復(fù)合型軟土固化劑中膨脹性組分的優(yōu)化方法

李戰(zhàn)國 ，寧建國 ，黃新 ，李悅

（1.北京工業(yè)大學(xué)城市與工程安全減災(zāi)省部共建教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，工程抗震與結(jié)構(gòu)診治北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100124；2.北京航空航天大學(xué)交通學(xué)院土木工程系，北京 100191；3.山東科技大學(xué)資源與環(huán)境工程學(xué)院，山東 青島 266510）

0 引言

我國有大面積軟土,在軟土上進(jìn)行基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)須先加固軟土以提高其承載力。將固化劑與軟土拌和使之硬化成具有足夠強(qiáng)度的固化土是應(yīng)用最為廣泛的軟土加固技術(shù)。目前使用的固化劑主要是水泥[1-3]，據(jù)估計用于軟土固化的水泥量約在3億t/a。然而水泥作為軟土固化劑時，不能有效填充固化土中的孔隙，限制了固化土強(qiáng)度的提高[4-6]。已有研究[7-8]表明，在水泥中摻加一定量的膨脹性組分構(gòu)成復(fù)合型固化劑，膨脹性水化物可有效地填充固化土中孔隙從而使固化土強(qiáng)度成倍的提高。但目前關(guān)于各膨脹性組分之間的最佳比例、膨脹性組分總體在軟土固化劑中的最佳比例、以及這些比例的確定方法尚不清楚。

本研究以水泥作為膠結(jié)性組分、以硫鋁酸鹽水泥與石膏或鋁酸鹽水泥與石膏作為膨脹性組分構(gòu)成復(fù)合型軟土固化劑固化軟土，通過無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)、XRD試驗(yàn)，確定了各膨脹性組分之間的最佳比例和膨脹組分總體與膠結(jié)組分之間的最佳比例，并探討確定各比例的方法。

1 試驗(yàn)情況

1.1 試驗(yàn)材料

北京水泥廠生產(chǎn)的京都牌32.5普通硅酸鹽水泥（標(biāo)記為PC）；以硫鋁酸鈣（C4A3S）和β-型硅酸二鈣為主要礦物成分的硫鋁酸鹽水泥（標(biāo)記為SC）；以鋁酸鈣（CA）為主要礦物成分的鋁酸鹽水泥（標(biāo)記為AC）。各水泥的化學(xué)成分及物理性質(zhì)見表1，主要力學(xué)性能見表2。北京美麗達(dá)新型裝飾材料廠出產(chǎn)的石膏粉（G），化學(xué)成分及主要物理性質(zhì)見表1，其中CaSO4·2H2O的有效含量為98.06%；自來水以及取自北京（BT）、天津（TT）的兩種天然土樣，主要物理力學(xué)性質(zhì)見表3。

表1 各原料的化學(xué)組成與物理性質(zhì)

表2 水泥力學(xué)性能

表3 土樣物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)

1.2 試驗(yàn)方法

1）制備試樣用SJ-160型凈漿攪拌機(jī)，制備過程如下：①按照試驗(yàn)配比稱量水泥和水，放入攪拌鍋內(nèi)，低速攪拌30 s；②加入定量的土樣，低速攪拌1min后再高速攪拌2min；③將攪拌好的試樣分3層裝入50mm×50mm×50mm試模中，在ZT-1×1型振實(shí)臺上各振動1min；④試件成型1 d后拆模，送入養(yǎng)護(hù)箱內(nèi)，養(yǎng)護(hù)溫度為（20±2）℃，濕度為（95±2）%。

2）固化土無側(cè)限抗壓強(qiáng)度的測定，使用北京工具廠生產(chǎn)的路面材料強(qiáng)度試驗(yàn)儀。

3）固化土中水化物種類的確定，采用日本理學(xué)（Rigaku）公司生產(chǎn)的D/MAX-RC型X射線衍射儀進(jìn)行測定。

1.3 試驗(yàn)設(shè)計

文獻(xiàn) [9]的研究結(jié)果表明：軟土形成最佳結(jié)構(gòu)時，需要固化劑中的膠結(jié)性組分包裹膠結(jié)土顆粒，膠結(jié)性組分或膨脹性組分填充土顆（團(tuán)）粒間孔隙，膨脹性組分?jǐn)D壓填充土顆（團(tuán)）粒內(nèi)部孔隙，即當(dāng)采用由膠結(jié)性組分和膨脹性組分構(gòu)成復(fù)合型固化劑時才能獲得最佳固化土結(jié)構(gòu)，獲得較高強(qiáng)度。

本文在保證膠結(jié)性組分能夠包裹膠結(jié)土顆（團(tuán)）粒的基礎(chǔ)上，進(jìn)行了不同種類、不同配比、不同摻入比的膨脹性組分固化軟土的試驗(yàn)。文中選擇水泥作為膠結(jié)性組分，其摻入比能包裹膠結(jié)土顆（團(tuán)）粒，具體用量的確定方法可參考文獻(xiàn) [10]；SC+G和AC+G作為兩種膨脹性組分。在土樣BT、TT中分別摻加由PC+SC+G、PC+AC+G構(gòu)成的兩種不同復(fù)合型固化劑，固化劑各組分配比如表4所示，其中PC、SC、AC和G的摻入比為占濕土樣的質(zhì)量百分比，分別用Cw、Ew、Fw和Dw表示；基準(zhǔn)組為水泥的摻入量分別為16%、18%，固化劑水灰比均為0.5。

表4 固化劑配比 %

2 試驗(yàn)結(jié)果

2.1 強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果

30 d齡期時BT和TT土樣在單摻水泥時的基準(zhǔn)固化土強(qiáng)度結(jié)果見表5，在不同復(fù)合型固化劑作用下抗壓強(qiáng)度如圖1、圖2所示。將BT、TT土中摻加膨脹性組分后的強(qiáng)度與相對應(yīng)的基準(zhǔn)強(qiáng)度值比較可發(fā)現(xiàn)，摻加膨脹性組分后，固化土強(qiáng)度都有不同程度的提高。

表5 單摻水泥時的基準(zhǔn)強(qiáng)度值

圖1 BT固化土抗壓強(qiáng)度與固化劑配比關(guān)系

圖2 TT固化土抗壓強(qiáng)度與固化劑配比關(guān)系

由圖1、圖2可見，使用PC+SC+G或PC+AC+G作為固化劑加固土樣BT、TT時，當(dāng)固化劑中PC、SC（或AC）摻入比固定后，隨著石膏摻入比的增加，幾乎都存在一個最佳的 SC∶G（或 AC∶G）（稱為 SC（或 AC）與 G 的最佳配比），使得固化土強(qiáng)度最高（稱為最佳配比時的強(qiáng)度峰值）。如比較圖1中PC和SC的摻入比分別為10%、3%，G的摻入比從1%增加到3%的固化土強(qiáng)度可見，當(dāng)G的摻入比為2%時，固化土強(qiáng)度相對最高；其它各圖存在同樣的試驗(yàn)現(xiàn)象。

比較圖1、圖2中SC（或AC）與G在最佳配比時所對應(yīng)的固化土強(qiáng)度峰值可以發(fā)現(xiàn)，隨著SC+G（或AC+G）總摻入比的增加，固化土強(qiáng)度峰值先增加后降低，即存在一個最佳SC+G（或AC+G）的總摻入比，使固化土強(qiáng)度峰值最高。如圖2中當(dāng)PC摻入比為12%時，AC與G最佳配比所對應(yīng)的強(qiáng)度峰值分別為4.4、6.1、5.3MPa，其中當(dāng)AC+G的摻入比為3%+3%時，固化土強(qiáng)度峰值達(dá)到最高值6.1MPa，其它圖中也有類似的結(jié)果。

2.2 XRD試驗(yàn)結(jié)果

為了分析BT、TT土樣中摻加膨脹性組分后生成的水化物類型，對B5、B14、T5、T14進(jìn)行了XRD試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果見圖3。

圖3 B5、B14、T5、T14的XRD試驗(yàn)結(jié)果

由圖3可知，BT、TT土樣中摻加PC+SC+G、PC+AC+G后，生成的膨脹性水化物均為鈣礬石（圖中▲所示為鈣礬石（AFt）的主要衍射峰）。

3 分析與討論

1）由XRD試驗(yàn)結(jié)果可知，固化土中摻加PC+SC+G、PC+AC+G后生成的膨脹性水化物為AFt。根據(jù)硫鋁酸鈣和鋁酸鈣與石膏反應(yīng)時生成AFt的方程式（式（1）和式（2）），可粗略計算出不同量的或CA與G完全反應(yīng)時所需要G的量Dw′。計算時分別取SC、AC及G中有效反應(yīng)成分（如前1.1節(jié)所述），計算結(jié)果見表6所示。為便于比較，同時將試驗(yàn)時抗壓強(qiáng)度峰值時所對應(yīng)G的摻入比Dw也表示于表6中。

對比表6中G的試驗(yàn)值Dw與計算值Dw′，考慮到試驗(yàn)中各組分用量宜取整數(shù)，可發(fā)現(xiàn)土樣BT、TT在兩種復(fù)合固化劑作用下固化土強(qiáng)度達(dá)到峰值時，當(dāng)PC和SC（或AC）的摻入比固定后，所需G的量的試驗(yàn)值Dw與理論計算值Dw′基本吻合。這表明使用SC或AC與G作為固化劑的膨脹性組分時，SC與G或AC與G的比值宜根據(jù)二者完全反應(yīng)所需要的用量確定最有利于提高固化土抗壓強(qiáng)度。

當(dāng)固化土中PC和SC（或AC）摻入比一定時，若G摻入比較小，按式（1）（或式（2））反應(yīng)時（或 CA）過剩，反應(yīng)不能充分進(jìn)行，SC（或AC）和G反應(yīng)生成的鈣礬石量較少，所能填充的固化土孔隙也較少，因此固化土抗壓強(qiáng)度的提高量也較小；隨著G摻入比的增加，SC（或AC）和G反應(yīng)生成的鈣礬石量增多，過剩的SC（或AC）逐步減少至全部反應(yīng)完，用于填充固化土孔隙的鈣礬石量也增加，因此固化土抗壓強(qiáng)度提高量較大；若G摻入比過多，SC（AC）和G反應(yīng)生成鈣礬石后，剩余的G還將與土中的鋁發(fā)生反應(yīng)繼續(xù)生成鈣礬石，后期形成的鈣礬石會破壞早期固化土膠結(jié)結(jié)構(gòu)[11]，而使固化土抗壓強(qiáng)度降低。

表6 抗壓強(qiáng)度峰值時不同量的SC或AC所需G的量 %

2）文獻(xiàn) [10]提供了一個根據(jù)土樣孔隙率計算需要最佳膨脹性水化物數(shù)量的公式：

式中：Dw為填充孔隙率為n的土樣時需要的膨脹性水化物的量，%；ρw為膨脹性水化物的密度，AFt為1.73 g/mL；n為土樣孔隙率，%。

由式（3）可計算出理論上填充BT、TT土孔隙時所需要的膨脹性水化物的數(shù)量，根據(jù)該量及膨脹性水化物的密度（AFt的密度為1.73 g/mL）可計算出膨脹性水化物的體積，再用該體積除以土樣孔隙率可計算出理論上需要的膨脹性水化物填充孔隙的程度X′；同時由本試驗(yàn)中得到的膨脹性組分最佳總摻入比（如B5、B14、T5、T14），也可計算出膨脹性水化物填充孔隙的試驗(yàn)值X。X′及X見表7所示。

表7 孔隙填充率的理論計算值與試驗(yàn)值

土樣中的孔隙是固化土中容納膨脹性水化物的主要空間。土樣孔隙率越大，其固化土孔隙中所能容納的膨脹性水化物量也越多。膨脹性水化物填充孔隙可以使固化土強(qiáng)度提高，但如果在固化土中土顆粒之間的孔隙中膨脹性水化物生成量過多，除填充孔隙外，還會推動固化土中土顆粒使之移動，破壞已形成的膠結(jié)結(jié)構(gòu)，反而使固化土強(qiáng)度降低。

分析表7中強(qiáng)度與孔隙填充的試驗(yàn)值可知，在土樣BT中，當(dāng)分別使用SC+G、AC+G固化時，孔隙填充分別在9.5%、11.4%時，固化土強(qiáng)度達(dá)到最大值；在TT固化土中，當(dāng)分別使用SC+G、AC+G固化時，孔隙填充分別為11.0%、8.9%時，固化土強(qiáng)度達(dá)到最大值。固化土B1、B11與固化土T1、T11中SC+G或AC+G的孔隙填充率小于上述計算值，因此反應(yīng)生成的膨脹性水化物較少，不能充分填充固化土的孔隙，故其強(qiáng)度較??；而在固化土B8、B17和T8、T17中SC和G或AC和G的孔隙填充程度太大，反應(yīng)生成的膨脹性水化物過多，過量膨脹使固化土中膠結(jié)形成的結(jié)構(gòu)受到破壞，固化土抗壓強(qiáng)度反而降低。

比較表7中孔隙填充的試驗(yàn)計算值與理論計算值可知，孔隙填充的試驗(yàn)計算值明顯都小于理論計算值。這可能是由于文獻(xiàn) [10]在擬合公式（3）時，采用的土樣是偏高嶺土與沙土的混合物，化學(xué)性質(zhì)如離子交換、硬凝反應(yīng)等對膨脹性水化物的影響相對較??；且沒有考慮復(fù)合型固化劑中膠結(jié)性組分與膨脹性間的協(xié)調(diào)性。實(shí)際上，在實(shí)際土樣中，土樣的化學(xué)性質(zhì)如離子交換、硬凝反應(yīng)等可能會導(dǎo)致膨脹性水化物的生成速率相對較慢，而生成速率較慢的膨脹性水化物會破壞已經(jīng)形成的固化土結(jié)構(gòu)，降低固化土強(qiáng)度。公式（3）將生成速率較慢的這部分膨脹性水化物也作為填充孔隙的水化物，導(dǎo)致理論計算值大于試驗(yàn)計算值。這同時表明在確定復(fù)合型固化劑中的膨脹性組分的用量時，可適當(dāng)將公式（3）中的相關(guān)系數(shù)減小。結(jié)合公式（3），通過擬合本試驗(yàn)中試驗(yàn)值，可得如下計算公式：

式中α＝0.4～0.5。其他字母意義同公式（3）。

綜上所述，膨脹性組分總摻量（如SC和G或AC和G）應(yīng)以其產(chǎn)生的膨脹性水化物能夠充分填充土樣中孔隙為標(biāo)準(zhǔn)。可以根據(jù)土樣的孔隙率按式（4）計算出需要的膨脹性水化物量，然后根據(jù)膨脹組分的種類按化學(xué)反應(yīng)式計算各組分的需求量，如果采用如SC和G或AC和G，則可按式（1）或式（2）計算。

4 結(jié)論

1）使用含有膠結(jié)性組分和膨脹性組分的復(fù)合型固化劑固化軟土，其固化土強(qiáng)度與用水泥固化得到的固化土強(qiáng)度相比可大幅度提高；各膨脹性組分之間的比例、以及膨脹性組分總量有最佳值，按該最佳值配制的復(fù)合型固化劑可以使固化土得到最高強(qiáng)度。

2）各膨脹性組分之間的比例應(yīng)符合各組分能充分反應(yīng)全部生成膨脹性水化物的比例。

3）膨脹性組分總摻量應(yīng)以其產(chǎn)生的膨脹性水化物能夠充分填充土樣中孔隙為標(biāo)準(zhǔn)，其用量應(yīng)根據(jù)土樣孔隙率及孔隙填充程度確定。

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