劉誠斌，岳 濤，樊建領(lǐng)

(1.北京農(nóng)業(yè)職業(yè)學(xué)院 水利與建筑工程系，北京 102442;2.北京市勞動(dòng)保護(hù)科學(xué)研究所，北京 100054;3.蘭州理工大學(xué) 能源與動(dòng)力工程學(xué)院，甘肅 蘭州 730050)

在土壤固化工程中，采用傳統(tǒng)的石灰、水泥、粉煤灰等土壤固化材料，存在著一定的不足之處。例如:石灰土形成的固化體強(qiáng)度形成緩慢，往往影響施工進(jìn)度，特別是石灰土干縮大、易開裂、易軟化、水穩(wěn)性差。水泥土也存在干縮較大、易開裂等問題，而且，暴露的水泥土易因水泥水化反應(yīng)、環(huán)境溫度、濕度的變化造成體積的不均勻變化而產(chǎn)生裂縫，這種裂縫的出現(xiàn)，會(huì)導(dǎo)致固化體(水泥土)的抗壓強(qiáng)度、抗?jié)B、抗凍和抗沖刷性能降低[1-3]。水泥土中大量采用水泥作為固化劑，也增加了工程成本。近年來，石灰—粉煤灰被我國相關(guān)部門廣泛用于道路基層、底基層的穩(wěn)定處理，但在使用中發(fā)現(xiàn)，石灰—粉煤灰土的早期強(qiáng)度低，直接影響施工進(jìn)度，另外，二灰土也存在水穩(wěn)性差的缺點(diǎn)，影響了工程質(zhì)量。

1 原材料及試驗(yàn)方法

1.1 原材料

本次試驗(yàn)所用的礦渣硫酸鹽復(fù)合膠凝材料是由高爐礦渣、生石膏和生石灰配制而成。其中，高爐礦渣的密度2.97 g/cm3，主要化學(xué)成分為SiO2、Al2O3和CaO。其比表面積的測試見表1。

根據(jù)上述試驗(yàn)所記錄的標(biāo)準(zhǔn)水泥與礦渣的下降時(shí)間，礦渣的比表面積為

式中，Ss為標(biāo)準(zhǔn)水泥的比表面積(cm2/g);Ts為標(biāo)準(zhǔn)水泥的降落時(shí)間(s);S為試驗(yàn)礦渣比表面積(cm2/g);T為試驗(yàn)礦渣的降落時(shí)間(s)。

表1 標(biāo)準(zhǔn)水泥和礦渣降落時(shí)間記錄 s

本試驗(yàn)用的水泥為標(biāo)準(zhǔn)32.5 R普通硅酸鹽水泥，其比表面積Ss=3 000 cm2/g。由上式計(jì)算所得礦渣的比表面積分別為6 054 cm2/g，5 953 cm2/g和5 802 cm2/g，取其平均值為 S=5 936 cm2/g。

為了與水泥土和石灰土做比較，還要用到32.5R普通硅酸鹽水泥和普通生石灰。本次試驗(yàn)用土為北京地區(qū)的普通黃土。

1.2 試樣制備

試驗(yàn)時(shí)，將礦渣、生石灰和生石膏按照一定的配比配置固化劑，然后將固化劑與黃土充分拌勻，在拌合后1 h內(nèi)，按照最優(yōu)含水量和最大干密度采用靜壓法成型尺寸為φ5 cm×5 cm的圓柱體試件。試件在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)生箱(濕度95%，溫度(25±2)℃左右)中保濕養(yǎng)生。

1.3 試驗(yàn)方法

1)無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn):將各配合比下的固結(jié)土試樣養(yǎng)護(hù)到一定齡期，測定無側(cè)限抗壓強(qiáng)度。

2)水穩(wěn)性試驗(yàn):將各配合比下的固結(jié)土試樣一部分標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)生到7 d，另一部分標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)6 d，第7 d浸水24 h，然后測定無側(cè)限抗壓強(qiáng)度。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 試驗(yàn)配比及其強(qiáng)度特征

將礦渣、生石灰和生石膏按照一定的配比進(jìn)行凈漿試塊的試驗(yàn)，考慮到礦渣的水化需要較強(qiáng)的堿性環(huán)境，進(jìn)而試配的過程是將生石灰的含量從小到大依次試配，試配的配合比見表2。

表2 固化劑用料配比

將上述配比的固化劑按照摻入量10%的比例摻入到黃土中，無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)和水穩(wěn)性試驗(yàn)結(jié)果見圖1。

從圖1兩條曲線的走勢可見，7 d水養(yǎng)強(qiáng)度與7 d標(biāo)養(yǎng)強(qiáng)度有著相同的規(guī)律，隨著生石灰摻入量的增加，固結(jié)土試塊的強(qiáng)度也有著明顯的提高。這是因?yàn)樯冶旧聿坏軌蚬探Y(jié)土，而且，隨著生石灰摻入量的增加，可以為礦渣提供更強(qiáng)的堿性環(huán)境，使得礦渣充分水化生成凝膠體。當(dāng)摻入量加大到45 g時(shí)，抗壓強(qiáng)度值達(dá)到了峰值，標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)7 d強(qiáng)度達(dá)到了12.88 MPa，水養(yǎng)7 d強(qiáng)度達(dá)到了6.41 MPa。但是，隨著生石灰摻入量的繼續(xù)增加，固結(jié)土的強(qiáng)度不升反降，尤其在水養(yǎng)的條件下，固結(jié)土強(qiáng)度下降得非常明顯。這主要是由于石灰的吸水膨脹的作用，使得土體內(nèi)部出現(xiàn)了裂紋，從而降低了固結(jié)土的強(qiáng)度。

2.2 與水泥土和石灰土的對比試驗(yàn)

將上述的最佳配合比固化劑與水泥和石灰進(jìn)行固結(jié)土的對比試驗(yàn)，摻入量為10%，試驗(yàn)結(jié)果見圖2。

圖1 不同配比下固結(jié)土強(qiáng)度變化曲線

圖2 對比強(qiáng)度試驗(yàn)

上述結(jié)果明顯發(fā)現(xiàn)，無論是標(biāo)養(yǎng)條件下，還是水養(yǎng)條件下，礦渣硫酸鹽復(fù)合膠凝材料固結(jié)土強(qiáng)度要比水泥土和石灰土高很多。以7d標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)的強(qiáng)度為例，礦渣硫酸鹽復(fù)合膠凝材料固結(jié)土強(qiáng)度是水泥土的兩倍多，比石灰土要高出數(shù)倍。可見，該固化劑具有早期強(qiáng)度高的特點(diǎn)。在進(jìn)行水穩(wěn)性試驗(yàn)中，當(dāng)試塊入水瞬間，石灰土?xí)a(chǎn)生大量的氣泡，不到5 min時(shí)間，石灰土試塊就完全坍塌在水中;水泥土試塊也會(huì)產(chǎn)生較多的氣泡，當(dāng)浸泡24 h后，水泥土表面產(chǎn)生了較多裂縫;而礦渣硫鹽酸復(fù)合膠凝材料固結(jié)土試塊產(chǎn)生的氣泡較少，浸泡24 h后，表面也無明顯的裂縫，水穩(wěn)性較好。

2.3 固結(jié)土其它指標(biāo)的測定

在對北京黃土進(jìn)行強(qiáng)度測試確定該固化劑的最佳配比后，對固結(jié)土其它指標(biāo)也進(jìn)行了測試，包括塑性指數(shù)、干縮率和承載比等。

2.3.1 塑性指數(shù)

按照最佳配比配制固結(jié)土混合樣，固化劑摻入量10%，分別測定固結(jié)土和素土的塑性指數(shù)Ip，試驗(yàn)結(jié)果見表3。

表3 固結(jié)土和素土塑性指數(shù)

從表3可以看出，摻入固化劑后，土體的塑性指數(shù)得到了明顯的改善。不加入膠凝材料時(shí)，土的 Ip為13，當(dāng)摻入量為10%時(shí)，Ip降低到了9.2，這說明土的可塑性在不斷增強(qiáng)。

2.3.2 干縮率

干縮率分為徑向和軸向兩種，試驗(yàn)結(jié)果見表4。

表4 不同固化劑摻入量養(yǎng)護(hù)7 d干縮率

從表4可以看出，固化劑的加入對土體的干縮率有著一定的影響。不加入固化劑時(shí)，徑向和軸向干縮率都比較大，分別為0.73%和1.21%，當(dāng)固化劑的摻入量為10%時(shí)，徑向和軸向的干縮率分別為0.18%和0.25%，較素土大幅度下降。這說明，加入固化劑后土體的抗形變能力有所增強(qiáng)，更適合于工程應(yīng)用。

2.3.3 承載比

承載比是用來衡量材料承受荷載能力的一個(gè)指標(biāo)。試驗(yàn)結(jié)果見表5。從表5可以看出，摻入固化劑后固結(jié)土樣的承載比由素土的3.8%增長到42%，增長幅度較大，說明10%固化劑摻入量的固結(jié)土樣對荷載的承受能力有較大幅度的提高。

表5 不同固化劑摻入量承載比

2.4 礦渣硫酸鹽復(fù)合膠凝材料固結(jié)土反應(yīng)機(jī)理分析

礦渣硫酸鹽復(fù)合膠凝材料固結(jié)土的整個(gè)反應(yīng)過程如下所述。

2.4.1 離子交換和團(tuán)?；饔?/p>

土作為一個(gè)多相散系，當(dāng)它和水結(jié)合時(shí)，表現(xiàn)出一般的膠體性質(zhì)，大多數(shù)的土粒在天然狀態(tài)下帶負(fù)電，土顆粒為陽離子層所包圍形成膠體微粒(例如，土體中含有最多的二氧化硅，遇水后形成硅酸膠體微粒，其表面常常有Na+和K+)，它們能和此膠凝材料水化生成的氫氧化鈣中的鈣離子Ca2+進(jìn)行等當(dāng)量吸附交換，這種離子交換的結(jié)果，使大量的土顆粒形成較大的土團(tuán)。同時(shí)，也為膠凝材料中的礦渣提供了連續(xù)性的堿環(huán)境，使得礦渣得到更充分的水化，從而提高了固結(jié)土的強(qiáng)度。

2.4.2 礦渣—土體間的物理化學(xué)反應(yīng)

隨著膠凝材料的水化反應(yīng)的深入，溶液中析出大量的Ca2+，當(dāng)鈣離子的數(shù)量超過上述離子交換的需要量后，則在堿性的環(huán)境中，使組成黏土礦物及礦渣的二氧化硅及三氧化鋁膠質(zhì)的一部分或大部分發(fā)生化學(xué)反應(yīng)[4]。隨著反應(yīng)的深入，生成不溶于水的穩(wěn)定結(jié)晶礦物，其化學(xué)反應(yīng)為

水化硅酸鈣和水化鋁酸鈣結(jié)晶的長大與土顆粒相搭接，形成空間網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，從而增加了此種固結(jié)土的強(qiáng)度。

2.4.3 生石膏對強(qiáng)度的影響

生石膏的摻入對強(qiáng)度有重要貢獻(xiàn)的原因在于，生石膏可與上述水化反應(yīng)產(chǎn)物中的水化鋁酸鈣生成另一種晶體結(jié)構(gòu)的產(chǎn)物，即鈣礬石。這種晶體的強(qiáng)度高且體積膨脹，生成的晶體能夠很好地填充在土粒縫隙之中，使得土體結(jié)構(gòu)緊密。同時(shí)，這種晶體的溶解度極小，可以使得土體產(chǎn)生很好的抗?jié)B性能。該產(chǎn)物具有針棒狀結(jié)構(gòu)，廣泛分布在土體內(nèi)部，對土體強(qiáng)度的提高有著至關(guān)重要的作用。

2.4.4 碳酸化作用

除了上述反應(yīng)外，礦渣復(fù)合膠凝材料水化物中游離的氫氧化鈣吸附水中和空氣中的二氧化碳，生成不溶于水的碳酸鹽:

3 結(jié)論

1)通過對北京黃土的固結(jié)試驗(yàn)，確定了此礦渣硫酸鹽復(fù)合膠凝材料的物料之間的最佳配比為生石灰∶礦渣∶生石膏 =9∶14∶3。

2)從固結(jié)土強(qiáng)度本身來看，當(dāng)?shù)V渣硫酸鹽復(fù)合膠凝材料摻入量10%時(shí)，水穩(wěn)性試驗(yàn)后的強(qiáng)度達(dá)到6 MPa以上。

3)礦渣復(fù)合膠凝材料使得固結(jié)土的早期強(qiáng)度、塑性指數(shù)、干縮率和承載比均有了很大程度的改善和提高，是一種比較理想的土壤固化劑。

4)礦渣復(fù)合膠凝材料的主要成分是高爐礦渣，摻量已經(jīng)在50%以上，不但節(jié)約了水泥熟料，降低了材料成本，更重要的是利用了工業(yè)廢渣，減少了環(huán)境污染。

[1]侯永峰，龔曉南.水泥土的滲透特性[J].浙江大學(xué)學(xué)報(bào)(工學(xué)版)，2000，34(2):189-193.

[2]MILER G A，AZAD S.Influence of soil type on stabilization with cement kiln dust[J].Construction and building materials，2000，26(14):89-97.

[3]TAVENAS F，JEAN P，LEBLOND P.The permeability of natural soft clays[J].Canadian Geotechnical Journal，1983，20(4):629-635.

[4]謝海超，張輝，李彥兵.水泥作為填料在瀝青混凝土中的應(yīng)用[J].公路交通科技，2002，19(5):62-64.