按照《土工试验规程》(SL239-1999)的标准,对曹妃甸区吹填土基本物理性质进行测试,测试结果见表1.曹妃甸区吹填土塑性指数I_P为8.27<10,属于粉土,液性指数I_L为0.87,处于软塑状态.

表1 曹妃甸区吹填土的基本物理性质
Tab.1 Basic physical properties of Caofeidian district dredger fill

利用筛分法和沉降法得到土体颗粒级配曲线,如图1所示.细粒占88.19%(其中,粉粒占81.68%,黏粒占6.51%),属细粒土,不均匀系数C_u=3.27<10,曲率系数C_c=0.18<1,土粒均匀,属级配不良土.通过标准轻型击实试验,确定最优含水率15.38%,最大干密度1.74 g/cm³.

图1 曹妃甸区吹填土颗粒级配曲线
Fig.1 Grading curve of Caofeidian district dredger fill

利用BRUKER S8 TIGER型X射线荧光光谱仪进行化学成分分析(表2),发现吹填土以SiO₂和Al₂O₃为主,含有大量的石英和一定量黏土矿物.

表2 XRF检测结果
Tab.2 Test results of XRF %

采用PAM单掺、Na₂SiO₃单掺和PAM + Na₂SiO₃混合的三种加固方式对吹填土进行化学加固试验; 设置0、0.3%、0.6%、0.9%四种PAM掺比和0、2%、4%、6%四种Na₂SiO₃掺比; 按最优含水率15.5%采用分层击实法制备标准三轴试样(Φ39.1 mm×80 mm),参考《普通混凝土力学性能试验方法标准》(GB/T50081-2002)的标准养护条件(温度25±2℃、湿度95%)对试样进行养护,并设置3 d、7 d、14 d、28 d四个养护时间.

PAM固化吹填土、Na₂SiO₃固化吹填土的力学性质指标(内聚力和内摩擦角)与固化剂掺比及养护时间的关系如图2所示.

图2 PAM和Na2SiO3单掺固化吹填土力学性质指标
Fig.2 Mechanical properties of PAM and Na2SiO3 solidified dredger fill

通过分析图2可得到以下三点结论:(1)随着固化剂掺量和养护时间的增加,PAM和Na₂SiO₃两种固化吹填土的抗剪强度均不断提高;(2)PAM固化吹填土早期j增长较快,后期c增长较快,说明固化初期主要增加土颗粒的粗糙程度,而固化后期主要增加土体胶结程度;(3)Na₂SiO₃固化吹填土的c和j均表现为固化初期增长较快.

将固化吹填土的内聚力、内摩擦角绘制成图(图3),来对比分析三种类型的固化吹填土的力学性质差异.可以发现,吹填土中加入PAM和Na₂SiO₃均可提高土体强度,且固化吹填土各强度指标由强到弱依次为PAM + Na₂SiO₃联合固化吹填土、Na₂SiO₃单掺固化吹填土、PAM单掺固化吹填土.

图3 三种固化吹填土力学性质指标对比
Fig.3 Comparison of mechanical properties of three solidified dredger fills

按照L₁₆(4³)正交表设计了3因素4水平的正交实验来探究PAM掺比(A)、Na₂SiO₃掺比(B)和加固时间(C)三个控制因素对吹填土工程性质影响的主次关系.采用极差分析法处理正交试验数据,见表3.其中,k1、k2、k3、k4为因素A、B、C各水平所对应的试验指标(c、j)的平均值.

从表3中可以发现,两个指标的极差大小排序相同,由大到小依次为C、B、A,说明3个控制因素对吹填土工程性质影响的显著性由强到弱依次为养护龄期、Na₂SiO₃掺比、PAM掺比.

表3 固化吹填土正交试验极差分析结果
Tab.3 Range analysis results of orthogonal test of solidified dredger fill

通过对比加入不同固化剂吹填土的微观图像发现:①无固化剂的空白样吹填土的颗粒分布较为分散,均匀性一般,颗粒较小,颗粒表面较为破碎,孔隙较为发育,具有分布广、数量多的特点,孔隙大小不一,存在多个架空孔洞及小裂隙.②与空白样吹填土相比,固化吹填土的排列更加紧密,按照空白样、0.6% PAM、4% Na₂SiO₃、0.6% PAM + 4% Na₂SiO₃的顺序,孔隙数量与孔径减小,土体更密实,土颗粒变大聚集成块,颗粒排列愈加紧密.③随加固时间的增加,土体逐渐均匀,孔隙减少,土颗粒接触方式从点接触逐渐向线、面接触过渡.

(1)PAM固化吹填土的固化机理

PAM是由单体丙烯酰胺聚合而成的高分子有机物,支链的酰胺基团(—CONH₂)是其吸附架桥的主要官能团,由于曹妃甸区吹填土地下水偏碱性,在吹填土中加入PAM后发生水解、缩聚反应:

生成线性高聚物,在线的两端分别连接颗粒,故可在相距较远的颗粒间实现架桥连接,使多个微粒团聚成较大颗粒.由于曹妃甸吹填土中含有一定量的黏土矿物,与亲水基团酰胺基(—CONH₂)形成H键,起到吸附作用.在吸附和架桥的共同作用下,土体形成网状结构,如图5所示,宏观表现为内聚力、内摩擦角和抗剪强度的提高.

图5 PAM对土体固化作用示意图
Fig.5 Diagram of consolidation effect of PAM on Soil

(2)Na₂SiO₃固化吹填土的固化机理

一方面,吹填土颗粒间带正电的碱金属阳离子与带负电的SiO₃^2-相互吸引,SiO₃^2-聚集在土颗粒表面,排列更加紧密.另一方面, SiO₃^2-与溶液中的H⁺和黏土矿物中的Ca²⁺发生化学反应:

SiO₃^2-+2H⁺→H₂SiO₃↓

Ca²⁺+ SiO₃^2-→CaSiO₃↓

生成的硅酸凝胶(H₂SiO₃)和硅酸钙凝胶(CaSiO₃)充填在土体孔隙中,土颗粒被硅酸凝胶和硅酸钙凝胶包裹联结形成团粒,形成黏土矿物、硅酸凝胶、硅酸钙凝胶共存的网状结构产物.

(3)PAM + Na₂SiO₃联合固化吹填土的固化机理

PAM和Na₂SiO₃加入吹填土中均可发生吸附作用,在两种固化剂的共同作用下,吸附作用更强.PAM吸附吹填土颗粒聚集成团,并在土颗粒间架桥形成网络结构; Na₂SiO₃与土体反应生成的硅酸凝胶和硅酸钙凝胶包裹联结吹填土颗粒形成团粒,进而形成网状结构物.且Na₂SiO₃溶液呈碱性,能够促进PAM水解,产生NH₄⁺,进入黏土矿物层间,降低双电层厚度,提高粒间作用力,故在PAM和Na₂SiO₃双重作用下,土体更加致密,胶结增强.