土样矿物成分对固化土抗压强度增长的影响(1).doc

土样矿物成分对固化土抗压强度增长的影响 作者简介 宁建国1， 黄新2 1.山东科技大学矿井灾害预防与控制重点实验室，青岛266510； 2.北京航空航天大学土木工程系，北京100083 参考文献 [1]地基处理手册编写委员会.地基处理手册[M]（第二版）.北京中国建筑工业出版社,2000. [2]SAITOH S,SUZUKI Y,SHIRAI K.Hardening of soilimproved by deep mixing [C]//Proc.of 11th Int.Conf.SMFE,[S.l.][s.n.],19851745－1748. [3]HUANG X.On suitability of stabilizer based on chemicalanalysis of the liquid from stabilized soil[C]//Proceedingsof the Fourteenth International Conference on SoilMechanics and Foundation Engineerin.G editor,[S.l.]Publications Committee of XIVICSMFE.19971613－1616. [4]黄新,周国钧.水泥加固土硬化机理初探[J].岩土工程学报,1994,16162－68. [5]黄新,宁建国,郭晔,等.水泥含量对固化土结构形成的影响研究[J].岩土工程学报,2006,284436－441. [6]薛君玕,许温葭,叶铭勋.硬化水泥浆体孔隙中液相的分离和研究[J].硅酸盐学报,1983,113276－289. [7]李学垣.土壤化学[M].北京高等教育出版社,2001113－115. 1引言 深层搅拌法、高压旋喷法、水泥拌合土等软土地基加固方法，一般是以水泥作为固化剂，利用水泥与软黏土之间发生的一系列物理、物理化学、化学反应，使软黏土硬结为具有一定强度和水稳定性的水泥固化土[1]。 在水泥固化土中，水泥与土样搅拌后水泥水化生成的Ca2离子会与黏土颗粒表面所带的单价阳离子Na、K进行等当量交换，促使黏土颗粒凝聚成较大的土团粒，水泥水化反应产生的胶凝性水化物水化硅酸钙CSH和水化铝酸钙（CAH）会胶结土颗粒，使其连接成一体，除此，水泥水化生成的CaOH2会与黏土颗粒中活性矿物成分硅、铝发生硬凝反应，生成的胶凝性水化物进一步胶结土颗粒[2]。 以往的研究者对水泥固化土中水泥的水化硬化一般是借用混凝土的理论，即认为水泥与土搅拌后，土质对水泥水化物的生成不产生影响，水泥水化生成胶凝性水化物CSH、CAH和CaOH2，黏土吸收CaOH2直到黏土吸附饱和以后CaOH2与黏土发生硬凝反应。然而，该理论难以解释为什么物理性质相近的土样，采用相同的水泥量和处理工艺，所得到的水泥固化土抗压强度相差甚远[3]。 文献[4]对水泥固化土中水泥的水化硬化机制进行了初步研究后认为，土样对OH-、CaO吸收量较大时，固化土孔隙液中CaOH2可能不饱和，土质对OH-、CaO吸收量的不同使得固化土中胶凝性水化物生成量不同，致使固化土抗压强度也不同。 目前对土样性质是否影响以及如何影响固化土抗压强度的增长尚不明确，而明确这点对于指导高效固化剂设计具有重要意义。 2试验材料和试验方法试验材料包括北京强力水泥厂出产的奥达牌32.5矿渣硅酸盐水泥，自来水和北京化工二厂生产的商用高岭石（GT）和Na质蒙脱石（NT）。 试验土样的配比及性质见表1，土样NT1～NT4、GT的密度ρ、含水率w和孔隙比e基本相同。试样的制备参见文献[5]。 3矿物成分与固化土抗压强度关系试验在土样NT1～NT4和GT中分别掺加12、15、20、25和30的水泥，令所形成的固化土称为固化土NS1～NS4和GS，30 d龄期各固化土的抗压强度qu与水泥掺量aw关系如图1所示。由图1可见，在水泥掺量相同的情况下，随着土样中蒙脱石含量的减少（高岭石土样中蒙脱石含量设为0，NS1NS2NS3NS4GS），固化土抗压强度逐渐增加，当土样中蒙脱石含量减少到一定程度时，如图1中箭头所示，此后随土样中蒙脱石含量的进一步减少，固化土抗压强度基本不变。 4矿物成分与固化土孔隙液离子浓度关系试验由于在水泥固化土水化硬化期间固化土中固相和液相之间始终处于化学平衡之中，固化土孔隙液中主要离子浓度的变化必将影响固化土中水化物生成量及形貌，最终导致固化土抗压强度的变化，本文对固化土孔隙液离子浓度的研究，以分析上述试验结果出现的原因。 4.1固化土孔隙液中主要离子浓度的测定以图1中各箭头所对应的固化土为基础，并在其左右各选择一个固化土，见表2，在30 d龄期将其固化土放入压滤机中提取孔隙液，测定固化土孔隙液中主要元素K、Na、Ca2、Al3、SO42-，Si4，OH-的浓度。固化土孔隙液的提取和化学成分的分析方法参见文献[6]，试验结果见表2。 在水泥掺量相同的情况下，对比不同蒙脱石含量的固化土中各离子浓度发现，蒙脱石含量较高的固化土中Ca2和OH-离子含量较低，Na与K离子浓度相差不多，其他主要离子如Al3、SO42-和Si4浓度呈不规则变化，将固化土NS1－30与固化土NS2－30相比。 4.2固化土孔隙液中CaOH2浓度计算根据参考文献[7]，计算表2固化土孔隙液中CaOH2饱和度，计算结果如图2所示。 由图2可见，在相同水泥掺量的情况下，随着固化土中蒙脱石含量的增加，固化土中CaOH2浓度SI由不饱和变为饱和，但随土样中蒙脱石含量不同，固化土中CaOH2达到饱和所对应的水泥掺量也不同，固化土GS、NS4、NS3、NS2中CaOH2达到饱和所对应的水泥掺量aw分别为15、20、25、30，即随固化土中蒙脱石含量增加，固化土中CaOH2达到饱和所对应的水泥掺量也增加 由图3可见，土样NT1～NT4在水泥和外掺剂CaOH2、MgOH2、NaOH、Na2CO3作用下，固化土抗压强度随着外掺剂掺量的增加而增加，当固化土中外掺剂掺量达到一定程度后，随着固化土中外掺剂掺量的进一步增加，固化土抗压强度基本保持恒定，如图中箭头所示。设此时固化土中外掺剂掺量为D′w，不同蒙脱石含量的土样，其固化土所对应的外掺剂掺量D′w也不同，随土样中蒙脱石含量增加，其固化土所对应的外掺剂掺量D′w也增加（表3）。此外，由图3还可看出，当物理力学性质相同的土样NT1～NT4中水泥掺量相同，外掺剂掺量分别为D′w时所形成的固化土NCS1～NCS4抗压强度基本相同，均为1.96 MPa。 除此，在外掺剂CaCl2、MgCl2作用下，固化土抗压强度也可提高，但提高的程度不如外掺剂CaOH2、MgOH2、NaOH、Na2CO3，见图3。 表3固化土中外掺剂掺量Table 3 The additive agent content of stabilized soil外掺剂掺量D′w/固化土NaOH Na2CO3 CaOH2 MgOH2NCS1NCS2NCS3NCS45432543265436543 5试验结果分析与讨论 对比图1和图2可以发现，在等量水泥作用下，固化土中CaOH2浓度没达到饱和时，不同矿物成分的固化土中CaOH2浓度不同，固化土抗压强度也不同，蒙脱石含量高的固化土中CaOH2浓度较低，固化土抗压强度也较小。当固化土中CaOH2浓度达到饱和后，物理性质相同、矿物成分不同的土样在相同水泥掺量作用下形成的固化土抗压强度基本相同，特别是在固化土孔隙液CaOH2浓度不饱和的土样中加入碱性物质（MgOH2、CaOH2、NaOH、Na2CO3）后可显著提高固化土抗压强度，当固化土中外掺剂掺量达到D′w时，物理力学性质相同的土样NT1～NT4所形成的固化土NCS1～NCS4、GCS抗压强度基本相同，如图3所示。由此可见，土样矿物成分影响固化土孔隙液中CaOH2浓度，固化土中CaOH2浓度没达到饱和时，土样矿物成分对固化土孔隙液中Ca2、OH-离子吸收越多，固化土抗压强度越小。 对于高岭石（GT）和Na质蒙脱石（NT）来说，土矿物成分的结构不同，高岭石呈网状结构，而蒙脱石呈层状结构，因此，土样的离子吸附和交换能力不同，一般情况下高岭石小于蒙脱石样[8]。在水泥掺量为12时，由于高岭石离子交换能力较小，对水泥水化生成的Ca2、OH-离子吸收较少，固化土孔隙液中CaOH2即可达到饱和（图2），此时水泥水化生成物能充分的生成，因此，固化土抗压强度较大。而对含蒙脱石的土样NT1～NT4来说，由于其层状结构，在层之间存在大量的空缺点电位，且黏土颗粒表面吸附的Na、K较多，其离子吸附和交换能力较大[9]，且随土样中蒙脱石含量增加，土样的离子交换能力越大（表1）。 在含蒙脱石的土样中加入水泥后，水泥水化生成胶凝性水化物CSH和CaOH2，其中CaOH2以Ca2和OH-离子形式存在，由于蒙脱石离子吸附和交换能力较大，会吸附和交换水泥水化生成的Ca2和OH-离子。当土样中蒙脱石含量较大时，水泥水化生成的Ca2、OH-离子不能满足蒙脱石颗粒表面的吸附和交换，固化土中CaOH2处于不饱和状态。 在固化土CaOH2浓度不饱和的情况下，土样对Ca2和OH-的进一步吸收和消耗，必将要大量消耗原本用于CSH凝胶生成所必需的Ca2和OH-，致使固化土中CSH凝胶生成量减少，等量的水泥水化产生的固化土抗压强度也较小。随着土样中蒙脱石含量减少，土样离子吸附和交换能力较小，固化土中蒙脱石颗粒表面吸附和交换用于CSH凝胶生成所必需的Ca2和OH-离子减少，CSH凝胶生成量增多，随着土样中蒙脱石含量减少，固化土抗压强度也增加（图1）。 当固化土中蒙脱石含量减少到一定程度时，水泥水化生成的Ca2、OH-离子足以满足蒙脱石颗粒表面的吸附和交换，固化土中CaOH2浓度饱和，蒙脱石颗粒表面对Ca2和OH-的吸附和交换仅影响固化土中CaOH2含量，而不影响CSH凝胶的生成量，此后随着土样中蒙脱石含量的进一步减少，物理力学性质相同的土样在相同水泥掺量作用下形成的固化土抗压强度相同（图1）。 在上述孔隙液CaOH2浓度不饱和的固化土中加入碱性物质CaOH2、MgOH2、NaOH、Na2CO3后，碱性盐或碱性物质水化生成的Mn、OH-可替代水泥水化生成的Ca2和OH-，用以蒙脱石颗粒表面吸附和交换，并且碱性物质水化提高固化土孔隙液碱度，因此固化土孔隙液中CaOH2浓度提高，固化土中CSH凝胶生成量增加，固化土抗压强度也相应提高。土样中蒙脱石含量越多，固化土所需的碱性物质量也越多（表3）。当固化土中碱性物质CaOH2、MgOH2、NaOH、Na2CO3增加到一定程度时，碱性物质水化生成的Mn、OH-足以满足蒙脱石颗粒表面吸附和交换，固化土孔隙液中CaOH2浓度达到饱和，固化土中CSH凝胶充分生成，此后随着固化土中碱性物质掺量进一步增加，其抗压强度基本保持不变（图3）。 在上述CaOH2浓度不饱和的固化土中加入盐类物质（CaCl2、MgCl2）后，虽然盐类物质水化生成的M2离子可替代水泥水化生成的Ca2，用以蒙脱石颗粒表面吸附和交换，但盐性物质对固化土碱度的提高有限，固化土中CaOH2浓度仍达不到饱和，因此固化土抗压强度相应提高，但提高幅度不如碱性物质（图3）。 6结论 （1）Na质蒙脱石含量较大的土样，土样离子吸附和交换容量较大，土样与水泥搅拌后，水泥水化生成的Ca2、OH-离子不能满足蒙脱石颗粒表面的吸附和交换，固化土孔隙液中CaOH2处于不饱和状态，在此情况下，土样对Ca2和OH-的进一步吸收和消耗，必将大量消耗原本用于CSH凝胶生成所必需的Ca2和OH-，致使固化土中CSH凝胶生成量减少，等量的水泥水化产生的固化土抗压强度也较小。 （2）在固化土孔隙液CaOH2不饱和的水泥固化土中掺加碱式物质，碱式物质水化生成的M、OH-可用以土样中吸附和交换，以替代固化土孔隙液中Ca2、OH-离子的吸附和交换，并可提高固化土孔隙液碱度，使固化土孔隙液中CaOH2浓度饱和，固化土中CSH凝胶生成量增加，固化土抗压强度也显著提高。 （3）在固化土孔隙液CaOH2不饱和的水泥固化土中掺加盐类物质，由于盐性物质的加入可部分替代水泥水化生成的Ca2、OH-用以蒙脱石颗粒表面吸附和交换，但盐性物质对固化土孔隙的碱度提高有限，因此，固化土中CSH凝胶生成量有所增加，固化土抗压强度也相应提高，但提高幅度不如碱性物质。 摘要通过人工制备物理力学性质相同而矿物成分不同的土样，考察相同水泥掺量的固化土抗压强度随土样矿物成分的变化，测定相应固化土孔隙液中主要离子浓度，并进行热力学计算，结果表明土样矿物成分，特别是蒙脱石，影响固化土孔隙液中CaOH2的浓度，进而影响固化土抗压强度。在相同的水泥掺量作用下，含蒙脱石的固化土孔隙液中CaOH2不饱和，随着土样中蒙脱石含量的减少，固化土孔隙液中CaOH2浓度增加，水泥水化生成的胶凝性水化物的量也相应地增多，固化土抗压强度增量也随之提高；当固化土孔隙液中CaOH2浓度达到饱和，土样矿物成分基本不影响固化土抗压强度。并在此基础上使用碱性外掺剂调整固化土孔隙液中CaOH2浓度，试验结果表明使用碱性外掺剂可以改变固化土孔隙液中CaOH2浓度，减小甚至消除土样矿物成分对固化土孔隙液CaOH2浓度的影响，提高固化土抗压强度。 关键词固化土，矿物成分，液相环境，CaOH2浓度，外掺剂