丁 毅 李乃軍(沈陽大學(xué)理學(xué)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(xì)粉砂、亞砂土為主。由于可用于筑路的砂石嚴(yán)重短缺，如果采用傳統(tǒng)的無機(jī)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(yùn)走，外購(gòu)大量砂石料，經(jīng)遠(yuǎn)距離運(yùn)輸?shù)浆F(xiàn)場(chǎng)，加大工程量，增加工程造價(jià)。采用固化土技術(shù)時(shí)，就地取材，施工簡(jiǎn)便，既節(jié)省資源，又節(jié)省建設(shè)資金，利于環(huán)保，經(jīng)濟(jì)效益和環(huán)境生態(tài)效益值得關(guān)注。粉砂土的有效固化，是固化土技術(shù)推廣應(yīng)用中的一個(gè)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(zhǎng)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(qiáng)度特點(diǎn)：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(qiáng)的水膠作用力，因此聯(lián)結(jié)強(qiáng)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(qiáng)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(xué)性質(zhì)測(cè)定值如表1所示。

表1 粉砂土物理力學(xué)性質(zhì)測(cè)定值

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

2 復(fù)合土壤固化劑的設(shè)計(jì)

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(fù)合土壤固化劑，綜合了各無機(jī)膠凝材料對(duì)粉砂土作用的性能優(yōu)勢(shì)，可以有效地對(duì)粉砂土進(jìn)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(xué)成分如表2所示。

表2 水泥熟料化學(xué)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(yīng)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(diǎn)不同，不同種類的水泥熟料中各礦物的相對(duì)含量不同，決定了不同種類的水泥熟料硬化特點(diǎn)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(dāng)它以細(xì)分散的狀態(tài)與水和石灰或水泥混合時(shí)，在常溫下與Ca(OH)2發(fā)生反應(yīng)能形成具有粘結(jié)性的化合物，成為一種增加強(qiáng)度和耐久性的材料。

采用的粉煤灰是鞍山火電廠的一級(jí)灰，其化學(xué)組成和元素組成如表3所示。

由此可見，粉煤灰主要的化學(xué)組成SiO2、Al2O3、Fe2O3占總量的80%以上。次要的化學(xué)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(xué)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(qiáng)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(xué)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(qiáng)度、難溶解的沸石類礦物。這些化合物的細(xì)微晶體具有很高的強(qiáng)度，不僅在熱力學(xué)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(dāng)集料，在水化過程中礦渣又可以參與固結(jié)土體的強(qiáng)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(jìn)而影響固化土抗壓強(qiáng)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(yīng)，改善和提高土壤的技術(shù)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(qiáng)的堿性環(huán)境，促使活性SiO2、Al2O3溶蝕，從而提高火山灰反應(yīng)的速度；二是提供較強(qiáng)的堿，直接參與反應(yīng)，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(jī)堿、鹽來實(shí)現(xiàn)[3]。

工程實(shí)踐中，需要根據(jù)待修道路土質(zhì)情況和道路等級(jí)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(yīng)順序依次加入球磨機(jī)，研磨15 min后，成為一種灰色粉末狀復(fù)合型水硬性膠凝材料，按照材料的物質(zhì)組成特點(diǎn)，屬于無機(jī)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(xué)組成

3 粉砂土固化機(jī)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(xué)性質(zhì)的重要因素。在研究土體的增強(qiáng)改性時(shí)，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(xué)和物理化學(xué)綜合作用；研究復(fù)合土壤膠結(jié)材料如何對(duì)土壤顆粒強(qiáng)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(guān)，不同的土壤環(huán)境、固化時(shí)間的長(zhǎng)短都會(huì)改變固化劑的作用機(jī)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(jī)材料組合的復(fù)合土壤固化劑，對(duì)粉砂土的固化效應(yīng)可歸結(jié)為兩大效應(yīng)，即復(fù)合膠凝效應(yīng)和填充效應(yīng)。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(duì)固化土強(qiáng)度增長(zhǎng)起重要作用[4]。

3.1 膠凝效應(yīng)

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(xué)反應(yīng)。

1）熟料中礦物與土中水分發(fā)生強(qiáng)烈的水化作用，同時(shí)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(jìn)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(yīng)，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(zhǎng)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(shí), 硫酸鈣與鋁酸三鈣一起與水發(fā)生反應(yīng)，除生成水化硅酸鈣C-S-H 外,還生成含32 個(gè)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(zhǎng)120%左右。由于其體積膨脹，填充孔隙,使固化土結(jié)構(gòu)密實(shí),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(dú)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(xì)化。鈣礬石的這種填充和支撐孔隙的作用彌補(bǔ)了C-S-H 的不足,進(jìn)一步增加固化土的強(qiáng)度。

3.2 離子交換與團(tuán)?；饔?/h3>

水泥熟料和生石灰與土反應(yīng)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(jìn)行等當(dāng)量替換，使雙電層中擴(kuò)散層減薄，結(jié)合水減少，土顆粒之間的結(jié)合力增強(qiáng)，土的塑性下降，并呈絮凝團(tuán)聚現(xiàn)象，從而使大量的土顆粒形成較大的土團(tuán)。水化生C-H-S還有強(qiáng)烈的吸附活性，又使土團(tuán)進(jìn)一步結(jié)合成鏈條狀膠體，封閉了土團(tuán)間的空隙，形成兼顧的聯(lián)接，從而具有較高的強(qiáng)度[5]。

3.3 晶化作用

1）Ca(OH)2的結(jié)晶反應(yīng)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(huì)產(chǎn)生含32 個(gè)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(tuán)粒間的孔隙使土變得致密起來;此外針狀晶體交錯(cuò)穿插于土團(tuán)粒中,也有效增強(qiáng)了土強(qiáng)度[6]。

3.4 火山灰作用（硬凝反應(yīng)）

離子交換后，隨著齡期的增長(zhǎng)，水化反應(yīng)的深入，溶液中析出大量的Ca2+。當(dāng)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(yīng)，生成水化硅酸鈣、水化鋁酸鈣及鈣鋁黃長(zhǎng)石等。

這些水合物的形成，是長(zhǎng)時(shí)間的緩慢過程，這是固化土后期強(qiáng)度增長(zhǎng)的原因。它們?cè)谒涂諝庵兄饾u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(xué)性能；同時(shí)土體對(duì)水的敏感性減小，提高了水穩(wěn)性能，使得固化土的強(qiáng)度增高并長(zhǎng)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(yīng)生成不溶于水的碳酸鈣（CaCO3）。碳酸鈣具有較高的強(qiáng)度和水穩(wěn)性，組成結(jié)晶格架后結(jié)硬，提高土體強(qiáng)度。

填充效應(yīng)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(xì)觀層次的自緊密體系。固化材料顆粒本身強(qiáng)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(luò)空間中或填充在原來被水占據(jù)的孔隙中，起到了強(qiáng)有力的微集料填充和骨架支撐作用。長(zhǎng)期反應(yīng)中，離子交換后被置換出的一價(jià)金屬離子又對(duì)礦物層間填充，加強(qiáng)層間連接的致密性，這對(duì)土壤固化也是有益的。

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[4]黃新 寧建國(guó) 許晟 根據(jù)土樣性質(zhì)指標(biāo)進(jìn)行軟土固化劑設(shè)計(jì)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(xué)碩士學(xué)位論文[D] 54

[6]寧建國(guó) 黃新 固化土結(jié)構(gòu)形成及強(qiáng)度增長(zhǎng)機(jī)理試驗(yàn)[J]