活性矿粉协同固化技术在桥台软基处理中的应用研究

引言

桥梁工程在跨越软弱地基区域时，桥台基础的稳定性是确保整体结构安全和使用性能的核心。软土具有天然含水量高、压缩性大、强度低、渗透性差等特点[1]，直接作为桥台地基极易导致承载力不足、过大的工后沉降（尤其是不均匀沉降）以及侧向位移，引发“ 桥头跳车” 等病害，严重影响行车舒适性与桥梁耐久性。传统的软基处理方法如换填法、堆载预压法、排水固结法等，或受限于施工周期、经济成本，或对场地条件要求苛刻，且在某些复杂软土条件下效果有限。因此，寻求高效、经济、环保且适应性强的软基加固新技术具有重要意义。活性矿粉协同固化技术正是在此背景下发展起来的一种创新方法，它通过发挥工业固废资源化利用价值，实现软土性能的根本性改良，为桥台软基处理提供了新思路。

1 活性矿粉协同固化技术概述

粒化高炉矿渣微粉属于工业固废的一种。是炼铁过程中形成的副产物。据相关统计，每生产 1 吨生铁将产生约 250kg～500kg 的粒化高炉矿渣。由于活性矿粉具有颗粒细、比表面积大、活性高等特点。将其用于加固处理软土地基，不仅可以有效再利用矿渣微粉固废，而且减少自然资源的消耗及二氧化碳排放[2]。活性矿粉协同固化技术的核心在于利用具有潜在火山灰活性或胶凝活性的矿物粉体材料（主要来源于工业副产品，如粒化高炉矿渣微粉等），与传统无机固化剂进行科学复配，共同作用于软土具有更好的固化作用。这些活性矿粉自身水硬性较弱，但在碱性环境（由水泥或石灰水化提供）和特定离子的激发下，其富含的活性 SiO2 和 Al2O3 等组分能够发生溶解，并参与复杂的二次水化反应（火山灰反应），生成具有胶结性能的水化硅酸钙（C-S-H）、水化铝酸钙（C-A-H）以及钙矾石（AFt）等凝胶状或晶体状产物。

2 协同固化作用机理

活性矿粉协改良软土地基的过程不是单一作用，而是物理与化学反应共同促进的复杂体系[3]。在微观层面，细小的活性矿粉颗粒是高效的微集料，能够填充土体内部的孔隙，优化原有颗粒的级配排列，提升土体的密实程度并降低其渗透性。与此同时，固化剂（如水泥或石灰）在水化初期释放的钙离子（ Ca²⁺ ）等，会与软土颗粒表面吸附的低价阳离子（如 Na⁺ 、K⁺）发生置换反应[4]。这种离子交换作用削弱了土粒表面的双电层效应，促使原本分散的土颗粒聚集成更大的团粒结构，从而有效改善了土体的塑性状态，降低了其亲水性和易扰动性（触变性）。化学反应过程则发生在后续阶段：固化剂水化产生的氢氧化钙 [Ca(OH)₂ ]和初始水化硅酸钙（C-S-H）凝胶，不仅提供了早期强度骨架，而且建立了必要的碱性环境。在此条件下，活性矿粉中富含的活性硅铝组分被充分激发，产生火山灰反应。该反应消耗 Ca(OH)₂ ，持续生成大量新的、具有胶结性能的水化硅酸钙（C-S-H）、水化铝酸钙（C-A-H）凝胶以及钙矾石（AFt）等产物[5]。这些新生的胶凝物质如同“ 粘合剂” 和“ 结构网” ，紧密地包裹、胶结土颗粒，构筑起稳固的空间网络结构，从而极大地强化了土颗粒间的联结，提升了固化土体的整体强度与刚度[6]。此外，这种协同作用还影响着材料的长期行为。反应生成的大量的胶凝产物，能够有效约束固化土体因水分变化导致的干燥收缩和潜在膨胀，最大限度地减少收缩裂缝的产生。这不仅直接提升了材料的体积稳定性，更从根本上有利于控制工后沉降，特别是对桥台安全威胁最大的不均匀沉降问题，为桥台基础的长期服役性能提供了坚实的保障。

3 在桥台软基处理中的优势

活性矿粉协同固化技术应用于桥台软基处理时，其表现明显优于传统的单一固化方法，带来多方面的显著提升。在性能层面，该技术能够有效增强软土地基的承载力、无侧限抗压强度、抗剪强度和模量等关键力学指标，同时显著降低土体的压缩性。尤为关键的是，它对工后沉降，特别是不均匀沉降的控制效果突出，从而在源头上缓解了困扰工程界的“ 桥头跳车” 问题。经济性方面，粉煤灰、矿渣这类工业副产品作为活性矿粉的主要来源，成本低廉；通过发挥协同效应，能大幅削减相对昂贵的水泥用量（降幅可达 30%-50% ），显著节省了材料投入。技术的适应性广，施工效率也相对较高。从环保角度看，大量消耗粉煤灰、矿渣等固体废弃物，不仅实现了资源循环再利用，减少了堆存带来的土地占用和环境污染，还因水泥用量的减少，间接降低了水泥生产环节的高碳排放，契合当前绿色低碳发展的要求。施工过程中，适量添加矿粉还能改善固化土的工作性能，例如在深层搅拌作业中提升流动性、减少用水量，有时甚至能延缓凝结过程，这对保证大体积施工的质量控制十分有利。最后，关于长期耐久性，协同作用促成了更致密的微观结构和更稳定的水化产物生成，有效抑制了固化土体的收缩倾向，降低了开裂风险，为桥台基础的长期稳定运行提供了更好的保障。这些综合优势共同构成了该技术在桥台软基加固领域的突出实用价值。

4 结论

活性矿粉协同固化技术通过充分利用工业固体废弃物的潜在活性，与传统固化剂产生显著的物理化学协同效应，为桥台软基处理提供了一种高效、经济、环保的创新解决方案。该技术不仅能显著提升软土地基的强度、刚度和抗变形能力，有效控制工后沉降及“ 桥头跳车” 风险，而且通过降低水泥用量和资源化利用固废，大幅节约了工程成本，减轻了环境负荷，高度契合当前土木工程绿色化、可持续发展的战略方向。其施工工艺成熟，可根据桥台工程的具体需求灵活应用。随着对协同作用机理的深入研究和工程经验的不断积累，活性矿粉协同固化技术在桥台及类似结构软基处理领域具有广阔的应用前景和重要的推广价值。

参考文献

[1]周冠南.软弱地层深基坑开挖时空效应分析及控制[J].地下空间与工程学报,2014,10(S1):1653-1658.

[2]程若明.矿渣微粉固化软土的力学特性试验研究[D].江苏大学,2023.

[3]陈学武.矿粉固化剂对粉土路基填筑材料的改良作用分析[J].交通世界,2025,(09):39-41.DOI:10.16248/j.cnki.11-3723/u.2025.09.008.

[4]乔京生,王旭影,王冠泓,等.粒化高炉矿渣微粉固化淤泥质土的动力特 性及微观机理[J].硅酸盐通报,2021,40(07):2306-2312.

[5]刘满超.矿山充填胶凝材料的研究及应用[D].河北科技大学,2018.

[6]王巍,王昭,任思谦,等.无机激发剂与固硫灰渣的协同激发在水泥掺和料中的应用研究[J].陕西科技大学学报,2023,41(03):131-137.