應用于粉砂土的土壤固化劑性能及機理分析

丁 毅 李乃軍(沈陽大學理學院，遼寧 沈陽110044)

遼寧地區(qū)遼河、渾河沖積平原上，粉砂土由兩河的沖積、洪積物堆積而成，以細粉砂、亞砂土為主。由于可用于筑路的砂石嚴重短缺，如果采用傳統(tǒng)的無機結(jié)合料穩(wěn)定礫料修筑路面基層，需將原有舊路的殘土運走，外購大量砂石料，經(jīng)遠距離運輸?shù)浆F(xiàn)場，加大工程量，增加工程造價。采用固化土技術時，就地取材，施工簡便，既節(jié)省資源，又節(jié)省建設資金，利于環(huán)保，經(jīng)濟效益和環(huán)境生態(tài)效益值得關注。粉砂土的有效固化，是固化土技術推廣應用中的一個難題。

1 粉砂土結(jié)構(gòu)特征

粉砂土主要分布于河流沖積平原、沖積三角洲等地帶，其中粉粒含量占80%，以石英、長石為主；粘粒含量占15%，以蒙脫石、水云母為主。砂土中粉粒、粘粒含量差異，決定了粉砂土的強度特點：內(nèi)摩擦角大（約為250），內(nèi)聚力較低（5-10KPa），土體滲透系數(shù)高（約2×10-3cm/s）[1]。粉砂土中含量占多數(shù)的石英（SiO2）不能象Ca2+等陽離子那樣與極性水分子緊密結(jié)合而體現(xiàn)出較強的水膠作用力，因此聯(lián)結(jié)強度較弱；又因粉砂土中蒙脫土、水云母等粘粒含量低，致使粉砂土顆粒間聯(lián)結(jié)強度較低，其粘聚力僅為粘土的1/10。

以遼中縣沙東村和冷子堡土樣為例，其物理力學性質(zhì)測定值如表1所示。

表1 粉砂土物理力學性質(zhì)測定值

由于粉砂土結(jié)構(gòu)松散，級配極差，承載力偏低，僅用水泥或石灰、粉煤灰進行穩(wěn)定，早期強度較低，成型質(zhì)量和水穩(wěn)定性較差，難以達到規(guī)定的強度和穩(wěn)定性要求。因此，需要采取一定的技術措施來加以改善利用。

2 復合土壤固化劑的設計

采用適量的水泥熟料、石灰、粉煤灰、礦渣和激發(fā)劑制成的復合土壤固化劑，綜合了各無機膠凝材料對粉砂土作用的性能優(yōu)勢，可以有效地對粉砂土進行綜合穩(wěn)定固化。

2.1 水泥熟料

水泥熟料由冀東水泥廠提供。其化學成分如表2所示。

表2 水泥熟料化學成分

高溫下形成的水泥熟料其礦物組成主要為硅酸三鈣 3 CaO?SiO2、硅酸二鈣鋁酸三鈣和鐵鋁酸四鈣經(jīng)水化反應后生成的主要水化產(chǎn)物有：水化硅酸鈣和水化鐵酸鈣（凝膠體，是水泥具有膠結(jié)性能的主要物質(zhì))，氫氧化鈣、水化鋁酸鈣和水化硫鋁酸鈣（晶體）。在完全水化的水泥石中，凝膠體約為70%，氫氧化鈣約占20%。 熟料中各種礦物的凝結(jié)硬化特點不同，不同種類的水泥熟料中各礦物的相對含量不同，決定了不同種類的水泥熟料硬化特點差異很大。

1.2 粉煤灰

粉煤灰本身很少或沒有粘結(jié)性，但是當它以細分散的狀態(tài)與水和石灰或水泥混合時，在常溫下與Ca(OH)2發(fā)生反應能形成具有粘結(jié)性的化合物，成為一種增加強度和耐久性的材料。

采用的粉煤灰是鞍山火電廠的一級灰，其化學組成和元素組成如表3所示。

由此可見，粉煤灰主要的化學組成SiO2、Al2O3、Fe2O3占總量的80%以上。次要的化學組成包括CaO、MgO、SO3等。氧化硅和氧化鋁的含量多，具有很大的化學潛能；而鈣、鎂含量低，自硬性較差。

1.3 生 石灰

石灰中的碳酸鈣、鈣酸鎂煅燒后分別分解為氧化鈣（CaO）和氧化鎂(MgO)。石灰加到土中并加水拌和后，土的性質(zhì)和結(jié)構(gòu)很快開始變化，開始是絮凝和絮聚，隨后土顆粒形成較大的顆粒。石灰的自結(jié)晶和碳化作用，可以增加土顆粒之間的膠結(jié)性或增大土中的固相成分，有利于強度的發(fā)展。

1.4 水淬礦渣

水淬礦渣主要礦物成分為硅酸二鈣、鋁酸三鈣，主要化學成分為SiO2（約37.28%）,CaO(約 39.2),Al2O3(約 12.77)。

礦渣被激發(fā)后的水化產(chǎn)物除了與硅酸鹽相同的C-S-H凝膠外，還生成高強度、難溶解的沸石類礦物。這些化合物的細微晶體具有很高的強度，不僅在熱力學上極為穩(wěn)定，而且是極難溶于水的物質(zhì)。摻加到固化劑中，既可以充當集料，在水化過程中礦渣又可以參與固結(jié)土體的強度構(gòu)建[2]。

1.5 激發(fā)劑

固化土孔隙液中Ca2+和OH-的濃度影響固化土中膠凝性水化物生成量,進而影響固化土抗壓強度。固化劑中添加堿性激發(fā)劑，可有效激發(fā)粉煤灰、礦渣和粘土礦物的潛在活性，加速火山灰反應，改善和提高土壤的技術性能。其具體作用方式可以有三種：一是提供有效的氫氧根離子，形成較強的堿性環(huán)境，促使活性SiO2、Al2O3溶蝕，從而提高火山灰反應的速度；二是提供較強的堿，直接參與反應，加快基本火山灰膠結(jié)產(chǎn)生的生成；其三是提供酸根離子，并能與Ca2+、Mg2+離子作用，直接生成其它膠結(jié)物質(zhì)。這三種具體的作用方式可以通過摻加無機堿、鹽來實現(xiàn)[3]。

工程實踐中，需要根據(jù)待修道路土質(zhì)情況和道路等級要求的不同，調(diào)整上述各原料組分的比例。將各種原料按反應順序依次加入球磨機，研磨15 min后，成為一種灰色粉末狀復合型水硬性膠凝材料，按照材料的物質(zhì)組成特點，屬于無機類固化劑。比表面積為300 m2/kg，過80 μm 方孔篩篩余4 %。

表3 粉煤灰化學組成

3 粉砂土固化機理分析

土的固體顆粒大小和形狀、礦物成分及其組成三相體系在空間的排列與聯(lián)結(jié)特性，是決定土的物理力學性質(zhì)的重要因素。在研究土體的增強改性時，必須研究土中礦物的基本顆粒與其微集聚體之間相互作用的性質(zhì)與本質(zhì)，即土在固化過程中，所經(jīng)過的一系列物理、化學和物理化學綜合作用；研究復合土壤膠結(jié)材料如何對土壤顆粒強化粒間結(jié)構(gòu)連結(jié)，改善顆粒接觸。

固化劑的固結(jié)原理不僅同材料組成有關，不同的土壤環(huán)境、固化時間的長短都會改變固化劑的作用機理。但固化劑的材料種類決定了固結(jié)原理的大致類型。采用水泥熟料和粉煤灰、石灰等無機材料組合的復合土壤固化劑，對粉砂土的固化效應可歸結(jié)為兩大效應，即復合膠凝效應和填充效應。固化土的結(jié)構(gòu)為膠結(jié)性水化物包裹膠結(jié)土顆粒和膠結(jié)性或膨脹性水化物填充孔隙所構(gòu)成,且孔隙填充對固化土強度增長起重要作用[4]。

3.1 膠凝效應

水化作用 固化劑中水泥熟料和石灰在水的作用下發(fā)生化學反應。

1）熟料中礦物與土中水分發(fā)生強烈的水化作用，同時從溶液中分解出氫氧化鈣并形成其它水化物。

3）鋁酸三鈣（3CaO·Al2O3）含量約占全重的10%左右，其水化速度最快，促進早凝。

各種水化物生成后，有的繼續(xù)硬化形成水泥石骨架，有的則與活性土反應，生成具有膠凝性質(zhì)的產(chǎn)物。

2）石灰在水的參與下解離成Ca2+、OH-離子。

3）礦渣的水化產(chǎn)物主要以非晶態(tài)的玻璃體為主。除了C-S-H 凝膠外，還含有β-C2S、石英、鈣鋁黃長石、灰硅鈣石、鈉明礬石、硬柱石、羥鈣石，碳酸鈣鎂，并含有γ-C2S、其他類型的硅鈣石、片柱鈣石以及水化硅酸鈣等。

4）石膏水化時, 硫酸鈣與鋁酸三鈣一起與水發(fā)生反應，除生成水化硅酸鈣C-S-H 外,還生成含32 個結(jié)晶水的鈣礬石，把大量自由水以結(jié)晶水的形式固定下來。

在其形成過程中固相體積將增長120%左右。由于其體積膨脹，填充孔隙,使固化土結(jié)構(gòu)密實,孔隙量減少;除自身膨脹作用外,其針柱狀結(jié)晶相互交叉,與C-S-H一起形成獨特的空間網(wǎng)狀結(jié)構(gòu),在孔隙中形成了很好的支架結(jié)構(gòu),使孔隙細化。鈣礬石的這種填充和支撐孔隙的作用彌補了C-S-H 的不足,進一步增加固化土的強度。

3.2 離子交換與團?；饔?/h3>

水泥熟料和生石灰與土反應后生成的膠凝材料水化物中存在著Ca(OH)2及Ca2+、OH-、Mg2+、Al3+等離子，其中Ca2+、OH-與土粒表面吸附的Na+、K+等金屬離子進行等當量替換，使雙電層中擴散層減薄，結(jié)合水減少，土顆粒之間的結(jié)合力增強，土的塑性下降，并呈絮凝團聚現(xiàn)象，從而使大量的土顆粒形成較大的土團。水化生C-H-S還有強烈的吸附活性，又使土團進一步結(jié)合成鏈條狀膠體，封閉了土團間的空隙，形成兼顧的聯(lián)接，從而具有較高的強度[5]。

3.3 晶化作用

1）Ca(OH)2的結(jié)晶反應是石灰吸收水分形成含水晶格。

2）固化劑中的堿性激發(fā)劑與土混合后會產(chǎn)生含32 個結(jié)晶水的鈣礬石針狀結(jié)晶體,將土壤中大量的自由水以結(jié)晶水的形式固定下來,有效地填充土團粒間的孔隙使土變得致密起來;此外針狀晶體交錯穿插于土團粒中,也有效增強了土強度[6]。

3.4 火山灰作用（硬凝反應）

離子交換后，隨著齡期的增長，水化反應的深入，溶液中析出大量的Ca2+。當Ca2+的數(shù)量超出上述離子交換的需要量后，則在堿性環(huán)境中與土壤中的活性SiO2、活性Al2O3反應，生成水化硅酸鈣、水化鋁酸鈣及鈣鋁黃長石等。

這些水合物的形成，是長時間的緩慢過程，這是固化土后期強度增長的原因。它們在水和空氣中逐漸硬化并與顆粒粘結(jié)在一起，形成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，使土顆粒連接得更加牢固，改善了土的物理力學性能；同時土體對水的敏感性減小，提高了水穩(wěn)性能，使得固化土的強度增高并長期保持穩(wěn)定。

3.5 碳酸化作用

水化物中的游離氫氧化鈣Ca（OH）2不斷吸收水中HCO3-和空氣中的二氧化碳（CO2），反應生成不溶于水的碳酸鈣（CaCO3）。碳酸鈣具有較高的強度和水穩(wěn)性，組成結(jié)晶格架后結(jié)硬，提高土體強度。

填充效應是指固化材料顆粒與土壤顆粒相互填充，形成最緊密堆積結(jié)構(gòu)，使土壤固化體系形成細觀層次的自緊密體系。固化材料顆粒本身強度和硬度一般均較高，水化初期，水化產(chǎn)物和固化材料顆粒的未水化部分填充在鈣釩石搭接的網(wǎng)絡空間中或填充在原來被水占據(jù)的孔隙中，起到了強有力的微集料填充和骨架支撐作用。長期反應中，離子交換后被置換出的一價金屬離子又對礦物層間填充，加強層間連接的致密性，這對土壤固化也是有益的。

[1]潘振華 粉砂土路基工程特性及其整治[J]鐵道標準設計 2002.7，51-53

[2]張大捷，田曉峰，侯浩波礦渣膠凝材料固化軟土的力學性狀及機制[J] 巖土力學2007年9月第28 卷第9期，1987-1988

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[4]黃新 寧建國 許晟 根據(jù)土樣性質(zhì)指標進行軟土固化劑設計的方法[J]工業(yè)建筑 2006年第36卷第7期13-14

[5]張普 SL型土壤固化劑性能的研究 北京工業(yè)大學碩士學位論文[D] 54

[6]寧建國 黃新 固化土結(jié)構(gòu)形成及強度增長機理試驗[J]