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，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的需要。對于土的固化及其機制等方面,已有學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)境對提高水泥土強度有很大的促進作用。然而,目前關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制,并以此為根據(jù)進行水泥土固化強度宏觀與微觀研究,最后通過現(xiàn)場試驗進行驗證,為進一步深入研究堿性環(huán)境對水泥土強度的影響打下基礎,也為濱海新區(qū)軟土地基處理技術及其影響因素提供理論依據(jù)。2固土試驗的制備和維護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1d脫模,再進行保濕保溫養(yǎng)護。試驗前一天浸入水中24h,測其7、14d及28d無側(cè)限抗壓強度,取拌和好的混合料后,也測定其pH值。2.4樣品的維護脫模后保濕保溫分別養(yǎng)護6、13、27d后浸入水中養(yǎng)護1d,測定其7、14、28d無側(cè)限抗壓強度。3土的物理力學試驗現(xiàn)場鉆探取樣,在室內(nèi)進行原狀土(天津海積軟土)的各種物理力學試驗,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)限壓強度和微觀結(jié)構的研究4.1加堿水巖土抗壓強度試驗按照上述試樣的制備及養(yǎng)護要求,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)限限抗壓強度,28d水泥土及加堿水泥土無側(cè)限抗壓強度與增幅見表2。表2的試驗結(jié)果可以歸納為:(1)堿性環(huán)境對水泥土強度的提高有一定的促進作用,外加堿性添加劑時其強度比純水泥土強度高20%~40%左右。堿性外加劑(NaOH、Na2CO3)對水泥土強度的提高有一定的作用范圍,當堿性添加劑含量在0.5%~0.8%左右時效果最佳;(2)雖然堿性環(huán)境對水泥土的強度有一定的促進作用,但對水泥土強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行微觀結(jié)構分析。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(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,增加了土體的強度。為了定量地對微觀結(jié)構進行分析,本文對掃描照片進行了量化分析,結(jié)果見表3。通過對微觀結(jié)構進行定量分析發(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)構說明摻堿性外加劑對提高水泥土強度有促進作用的機制所在。5水土強度的影響研究水泥固化土強度的同時,對堿性環(huán)境(pH值)對固化土強度的影響進行了相應地研究。pH值對水泥土強度的影響,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強度與pH值之間的關系進行研究,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,水泥固化土的強度才能達到最大值。另外,堿性環(huán)境對固化土強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,對水泥土強度的提高起反作用。水泥土強度的構成主要是土的固有結(jié)構與組成、物理改良、水泥硬化、硬凝反應,其中水泥硬化對強度的貢獻最大,整個強度增加的過程是水泥的水解水化反應、土顆粒與水泥水化物的離子交換、固?；饔?、凝硬作用、碳酸化作用等一系列復雜的物理化學反應作用的綜合。據(jù)關文獻介紹,當?shù)叵滤蛲翗拥膒H<<4時,土樣呈酸性,將嚴重影響水泥水化反應的進行,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反應,不能用水泥加固土。不同的外加劑對水泥土強度有著不同的影響。合適的外加劑可以提高水泥土強度或節(jié)省水泥用量。當水泥土試樣中液相(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)量和水泥土強度也呈同樣趨勢。反之,當水泥土中液相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?？紫?加強了土的強度。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,并使之具有極強的堿性化學環(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,它們共同構成土顆粒間和土顆粒表面的充填物和包裹物,加強了顆粒間聯(lián)結(jié),并使水泥土的孔隙明顯減小,加固了土的強度。通過研究還發(fā)現(xiàn)強堿對強度的提高有一定的作用范圍,也就是說強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)境變成強堿性環(huán)境,有利于提高水泥土的固化強度,與室內(nèi)試驗成果趨于一致。從環(huán)境保護方面來考慮,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,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?shù)赝寥拉h(huán)境。7堿性環(huán)境對水巖土強度的影響(1)水泥土的固化過程是一系列的物理化學反應過程,固化效果與土性質(zhì)及其所處環(huán)境有關。水泥土的強度主要由水泥摻量決定,酸堿度起輔助作用。(2)堿性環(huán)境對水泥土強度的影響有一定的范圍,當水泥土中的pH