外摻劑影響水泥加固有機質軟土效果研究

(福建工程學院 土木工程學院， 福建 福州 350118)

福建省廣泛分布軟土地層，其總面積可達2 500 km2。隨著對軟土開發(fā)和利用的不斷增加，以及軟土的特殊性，在許多工程中會遇到軟土工程問題。

軟土工程地基處理技術多種多樣。其中，深層攪拌與旋噴是一種得到廣泛應用的軟土地基加固方法，且已取得了一定的成果。但在應用中發(fā)現(xiàn)某些工程加固效果不理想，甚至出現(xiàn)加固失敗的問題[1]。之所以出現(xiàn)這樣的問題，是因為此類軟土中含有一定數(shù)量的有機質，這些有機質影響了水泥的水化反應，阻礙了水泥土強度的形成。因此，水泥加固有機質軟土時摻入一定的外摻擠以改良加固效果成為一種選擇。

國內外許多學者對外摻擠改良水泥加固有機質軟土過程的影響已經進行了大量研究。荀勇[2]研究了粉煤灰和磷石膏組合加固一般性質軟土的加固效果，發(fā)現(xiàn)可以得到較好的加固作用。潘林有[3]考慮有機質主要成分之一富里酸的影響，選用以早強型為主的外摻擠，以抵抗富里酸的侵蝕并可以調節(jié)水泥水化硬化速度。劉毅等[4]利用磷石膏與水泥配合加固軟土地基，發(fā)現(xiàn)不同的土質加固效果差異很大，因此需采用合適的固化劑配合比及施工工藝來加固軟土地基。李琦等[5]研究了深圳地區(qū)的軟土特征，對加固軟土地基時采用不同的添加劑、添加量進行了加固土、無側限抗壓強度的對比研究。陳慧娥[6]選用不同的外摻劑加固高有機質含量的軟土，并對加固效果的差異進行了分析。李雪剛等[7]選取了6種外摻劑對比其對水泥加固軟土效果的影響。劉子銘[8]認為富里酸嚴重阻礙水泥的水化反應，研究了基于鈣礬石填充固化有機質土的可行性，并對固化劑配比進行了研究，得到了優(yōu)化配比。在實際工程中，加固高有機質含量的軟土時，通常各地區(qū)只根據(jù)經驗來選擇外摻劑的種類和摻入量，導致浪費并且土強度的加固不是很明顯。

基于以上原因，本研究選取福州地區(qū)有機質軟土作為研究對象，研究不同外摻擠對水泥加固有機質軟土的改良效果。通過室內試驗，以物理化學的觀點為指導，選取幾種典型的外摻擠，測試不同外摻擠下水泥加固的有機質軟土力學性質，從而根據(jù)研究成果建立一套針對福州地區(qū)高有機質含量軟土特征的水泥加固效果改良方案體系，以減少工程中的盲目性和隨機性，為工程建設提供理論依據(jù)。

1 原樣基本性質

1.1 粒度成分

選取福州地區(qū)兩個土樣，分別編號為福州1、福州2。

采用篩分法及沉降分析法對福州地區(qū)兩個土樣進行顆分試驗，得到各土樣的粒度成分見表1及圖1。由表1和圖1可看出，福州1和福州2在未加分散劑時都是以粉粒為主，黏粒次之，二者的總量占總質量的95%以上。而加入分散劑之后，由于原來的部分粉粒團被打散，故兩個土樣粉粒含量均有所減少，黏粒含量有所增加。但仍然是以粉粒為主，黏粒次之。

表1 原樣粒度成分統(tǒng)計表

圖1 原樣顆粒分析累積曲線Fig.1 Cumulative curve of particle analysis of the original sample

1.2 塑性

采用液塑限聯(lián)合測定儀測定土樣的塑性。得到數(shù)值見表2。

從表2可看出，兩個土樣Ip都大于17，屬于黏土。進一步說明了土樣的結合水含量較大，含有一定量的黏土礦物，且反離子層中低價的陽離子含量較高。

表2 原樣塑性表

1.3 易溶鹽

土粒表面常帶負電荷，可以吸附陽離子，這些陽離子與易溶鹽溶解于孔隙溶液中的陽離子相互置換，并處于動平衡狀態(tài)。因此，土粒表面擴散雙電層的性狀和結構連結的特性受易溶鹽的含量、成分及其變化影響較大，從而土的物理力學性質也會發(fā)生相應的變化。當土中易溶鹽含量較高且孔隙溶液的電解質濃度較大時，土粒表面的雙電層厚度可受其影響，使土粒間斥力減弱，引力增大，土粒相互凝聚并使結構連結加強，因此土具有較高的力學強度。反之，則斥力增加，結構連結減弱，并趨于分散，則會導致土的力學強度降低。

表3 原樣易溶鹽含量測試成果

1.4 陽離子交換容量及pH值

采用醋酸銨淋濾法[9]對試樣的陽離子交換容量進行測定，結果見表4。從表4可以看出，福州1比福州2陽離子交換容量略大，但總量差別不大。因為，一定量土中黏粒含量與交換容量呈正比關系，從顆粒分析數(shù)據(jù)也可以看出，福州1比福州2黏粒含量略高。根據(jù)實驗結果，陽離子交換能力的大小為Ca2+> Mg2+> K+> Na+,所以從易溶鹽結果也可以看出，雖然福州1K+含量要小于福州2，但是Ca2+、Mg2+和Na+含量都高于福州2，所以福州1的陽離子交換容量要大于福州2。

從表4中也可以得知，福州地區(qū)兩個土樣溶液pH均呈弱堿性；土樣黏粒的礦物成分基本是伊利石、蒙脫石以及可溶鹽類，特別是易溶鹽，溶液的pH與這些礦物的等電pH值相差較大，所以有較厚的擴散層，同時易溶鹽中Na+的存在也使擴散層增厚，這使得土的工程地質性質變差。

表4 原樣陽離子交換容量及pH值測試結果

1.5 有機質

土體有機質是土體固相的一個重要組成部分，它是土層中的動植物殘骸在微生物的作用下分解而形成的。一種是分解不完全的植物殘骸，形成疏松多孔的泥炭；另一種則是完全分解的腐殖質。有機質因為其特殊的結構，因此具有很強的親水性，故對土體性質影響很大。

土體有機質的主體是腐殖質，它是土壤中的有機質在水分、空氣、動物、微生物等的作用下，經過腐殖化作用，即微生物的深刻改造后生成的一類特殊的高分子含氮有機質。腐殖質大多與土中無機成分相結合，以復合體的形式存在于土體中。按其溶解程度及溶劑不同可以3種狀態(tài)存在，即松結態(tài)腐殖質、穩(wěn)結態(tài)腐殖質和緊結態(tài)腐殖質，其活動強度由強到弱[10]。

土體有機質由多種成分組成，胡敏酸、富里酸和胡敏素是其中最具有代表性的3種。其中胡敏素為緊結腐殖質的物質組成，而胡敏酸與富里酸則存在于松結態(tài)與穩(wěn)結態(tài)腐殖質中。

采用《土壤農業(yè)化學分析方法》中的試驗方法對試樣中的有機質含量進行測試，結果見表5。

由表5可看出，福州1的有機質總量要大于福州2的有機質總量，兩個土樣有機質的主要成分都是富里酸，胡敏酸其次，胡敏素最少。因為有機質中胡敏酸和富里酸對水泥加固軟土效果的影響較大，所以可以忽略胡敏素的影響。對土礦物質破壞更強的富里酸中，松結態(tài)占大多數(shù)，故對土的影響更大。

表5 原樣有機質含量

富里酸可以與鋁生成絡合物，而這些絡合物被接觸礦物吸收會形成一層吸附膜層，阻礙水泥的水化。而且富里酸對鋁鐵硅酸鹽礦物具有分解能力，可以分解水泥水化過程中已生成的水化鋁酸鈣、水化硫鋁酸鈣及水化鐵鋁酸鈣晶體，破壞水泥土結構的形成[13]。胡敏酸會與水泥水化中產生的大量鈣離子相作用，生成不溶物質，從而阻礙結晶物質的形成，影響水泥土的強度。

2 加固后土樣力學性質

2.1 外摻擠選取

水泥加固軟土地基時，水泥的水化、硬化過程是一系列的物理、化學反應，可以使軟土地基強度增長。當土中含有一定數(shù)量的有機質時，其就會與水泥水化產物產生相互作用。而有機質的特殊結構決定了它必然會阻礙和延緩水泥水化產物的形成，同時也會影響水泥水化產物與黏土顆粒間的作用，最終導致軟土地基加固效果不理想。當有機質含量過高時，水泥加固甚至會失去作用。

因此，進行軟土地基加固時，如果軟土中含有一定數(shù)量的有機質，就必須加入一業(yè)的外摻劑來抵消有機質的消極影響?，F(xiàn)有的水泥外摻劑種類繁多，常用的有早強劑、減水劑、緩凝劑、引氣劑等。

本實驗選用硫酸鈉及兼有緩凝和早強作用的硫酸鈣。由于富里酸容易與含鋁多的礦物質顆粒結合，形成吸附層可以延緩水泥水化的進程。而且，富里酸的分解作用使水化產物解體，從而破壞水泥土結構的形成[14]。故為了減少這種影響，再選用硫酸鋁。3種早強劑的摻入比皆為1%。由于過多地加入氯鹽，會對建筑物產生一定的腐蝕，影響加固效果，所以沒有選取氯化物。減水劑則選取了工程中常用的UNF減水劑，其主要成分為β-萘磺酸鹽，摻入比為0.8%。

2.2 試樣制備

試驗所用土樣來自福州地區(qū)，均屬于濱海沉積相軟土。將土風干后粉碎，過2 mm篩。參考福州地區(qū)軟土和淤泥類土的情況，按60 %的含水率將水分別加到各土樣中，浸泡 24 h 后，按 15 %的摻入比加入水泥，然后加入不同的外摻擠，在控制容重大致相同的情況下(測得密度為1.66 g/cm3)，采用機械攪拌、人工振搗，制作成邊長為7.07 cm 的標準立方試件，成型 24 h 后放入標準養(yǎng)護室中養(yǎng)護，標準養(yǎng)護室的溫度為 (20±3)℃，相對濕度 100 %。試樣養(yǎng)護到28 d齡期后進行無側限抗壓強度試驗，取 3 個平行試樣測試結果的平均值作為該組試樣的無側限抗壓強度值。

2.3 加固后力學性質

對福州1及福州2不同外摻劑加固后強度測試結果見表6。

表6 加固后試樣強度測試結果

從表6可以看出，福州1和福州2在不同外摻劑下加固后的強度呈現(xiàn)相似的規(guī)律。即當僅用水泥進行加固時，強度相對較低。而添加一定外摻劑后，強度有所提高。但是不同的外摻劑下，強度提高的程度不一樣。首先，同時添加早強劑與減水劑的試樣無側限抗壓強度要高于只添加減水劑的。其次，對于同時添加早強劑與減水劑的試樣，早強劑種類不同，強度提高的程度也不相同。就本次實驗來看，添加硫酸鈣的試樣，強度提高最大，硫酸鋁次之。

出現(xiàn)這樣結果的原因分析如下：

根據(jù)實驗結果，福州1福州2都含有一定量的有機質和易溶鹽，其對水泥加固土樣的效果產生了很大的影響。有機質中主要的成分為富里酸和胡敏酸，會與水泥水化產物形成絡合物，阻礙水泥水化。而當以硫酸鋁與硫酸鈣作為早強劑時，不僅可以促進早期強度，還可以補充一定量的鋁離子與鈣離子，以彌補富里酸、胡敏酸對鈣離子與鋁離子的消耗，從而水泥水化及硬化等反應可以正常進行，進而提高水泥加固土強度。

從表6還可以發(fā)現(xiàn)，對于硫酸鈣和硫酸鋁兩種早強劑，硫酸鈣加固的土樣無側限抗壓強度要高于硫酸鋁加固的。比較富里酸和胡敏酸，兩種物質都對水泥水化有很大的影響，但是與富里酸不同的是，胡敏酸僅對鈣離子有很強的化學親合勢，因此選取硫酸鋁作為早強劑時，對胡敏酸的影響較少，因此水泥加固土的強度相對硫酸鈣的較低。而加入硫酸鈣時，為水土體系補充了鈣離子，這樣不僅減弱了富里酸的影響，也減弱了胡敏酸的影響，因此水泥土加固土強度更高。

對比福州1、福州2相同外摻劑方案的試驗結果，福州2的單軸抗壓強度稍高。綜合分析，首先福州2的黏粒含量、易溶鹽含量及陽離子交換量都略低于福州1，原樣性質相對較好。其次，福州2有機質含量總量略少，尤其是起重要破壞作用的富里酸含量相對比較少，因此對水泥水化的進程延緩程度低，對水泥土結構和強度的形成破壞小。因此，強度會稍高。

3 結論

1)福州地區(qū)軟土屬于黏土，粉粒為主，黏粒含量較高；土中含有一定量的易溶鹽；具有一定的陽離子交換能力。

2)福州地區(qū)軟土有機質含量較高。有機質成分以富里酸為主，胡敏酸次之，還有少量的胡敏素。其中富里酸又以松結態(tài)為主，而胡敏酸松結態(tài)和穩(wěn)結態(tài)相差不多。

3)對于福州地區(qū)土樣，當采用減水劑和不同的早強劑作為外摻劑時，單軸抗壓強度相對于僅用水泥加固的都有所提高，其中以硫酸鈣作為早強劑的試樣強度提高最多，硫酸鋁次之，硫酸鈉提高的最少；這就說明對于有機質土，其中含有的大量富里酸和胡敏酸影響了土的加固效果，應選取對富里酸和胡敏酸同樣都有抑制作用的外摻劑。

4)黏粒含量越多，易溶鹽含量越大，土的強度越低。說明影響水泥加固效果的因素很多，除有機質的含量外，還包括土樣的粒度成分、易溶鹽、陽離子交換容量等等。因此，對于福州及沿海地區(qū)的高黏性、高有機質含量的軟土，在采用水泥作為固化劑時，應結合其粒度成分、易溶鹽、有機質總量和分量綜合考慮，選擇合適的外摻劑。