通过少量砂掺入降低可流动水泥与粒化高炉矿渣（GGBS）固化软黏土的压缩性：行为、机理与预测

《Soils and Foundations》：Reducing the compressibility of flowable cement- and ground granulated blast-furnace slag (GGBS)-stabilized soft clay through low sand addition: behavior, mechanism, and prediction

　　

摘要：利用废弃软黏土生产可流动的填充材料提供了一条可持续的再利用途径，然而，该类材料的应用受到其固有高压缩性的限制，该高压缩性与满足流动性能所需的高含水率有关。因此，本研究探讨了低掺量砂在维持工作性能的同时降低固化黏土基材料压缩性的效果。研究采用了水泥和粒化高炉矿渣（GGBS）两种胶凝材料，并考察了胶凝材料掺量、含水率及砂体积比的影响。在屈服前，再压缩指数（C_R）由强度和孔隙比共同控制。然而，压缩指数（C_C）对应于胶结微观结构屈服后的阶段，此后压缩性主要取决于孔隙比。尽管将胶凝材料掺量从60 kg/m³提高至80 kg/m³可使强度显著增加数倍，但并未降低压缩指数（C_C），而砂体积比为0.15时，在不同胶凝材料体系下可使C_C降低30.8%–39.4%。值得注意的是，含砂与不含砂试样的固结系数（c_v）和渗透系数（k）表现出相似性。此外，本研究证明在所研究的砂掺量范围内，孔隙率的降低是压缩性降低的主导机理。基于上述机理，本研究提出了固化黏土–砂混合物压缩性的预测关系式，为通过少量砂掺入实现压缩性控制提供了实用方法。

论文解读：基于少量砂掺入的固化软黏土压缩性调控——机理分析与预测模型

一、研究背景与目标

随着城市建设与基础设施开发的推进，大量工程废弃软黏土的处置已成为全球性环境与资源问题。以新加坡为例，每年约产生800至1000万立方米的废弃海相软黏土，其中大部分被倾倒，对有限的堆置场地造成沉重负担。与此同时，自然填充材料资源的短缺使新加坡等国家高度依赖进口砂料以支持内陆回填与填海造地工程。然而，废弃软黏土因其高含水率与低强度特性，无法直接作为填充材料使用。近年来，将废弃软黏土制备成可流动的固化土基填充材料，为同时解决废弃黏土回收利用与填充材料短缺问题提供了可持续途径。该方法通常将软黏土调制成含水率远高于液限的泥浆，再掺入胶凝材料，从而获得可泵送、无需压实作业的流动化填充材料，适用于地下结构回填与填海造地等低强度应用场景。

流动化固化黏土的强度来源于胶凝材料的水化反应。水泥是最常用的胶凝材料，但其生产伴随大量碳排放。作为更可持续的替代方案，粒化高炉矿渣（GGBS）作为炼铁工业副产品，凭借潜在水硬性，在碱性激发下可生成以C-(A)-S-H凝胶为主的网状水化产物，有效胶结土颗粒，近年来受到广泛关注。然而，为满足流动度要求，此类材料通常需在数倍于黏土液限的高含水率下制备，硬化后形成的高孔隙比导致压缩性过大，在变形要求严格的工程应用中构成隐患。

以往对固化黏土的研究多集中于无侧限抗压强度（UCS）和刚度，主要服务于深层搅拌等强度要求较高的地基处理场景。随着固化黏土在填海与回填等低强度应用中的推广，其在大应变和屈服条件下的压缩行为已成为研究热点。研究表明，在竖向有效应力达到屈服应力前，固化黏土的压缩性较未固化黏土显著降低；而超过屈服应力后，固化黏土的压缩指数（C_C）甚至可能高于未固化黏土。对于高含水率固化黏土，C_C与孔隙比呈正相关，此规律在不同胶凝材料体系中均得到验证。因此，降低固化黏土基可流动填充材料压缩性的关键在于降低其孔隙比，同时维持足够的流动度。已有研究证实，掺砂可有效降低固化黏土孔隙比，被视为潜在调控手段。然而，以往关于固化黏土–砂混合物压缩性的研究多集中于砂掺量对屈服前刚度的影响，而砂对屈服后高压缩阶段的影响机理仍未得到充分揭示。

本研究旨在系统探究低掺量砂对可流动固化黏土压缩行为的调控作用，重点关注结构屈服前后压缩性的主导机理。研究采用水泥与GGBS两种胶凝体系，在维持流动度的前提下控制砂掺量，考察胶凝材料类型、掺量、砂掺量及初始含水率对屈服应力、压缩指数及固结参数的影响，并在此基础上提出预测关系式，以支撑工程评估与配合比设计。

二、主要技术方法

研究人员采用新加坡樟宜地区开挖废弃海相软黏土，经干燥、研磨并过2 mm筛后备用。胶凝材料分别为水泥与GGBS，其中GGBS采用电石渣（CS）作为碱激发剂，GGBS与CS质量比固定为8:2。细石英砂用于制备黏土–砂混合物。试样制备模拟实际生产过程，先将黏土泥浆调至目标含水率（90%或100%），混合5分钟后加入设计用量的胶凝材料与砂，再搅拌5分钟。胶凝材料掺量设为60和80 kg/m3，砂掺量设为0、100、200、300和400 kg/m3，对应砂与黏土泥浆体积比约0至0.150。通过坍落度流动试验验证各配合比流动值均高于140 mm，满足地下结构填充要求。圆柱形试样（直径25 mm，高50 mm）用于56天龄期无侧限抗压强度试验；环刀试样（直径63.5 mm，高19 mm）用于一维固结（固结仪）试验，加载等级依胶凝材料掺量不同设定，每级荷载持续24小时。固结试验结果采用双线性模型拟合，确定压缩指数（C_C）、再压缩指数（C_R）和竖向屈服应力（σ′_y）。固结系数（c_v）采用平方根时间法确定，渗透系数（k）通过c_v与体积压缩系数计算。此外，采用高分辨率数字显微镜观察砂颗粒与固化黏土基体的空间分布关系。为验证假设，研究还引入了Li和Yi (2022)报道的同批次海相黏土及不同GGBS–CS配合比的无砂固化黏土固结试验数据进行对比分析。

三、研究结果

3.1 比重、体积密度、孔隙比与强度

所有固化黏土–砂混合物的比重介于2.60至2.64之间，略低于黏土（2.74）和砂（2.65），但高于胶凝材料净浆（约2.2–2.3）。砂的掺入总体提高了体积密度并降低了初始孔隙比，较高初始含水率导致较低体积密度和较高初始孔隙比。无侧限抗压强度随胶凝材料掺量增加和初始含水率降低而显著提高。砂的掺入使强度略有增加，但在低砂掺量范围内，砂掺量的影响相对次要，这与已有研究结论一致，即砂的掺入在降低孔隙率的同时也在固化黏土基体中引入不连续面，产生竞争效应。

3.2 压缩特性

固化黏土–砂混合物的e–logσ′曲线呈现典型双线性特征，由再压缩段（斜率C_R）与屈服后压缩段（斜率C_C）组成，交点对应竖向屈服应力σ′_y。σ′_y与UCS呈近似线性关系，回归分析表明σ′_y约为UCS的1.28倍，与已有研究报道的比值范围一致。降低初始泥浆含水率10%或增加胶凝材料掺量20 kg/m3可使UCS和σ′_y提高数倍；相比之下，低砂掺量对UCS和σ′_y影响较小。

压缩指数C_C随砂掺量增加而显著降低，掺入400 kg/m3砂时C_C较无砂试样降低30.8%–39.4%。值得注意的是，当砂掺量相同时，尽管不同胶凝材料掺量试样的UCS和σ′_y差异显著，但C_C值变化甚微。这表明屈服后压缩响应主要由土体组构而非胶结键控制，孔隙比e₀是C_C的主导影响因素。与已有研究数据综合对比，高含水率固化黏土的C_C与e₀呈正相关，胶凝材料类型和掺量的影响弱于e₀。

再压缩指数C_R表征屈服前压缩性，与刚度呈负相关。与C_C不同，相同砂掺量下C_R变化幅度较大，总体与σ′_y呈负相关。对于σ′_y相近的试样，低砂掺量或高含水率试样倾向具有更高C_R值，表明C_R同时受强度（胶结结构）和孔隙比（土体组构）影响。不同胶凝体系但具有相近孔隙比和强度特性的试样，其C_C、C_R和σ′_y值总体相近，证实了研究趋势的普适性。

体积压缩系数m_v随竖向压力的变化受σ′_y影响。低压力下m_v随压力增大先减小，接近σ′_y时增大并在屈服时达到峰值，之后再度减小。高压力（超过σ′_y）下，较高砂掺量对应较低m_v，进一步证实掺砂对压缩性的降低作用在屈服后阶段尤为显著。

3.3 固结系数与渗透系数

固结系数c_v随竖向压力增大而减小，70 kPa下各试样c_v介于0.05–0.2 cm2/s，1120 kPa下降至0.009–0.03 cm2/s，较未固化黏土高1至3个数量级。渗透系数k约为10^-9至10^-8 m/s，较未固化黏土高约两个数量级，并随压力增大而降低。在所研究砂掺量范围内，砂的掺入及其掺量对c_v和k影响甚微。这归因于砂颗粒呈孤立分散状态，未形成连通骨架，水流仍由固化黏土相的连通孔隙控制，孔隙比降低主要来自体积置换而非固化黏土相密实化。

四、讨论与结论

4.1 物相与孔隙率分析

固化黏土–砂混合物可划分为固化黏土相与砂颗粒两相。通过对比实测孔隙比与基于体积置换假设计算的孔隙比，两者与1:1参考线总体一致，验证了砂颗粒被固化黏土相紧密包裹的假设。数字显微镜图像进一步证实，砂颗粒呈孤立分散状态，被固化黏土相连续包裹，未形成颗粒间直接接触的砂骨架网络。

4.2 砂对压缩性的影响机理

为甄别压缩性降低的主导机理，研究人员通过修正孔隙比（扣除砂颗粒体积）计算了固化黏土相的压缩指数C_C′和再压缩指数C_R′。结果表明，不同砂掺量试样的C_C′和C_R′值与无砂固化黏土相近，证明砂的掺入对固化黏土相内在压缩性影响甚微。因此，在所研究的低砂掺量范围内，体积置换效应是压缩性降低的主导机理。

4.3 压缩行为预测

基于体积置换机理，研究提出了固化黏土–砂混合物C_C和C_R的预测公式，即以无砂固化黏土的相应参数乘以体积置换系数[1?(1+e₀)·R_V/(1+R_V)]。预测值与实测值对比显示误差在合理范围内。σ′_y可通过UCS关系估算，e₀可通过体积置换公式计算。

4.4 适用性与局限性

研究框架基于流动性固化黏土材料建立，其适用性取决于低砂掺量范围内w/w_L比值的相对稳定。当砂掺量超过该范围，w/w_L下降将增强固化黏土相强度与刚度，同时砂颗粒间距减小可能促使应力集中和砂骨架形成，导致压缩性降低超出体积置换预测。对于含惰性组分的工业副产品胶凝材料，其行为需进一步研究。

结论：本研究证实，在维持流动度的低砂掺量范围内，砂颗粒以孤立分散状态包裹于固化黏土相中，孔隙比降低主要源于体积置换效应。砂体积比为0.15时，C_C降低30.8%–39.4%。C_C仅与孔隙比相关，几乎不受强度影响；C_R与强度呈负相关。砂的掺入对固结系数和渗透系数影响甚微。基于体积置换机理建立的预测关系式可为工程实践中通过少量砂掺入控制压缩性提供实用工具。