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9001 土壤固化剂

在兴修公路、铁路、水利、厂房和住宅时,常会遇到地表一定深度下天然土层的工程性质很差。由于天然孔隙比大,土层的压缩性高,抗剪强度值低,无法提供必要的承载力和水稳性,因而满足不了构筑物对地基强度的要求。目前,系统地研究各种土壤增强改性的原理、方法以及土壤固化材料的性质及其固化机理,开发最经济实用的固化材料以加固软弱土壤,是各国学者致力于研究的重要课题。
本实验采用化学加固的方法对天然土壤和黄河泥砂进行固化。
化学加固法是将化学溶液或胶结剂灌入土中,使土胶结以提高地基强度,减少沉降量。目前实验中常采用的化学浆液有:水泥浆液、硅酸钠浆液、丙烯酸子氨浆液、纸浆浆液等。
目前化学加固法的施工方法有:压力灌浆法、施喷法、施喷搅拌法、电渗硅化法等。
以上几种固化剂和固化方法的最大缺点是动力消耗大,价格高,且有时具有毒性,很难适用于一般工程中。我们所研究的固化剂是由多种无机、有机材料按不同配比配制而成的,它除具有以上几种固化剂所能达到的耐久和强度外,还能够解决水泥、石灰、粉煤灰、沙砾等胶凝材料在土壤加固时无法解决的一些特殊问题,它的价格远远低于其他化学加固法采用原料的价格,还能就地处理一些工业废弃物和不良土壤,减小运输压力和不必要的费用开支,有良好的社会效益和经济效益。
一、实验原料
1 、固化剂类原料
组成成分:普硅熟料、硫铝酸盐水泥熟料、矿渣、膨润土、核心料、石灰、纯碱、碳酸钙 CaCl 2 、亚硫酸钙、硬脂酸钙、胺盐等,按四组不同比例均匀混合:固化剂 A 、固化剂 B 、固化剂 C 、固化剂 D 。
2 、被固化类原料——土
土在其生成和存在的整个历史过程中形成颗粒排列方式和颗粒间的连接特征。土颗粒沉积的排列方式主要由粒间表面力的引力和斥力来控制,黏性土颗粒有两种典型的排列方式,即分散结构和凝聚结构。实际黏性土层中的排列并不是单一的,常介于两者之间,不过以其中一种排列占优势。
土的构造最主要的特征是土中有无层理,其中水平层理是层次很薄的粘性土薄层与砂的薄层相互更迭,或厚砂层中夹有薄黏土层等,还有斜交层理构造的土,其工程性质 ( 如强度、渗透性等 ) 在各个方向不一样,呈各向异性。
                   表 1 实验土化学成分分析表

 

Loss

SiO 2

Fe 2 O 3

Al 2 O 3

CaO

MgO

黏土

2.75

67.36

5.42

12.60

5.43

1.56

泥沙

6.15

62.76

4.64

10.33

6.52

3.12

土在工程上按其组成可分为五大类,即碎石土、砂土、粉土、黏性土和人工填土。本实验所用的土,分别取自校内修路工地和黄河河滩,按照分类标准属黏性土 ( 塑性指数均大于 10) ,化学成分分析如表 1 所示。
二、实验数据与实验方法
1 、液限实验
液限实验也叫流限实验,液限是区分黏土的可塑性状态和流动状态的界限含水量,用以计算土的塑性指数和液性指数,作为黏土类土的分类以及估算地基土承载力等的一个依据,实验测得泥砂液限含水量为 27 %,黏土液限含水量为 35 %。
2 、塑限实验
塑限是区分黏性土可塑状态和半固体状态的界限含水量。测出的塑限数值连同液限实验得到的数据用来计算土的塑性指数和液性指数,二者是黏性土的分类以及估算地基土的承载力的依据。实验结果是:泥沙塑限含水量 16% ,黏土的塑限含水量是 18% 。
3 、击实实验
击实实验是用重锤锤击使土密度增加的一种方法,土在一定的击实效应下,如果含水量不同,则所得的密度也不相同,能使土达到最大密度所要求的含水量称为最优含水量,其相应的干密度称为最大干密度,用同一能量击实不同配比的各组测定土样,确定做试块时达到最大干密度和最优含水量时的用水量。实验数据如表 2 所示。

表 2 击实实验数据

固化剂种类

黏 土 类

泥 砂 类

最佳含水率 /%

最大干密度 /g · cm -3

最佳含水率 /%

最大干密度 /g · cm -3

4

6

8

4

6

8

4

6

8

4

6

8

A

20

21

22

3.00

2.92

2.92

21

23

24

3.00

3.05

2.96

B

21

22

23

2.92

2.74

2.74

23

24

25

3.04

3.00

3.10

C

22

23

24

2.57

2.61

2.48

23

24

25

2.65

3.05

3.05

D

22

23

24

2.70

2.71

2.70

23

24

25

3.05

2.96

3.05

根据原料中原有水分,计算出达到最佳含水率应加的水量。试块养护于一定条件下,测其 7d 和 28d 的强度如表 3 所示。

表 3 试体抗压强度 /MPa

编号

7d

28d

编号

7d

28d

AS4

1.48

3.25

AT4

4.74

8.16

AS6

1.53

3.67

AT6

2.80

5.71

AS8

0.86

3.15

AT8

1.02

5.70

BS4

2.04

5.52

BT4

5.76

13.3

BS6

1.27

5.41

BT6

6.98

10.7

BS8

2.80

5.64

BT8

5.30

11.4

CS4

0.56

5.12

CT4

3.31

5.04

CS6

0.66

2.82

CT6

3.31

8.68

CS8

1.07

4.08

CT8

2.70

6.08

DS4

1.13

5.45

DT4

7.69

11.6

DS6

1.27

5.75

DT6

6.78

14.4

DS8

2.24

6.19

DT8

4.99

13.7

注: AS- 黏土类, AT- 泥沙类

三、固化机理及结果讨论

1 、对掺入量的考虑

本实验在考虑固化剂掺入量时,采用实验的方法确定最佳掺和比。根据条件考察了 4% 、 6% 、 8% 三种配比方案,选出这三种配比最佳掺合量。刚玉球主要起混料作用,对细度改变无很大作用。

2 、 固化机理

固化剂中的水泥和湿土拌和后,水化产生 Ca(OH) 2 , Ca(OH) 2 也可以 Ca 2 + 离子 OH - 和 CaO 的形式存在, Ca(OH) 2 约占水化物的 20% ~ 30% 。有研究表明,由于土颗粒对氧化钙的物理吸附,土样在与氧化钙拌和后几分钟至几小时内,便可吸收约为土重 3% 的氧化钙。通常条件下,水泥水化产生的Ca(OH) 2难以满足土样对氧化钙如此大的吸收量,因而水泥土的孔隙水就可能处于 Ca(OH) 2不饱和状态。同时,土质胶体部分所吸收的氢离子、铝离子等阳离子也将与钙离子、 OH - 进行离子交换和中和反应,进一步降低了水泥土中 OH - 、钙离子的浓度。

        图 1 黏土的电镜照片( I )      图 2 黏土的电镜照片( II )

在水泥水化物中,对强度贡献最大的主要是具有胶结作用的水化硅酸钙 (CSH) 。水泥化学的研究表明:在液相中生成的水化硅酸钙 (CSH) 的比值约为 Ca/Si=1.2 ;液相原始 Ca/Si , OH - /Si 的比值影响水化产物的种类,当液相原始 Ca/Si , OH - /Si 比较小时,在水化产物中,无胶结作用的硅酸凝胶占有较大比例,随着溶液原始 Ca/Si , OH — /Si 比值的增加,水化产物中 CSH 的比例增加,从热力学平衡方程式得知,液相钙离子 OH - 减少。在水泥土孔隙水 Ca(OH) 2 不饱和的情况下,为达到饱和吸附,土质必将大量吸收生成 CSH 所必需的钙离子, OH - ,致使 CSH 的生成量降低。在水泥土形成过程中,土质对 OH - ,氧化钙,钙离子的吸收与水泥水化释放 Ca(OH) 2 的过程是同时进行的。早期土质对 OH - 离子,氧化钙,钙离子的大量吸收可能导致水泥土孔隙水原始 Ca/Si , OH — /Si 比值过低,使水泥水化生成物中无胶结能力的硅酸凝胶量增加,这进一步消耗了 OH — ,钙离子,更加降低了 CSH 的生成量。土质对 OH — ,氧化钙,钙离子的吸收量越高,水泥土孔隙水中 OH — ,钙离子浓度就越低,在水泥土中水泥水化产生的 CSH 就越少。固化剂 B 、 D 的配方中石灰含量较高,使 Ca(OH) 2浓度达到过饱和,生成 CSH 凝胶的 Ca 2+ 和 OH — 浓度足够高,所以 B 、 D 固化剂的连接效果要好于 A , C 两种。另外活性材料矿渣的大量掺入,替代了部分水泥,与 Ca(OH) 2 进行充分的硬凝反应,生成了更多的 CSH 凝胶等水化物,又使其强度更加发展。如图 1 与图 2 所示,可以看见凝胶量很大,很多。
3 、固化剂综合固化机理
自然界土壤因颗粒间联系微弱,存在大量孔隙水而导致土体强度低下,欲提高土体强度,理想的固化剂应该具有胶结土粒和填充孔隙的双重作用。实验研究表明,若单纯用水泥作固化剂,水泥的主要水化物——水化硅酸钙 CSH 具有较强的胶结能力,可将松散的土体胶结成整体,但是它填充孔隙的效率很低,如图 1 、 2 所示。土颗粒与土粒之间生成了 CSH 凝胶, CSH 凝胶附着在土体孔上,将孔壁土体胶结成为一个整体,但它填充孔隙的作用较弱,孔隙依然大量存在。虽然 CSH 增强了土粒间的联系,在一定程度上提高了固化土强度;但它没能弥补土体中孔隙造成的强度损失,使固化土强度不够理想。固化剂中含有石膏,在水化时除发生与水泥相同的反应外,石膏还与含铝相反应,产生大量的钙矾石。钙矾石在一定条件下为针刺状的晶体,在晶体形成过程中,其固相体积可增加 120 %左右。钙矾石存在,一方面因其固相体积膨胀,填充了部分孔隙,使土体孔隙量减少;另一方面其较大的针刺状晶体,在孔隙中生成,相互交叉与水化硅酸钙一起形成空间结构,以较高的效率支撑填充于孔隙中,使固化土的孔径分布细化。关于多孔材料的研究表明:材料的强度与其孔隙量呈负相关系,孔隙量越少则强度越高。孔隙量相同时,平均孔径越小,强度越高。钙矾石的存在减少了固化土中的孔隙量,降低了固化土中的平均孔径,如图 3 和图 4 所示的那样,在土颗粒与土颗粒之间的孔隙是通过 CSH 凝胶连接起来的,相比于无固化剂加入时, CSH 凝胶的生成使土体强度大为增加,固化剂 D 不仅生成了大量的 CSH 凝胶,而且还生成了很多细针状的钙矾石,钙矾石相互交叉于水化硅酸钙,两者相互作用,使固化剂 D 的固化效果较好。对于钙矾石的生成条件及其膨胀性能的研究结果表明:钙矾石所具有的膨胀性能与其形成过程中的孔隙水的 CaO 的浓度有关。当液相 CaO 饱和时,钙矾石就在含铝相表面以细小的晶体析出,因其一端以某种形式固定于固相,定向生长,在生长过程中遇到阻碍即产生结晶生长压力,可导致固相间已有连接损坏,使结构强度降低,在液相 CaO 浓度较低时,钙矾石可离开含铝相表面的地方以较粗大的没有一定生长方向的单个晶体析出,这些单个晶体大都在孔隙中自由生长,不依托于固相,故而很少产生晶体生长压力,不仅不会破坏结构强度,反而可使结构强度增加。从图 5 图 6 可以看出,孔隙之间的 CSH 凝胶发育较好,但钙矾石的大量存在,使原本发育良好的 CSH 凝胶骨架,因钙矾石生长,体积膨胀而胀裂,使土体强度大大下降。

图 3 泥沙固化后的电镜照片 
图 4 泥沙固化后的电镜照片
图 5 泥沙固化后的电镜照片
图 6 泥沙固化后的电镜照片
图 7 黏土固化后的电镜照片(I)
图 8 黏土固化后的电镜照片(II)

本实验研究了两种土 ( 黏土、泥砂 ) ,对于不同土质,固化剂的加固效果完全不一样。从实验测得的 3d 和 28d 的强度数据可以看出,黏土类的固化效果要大大好于泥砂类,分析表明:土质吸收水泥水化产生的氧化钙和 OH - 时,各种土样对于氧化钙和 OH — 的吸收量不同,导致固化土中孔隙水氧化钙和 OH-浓度不同,黏土土样对氧化钙和 OH - 吸收量大,固化土中孔隙水的氧化钙和 OH - 含量较低,则钙矾石在孔隙中生长,不产生结晶压力,填充孔隙,提高了固化土强度;泥砂土样对氧化钙和 OH-吸收量很小,固化土中氧化钙和 OH - 浓度很高,钙矾石很容易生长,长大,生长压力将破坏土体的已有结构,使固化土强度下降。对于 C 类固化剂,在配方中,既没有大量絮凝状 CSH 生成的条件,也没有生成钙矾石的条件。如图 7 图 8 所示,强度很低。

综上所述,笔者认为,要生成更多的 CSH 凝胶骨架,得用有过饱和的 CaO 和 OH - 浓度。有了过饱和的 CaO 和 OH - 浓度,钙矾石就在含铝相表面以细小的晶体析出,其一端以某种形式固定于固相,定向生长,在生成过程中遇到阻碍即产生结晶生长压力,可导致已有连接破坏,使结构强度降低,对 CaO 和 OH — 浓度的要求构成了一对矛盾关系。
四、结 论
1 、比较 X — Ray 衍射图、电镜照片及实验结果可见, 4 种固化剂的固化效果, B 、 D 两组要好于 A 、 C 两组。
2 、 CaO 和 OH - 的浓度问题,实质上是固化剂配比以及固化剂与土类掺和量问题,解决途径是采用实验的方法来确定最佳掺和比。
3 、在本实验设计的掺和比条件下,短期发挥强度 (7d) 较好的两种固化剂是: D # :黏土类 4 %;泥砂类 8 %; B # :黏土类 8 %;泥砂类 6 %。
4 、黏土类不论使用哪种固化剂,总体效果都要好于泥砂类。




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