苗慶林 （福建省交通規(guī)劃設計有限公司，福建 福州 350004）

0 前言

在我國廣闊的疆域上，分布有很多具有強度低、飽水性、孔隙大、沉降時間長等特點軟土地層。在這類地基土上修建構(gòu)筑物，運行一段時間后，往往會出現(xiàn)變形及沉降現(xiàn)象。變形及沉降量的大小隨著軟土深度、處理方法的不同而存在差異。如果處理不當，在構(gòu)筑物建成后，會發(fā)生沉降開裂或滑移傾倒等嚴重后果。水泥作為固化主劑已在泉廈高速路、湄渝高速等高速公路上應用，并取得很好的效果。在軟土地基施工時，機械攪拌入水泥后，即與土中的自由水及鋁-硅酸鹽晶體礦物發(fā)生反應，使細小的土粒凝聚成大的土粒結(jié)構(gòu)。隨著時間的推移，其與粘土便形成一種強度和水穩(wěn)性較好的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的拌和樁體，與樁間土一起組成復合地基。

1 水泥的物理特性

水泥多呈深灰色或灰色，水泥性能好壞重要參數(shù)是指其細度、凝結(jié)時間、強度、標準稠度需水量等指標，詳見表1。水泥顆粒細小、其比表面積就大、標準稠度需水量越小，水泥的水化程度越高。

高鈣粉煤灰的物理性質(zhì) 表1

2 水泥的化學特性

人造的水硬性材料——水泥。在和水攪拌混合后，會發(fā)生物理、化學反應，生成堅硬的水泥石結(jié)構(gòu)體。它是一種富含氧化鈣，由多種氧化物組成的混合材料。從性能和用途上分為通用水泥和專用水泥等。其中軟土處理時，一般我們用普通硅酸鹽水泥和硅酸鹽水泥，其礦物成分主要有四種，表2列出水泥的礦物成分及性能特點。水泥中除了四大礦物成分之外，還含有少量對水泥物理、力學性質(zhì)造成不利影響的化學物質(zhì)，這些物質(zhì)的含量也需要加以限制，具體如下。

①游離態(tài)SO3、MgO及堿等是水泥中的有害成分。水泥的堿集料反應、體積安定性等受它們影響，如果含量較大，影響非常不利。②水泥中不溶解于濃硫酸的不溶物。主要為原料中的氧化硅和粘土未被充分煅燒、反應不足，未能完全轉(zhuǎn)換為水泥熟料，影響水泥中的有效成分。③燒失量:在規(guī)定的950℃下加熱時，如果水泥煅燒不佳或受潮都會使水泥質(zhì)量損失。④水泥中含有少量的氯離子，氯離子的存在，使混凝土中鋼筋的銹蝕加快。⑤水泥是弱堿性材料，在堿性條件下，水泥的水化、凝結(jié)與硬化等反應才會順利進行。但是，在偏高的堿性環(huán)境下，水與活性碳酸鹽或活性硅酸鹽作用，也會產(chǎn)生堿集料反應，造成混凝土結(jié)構(gòu)的破壞（理論上講堿含量以Na2O+0.658K2O計時≤0.6%計）。

水泥的礦物成分及性能特點 表2

3 水泥攪拌樁加固原理研究

軟土是軟弱粘性土的簡稱，它廣泛分布于福建沿海地帶及山澗溝谷中，因此我們在修筑公路等線路工程時，經(jīng)常會遇到軟土路段，而又無法繞避現(xiàn)象，不可避免地在這類地基上填筑路基等構(gòu)筑物。為了保證地基的穩(wěn)定及變形，在允許范圍內(nèi)，對軟土地基需要進行處理。

軟土是由含水的鋁-硅酸鹽晶體礦物及少量的有機質(zhì)組成，而鋁-硅酸鹽晶體礦物主要由伊利石、蒙脫石和高嶺土三種礦物組成。水泥攪拌樁的形成過程也就是水泥與軟土中含水粘土礦物的水解、水化反應過程。水泥作為主固劑加固軟土時，由于水泥摻入量僅為加固土重的7%～20%，水泥與軟土拌和后的硬化反應是在軟土的含水鋁-硅酸鹽晶體礦物周圍進行，軟土的化學性質(zhì)對攪拌樁強度增加的影響及力學性質(zhì)對攪拌均勻性的影響均非常大，因此，攪拌樁體硬凝固結(jié)作用速度緩慢復雜，強度增長緩慢。

3.1 水泥的水解及水化反應

在軟土中拌入水泥后，水泥表面的活性硅酸鹽及鎂鋁酸鹽快速和軟土層中的自由水發(fā)生物理化學反應，生成Ca(OH)2、3CaO·SiO2、CaCl2、3CaO·Fe2O3等等一系列溶于水化合物。其中3CaO·SiO2含量63～67%，加固土樁體的強度主要由它決定；2CaO·SiO2，含量21～24%，加固土樁體后期強度的增大由它決定；3CaO·Al2O3含量4～7%，它在飽和軟土中反應速度最快，在前面7天的早凝時間起決定作用。4CaO·Al2O3·Fe2O3含量2～4%左右，決定早期強度。

在軟土中拌入水泥后，在軟土層中的自由水的參與下，水泥不斷發(fā)生水解及水化反應，生成能溶解于水中的Ca(OH)2、3CaO·SiO2·3H2O 等化合物。當溶液飽和后，水分子繼續(xù)進入水泥樁體內(nèi)部，發(fā)生水解、水化反應，這樣加固區(qū)周圍自由水不斷減少，已經(jīng)溶于水部分化合物及后續(xù)的生成化合物，因溶解液的減少而不能再溶解，只能以膠體的形態(tài)析出。水泥中還含有約3%硫酸鈣，它在飽和溶解液發(fā)生反應，生成3CaO·Al2O3·3CaSO4·32H2O 的化合物，它被稱為“水泥桿菌”。在現(xiàn)場開挖攪拌樁體，將它置于顯微鏡下觀察發(fā)現(xiàn)，早期它在短時間內(nèi)以針狀結(jié)構(gòu)結(jié)晶體析出，其中樁體齡期的長短及碳酸鈣摻入量的多少是決定其生成量的多少。據(jù)衍射試驗分析，硫酸鈣、鋁酸鈣及自由水反應迅速，以結(jié)晶水的形態(tài)把飽和水固定下來，從而增大了軟土的強度，這對樁間軟土硬度增長意義非常。對于普通水泥，依據(jù)3CaO·Al2O3·3CaSO4·32H2O 化學式可知自由水的結(jié)合量約為生成水泥桿菌總量的45%左右。當然，合適的硫酸鈣加入量是必需的，否則水泥桿菌結(jié)晶物會生成過多，體積增大，破壞水泥土樁體。所以只要硫酸鈣用量合適，反而會加大軟土地基加固效果。

3.2 粘土礦物顆粒與水化物的作用

當水泥水解水化作用完成后，這些凝膠體溶液有的與四周活性硅酸鹽礦物顆粒發(fā)生反應，吸收自由水，由于溶解液不斷減少，則會繼續(xù)析出膠體硬化，形成水泥石。

①離子交換及團粒化作用：軟土作為一種由復合鋁-硅酸鹽晶體、結(jié)合水及自由水組成的多相體系，它具有粘塑性特征，例如由于軟土飽水，多數(shù)硅酸鹽晶體礦物以硅酸膠體顆粒形式存在，其表面多吸附Na+或K+，而水泥和土中自由水反應時生成相當多的Ca++，當硅酸膠體顆粒遇到這些鈣離子時就會發(fā)生交換，這樣就把原來小的土粒聚集成大的團粒，從而大大提高了軟土的強度。如下表為某軟土浸泡Ca(OH)2溶液中前后，Na+或K+就被Ca++所置換結(jié)果 (表3)，可見大顆粒組明顯增加。

土樣浸泡前后顆粒分析結(jié)果 表3

水泥和軟土中的自由水反應生成以上4種凝膠粒子，其比表面積增大了一千倍左右，表面勢能非常強大，活性也增加得非常大，也就使較大的土粒繼續(xù)結(jié)合而變大，擠密土?？紫叮龃笸亮ｉg聯(lián)結(jié)。這就是水泥土攪拌樁體強度大于樁間土體的原因之一。

②凝硬反應：在軟土和水泥拌合后的凝期時間以后，這種反應依然在進行，不斷產(chǎn)生Ca(OH)2并溶解于水中，當Ca(OH)2溶液趨于過飽和時，此時軟土層處于弱堿性環(huán)境中，組成軟土礦物的鋁-硅酸鹽晶體便與Ca(OH)2發(fā)生反應，生成不溶于水的穩(wěn)定 CaO.SiO2·(n+1)H2O、CaO·Al2O2·(n+1)H2O 等結(jié)晶化合物。依據(jù)現(xiàn)場試驗檢測可知這些結(jié)晶化合物大致為:CAH系的鋁酸鈣水化物；CSH系的硅酸鈣水化物；鈣黃長石水化物等。這些結(jié)晶化合物硬化為水泥石，結(jié)構(gòu)硬實致密，又不溶解于自由水，這是水泥土攪拌樁體強度大于樁間土體的原因之一。

經(jīng)過現(xiàn)場試驗檢測分析，軟土中的含水的鋁-硅酸鹽晶體礦物及少量的有機質(zhì)之間多通過弱結(jié)合水產(chǎn)生微弱聯(lián)系，且這種聯(lián)系很容易被打亂重置，且間距較大，因此其孔隙比多≥1。在拌入水泥7天后，水泥水解、水化物膠體替代軟土顆粒四周的飽和水，并有少量結(jié)晶物析出。28天后，隨著凝硬反應的不斷繼續(xù)，大量結(jié)晶體析出硬化，使樁體及樁間土的孔隙不斷被晶體充填，形成形狀各異網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。5～6個月后，反應仍然繼續(xù)，結(jié)晶體繼續(xù)延伸充填樁體及樁間土的孔隙，這樣水泥石及土顆粒相互交織硬化。這樣水泥土樁體強度及樁間土體強度都得到了提高。

3.3 碳酸化作用

軟土中的自由水在和水泥反應時析出的Ca++也可吸收周圍的CO2，生成碳酸鈣，它不溶于水。析出硬化后，其強度一般，這樣水泥土樁體強度也得到了部分提高，不過其幅度小、速度慢。這就是水泥土樁體強度得以增大原因之一。在以上的分析中我們可以得出以下水泥土樁體硬化反應的模式圖。

水泥土樁體硬化反應模式示意圖

4 結(jié)束語

從以上原理分析可知，①采用水泥作為主固劑處理軟土，可形成較硬的水泥土樁體，它主要由水泥水化物硬化、水泥水化物伴生物與軟土含水鋁—硅酸鹽反應的生成物硬化及密實的土團顆粒組成，這些結(jié)晶硬化物具有遠大于軟土的強度。②軟土的力學及化學性質(zhì)對水泥拌和的均勻性及樁體的強度影響也較大。在機械切削攪拌軟土時要多次攪拌，使水泥充分與軟土拌和，這樣反應才會完全，樁體強度離散性就會小，復合地基的整體強度才會高。