強硫酸鹽鹽漬土固化研究

戴 蕾，黃 新

(1.北京航空航天大學(xué) 土木工程系，北京 100191;2.北京建筑材料科學(xué)研究總院有限公司，北京 100041)

我國的鹽漬土面積約為36.67萬 km2[1]，在鹽漬土地區(qū)進行筑路等基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)時，如是軟土地基則須先進行地基處理。因為鹽漬土中的硫酸鹽會在水泥、石灰等物質(zhì)存在的條件下產(chǎn)生鈣礬石AFt，導(dǎo)致土體膨脹破壞，因此，在非鹽漬土地區(qū)常用的土與水泥、石灰等固化劑混合均勻制成固化土的方法，難以在鹽漬土中應(yīng)用。

近年來國內(nèi)外學(xué)者針對硫酸鹽鹽漬土的固化材料進行了大量的研究，Wang[2]認為礦渣、粉煤灰、硅灰等活性混合材取代部分水泥固化硫酸鹽鹽漬土能降低固化劑中氫氧化鈣含量，可導(dǎo)致鈣礬石 AFt生成量減少并改變AFt的形貌，從而減緩固化土膨脹;清華大學(xué)研究表明[3]，以水泥及礦渣為主要成分的固化劑能有效固化含鹽量約為4%的青海原生鹽漬土，固化劑中堿性成分及鋁相與土中易溶鹽共同作用激活礦渣等活性材料，降低易溶鹽含量，減少固化土膨脹;Wild[4]用礦渣取代60%～80%的石灰可減小硫酸鹽含量為3.73%的鹽漬土膨脹問題。

上述研究對普通硫酸鹽鹽漬土有一定效果，如硫酸鹽鹽漬土中含有大量活性鋁鹽[5]，活性鋁鹽與固化劑中的氫氧化鈣(CH)迅速反應(yīng)生成AFt而導(dǎo)致固化土膨脹破壞。這類特殊的鹽漬土在現(xiàn)在的研究中涉及不多，而且目前研究的鹽漬土以硫酸鹽含量<5%的居多，但在實際應(yīng)用中，硫酸鹽含鹽量≥5%的鹽漬土的固化也是迫切需要解決的問題。

1 鹽漬土化學(xué)固化試驗

1.1 研究思路與方案

目前含鋁強硫酸鹽鹽漬土固化的難點是如果使用現(xiàn)有的固化劑模式固化含鋁鹽漬土，固化土中將大量生成AFt，與此同時，含有水泥的固化劑可使C-S-H凝膠在早期固化土中大量形成，與AFt的膨脹形成沖突，C-S-H膠結(jié)形成的結(jié)構(gòu)將被AFt膨脹所破壞，從而導(dǎo)致固化失效。即使固化劑中無水泥，由于土中含鋁，只要存在氫氧化鈣(CH)等堿性物質(zhì)，早期固化土中仍會生成AFt，雖然固化劑中因不含水泥使得早期固化土中C-S-H凝膠生成量較少，但生成 AFt帶來的膨脹會增大固化土孔隙率，使固化土強度降低。

研究表明[6]，只要固化土中 C-S-H凝膠在 AFt形成后大量生成，就可以減輕AFt對C-S-H膠結(jié)結(jié)構(gòu)的破壞性。趙永生[7]研究發(fā)現(xiàn)，以礦渣等活性材料完全或部分替代水泥作為固化劑主要成分，可降低固化劑中的活性鋁含量，減少AFt的生成，還能延緩早期固化土中C-S-H凝膠的生成速度，使后期固化土中大量生成C-S-H凝膠能形成緊密的空間網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，同時修復(fù)AFt膨脹對早期C-S-H膠結(jié)結(jié)構(gòu)的破壞。AFt的形成會引起膨脹，增大固化土孔隙率，影響固化土性能，但可在固化土碾壓成型后，AFt膨脹基本結(jié)束時，對固化土進行二次加壓處理，以降低孔隙率，消除AFt早期膨脹的影響。

考慮用固化材料與固化工藝相結(jié)合的方式固化含鋁硫酸鹽鹽漬土。固化劑以礦渣為主，旨在減少 AFt形成，特別是后期AFt的生成，同時減緩C-S-H凝膠的生成速率，以便后期大量生成的C-S-H凝膠形成穩(wěn)定的固化結(jié)構(gòu);在固化工藝上通過施加二次壓力的方式來減少由早期AFt膨脹帶來的孔隙，提高固化土性能。通過抗壓強度測試驗證固化土的力學(xué)性能，因固化土?xí)L期面臨硫酸鹽等腐蝕介質(zhì)的侵蝕，對固化土進行了12周的耐久性測試(浸泡于5%的 Na2SO4溶液中模擬強硫酸鹽侵蝕環(huán)境[8])。表1是具體試驗配比，每個配比分別進行一次、二次加壓試驗。

表1 含鋁硫酸鹽鹽漬土固化試驗配比

1.2 試驗材料與方法

1.2.1 試驗材料

本試驗所用含鋁強硫酸鹽鹽漬土，按強鹽漬土分類標(biāo)準(zhǔn)[9]以北京天然土樣摻加5%分析純 Na2SO4試劑，5.6%分析純 Al(OH)3試劑配制密封待用(Al(OH)3的加入模擬鹽漬土中的含鋁量)，冀東水泥廠生產(chǎn)的S32.5普通硅酸鹽水泥(P.O)、比表面積為400 m2/kg的首鋼高爐礦渣(GGBS)。北京土樣物理性指標(biāo)及 GGBS化學(xué)組成見表2和表3。

表2 北京土樣物理性指標(biāo)

表3 固化劑組分化學(xué)成分 %

1.2.2 試驗方法

1)固化土制備

①加入定量土樣，用SJ-160靜漿攪拌機低速攪拌1 min后停止;②按表1稱量固化劑放入攪拌鍋內(nèi)，開動機器，低速攪拌30 s后高速攪拌1 min;③將鍋壁內(nèi)側(cè)土樣刮入鍋內(nèi)，高速攪拌1 min;④將攪拌好的土樣調(diào)制土樣最佳含水量，分三層放入50 mm×50 mm×50 mm試模中，通過每層的質(zhì)量與體積控制試塊密實度;⑤為模擬實際施工中固化土拌合后的多次碾壓成型，一次加壓試塊在首次加壓成型后1 d拆模(曾嘗試成型后0.5 d拆模，但試塊膨脹量過大而崩解)，拆模后二次加壓試塊每隔0.5 d測量一次試塊尺寸，待尺寸不變時，重新加壓模具，0.5 d后拆模;⑥試件脫模后放入標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護箱中養(yǎng)護至30 d齡期，養(yǎng)護溫度為20℃，濕度為95%。

2)強度及耐久性測試

①試塊養(yǎng)護至30 d按公路土工試驗規(guī)程(JTJ051—93)進行無側(cè)限抗壓強度試驗;②目前沒有專門評價固化土抗硫酸鹽侵蝕能力的標(biāo)準(zhǔn)，本研究借鑒GB/T749—2001和ASTM CA52—95，通過測量試塊在硫酸鹽溶液中重量的改變(每周)來表征其抗硫酸鹽侵蝕能力，試塊重量改變越大，抗硫酸侵蝕能力越差。

1.3 試驗結(jié)果與分析

圖1顯示了二次加壓試塊在脫模1.5 d內(nèi)的尺寸變化。由圖1可知，試塊的膨脹率在1.0 d內(nèi)達到最大，表明此時土中AFt基本膨脹完畢，可對其施加二次壓力，加壓時間為 0.5 d。S4，S5，S9及 S10是兩種固化劑摻量試驗中膨脹量較高的試塊。

圖2表明了一次、二次加壓試塊(30 d齡期)的抗壓強度及差別。二次加壓試塊強度是一次加壓的16倍左右，摻加水泥的試塊(S9、S10)強度低于不含水泥的試塊(S6、S7及 S8)，其中S7的強度為最高。

圖3顯示了二次加壓試塊浸泡在Na2SO4溶液中12周內(nèi)的重量變化(一次加壓試塊在不足1周的浸泡時間里已完全破壞)?？偟膩碚f，不含水泥且抗壓強度高的試塊，在鹽溶液中重量改變就小。在浸泡的第12周，S6、S7及 S8平均重量增幅為0.86%;含水泥試塊(S4、S5、S9及S10)重量改變較大，其中重量增幅最高的是S9(2.2%)。

本研究認為減少固化劑中的水泥含量，就能減少固化土中AFt的生成量。由圖1可知，不含水泥的試塊膨脹量小于含水泥的，且水泥含量越多膨脹量越大，即生成AFt越多。圖3試驗數(shù)據(jù)表明，含有水泥的試塊重量變化較大，這是因為水泥加入增加了固化土中的活性鋁含量，這類物質(zhì)會在堿性條件下與后期引入的硫酸鹽作用(Na2SO4溶液浸泡)產(chǎn)生 AFt，這時生成的AFt會增大固化土孔隙使得鹽溶液進入固化土孔隙，從而導(dǎo)致試塊重量增加較多。因此，由圖1，圖3試驗數(shù)據(jù)可以證實固化劑中水泥含量將左右固化土中AFt的生成量，水泥量越少，生成的AFt就越少。

圖1 二次加壓試塊尺寸變化

圖2 一次及二次加壓試塊30 d抗壓強度

圖3 二次加壓試塊在鹽溶液(5%Na2SO4)中不同齡期的重量改變

C-S-H凝膠在后期大量生成可能有利于固化試塊獲得穩(wěn)定結(jié)構(gòu)。圖2表明，不含水泥的 S6、S7及 S8的強度大于摻加水泥的S9和 S10，且S7強度最高。這是因為 S6，S7及 S8中早期 C-S-H凝膠生成量少，AFt膨脹對C-S-H結(jié)構(gòu)的破壞相對較小，而后期大量生成的C-S-H凝膠可包裹土顆粒，修復(fù)早期AFt膨脹對固化土結(jié)構(gòu)的破壞，礦渣含量越高，后期生成C-S-H凝膠就越多，固化土強度相對就越高。耐久性試驗(圖3)表明，未加水泥的S6、S7及 S8重量改變?yōu)樽钚?。未加水泥試塊早期少量的C-S-H膠結(jié)結(jié)構(gòu)受同期AFt膨脹影響較小，而后期大量生成的C-S-H凝膠包裹土顆粒，修復(fù)早期AFt膨脹帶來的裂隙，使固化土比較密實。

本文對固化土施加二次碾壓工藝，期望能密實早期AFt膨脹給固化土帶來的裂隙，降低固化土孔隙率。圖2數(shù)據(jù)表明，二次加壓固化土的平均強度是一次加壓的16倍左右;二次加壓試塊在12周的耐久性試驗中S9最高重量增幅僅為2.2%，S6等不含水泥的試塊平均重量增幅為0.86%，而一次加壓試塊在1周的浸泡中就已經(jīng)完全崩解。綜上可知，二次加壓減少了AFt膨脹給固化土帶來的孔隙，降低固化土孔隙率，對固化土強度和耐久性有益。

2 結(jié)論

通過上述試驗可以認為，減少固化劑中水泥含量可減少AFt膨脹，同時使早期C-S-H凝膠少量生成，避免了AFt長期膨脹對C-S-H膠結(jié)結(jié)構(gòu)的破壞。當(dāng)C-SH凝膠后期大量生成可膠結(jié)土顆粒時，修復(fù)早期 AFt膨脹對固化土結(jié)構(gòu)的破壞，使固化土形成穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)。試驗結(jié)果證明了在AFt早期膨脹結(jié)束后進行二次加壓，能夠消除早期AFt膨脹造成的裂隙，提高固化土強度和抗硫酸鹽侵蝕能力。

[1] 張文，張彬，慎乃齊.鹽漬土巖土工程特性研究現(xiàn)狀與進展［J］.勘察科學(xué)技術(shù)，2008(3):7-11.

[2] WANG L.Cementitious stabilization of soils in the presence of sulfate［D］.Agricultural＆ Mechanical College，Louisiana State University，BatonRouge，Louisiana，USA，2002.

[3] 周永祥.高含鹽量鹽漬土固化體在青藏地區(qū)的耐久性能研究［D］.北京:清華大學(xué)土木工程系工學(xué)博士學(xué)位論文，2007.

[4] WILD S，KINUTHIA J M，JONES G I，et al.Suppression of swelling associated with ettringite formation in lime stabilized sulphate bearing clay soils by partial substitution of lime with ground granulated blast furnace slag［J］.Engineering Geology，1999(51):257-277.

[5] OUHADI V R，YONG R N.Ettringite formation and behaviour in clay soil［J］.Applied Clay Science，2008(42):258-265.

[6] 寧建國，黃新.固化土結(jié)構(gòu)形成及強度增長機理試驗研究［J］.北京航空航天大學(xué)學(xué)報，2006，32(1):97-102.

[7] 趙永生.利用工業(yè)廢渣配制軟土固化劑的原理和方法［D］.北京:北京航空航天大學(xué)土木工程系工學(xué)碩士論文，2007.

[8] 曹楚南.中國材料的自然環(huán)境腐蝕［M］.北京:化學(xué)工業(yè)出版社，2005.

[9] 交通部第二公路勘探設(shè)計院主編.公路設(shè)計手冊(路基)(第二版)［M］.北京:人民交通出版社，1996.