面积，吸水性强，塑限为53%，液限可达70%以上，且具有强碱性。在复合固化剂中烧结法赤泥颗粒的高吸水性可改善高含水率下的泥浆稳定性。试验中所用粉煤灰取自中国铝业山东分公司的火力发电厂，其中含有大量球形硅铝玻璃体且具有一定的火山灰活性，但早期活性较低。高细度的粉煤灰可有效填充土体颗粒之间的孔隙，其活性也可被水泥、烧结法赤泥等碱性材料激发，从而提高抗渗性与后期强度。GM激发剂是由课题组自主研发的水泥激发剂，可显著提高水泥的早期活性，同时其微膨胀作用对提高固化土的抗渗性能具有良好的效果。
2.2. 试验方案
采用复合固化剂与水配制的浆液与水泥浆液的比重不同，且两者与土体形成的混合泥浆的流动度与稳定性也具有较大差异，对高压旋喷止水帷幕的施工性能影响较大，因此需对复合固化剂进行施工性能分析。水灰比是高压旋喷止水帷幕工程中控制浆液配制质量的重要指标，采用浆液比重间接测定。试验中测定了复合固化剂浆液在0.7、0.9、1.1、1.3及1.5水灰比下的比重，并与水泥浆液进行了对比。固化剂浆液与土体的混合泥浆流动度和稳定性分析时，选取高压旋喷止水帷幕中常用的15%与20%固化剂掺量，对45%、50%、55%、60%、65%与70%含水率条件下的混合泥浆进行流动度测定。
混合泥浆养护、固化后形成固化土，即复合固化剂固化土和水泥固化土。对两种固化土分别在最优初始含水率(45%)与高初始含水率(55%)条件下10%、15%、20%及25%固化剂掺量与3 d、5 d及28 d养护龄期进行了无侧限抗压强度、抗折强度以及渗透试验，试验中复合固化剂分别采用最优初始含水率与高含水率条件下的最优配合比。
3. 试验结果分析
3.1. 施工性能
3.1.1. 固化剂浆液比重
试验结果如图2所示，当水灰比由0.7增加至1.5，该复合固化剂和水泥的浆液比重变化区间分别为1.29~1.61和1.35~1.58。两条曲线在水灰比0.9~1.1的区间相交，水灰比在0.7~0.9区间内时，复合固化剂的浆液比重高于水泥浆液；当水灰比大于0.9时，水泥浆液的比重更大。这是因为烧结法赤泥对固化剂浆液的比重影响较大，水灰比小于0.9时，烧结法赤泥因吸水性较强，所以自由水含量减少，浆液比重增大。随着水灰比增加，烧结法赤泥的吸水性达到限值，而粉煤灰与脱硫石膏等材料密度较小，因此复合固化剂浆液比重小于水泥。
Figure 2. Results of specific gravity of curing agent slurry
图2. 固化剂浆液比重试验结果
3.1.2. 混合泥浆流动度
流动度反映了高压旋喷止水帷幕施工后固化剂浆液与土体形成的混合泥浆的初始含水率与固化剂掺量情况，试验结果如图3所示。混合泥浆的流动度与含水率几乎呈线性正相关关系，相同掺量下复合固化剂的混合泥浆流动度比水泥固化剂低2~5 cm。两者流动度差异是复合固化剂中掺加的烧结法赤泥导致的。烧结法赤泥颗粒具有发达的微孔体系，对水有很强的吸附能力，从而降低泥浆体系中自由水的含量，导致混合泥浆流动度降低。
Figure 3. Results of mud fluidity test
图3. 泥浆流动度试验结果
3.1.3. 混合泥浆稳定性
混合泥浆的稳定性影响高压旋喷止水帷幕的均匀性与成桩质量，相应指标为泥浆析水率。析水率即一定体积的泥浆在2 h内的析水量与泥浆体积的比值，析水率越小，泥浆稳定性越好，施工后的固结体均匀性越好。混合泥浆的稳定性试验如图4所示。
Figure 4. Stability test of mixed mud
图4. 混合泥浆稳定性试验
试验结果如图5所示，复合固化剂15%和20%掺量下，当含水率由45%增加至70%，泥浆离析率变化区间分别为0.48%~14.92%和1.03%~15.11%，均比相应掺量的水泥泥浆低2%~5%。即随着含水率的提高，混合泥浆的稳定性逐渐降低。当含水率小于55%时，混合泥浆离析率随含水率提高增加较为缓慢，含水率高于55%时，混合泥浆的离析率快速增大。但是无论在何种初始含水率条件下，复合固化剂的混合泥浆稳定性明显优于水泥。
Figure 5. Results of mixed mud stability test
图5. 混合泥浆稳定性试验结果
3.2. 力学性能
3.2.1. 无侧限抗压强度
复合固化剂与水泥固化土无侧限抗压强度试验结果如图6所示，当初始含水率由45%提高至55%时，两种固化土的无侧限抗压强度均大幅降低。45%初始含水率时，复合固化剂掺量由10%至25%，28 d无侧限抗压强度为1.49~3.28 MPa，而水泥固化土已达到2.04~3.79 MPa。当初始含水率为55%时，15%、20%、25%掺量的复合固化剂固化土的28 d无侧限抗压强度分别比水泥固化土低0.17 MPa、0.20 MPa和0.13 MPa。可见，复合固化剂固化土的后期强度低于水泥固化土，但达到15%掺量后两者差距很小。比较两者的早期强度，发现当固化剂掺量为15%、20%和25%时，复合固化剂固化土的3 d无侧限抗压强度分别比水泥固化土高0.32 MPa、0.38 MPa、和0.22 MPa；7 d无侧限抗压强度分别高0.15 MPa、0.45 MPa、和0.10 MPa。可见该复合固化剂固化土在较高初始含水率时的早期强度明显高于水泥固化土，即前者表现出明显的早强特性与高初始含水率适用性，而水泥固化土在大量自由水环境中难以硬化形成早期强度。复合固化剂的早强特性与高初始含水率适用性得益于其中特定的固废掺料，烧结法赤泥表面粗糙不平的棱柱状晶体交错形成具有发达的微孔结构，表面能更大，使复合固化剂吸水性强，导致泥浆中结合水增加而自由水减少。这一点从烧结法赤泥的高液限特性得以验证。因此，复合固化剂在较高的含水率时仍能保持较高的水化活性，相对于水泥土表现出早强特性和高含水率适用性，该性质与前述混合泥浆稳定性的特征相对应。
3.2.2. 抗折强度
两种固化土抗折强度试验结果如图7所示。结果表明，两者的抗折强度与无侧限抗压强度具有很强的相关性，固化剂掺量、含水率与养护龄期对固化土抗折强度的影响规律与无侧限抗压强度的规律基本一致。但是，在抗折强度表现上，难以比较两者的明显差异。
为进一步分析复合固化剂固化土抗折特性，计算了两种固化土不同含水率、养护龄期与固化剂掺量的平均拉压强度比，结果如图8所示。复合固化剂固化土的拉压强度比在15.5%~18.5%范围内，水泥土的拉压强度比为14%~17.5%。随着初始含水率的增加，固化土的拉压强度比显著降低，且45%至55%初始含水率区间内降低幅度较大。随着固化剂掺量的增加，水泥土的拉压强度比逐渐增大，复合固化剂仅在掺量为25%时拉压强度比出现了降低现象。
(a) 45%初始含水率 (b) 55%初始含水率
Figure 6. Unconfined compressive strength of composite curing agent and cement cured soil
图6. 复合固化剂与水泥固化土无侧限抗压强度
(a) 45%初始含水率 (b) 55%初始含水率
Figure 7. Flexural strength composite curing agent and cement cured soil
图7. 复合固化剂与水泥固化土抗折强度
Figure 8. The ratio of tensile strength of composite curing agent and cement cured soil
图8. 复合固化剂与水泥固化土拉压强度比
3.3. 抗渗性能
在高压旋喷止水帷幕中，固化土的抗渗性能是保证基坑防水质量与施工安全的重要指标。从图9可以看出，当初始含水率小于等于55%时，复合固化剂固化土的渗透系数总是低于10−5 cm/s数量级，而水泥固化土的渗透系数在55%初始含水率和3 d时达到10−4 cm/s，说明无论是早期还是后期的抗渗性能，复合固化剂均明显优于水泥土。随着固化剂掺量的增加，两种类型的固化土的渗透系数均减少，45%初始含水率、25%掺量时复合固化剂固化土渗透系数可低至6.61 × 10−8 cm/s。当初始含水率提高时，两种固化土的抗渗性能出现了不同幅度的衰减，其中水泥土的渗透系数增长明显，而复合固化剂固化土的渗透系数变化较小。当复合固化剂掺量提高至15%时，即使55%的较高初始含水率，复合固化剂固化土渗透系数仍保持在10−5 cm/s以下，满足防渗要求。说明该复合固化剂具有较好的抗渗性能及高含水率适应性，满足工程防渗要求。
(a) 45%初始含水率 (b) 55%初始含水率
Figure 9. Permeability coefficient of composite curing agent and cement cured soil
图9. 复合固化剂与水泥固化土渗透系数
4. 结论
本文对复合固化剂的施工性能、力学性能、抗渗性能进行了研究，并与水泥进行了对比分析。主要结论如下：
1) 固化剂的浆液比重、混合泥浆流动度均与含水率具有明显的线性关系。水灰比小于0.9时，复合固化剂的浆液比重大于水泥，当水灰比高于0.9时，水泥浆液比重更大。相同掺量下复合固化剂的混合泥浆流动度比水泥固化剂低2~5 cm。
2) 复合固化剂的混合泥浆稳定性明显优于水泥，离析率比水泥混合泥浆低2%~5%。随着含水率的提高，混合泥浆的稳定性逐渐降低，当含水率小于55%时，混合泥浆离析率随含水率提高增加较为缓慢。
3) 复合固化剂具有明显的早强特性与高初始含水率适用性。高初始含水率条件下，复合固化剂固化土的早期强度高于同掺量水泥土，但其长期强度增长幅度低于水泥土。初始含水率提高时，复合固化剂固化土的强度降略低于水泥土。复合固化剂固化土的拉压强度比在15.5%~18.5%范围内，水泥土的拉压强度比为14%~17.5%，复合固化剂固化土比水泥土具有更好的抗折特性。
4) 复合固化剂固化土的抗渗性能在45%初始含水率条件下与水泥土接近，在高含水率条件下优于水泥土。当复合固化剂掺量提高至15%时，试件的渗透系数控制在10−5 cm/s以下，满足防渗要求。该复合固化剂的固化土具有较好的抗渗性能及显著的高含水率适应性，满足工程防渗要求。
基金项目
山东省交通厅科技发展计划(2016B20，2019B47_2)，山东大学青年学者未来计划资助。