黑色泥炭質水泥加固土室內無側限抗壓強度試驗研究

黑色泥炭質水泥加固土室內無側限抗壓強度試驗研究

0水土工室內配比試驗在虛弱的土壤中，粘土是一種特殊的土壤，具有較大的空隙比、較高的含水量、較高的壓縮性和較高的有機質含量。試驗表明,泥炭質土中只摻入水泥制成的水泥固化土,其強度即便在摻入比較高(30%)時,也很難滿足設計要求達到的強度。因此,設計前應進行水泥土的室內配比試驗,針對此軟土的性質,選擇合適的固化劑和外摻料,確定其摻量,為設計提供各種齡期、各種配比的強度參數(shù)。為此,本次試驗以水泥為主要固化劑,采用一種國產的生物蛋白酶和熟石膏粉作為外摻料加入到泥炭質土中,設計了一組水泥土的無側限抗壓強度的正交試驗和輔助試驗,對8個不同配比的水泥土進行了7d,28d和90d三個不同齡期下的無側限抗壓強度測試,得到了一些試驗數(shù)據(jù),并對數(shù)據(jù)進行了分析。另外,考慮到這類土常位于河、湖、海邊,可能受到硫酸鹽侵蝕,還進行了試塊在硫酸鈉溶液中浸泡的試驗。1試驗土、硬化劑和陰離子材料的選擇1.1結構及腐殖酸對水泥固化的作用本次試驗采用的土是昆明滇池度假區(qū)某新開發(fā)居住小區(qū)的地基開挖土,開挖深度約2m某處的黑土。土工試驗報告表明,該土有機質含量平均為38%,為泥炭質土,各項物理性質指標平均值為:含水量324%,土粒比重1.87,孔隙比6.01,濕密度1.10g/cm3,液限268%,塑限132%,塑性指數(shù)136,液性指數(shù)1.41,壓縮系數(shù)3.9MPa-1。昆明滇池周邊泥炭、泥炭質土的主要形成物質是植物殘體(也可能存有少量動物殘體),其有機質含量較高(一般為10%～80%),其性質與淤泥、淤泥質土有本質的差別。一些淤泥或淤泥質土的水泥加固土,在適當?shù)呐浔认?其強度可達到設計標準。有機質的大量存在,使土的加固變得更困難,有機質含量越高的加固土,強度越難達到設計標準。研究表明,土壤有機質腐化后形成的腐殖酸對土壤固化有較大的影響,主要是由于阻礙了固化過程中膠凝物質的生成以及通過阻止土壤中硅和鋁的溶解而妨礙火山灰反應的進行,而火山灰反應對固化土強度增長有很大的貢獻。腐殖酸的兩種主要成分是胡敏酸和富里酸,胡敏酸和富里酸均有對礦物的分解作用,但作用有很大差別。胡敏酸與鈣、鎂、鋁等形成2,3價鹽類,難溶于水或不溶于水,其有被鈣離子沉淀的特別能力,當加固土中存在大量鈣離子而胡敏酸含量有限時,其對水泥水化產物的影響也就很有限了。富里酸特別容易與含鋁多的礦物質顆粒進行結合,由于含鋁礦物晶格的層次排列,結合反應造成晶格層狀排列的重分布而分解,礦物分解的程度取決于它所含有鋁的多少。1.2改土固土研究試驗中采用了昆明水泥廠生產的“石林牌”42.5級普通硅酸鹽水泥(42.5P·O)作為主要固化劑,外摻料中選用了云南紅河石膏廠生產的純度較高(CaSO4·1/2H2O含量為89%)的熟石膏粉,還加入了一種國產的生物蛋白酶。單純用水泥一種固化材料對軟土進行固化,其主要的水化產物為具有較強膠結作用的水化硅酸鈣(CSH),雖然水化硅酸鈣(CSH)可以將松散的土體膠結為整體,在一定程度上提高了固化土的強度,但是,CSH填充孔隙的效率很低,并不能彌補土體中存在的大量孔隙造成的強度損失,因此,限制了固化土強度進一步的增長。當在以水泥為主材的固化材料中添加石膏時,石膏與水泥中的鋁酸鈣反應生成鈣礬石,鈣礬石含32個結晶水,在其形成過程中,固相體積將增長120%左右。由于其體積膨脹、填充孔隙,使固化土結構密實,孔隙量減少;除自身膨脹作用外,其針柱狀結晶相互交叉,與CSH一起形成獨特的空間網(wǎng)狀結構,在孔隙中形成了很好的支架結構,使孔隙細化。在泥炭質土這樣一種大孔隙比的土中,鈣礬石的這種填充和支撐孔隙的作用彌補了CSH的不足,摻加石膏還可使水化物增多、土粒間生長的鈣礬石針柱狀晶體限制土粒的移動,也有利于固化土的強度增長。以往泥炭質土的加固采用水泥和工業(yè)廢石膏取得一定效果,但對高有機質的泥炭質土的加固仍然是難題,因而,又嘗試加入一種非常規(guī)的外加劑——生物酶來進行加固試驗。運用生物酶作為外加劑來加固土,目前主要是采用美國的技術產品,如派酶—11Χ土壤固化酶和UBIX10DuraRoad兩類產品。其中派酶—11Χ產品在國內許多省份的道路工程中已經有不少運用。派酶產品介紹中,稱其主要適用于細粘性土、含有一定有機質的土壤。使用酶制品的優(yōu)點是該制品無毒、無污染,符合環(huán)保要求,比傳統(tǒng)道路所采用的混合土料造價低,而強度高、抗?jié)B性好,道路較能保持干燥,維護費用低。目前,國內企業(yè)尚不能生產土壤固化酶,國內學者對土壤固化酶的穩(wěn)定作用機理的研究文獻也較少。國外學者對土壤固化酶的穩(wěn)定作用機理的研究工作,有少量文獻報道。Raul等在明尼蘇達大學土木工程系2005年提供的有關酶溶液作為土壤固化劑的初步試驗研究報告中,闡述了酶在土體結構中作用的初步研究結果。文中認為,酶的作用主要表現(xiàn)在:使土顆粒周圍的結合水膜破壞,減小表面張力,使土壤粒子表面產生明顯的pH值梯度,有助于改變土壤原有結構而使抗?jié)B透性增加。由于每個土中微粒表面存在吸附水膜(土顆粒表面的強、弱結合水膜),水膜對土的物理力學性質有很大的影響,這種水膜幾乎控制了土中膠狀成分的膨脹和收縮,只用機械力的作用很難消除它。一般土顆粒表面最細小的膠狀粒子是陰性交換離子,吸附水膜中含有大量陽性交換離子,如鈉、鉀、鋁、鎂離子,這些陽性交換離子與膠狀陰性離子維持著電平衡。酶能使水分子分解為氫氧基OH-和H+粒子,氫氧基再分解為氫氣和氧氣,氫原子進一步轉化為水合氫離子,水合氫離子能根據(jù)周圍條件接受或拒絕陰或陽離子交換,由于酶的這一分解水的作用,使得有足夠的負電荷能施加適當?shù)膲毫υ谖剿ぶ械年栯x子上,結果使存在的靜電勢壘被破壞,當這一反應發(fā)生時,金屬離子遷移到自由水中,這樣,包裹在吸附水膜中的離子就減少,也使得水膜的表面張力減小。在Raul等對一種含蛋白類物質較高的加固土用酶制品的標準活性測試中,測試了氨基肽酶、脂肪酶、葡萄糖苷酶三種酶的活性。結果表明,沒有顯示出這三種酶的活性,當然不排除除此之外其他成千種酶可能具有的活性。但作者認為,這是令人驚訝和意味深長的,可能這種酶制品對土的固化作用不是通過催化(即酶的活性)作用,而是通過類似表面活性劑的作用。試驗中,選擇了幾種國產酶制品做了一系列試驗,最終找到一種蛋白酶具有明顯的加固效果,其最佳摻入比為0.1%～0.2%。2混凝土養(yǎng)護試驗采用人工攪拌,振動臺上振密實(振動時間2min),制作試模尺寸為70.7mm×70.7mm×70.7mm的加固土試塊,總水灰比為0.53,制成后24h拆模,送混凝土標準養(yǎng)護室養(yǎng)護。分別在7d,28d和90d取出,測定試塊的無側限抗壓強度。每個配比每個齡期做6個試塊,同一組6個試塊的無側限抗壓強度(單位為MPa)中,若某數(shù)據(jù)高于或低于6個數(shù)據(jù)的平均值的20%,則剔除,然后重新計算平均值。試驗方案設計為三因素二水平正交試驗(Lnqp,n=4,q=2,p=3),編為1～4組;為驗證酶的效果,又補充了4組沒有加酶只加入水泥和熟石膏的輔助試驗方案,編為5～8組,第5,6,7,8組分別與4,3,2,1組的水泥和熟石膏的配比相同,見表1。3結果分析3.1試驗結果試驗結果見表2。3.2試驗結果的分析3.2.1有酶、無酶檢測對比從表2可以直接看出,7d和28d,90d的無側限抗壓試驗,最大力平均值最高的分別是2,1,3組。水泥和熟石膏配比相同的有酶與無酶對照的任意兩組,有酶的要比無酶的強度高。其中,酶摻入比為0.1%的兩個對照組,有酶的兩組與無酶的7組相比,7d強度提高50%,28d強度提高57%,90d強度提高了43%,強度提高最明顯;有酶的3組和無酶的6組相比,7d強度提高了30%,28d強度提高20.8%,90d強度提高44.3%,強度提高也較明顯。酶摻入比為0.2%的兩個對照組,有酶的4組和無酶的5組相比,7d強度提高36.8%,28d強度提高18.4%,90d強度提高7.4%,強度提高不大。有酶的1組與無酶的8組相比,7d強度提高15%,28d強度提高3.7%,90d強度提高2.95%,強度提高不明顯;可見,酶在0.1%的摻入比下,效果較好。3.2.2計算與分析(1)各因素作用的大小計算1～4組的正交試驗k值和極差R,見表3。k1是各因素1水平兩次試驗結果的平均值,k2是各因素2水平兩次試驗結果的平均值。極差R為各列的k1,k2兩數(shù)中大、小數(shù)之差。正交試驗分析中,極差大的因素通常是主要因素,而極差小的因素,往往是不重要的因素,可用極差R的大小來衡量試驗中各因素作用的大小。由表中可以看出,因素的主次順序,對7d強度影響較大的因素是水泥,也即產生強度差異的主要原因是水泥的摻量,其次是蛋白酶,最次是熟石膏,此時最佳組合是A1,B2,C2,即水泥∶熟石膏∶酶摻入比=25%∶6%∶0.1%;對28d強度影響較大的因素是熟石膏,其次是水泥,最次是蛋白酶,此時最佳組合是A1,B1,C2,即水泥∶熟石膏∶酶摻入比=25%∶12%∶0.1%;對90d強度影響較大的因素是熟石膏,其次是蛋白酶,最次是水泥,此時最佳組合與28d一樣是A1,B1,C2,即水泥∶熟石膏∶酶摻入比=25%∶12%∶0.1%。而本次正交試驗中,并無這樣的一組配比,有待進一步試驗。(2)正交試驗的方差分析由于在正交試驗的直觀分析中,極差法沒有把由于因素水平的改變所引起的數(shù)據(jù)波動與試驗誤差引起的數(shù)據(jù)波動區(qū)別開來,因而,一般不能顧及試驗誤差的大小。這時,可采用統(tǒng)計學中正交試驗的方差分析來輔助判別,判斷所考察的因素作用是否顯著。以下,為90d正交重復試驗的方差分析(正交表行數(shù)n=4,重復試驗次數(shù)m=6)結果,見表4～6。給定顯著性水平α=0.1與0.05,查表得F0.9(1,23)=2.94,F0.95(1,23)=4.28,可見,三因子值FB=18.12>F0.95(1,23)=4.28,FA=1.27<F0.9(1,23)=2.94,FC=1.89<F0.9(1,23)=2.94,因子B即熟石膏較顯著,這一結果與極差分析的結果相吻合。4質量增加速度本次試驗還進行了前述8組試塊的抗硫酸鹽侵蝕試驗,將成型后7d的各組每一試塊用1.5%的硫酸鈉溶液循環(huán)浸泡至90d,結果浸泡后相比浸泡前質量增長2.6%～4.6%,隨浸泡時間延長,質量增加的速度下降,28d內質量增加速度最快,與28～60d,60～90d內的質量增加速度總體成等比下降趨勢,90d后,試塊未出現(xiàn)崩解現(xiàn)象,基本完好,說明這些試塊具有一定的抵抗硫酸鹽侵蝕的性能。與標準養(yǎng)護室中的同一組試塊相比,浸泡過硫酸鹽溶液的試塊其90d試塊無側限抗壓強度也有不同程度的提高,其中2組和7組(25%水泥、6%熟石膏的有酶與無酶組)強度提高最大,達35%～40%。浸泡過的有酶與無酶對照組中,90d強度1組比8組強度增長26.5%,2組比7組強度增長48.27%,3組比6組強度增長36.2%,4組比5組強度增長23.9%,顯示有酶組浸泡在硫酸鈉溶液中具有更好的提高強度的效果。5中、長齡期試塊的強度本次試驗可得出以下結論:對泥炭質土中加入水泥、熟石膏、蛋白酶制成的水泥加固土試塊,酶在最佳摻入比(