浙 江 大 学 学 报(工学版)
Journal of Zhejiang University (Engineering Science)
Vol.53 No.11Nov. 2019
DOI: 10.3785/j.issn.1008-973X.2019.11.015
镁质水泥复合固化剂固化有机质土的抗压强度模型
朱剑锋1,2，庹秋水1,3，邓温妮4，饶春义1，刘浩旭1
(1. 宁波大学 建筑工程与环境学院，浙江 宁波 315211；2. 浙江科技学院 土木与建筑工程学院，浙江 杭州 310023；3. 浙江交
工集团股份有限公司 大桥分公司，浙江 杭州 310051；4. 东南大学 土木工程学院，江苏 南京 211189)
摘 要：为了给实际工程中镁质水泥复合固化剂对有机质土的加固效果提供评价依据，以镁质水泥固化土（TZ18固化土）的无侧限抗压强度作为评价指标，分别研究有机质、水、固化剂的质量分数以及龄期对无侧限抗压强度的影响规律. 结果表明：TZ18固化土的无侧限抗压强度随有机质质量分数的增加呈二次函数形式降低，随水和固化剂质量分数的增加分别呈幂函数形式降低和提高，随龄期的增加呈自然对数形式增长. 基于此规律，建立TZ18固化土的抗压强度预测模型. 算例分析表明，该模型能较好地预测任意有机质、水、固化剂的质量分数以及龄期下的TZ18固化土的无侧限抗压强度.
关键词： 镁质水泥固化剂；有机质；水的质量分数；龄期；无侧限抗压强度；预测模型
中图分类号： TU 411 文献标志码： A 文章编号： 1008−973X（2019）11−2168−07
Model of compressive strength of cured organic soil solidified by
magnesium cement complex curing agent
ZHU Jian-feng1,2, TUO Qiu-shui1,3, DENG Wen-ni4, RAO Chun-yi1, LIU Hao-xu1
(1. Faculty of Architectural, Civil Engineering and Environment, Ningbo University, Ningbo 315211, China; 2. School ofCivil Engineering and Architecture, Zhejiang University of Science and Technology, Hangzhou 310023,China; 3. Bridge
Branch Zhejiang Provincial Transportation Engineering Construction Group Co. Ltd, Hangzhou 310051, China;
4. School of Civil Engineering, Southeast University, Nanjing 211189, China)
Abstract: In order to provide evaluation basis for the solidification effect of cured organic soil solidified by the
magnesium cement complex curing agent in practical engineering, the unconfined compressive strength of themagnesium-cement cured soil (TZ18 cured soil) was taken as the evaluation index, and the influences of the massfraction of organic matter, water and curing agent and the age on the unconfined compressive strength wereinvestigated. Results showed that the unconfined compressive strength of the TZ18 cured soil decreased in quadraticfunction with the increase of organic matter mass fraction and reduced in power function with the increase of watermass fraction, whereas increased in power function with the increase of cured agent mass fraction and enhanced innatural logarithm function with the growth of age. Based on the above tested results, a forecast model of thecomprehensive compressive strength of TZ18 cured organic soil was developed. Example analysis indicated that theproposed model can predict the unconfined compressive strength of TZ18 cured soil at any mass fraction of organicmatter, water and curing agent as well as age.
Key words: magnesium cement curing agent; organic matter; mass fraction of water; age; unconfined com-pressive strength; forecast model
收稿日期：2018−09−16. 网址：www.zjujournals.com/eng/article/2019/1008-973X/201911015.shtml
基金项目：国家自然科学基金资助项目（51879133，51508092，51409142）；浙江省自然科学基金资助项目（LY17E080006）；江苏省自然科
学基金资助项目（BK20150611）；宁波市自然科学基金资助项目（2017A610307）.
作者简介：朱剑锋（1982—），男，副教授，从事软土加固机理及本构关系研究. orcid.org/0000-0001-5784-6187.
E-mail：zhujianfeng0811@163.com
第 11 期
朱剑锋, 等：镁质水泥复合固化剂固化有机质土的抗压强度模型 [J].
浙江大学学报：工学版, 2019, 53(11): 2168–2174.
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我国东南沿海地区软土中水的质量分数较高、有机质的质量分数较高、承载力较低，须对其加固处理才能满足工程要求. 软土固化技术处理量大、速度快、性价比高，近年来在国内外得到广泛应用[1-3]. 软土中的有机质（土中各种动植物残体和微生物及由它们的生命活动所产生的物质的总和）能进入土体结构的层间空隙从而导致土体膨胀，降低土的剪切强度和渗透性. Tremblay等[4]通过室内试验从固化机理角度分析13种不同的有机化合物对水泥固化土强度的影响，结果发现有机质的存在严重影响固化土强度的发展. 郭印等[5]分析腐殖酸（土中有机质的主要成分[1-2]）对水泥固化过程的影响机理，提出从减薄黏土双电层厚度、添加膨胀组分、提高固化土早期强度、提高土壤pH、裂解有机质大分子结构以及调节水泥离子和黏土颗粒活性的角度固化淤泥质土的对策. 朱伟等[6]的试验研究表明，腐殖酸的质量分数对淤泥固化土的无侧限抗压强度和破坏应变的影响存在一个临界值，且固化土塑性随着腐殖酸质量分数的增加而增强. Harvey等[7]根据热流差理论揭示了有机质对水泥固化土强度增长的遏制机理. 综上，有机质的存在严重抑制了传统固化剂（如水泥、石灰等）加固软土的效果，甚至使软土需要二次地基处理，改良成本大大增加[8-9]. 与此同时，传统的固化剂（如普通硅酸盐水泥）存在高能耗、高CO2排放、不可再生资源消耗、环境污染和固化速率较慢的问题[10-11]. 因此，庹秋水[12]针对宁波地区水和有机质的质量分数较高对固化效果的不利影响，以节能环保的改性硫氧镁水泥作为主固化剂，添加一定比例的水玻璃、熟料、硅灰，研发了能高效加固有机质土的镁质水泥复合固化剂TZ18.
在采用TZ18固化剂加固有机质土的实际工程中（如以TZ18为主固化剂的新型镁质水泥搅拌桩），为了控制某一龄期下的桩身强度，须结合现场有机质软土中水和有机质的质量分数，开展不同固化剂质量分数和龄期下的室内无侧限抗压强度试验，从而获得相应的TZ18固化剂质量分数. 室内配比试验工作量大，试验周期长，效率
低，因此须建立高效的TZ18固化土强度计算模型，实现对任意水、有机质、固化剂的质量分数以及任意龄期下的固化土的强度预测. 已有研究[13-19]大多针对水、固化剂的质量分数或龄期对固化土强度的影响，对同时考虑水、有机质、固化剂的质量分数以及龄期的强度模型的研究较欠缺，尤其是未见针对镁质水泥复合固化剂加固有机质软土的强度特性的研究报道.
本研究采用镁质水泥复合固化剂TZ18对宁波有机质软土进行固化，分析各因素对强度的影响规律，建立同时考虑水、有机质、固化剂的质量分数以及龄期影响的TZ18固化土的强度预测模型.
1 试验材料与方法
1.1 试验材料
选用宁波②2-2层淤泥质黏土作为试验用土，如图1（a）所示，该土样属于典型的滨海相软土，具有水的天然质量分数高、压缩性大、强度低、渗透性差、呈流塑状态等特点，工程上的固化难度较大，其工程性质指标如表1所示. 表中，wW为土样中水的天然质量分数，γ为重度，e为孔隙比，wp为塑限，wL为液限，Es1-2为压缩模量，c为黏聚力，φ为内摩擦角. 采用灼烧法测得试验用土中有机质的质量分数为0.2%，可忽略不计.
试验所用腐殖酸及镁质水泥复合固化剂TZ18的主要成分（m（硫氧镁水泥，主要成分为七水硫酸镁、轻烧氧化镁、柠檬酸）∶m（水玻璃）∶m（熟料）∶m（硅灰）=0.51∶0.18∶0.15∶0.16）如表2所示.
(a) 淤泥质黏土(b) 烘干与筛分后的软土
图 1 试验用土实物图
Fig.1 Physical map of soil for laboratory test
表 1 土样的物理力学指标
Tab.1 Physical and mechanical properties of soil sample
土样名称淤泥质黏土
wW/%43.6
γ/（kN·m–3）17.6
e1.16
wp/%21.4
wL/%35.8
Es1-2/MPa1.84
φ/（°）3.84
c/kPa4.37
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表 2 无侧限抗压强度试验原材料
Tab.2 Test raw materials for unconfined compressive
strength
材料名称分子/结构式
规格生产厂家腐殖酸−农业级江西萍乡红土地七水硫酸镁MgSO4·7H2O
农业级广州林国化肥轻烧氧化镁MgO工业级辽宁海城菱镁矿柠檬酸C6H8O7AR1）上海国药集团水玻璃NaSiO3
AR天津鼎盛鑫化工
熟料−工业级发电厂硅灰
−
工业级
发电厂
1）注：AR为分析纯试剂（analytical reagent）
1.2 制样过程
针对宁波软土富含有机质，结合水膜较厚，颗粒间连接力弱的特点，采取人工制备有机质土的方法. 将土样在105~110 °C的温度下烘干、碾细，并过2 mm筛除去杂质（见图1（b））. 称取部分筛余的干土，将其与一定比例的腐殖酸粉末用刮刀进行人工搅拌形成均匀的混合料，再将称量的所需用水加入到混合料中，边加水边搅拌至均匀，制备成人工有机质土（见图2（a））.
将一定比例的改性硫氧镁水泥与外加剂充分搅拌成均匀的TZ18混合浆液，将其加入到人工有机质土中充分混合搅拌均匀，按下述步骤制备TZ18固化土的三轴试样：1）将三瓣膜洗净并组装好，在底部透水石上覆盖一层用水润湿的塑料薄膜，在三瓣膜内壁用手均匀涂抹一层凡士林，以便脱模和防止水分蒸发. 2）将三瓣膜用箍具固定好，将固化土分5~6层加入到三瓣膜内振捣. 将每层振动2 min以排除气泡后，再填入下一层. 在对最后一层振实后，用塑料薄膜将试样表面抹平.对于每组比例混合物，均制备3个对比样. 2）将三瓣膜试样（39.1 mm×80 mm）放在玻璃片上，在其上端用玻璃片覆盖（见图2（b）），将制备好的试样在自然条件下养护1~2 d后拆模，然后将其移至恒温通风环境下继续养护至设计龄期.
2 镁质水泥固化土强度特性试验研究
2.1 试验方案
为了提出能涵盖有机质、水、固化剂的质量分数以及龄期的综合影响的TZ18固化土强度预测模型，设计如表3所示的试验方案. 表中，wC、
(a) 人工制备有机质土(b) TZ18 固化土三轴试样
图 2 人工有机质土与TZ18固化土的制备
Fig.2 Preparation of artificial organic soil and TZ18 cured
soil
表 3 TZ18固化土的无侧限抗压强度试验方案
Tab.3 Test program of unconfined compressive strength
of TZ18 cured soil
组别影响因素各因素配比方案TM-0基准配比wC=15%；wO=6%；wW=60%7 dM-1wC12%、15%、18%、20%7 dM-2wO0%、3%、6%、9%7 dM-3wW50%、60%、70%、80%7 dM-4
T
7 d、14 d、28 d、60 d
−
wO分别为固化剂、腐殖酸，T为龄期. 每组试验均是在表中基准配比方案的基础上，通过改变某一因素来分析该因素对固化土无侧限抗压强度发展的影响.
2.2 TZ18固化土的无侧限抗压强度试验
当TZ18固化土三轴试样达到设计龄期后，将其放入电子万能试验机并按照规范流程进行无侧限抗压强度试验[20]，将应变速率设为1 %/min，在应力达到峰值后再发生3%~5%的轴向应变即停止试验；如无稳定读数，试验进行到轴向应变为12%~15%时即停止. 在进行强度分析时，若试样的强度与均值之差超过10%，则剔除该强度，取不小于2个试样的平均值作为该组试样的强度代表值.2.3 试验结果分析
2.3.1 有机质对TZ18固化土强度的影响 经镁质
水泥复合固化剂TZ18固化的土的强度随有机质质量分数（从0到9%）的变化规律如图3所示，其拟合公式为
qu=11.96w2O−212.7wO+1739.6.(1)式中：qu为TZ18固化土的7 d无侧限抗压强度.
由图3可知，TZ18固化土的7 d无侧限抗压强度随着有机质质量分数的增加呈二次函数形式减小. 当腐殖酸的质量分数从0增加到6%时，固化土强度下降49.3%，当腐殖酸的质量分数从
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朱剑锋, 等：镁质水泥复合固化剂固化有机质土的抗压强度模型 [J].
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0增加到9%时，固化土强度下降53.9%. 由此可见，腐殖酸的存在显著影响固化土强度的发展.2.3.2 水的质量分数对TZ18固化土强度的影响
TZ18固化土的7 d无侧限抗压强度随水的质量分数（人工配制，从50%到80%）的变化规律如图4所示. 随着水的质量分数的增加，镁质水泥复合固化剂TZ18的抗压强度呈幂函数形式降低，其拟合公式为
qu=461.4w−W1.27.(2)由图4可知，当土体中水的质量分数从50%增加到80%时，TZ18固化土强度下降28.2%. 主要原因在于：1）固化土中水的质量分数的增大增加了体系的实际水胶质量比，在固化土养护干燥阶段，多余的水分会逐渐蒸发，在结构内产生大量的空隙，降低固化土的密实度；2）TZ18中的主固化剂改性硫氧镁水泥本身属于气硬性凝胶，过多的自由水和腐殖酸充斥于改性硫氧镁水泥之间，隔绝空气与凝胶的接触，延缓水化反应速度. 因此，水的质量分数的增加制约了TZ18固化土强度的发展.
2.3.3 固化剂质量分数对TZ18固化土强度的影响 固
化剂的质量分数对TZ18固化土的7 d无侧限抗压强度的影响规律如图5所示. 随着固化剂质量
1 800试验值1 400拟合曲线aPk/1 000uq6002000246810 wO/%图 3 TZ18固化土7 d无侧限抗压强度随腐殖酸质量分数的变化规律
Fig.3 Variation of unconfined compressive strength of TZ18
cured soil (7 d) along with mass fraction of humic acid
1 200试验值1 000拟合曲线aPk/800uq600400405060 wW/%708090图 4 TZ18固化土7 d无侧限抗压强度随水的质量分数的变化规律
Fig.4 Variation of unconfined compressive strength of TZ18
cured soil (7 d) along with mass fraction of water
分数的增加，TZ18固化土的抗压强度呈幂函数增长. 假设原状土的7 d无侧限抗压强度为0，则固化剂质量分数与TZ18固化土强度的拟合公式为
qu=17.24w1C.41.(3)由图5可知，TZ18固化土的强度随固化剂质量分数的增加呈现幂函数形式的增加，且当固化剂质量分数从12%增加到21%时，固化土强度增加114.1%. 由此可见，固化剂质量分数的增加能大幅度提高固化土的无侧限抗压强度，但与此同时会大大增加工程的造价. 因此，须根据工程实际选取合理的固化剂质量分数.
2.3.4 龄期对TZ18固化土强度的影响 TZ18固化
土的无侧限抗压强度随龄期变化的规律如图6所示. 可以看出，在前14 d龄期内，固化反应迅速发展，TZ18固化土的14 d无侧限抗压强度（1 063.5 kPa）与7 d强度（782.3 kPa）相比，提高了35.9%，其主要原因在于固化反应充分发展，土中孔隙逐渐被固化产物所填充，固化土结构性逐渐增强. 随着龄期的增加，强度增长幅度逐渐减小，60 d强度（1 523.6 kPa）仅比28 d强度（1 285.6 kPa）增长18.5%，可见TZ18是早强型固化剂. TZ18固化土的强度与龄期之间近似呈对数函数关系，其拟合公式为
1 400试验值1 200拟合曲线aP1 000k/uq800600400121416182022 wC/%图 5 TZ18固化土7 d无侧限抗压强度随固化剂质量分数的变化规律
Fig.5 Variation of unconfined compressive strength of TZ18
cured soil (7 d) along with mass fraction of curing agent
1 600试验值1 400拟合曲线aP1 200k/uq1 000800600010203040506070 T/d图 6 TZ18固化土无侧限抗压强度随龄期的变化规律Fig.6 Variation of unconfined compressive strength of TZ18
cured soil along with age
2172浙 江 大 学 学 报（工学版）第 53 卷
qu=363.15lnT+85.68.(4)3 TZ18固化土抗压强度预测模型
根据第2章的研究，可知TZ18固化土强度与腐殖酸、水、固化剂的质量分数以及龄期都有较强的相关性. TZ18固化剂体系中的水来自固化剂浆液和土样中所含水两部分，其中固化剂浆液中自由水的质量分数为26.1%[8]
. 基于现有研究成果
[12-14]
，通过定义总灰水比mc/mw来表述固化土
的强度方程：
mcwCmw=0.261wC+wW.(5)鉴于TZ18固化土与水、固化剂的质量分数均呈幂函数关系（见式（2）、（3）），可将TZ18固化土强度比与总灰水比的关系式近似定义为
qu1[qu0=(mc/mw)]α(mc/mw)0.(6)式中：qu0为基准配方下的TZ18固化土的无侧限抗压强度；qu1为标准化后的TZ18固化土抗压强度；(mc/mw)0为基准方案的总灰水比；α为相关系
数. 试验基准配比qu0=875.9 kPa，（mc/mw）0=0.235.
以基准配比下的TZ18固化土抗压强度和总灰水比为基础，对qu1与总灰水比的相关关系进行拟合，如
图7所示. 根据图7的拟合结果，式（6）可以简化为
qu1=1007.29mc0.235mw.(7)在式（7）的基础上引入腐殖酸对强度的影响因子A0，可以得到综合考虑固化剂、水、腐殖酸的影响的TZ18固化土7 d无侧限抗压强度：
qu2=1007.29mc(1+A0)0.235mw.(8)根据将某一腐殖酸质量分数下固化土无侧限抗压强度代入式（8）中反推出的A0，以6%的腐殖酸质量分数为基准，得出参数A0与标准化后的腐殖酸
质量分数（wO/6）的关系，如图8所示. 根据图8中的回归方程，可以得到腐殖酸影响因子的表达式为
A0=0.3404(wO/6)2−1.0396(wO/6)+0.7175.(9)以基准配比下的TZ18固化土抗压强度和总灰水比为基础，对归一化后的TZ18固化土无侧限抗压强度与龄期进行拟合，结果如图9所示. 根据
图9中的回归方程，qu与龄期近似呈对数关系：
qu=qu0(0.5784ln(T/7)+0.9888).(10)鉴于式（8）是基于TZ18固化土的7 d无侧限抗压强度建立的，未考虑龄期的影响，假设龄期对TZ18固化土存在如式（10）所示的对数关系（即以式（8）中的qu2替换式（10）中的qu0），即可得到同时考虑水泥、水、腐殖酸的质量分数以及
1.051.00 试验值0.95 拟合曲线00.90uq/1u0.85q0.800.750.700.650.750.800.850.900.951.001.05 mc/(0.235mw)图 7 归一化后的TZ18固化土7 d无侧限抗压强度与总灰水
比的关系
Fig.7 Relationship between normalized unconfined compress-ive strength of TZ18 cured soil (7 d) and total cement-water ratio
0.8 试验值0.6 拟合曲线0.40A0.20−0.200.30.60.91.21.51.8 wO/6图 8 参数A0与归一化腐殖酸质量分数的关系
Fig.8 Relationship between normalized mass fraction of hum-ic acid and parameter A0
3.02.7 试验值 拟合曲线2.40u2.1q/uq1.81.51.20.90246810 T/7图 9 归一化后的TZ18固化土无侧限抗压强度与龄期的关系Fig.9 Relationship between normalized unconfined compress-ive strength of TZ18 cured soil and age
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龄期变化对强度的影响的预测模型：
qu=4286.3mc(1+A0)[0.5784ln(T/7)+0.9888].(11)mw中的3种典型软土为试验用土（物理力学指标如表4所示），采用固化剂质量分数为15%的TZ18固化剂对其进行固化，在养护至设计龄期（T=7 d）后进行无侧限抗压强度试验，与所提TZ18固化土抗压强度模型的预测结果进行对比，如表5所示. 可以看出，所提强度模型较好地预测了实际
式中：mc/mw及A0可分别由式（5）、（9）计算获得.
4 模型验证
为了检验所提出TZ18固化土综合抗压强度预测模型的计算精度，选取宁波地铁某基坑工程
固化淤泥质土的7 d无侧限抗压强度，最大误差为4.34%，因此该固化有机质土强度模型具有较高的预测精度，可以在采用TZ18固化剂加固有机质土的工程中推广应用.
表 4 试验土样的工程指标
Tab.4 Engineering indicators of test soil samples
层号①3③1a④1
土层名称淤泥质土淤泥质土淤泥质土
wW/%68.456.941.1
γ/（kN·m–3）17.217.517.9
e1.3321.1431.003
wp/%27.021.820.5
wL/%45.136.332.7
Es1-2/MPa2.22.72.8
φ/（°）10.010.511.5
c/kPa14.014.017.0
wO/%6.905.473.97
表 5 实测TZ18固化土7 d无侧限抗压强度与理论值的对比
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实测值/kPa理论值/kPa相对误差/%706.2950.91 563.2
736.87971.751 522.37
4.342.19–2.60
5 结 论
（1）单掺试验表明，TZ18固化土的无侧限抗压强度与腐殖酸、水、固化剂的质量分数以及龄期具有较好的相关性，无侧限抗压强度随有机质质量分数的增加呈二次函数形式降低，随水和固化剂质量分数的增加分别呈幂函数形式降低和提高，随龄期的增加呈对数形式增长.
（2）所建立的TZ18固化土的综合抗压强度预测模型能够预测任意固化剂、水、腐殖酸的质量分数以及龄期下的固化土的抗压强度，算例验证表明该强度预测模型具有较高的计算精度，可在实际淤泥质土的固化工程中推广应用.
（3）除无侧限抗压强度外，TZ18固化土的抗剪强度指标（c、φ）、变形模量Es是评价力学性能的重要参数，关于c、φ、Es受固化剂、水、腐殖酸、龄期等因素的影响规律的研究有待进一步展开.
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