水黏土固化處理的研究

水黏土固化處理的研究

1對于水土流失的控制加快天津濱海新區(qū)的開發(fā)建設(shè)，是渤海發(fā)展乃至全國發(fā)展戰(zhàn)略布局的重要組成部分。新區(qū)屬于典型的濱海相-海陸交互相沉積所形成的軟土地基,其含水率高,壓縮性高,孔隙比高,承載力低,很難直接滿足工程建設(shè)的需要。對于土的固化及其機(jī)制等方面,已有學(xué)者作了大量的研究工作,取得了一定的成果。對于軟土的固化,目前廣泛使用的水泥作為固化劑,其強(qiáng)度很難再有所提高,本文通過試驗發(fā)現(xiàn),改變水泥土的酸堿環(huán)境對提高水泥土強(qiáng)度有很大的促進(jìn)作用。然而,目前關(guān)于這方面的研究尚不充分。針對上述問題,本文研究了堿性環(huán)境對水泥土的固化影響機(jī)制,并以此為根據(jù)進(jìn)行水泥土固化強(qiáng)度宏觀與微觀研究,最后通過現(xiàn)場試驗進(jìn)行驗證,為進(jìn)一步深入研究堿性環(huán)境對水泥土強(qiáng)度的影響打下基礎(chǔ),也為濱海新區(qū)軟土地基處理技術(shù)及其影響因素提供理論依據(jù)。2固土試驗的制備和維護(hù)2.1水泥及其外加劑的混合量定義摻入量:2.2無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗用土為天津濱海新區(qū)海積軟土,pH=8.7,無側(cè)限抗壓強(qiáng)度為28.3kPa,水泥為礦渣325水泥,NaOH以及Na2CO3為工業(yè)分析純。2.3試膜的制備和養(yǎng)護(hù)試驗前將土樣在105℃~110℃溫度下烘干磨碎過2mm篩,將水泥、堿性外加劑和土樣拌勻,按天然含水率加水,采用7.07cm×7.07cm×7.07cm的試膜振動成型,恒溫(20±2)℃,恒濕(相對濕度為95%)養(yǎng)護(hù)1d脫模,再進(jìn)行保濕保溫養(yǎng)護(hù)。試驗前一天浸入水中24h,測其7、14d及28d無側(cè)限抗壓強(qiáng)度,取拌和好的混合料后,也測定其pH值。2.4樣品的維護(hù)脫模后保濕保溫分別養(yǎng)護(hù)6、13、27d后浸入水中養(yǎng)護(hù)1d,測定其7、14、28d無側(cè)限抗壓強(qiáng)度。3土的物理力學(xué)試驗現(xiàn)場鉆探取樣,在室內(nèi)進(jìn)行原狀土(天津海積軟土)的各種物理力學(xué)試驗,試驗結(jié)果見表1。從表1可以看出,天津海積軟土為典型的軟土,高含水率、高壓縮性、低承載力、工程實用性差。4對固土無側(cè)限壓強(qiáng)度和微觀結(jié)構(gòu)的研究4.1加堿水巖土抗壓強(qiáng)度試驗按照上述試樣的制備及養(yǎng)護(hù)要求,制作10%、12%、15%、18%、20%的水泥土以及10%、12%、15%水泥土中分別加入0.1%、0.5%、0.8%、1.0%堿性外加劑(NaOH、Na2CO3)試樣,測定其無側(cè)限限抗壓強(qiáng)度,28d水泥土及加堿水泥土無側(cè)限抗壓強(qiáng)度與增幅見表2。表2的試驗結(jié)果可以歸納為:(1)堿性環(huán)境對水泥土強(qiáng)度的提高有一定的促進(jìn)作用,外加堿性添加劑時其強(qiáng)度比純水泥土強(qiáng)度高20%~40%左右。堿性外加劑(NaOH、Na2CO3)對水泥土強(qiáng)度的提高有一定的作用范圍,當(dāng)堿性添加劑含量在0.5%~0.8%左右時效果最佳;(2)雖然堿性環(huán)境對水泥土的強(qiáng)度有一定的促進(jìn)作用,但對水泥土強(qiáng)度起主要作用的還是主固化劑水泥;(3)在本研究條件下堿性添加劑的增強(qiáng)作用有隨水泥含量增加而增加趨勢。4.2水土性土微結(jié)構(gòu)的變化本文選取10%水泥土外加NaOH及Na2CO3等堿性外加劑的固化土進(jìn)行微觀結(jié)構(gòu)分析。圖2、3為原狀海積軟土掃描圖像,圖4為摻堿性外加劑的固化土的掃描圖像。由圖2、3可知,未處理的原狀土微結(jié)構(gòu)為絮凝狀,骨質(zhì)疏松,而從摻堿性外加劑的固化土微結(jié)構(gòu)(圖4)中可見,有新生成的化合物如針狀硅酸鈣晶體及板狀Ca(OH)2晶體,新的生成物填充了土體的孔隙,增加了土體的強(qiáng)度。為了定量地對微觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析,本文對掃描照片進(jìn)行了量化分析,結(jié)果見表3。通過對微觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行定量分析發(fā)現(xiàn),水泥土及摻堿性外加劑的水泥土的平面孔隙含量、平均孔隙面積及周長均比原狀土要小,說明水泥及外加劑的摻入,使土體孔隙變少,變得更密實,因此固化強(qiáng)度比原狀土高。在水泥摻量不變的情況下,摻堿性外加劑的水泥土比純水泥土的平面孔隙含量、平均孔隙面積及周長更小,這也從微觀結(jié)構(gòu)說明摻堿性外加劑對提高水泥土強(qiáng)度有促進(jìn)作用的機(jī)制所在。5水土強(qiáng)度的影響研究水泥固化土強(qiáng)度的同時,對堿性環(huán)境(pH值)對固化土強(qiáng)度的影響進(jìn)行了相應(yīng)地研究。pH值對水泥土強(qiáng)度的影響,實際上反映的是堿性外加劑(NaOH、Na2CO3)摻量的影響。本次pH值在試樣成模之前測定,并對7、14、28d強(qiáng)度與pH值之間的關(guān)系進(jìn)行研究,其成果如圖1所示。試驗研究表明,堿性環(huán)境對水泥固化土強(qiáng)度有影響,其隨水泥含量增加而有所變化,水泥含量增加時,必須提高pH值,即增加NaOH、Na2CO3摻量,水泥固化土的強(qiáng)度才能達(dá)到最大值。另外,堿性環(huán)境對固化土強(qiáng)度影響有一定的范圍,即pH值不能超過12.5,即堿性外加劑NaOH、Na2CO3摻量在本研究條件下不能超過0.8%,否則,對水泥土強(qiáng)度的提高起反作用。水泥土強(qiáng)度的構(gòu)成主要是土的固有結(jié)構(gòu)與組成、物理改良、水泥硬化、硬凝反應(yīng),其中水泥硬化對強(qiáng)度的貢獻(xiàn)最大,整個強(qiáng)度增加的過程是水泥的水解水化反應(yīng)、土顆粒與水泥水化物的離子交換、固粒化作用、凝硬作用、碳酸化作用等一系列復(fù)雜的物理化學(xué)反應(yīng)作用的綜合。據(jù)關(guān)文獻(xiàn)介紹,當(dāng)?shù)叵滤蛲翗拥膒H<<4時,土樣呈酸性,將嚴(yán)重影響水泥水化反應(yīng)的進(jìn)行,水泥水化的不完善將阻礙水泥與土的顆粒發(fā)生一系列的物理化學(xué)反應(yīng),不能用水泥加固土。不同的外加劑對水泥土強(qiáng)度有著不同的影響。合適的外加劑可以提高水泥土強(qiáng)度或節(jié)省水泥用量。當(dāng)水泥土試樣中液相(OH)-和CaO濃度以及Ca2+、(OH)-數(shù)值呈下降趨勢時,水泥土中水化產(chǎn)物的數(shù)量和水泥土強(qiáng)度也呈同樣趨勢。反之,當(dāng)水泥土中液相CaO和(OH)-高,則水泥水化產(chǎn)物(新晶體)生成量大。新晶體的析出,一方面成為土顆粒間的聯(lián)結(jié)體,另一方面充填了顆粒孔隙,加強(qiáng)了土的強(qiáng)度。為使水泥水化后形成足夠的水化硅酸鈣,水泥材料必須有過量活性(游離)CaO,在水化后產(chǎn)生過量的過飽和Ca(OH)2溶液,并使之具有極強(qiáng)的堿性化學(xué)環(huán)境。NaOH以及Na2CO3作為堿性外加劑加入水泥土中可使水泥土保持強(qiáng)堿性,使OH-濃度增加,促使生成大量針狀棒狀或纖維狀水化硅酸鈣晶體,抑制了能產(chǎn)生膨脹作用的鈣礬石的生成,同時有Ca(OH)2晶體析出,它們共同構(gòu)成土顆粒間和土顆粒表面的充填物和包裹物,加強(qiáng)了顆粒間聯(lián)結(jié),并使水泥土的孔隙明顯減小,加固了土的強(qiáng)度。通過研究還發(fā)現(xiàn)強(qiáng)堿對強(qiáng)度的提高有一定的作用范圍,也就是說強(qiáng)堿促使固化土生成新的固化物不宜過多,否則會產(chǎn)生膨脹作用,反而降低固化土的強(qiáng)度。6水土流失固載試驗結(jié)果為了驗證堿性環(huán)境對水泥固化土強(qiáng)度的提高作用,本文選用天津濱海新區(qū)漢沽區(qū)一工程場地進(jìn)行了現(xiàn)場驗證試驗。試驗采用深層攪拌樁,28d時取樣做無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗,試驗結(jié)果見表4。試驗結(jié)果表明,摻堿性外加劑改變了水泥土的酸堿度,使其所處環(huán)境變成強(qiáng)堿性環(huán)境,有利于提高水泥土的固化強(qiáng)度,與室內(nèi)試驗成果趨于一致。從環(huán)境保護(hù)方面來考慮,水泥土+NaOH或Na2CO3固化處理濱海新區(qū)海積軟土是一種好的選擇,減少了水泥的用量,因此可以減少因為水泥的運輸施工等帶來的環(huán)境污染問題,而NaOH或Na2CO3作為外加劑只改變了土壤的酸堿度,使土壤堿性加強(qiáng),而濱海新區(qū)本身就是鹽漬土地區(qū),所以,NaOH或Na2CO3等堿性外加劑的加入沒有從根本上破壞當(dāng)?shù)赝寥拉h(huán)境。7堿性環(huán)境對水巖土強(qiáng)度的影響(1)水泥土的固化過程是一系列的物理化學(xué)反應(yīng)過程,固化效果與土性質(zhì)及其所處環(huán)境有關(guān)。水泥土的強(qiáng)度主要由水泥摻量決定,酸堿度起輔助作用。(2)堿性環(huán)境對水泥土強(qiáng)度的影響有一定的范圍,當(dāng)水泥土中的pH