水泥加固軟土過程中有機質行為研究(陳慧娥).ppt

1、,水泥加固軟土過程中有機質的行為研究,陳慧娥 吉林大學建設工程學院,一.問題的提出 二.研究現(xiàn)狀 三.室內試驗 1.外摻劑的選取 2.試樣的制備 3.試樣性質測試與結果分析 四.結論及建議,近年來，隨著我國經(jīng)濟建設的發(fā)展和對外開放的需要，軟土的開發(fā)和利用不斷發(fā)展。由于軟土的特殊性質（高孔隙比、大含水量、低強度、高壓縮性及低滲透性等），因此在大量的工程中，如機場、碼頭、高速公路、高層建筑深基坑等均會遇到軟土工程問題。軟土工程在我國已有相當長的歷史，目前國際上已有的軟土工程技術在我國也都有應用與發(fā)展。其中水泥土復合地基技術（深層攪拌與旋噴）在軟土地基加固中得到了廣泛應用并取得了一定的效果。但是由于

2、各地軟土成因多種多樣，物質組成千差萬別，因此在加固工程中即使水泥摻入比和施工工藝完全一致，水泥加固軟土效果也會有所差異，甚至在一些,一. 問題的提出,一. 問題的提出,工程實例中出現(xiàn)了加固失敗的問題。例如，1985年冬，在我國西南地區(qū)采用深層攪拌加固土法曾有一個沼澤相泥炭土的加固工程，該泥炭土單用水泥加固，即使摻入比達30%，加固土的強度也難達到300Kpa，以致使水泥加固泥炭土喪失經(jīng)濟技術效益。在對變形和強度變化的機理研究中發(fā)現(xiàn)軟土內有機質在加固過程中起到一定的作用，它能阻礙水泥的水化反應，從而影響水泥土強度的形成，因此深入研究有機質在水泥加固軟土中的行為，了解有機質的各種作用，對指導工程實

3、踐，改良加固方法帶來巨大益處。,二. 研究現(xiàn)狀,1.有機質的組成 土壤有機質是土壤固相的一個重要組成部分，它的存在改變或影響著土壤的一系列物理的、化學的、生物的性質。土壤有機質或稱腐殖質的主體是腐殖物質，它們大多數(shù)與土中無機成分相結合，以復合體的形式存在于土體中。結合態(tài)腐殖質因其溶解程度不同可有三種存在狀態(tài)，即松結態(tài)腐殖質、穩(wěn)結態(tài)腐殖質和緊結態(tài)腐殖質。這三種結合態(tài)腐殖質的活動性由強到弱，松結態(tài)腐殖質性質最活躍，易與其它物質相結合，而緊結態(tài)腐殖質最穩(wěn)定，是一類與土壤的礦質部分結合得最緊密的有機質。從成份角度來講，土壤有機質最具有代表性的成份可歸為胡敏酸、富里酸和胡敏素。其中胡敏素即為緊結腐殖質的

4、物質組成，而胡敏酸與富里酸均存在于松結態(tài)與穩(wěn)結態(tài)腐殖質中。 土壤腐殖質的分組見圖1。,二. 研究現(xiàn)狀,圖1土壤腐殖質分組示意圖,2.有機質對土性質影響的研究 初期，和工程相關的有機質研究的重點是有機質對土體性質的影響。E.M.謝爾蓋耶夫曾指出，有機物腐殖質的特點是親水性強，容水性高，可塑性強，透水性低和壓縮性強等，巖土中含有即使是少量的凝膠化有機物，其性質也會發(fā)生根本變化。例如，細分散的砂土中混雜有少量腐殖質會使其具有流砂性質；向砂土中添加百分之幾的腐殖質會成百倍地降低其透水性。與巖土的礦物組分相比，物理化學活性高是大部分有機組分的重要特點。有機物基本上都具有酸性，是非常活躍的風化營力，能分解

5、硅酸鹽類及其它礦物。另有學者提出，土體中若含有1%的腐殖質時，則其所起的作用相當于由1.5%其它礦物成分形成的粘粒。因此，土體中有機質含量較高時，其親水性、可塑性較高，壓縮性大，透水性及抗剪強度較低。同時，土中腐殖質的含量對土的陽離子交換容量也有很大影響，土中每增加1%的腐殖質，交換容量可增加1mmol/100g，含腐殖質越多的土，交換容量越高。,二. 研究現(xiàn)狀,3.有機質影響水泥攪拌樁強度的機理研究 研究發(fā)現(xiàn)有機質組成中影響水泥土無側限抗壓強度的主要成分為富里酸。在富里酸、水、水泥土體系中，富里酸一般先以水溶液形式存在，其與水泥礦物吸附所形成的吸附層延緩了水泥水化的進程；其次，在已經(jīng)生成的水

6、化鋁酸鈣等晶體中，由于富里酸對含鋁礦物特殊的分解作用使這些水化產(chǎn)物解體，破壞了水泥土結構的形成，阻礙了水泥的水化反應。 一些學者對富里酸的作用做出了更進一步的解釋。他們指出富里酸與礦物的接觸開始后，便被礦物顆粒所吸收形成一個吸附膜層，并且由于功能團分子鍵作用而使吸附過程具有明顯的化學性質。其次，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，故此種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的鋁的多少。在水泥水化體系中，硅酸鹽水泥的水化產(chǎn)物為氫氧化鈣、水化硅酸鈣、水化鋁酸鈣，水化與結晶可形成特有的晶格網(wǎng)狀結構的水泥石。但在富里酸、水、水泥體系中，,二

7、. 研究現(xiàn)狀,一般地富里酸首先呈水溶性形式存在，在水泥與富里酸水溶液接觸后，體系中：一方面水泥的水化開始；另一方面富里酸與水泥礦物的吸附作用所形成的吸附層又延緩了水泥水化的進程。其次在已生成的水化鋁酸鈣、水化硫鋁酸鈣及水化鐵鋁酸鈣晶體中，富里酸的分解作用使這些水化產(chǎn)物解體，破壞了水泥土結構的形成，呈現(xiàn)出一種化學風化的特征。 另外，黑色胡敏酸對鈣有很強的化學親合勢。當溶液中存在一定數(shù)量的鈣時，黑色胡敏酸便與它生成胡敏酸鈣沉淀。后者不易溶解，并呈中性反應。由于胡敏酸具有與鈣結合并沉淀特別能力，因此，它的存在將會對水泥水化產(chǎn)物產(chǎn)生影響，尤其當水泥水化產(chǎn)生大量的鈣離子，而土中胡敏酸含量又較大時，這種作

8、用就更加明顯。從而進一步影響結晶物質的形成。,二. 研究現(xiàn)狀,以上觀點是從有機酸對水化反應的抑制和水化產(chǎn)物的分解這一角度來說明有機質影響水泥土強度形成的。曾衛(wèi)東等（2002年）指出，土中有機質的存在阻礙了水泥水化反應的進行，是由其結構特點所決定的。從微觀結構來看，有機質顆粒比大多數(shù)粘土礦物顆粒還要小，呈圓粒狀、分子結構不緊密，具絮凝狀結構、微孔隙發(fā)育，且呈鏈狀連結而成集粒。有機質的結構特征在相當程度上決定了其持水性和吸附性都很強，有機質顆粒吸附于水泥顆粒及粘土顆粒表面，阻礙和延緩了水泥水化產(chǎn)物的形成及水泥水化產(chǎn)物與粘土顆粒之間的作用；而且有機質為酸性體，顆粒帶負電，且具有比粘土礦物顆粒更發(fā)育的

9、雙電層，這些因素阻礙了水泥土的加固作用，導致水泥加固土的效果較差，水泥土的強度一般較低。,二. 研究現(xiàn)狀,4.采用水泥加固高有機質含量軟土對策的研究 荀勇研究發(fā)現(xiàn)采用工業(yè)廢石膏和水泥組成固化劑，再摻入少量的粉煤灰，會取得很好的加固效果。其原因在于加固土的強度取決于微觀孔隙和孔徑的減小程度以及水化硅酸鈣（CSH）膠結作用兩個方面。一方面，廢石膏中的主要成分CaSO4可與含鋁相發(fā)生反應，產(chǎn)生大量的鈣礬石，其固相體積膨脹 ，填充了部分孔隙 ，使土體孔隙減小 ，且其較大的針刺狀晶體在孔隙中生成，相互交叉與水化硅酸鈣一起形成空間結構，使固化土孔徑分布細化。另一方面可以生成水化硅酸鈣和水化鋁酸鈣，從而增強

10、了晶體礦物之間的膠凝作用。同時，粉煤灰的微珠效應可改變水泥土的流變學性質，使振動粘度系數(shù)小，使加固土易于拌勻，密實，降低加固土孔隙，減小孔徑。粉煤灰對水泥熟料的分散作用，能減小有機質對水泥水化的阻礙。粉煤灰對有機質的物理吸附作用也起到一定的作用。,二. 研究現(xiàn)狀,潘林有從富里酸的作用機理出發(fā)，尋找出一種復合添加劑，這種復合添加劑摻入量較大，部分代替水泥摻入量，它一方面能抵抗富里酸的侵蝕，另一方面又能調節(jié)水化硅酸鈣晶體的成長速度。經(jīng)過大量的室內正交試驗，得出其最佳配方為：水泥摻量11%，生石膏粉為水泥重的5%，水玻璃為水泥重的5%，粉煤灰為水泥重的30%，PL1復合添加劑為水泥重的0.5%。PL

11、1復合添加劑中含有三乙醇胺，鹽鹵，紅礬，綠礬等化學物質。且該配方在工程中已得到初步驗證。,曾衛(wèi)東等在深層攪拌法處理高有機質含量的泥炭質土的研究中，選用早強劑、減水劑搭配成三種組合方案作為外摻劑與水泥共同作用進行地基加固。其中減水劑的主要作用是減小土中水量，節(jié)省水泥用量。而早強劑的作用機理主要是，早強劑的加入，一方面使其本身與水泥顆粒表面礦物發(fā)生化學反應，生成不溶于水的水化產(chǎn)物，更重要的是能加快水泥的水解和水化反應，生成氫氧化鈣、含水硅酸鈣、含水硅酸鈉、含水鋁酸鈣等水化物，這些水化物又與具有一定活性的粘土顆粒發(fā)生離子交換、團粒化作用及凝硬反應，從而使水泥土的強度大大提高。通過對比研究，得出最佳的

12、外摻劑配比方案為由硫酸鈉、氯化鈉、三乙醇胺構成的復合早強劑。,二. 研究現(xiàn)狀,潘殿琦等從影響水泥攪拌樁樁體強度的因素角度考慮在水泥漿中加入減水劑和早強劑。水泥減水劑是具有表面活性的低分子有機物，它吸附到水泥顆粒表面，阻止水泥顆粒間的聚結，因而提高了水泥顆粒的分散性，釋放了被水泥顆粒網(wǎng)狀結構所包圍的水，改善了水泥顆粒與水接觸的水化條件，增加了水泥漿的水化面積，從而提高水泥土的強度。減水劑的類型主要有木鈣粉、亞甲基二萘磺酸鈉、已糖二酸鈣等。 另一方面，不同的外摻劑對水泥土強度有著不同的影響。如木質磺酸鈣對水泥土強度的增長影響不大，主要起減水作用。石膏、三乙醇胺對水泥土強度有增強作用，而其增強效果不

13、同土樣和不同水泥摻入比又有所不同，所以選擇合適的外摻劑可提高水泥土強度和節(jié)約水泥用量。一般早強劑可選用三乙醇胺、氯化鈣、碳酸鈉或水玻璃等材料，其摻入量宜分別取水泥重量的0.05%、2%、0.5%和2%；減水劑可選用木質素磺酸鈣，其摻入量宜取水泥重量的0.2%；石膏兼有緩凝和早強的雙重作用，其摻入量宜取水泥重量的2%。,二. 研究現(xiàn)狀,三. 室內試驗,1.外摻劑的選取 a.早強劑：能夠提高早期強度 ，一方面，外摻劑本身與水泥顆粒表面礦物發(fā)生化學反應，生成不溶于水的水化產(chǎn)物，另一方面，外摻劑的加入能加快水泥的水解和水化反應，生成氫氧化鈣、含水硅酸鈣、含水硅酸鈉、含水鋁酸鈣等水化物，這些水化物又與具

14、有一定活性的粘土顆粒發(fā)生離子交換、團粒化作用及凝硬反應，從而使得水泥土強度大大提高。常用的早強劑主要有氯鹽類早強劑、硫酸鹽類早強劑、有機胺類早強劑三種。此處選用硫酸鈉、氯化鈉、三乙醇胺配比作為早強劑，重量按水泥重的2%、0.5%、0.05%計算。,b.結晶硫酸鈣 :由于胡敏酸具有結合鈣并沉淀的特別能力，因而，它的存在將會對水泥的加固效果產(chǎn)生影響，即大量結合水化產(chǎn)物中的鈣離子，從而導致鈣質結晶難以形成，影響水泥土的強度。故第二種外摻劑選擇結晶硫酸鈣，以補充鈣離子的消耗，重量按水泥重的2.55%計算。 c.硫酸鋁：用于抵消富里酸對含鋁礦物的分解，重量按水泥重的2.55%計算。,三. 室內試驗,2.

15、試樣制備 試驗所用土為取自廣州小谷圍島的淤泥質土。經(jīng)測定土樣有機質含量為17.42%。制樣前先將土風干，碾碎，過2.5mm篩，以確保試驗用土的均勻性。制樣時，按設計配比分別稱量土、水泥（按水土總重的15%加入）及三種外摻劑。先將干粉料攪拌均勻，再按統(tǒng)一的含水量加水攪拌（含水量為原樣初始含水量60%），充分攪拌均勻后，在控制容重的條件下以手工壓筑法將土樣裝入飽和器，制成無側限抗壓試樣，最后將試樣密封養(yǎng)護，養(yǎng)護期為28天。各試樣情況見表1。 表1試樣說明表,三. 室內試驗,3.試樣性質測試及結果分析 a.力學性質 由表2中可以看出，加入外摻劑以后，試樣的無側限抗壓強度值比單純用水泥加固的均有很大程

16、度的提高，外摻劑不同，其加固的效果也不同。其中3號樣的加固效果最好，也就是說，在三種外摻劑中，結晶硫酸鈣的加入很有效地補償了胡敏酸對鈣的沉淀作用，從而使得水泥水化產(chǎn)生的鈣能更充分地參與各種團?；?、硬化和結晶作用，促進了水泥土強度的增長。同樣，早強劑和硫酸鋁的加入對促進水泥早期水化反應的進行以及補償鋁質礦物的消耗都發(fā)揮了作用，只是影響的程度不同。,表2各試樣無側限抗壓強度成果表,三. 室內試驗,b. 陽離子交換容量,表3 各試樣陽離子交換容量成果表,由于加入的外摻劑中有交換性離子，因此加入外摻劑后試樣的陽離子交 換容量均有所提高，而且2號樣中加入的交換性離子最多，且其不參與各種 結晶及膠結反應，

17、所以交換容量最大。3號樣中加入的交換性離子比4號樣 多，但其交換容量小于4號樣，這主要是因為3號樣中加入的鈣離子大部分 參與了水泥的團?；饔眉坝材磻?，形成結晶物質，參與了水泥土強度的 形成，因而它具有較小的陽離子交換容量。,三. 室內試驗,c. 粒度成分,表4 各試樣粒度組成表/%,三. 室內試驗,d.微觀結構特征,1號樣(a),1號樣(b),1號樣(c),2號樣(a),三. 室內試驗,3號樣(a),3號樣(b),4號樣(a),4號樣(b),圖1各試樣微觀結構照片,三. 室內試驗,表5中的數(shù)據(jù)表明：加固后試樣中的松結態(tài)腐殖質含量大幅度減少，而穩(wěn)結態(tài)與緊結態(tài)腐殖質的總和相對增加。由此可看出，

18、水泥及各種外摻劑加入以后，土中性質較活躍的松結態(tài)腐殖質與各種水化產(chǎn)物及外摻劑相互作用，從而生成性質較穩(wěn)定的穩(wěn)結態(tài)與緊結態(tài)腐殖質。另外，在加固樣中，3號樣的穩(wěn)結態(tài)與緊結態(tài)腐殖質總量與松結態(tài)腐殖質含量的差值最大，亦即3號樣中參與腐殖質與水泥水化產(chǎn)物及外摻劑之間相互作用的松結態(tài)腐殖質最多，但由力學結果知道，3號樣的力學性質最好，由此可知，3號樣中與松結態(tài)腐殖質發(fā)生反應的物質主要為外摻劑結晶硫酸鈣，而水泥水化產(chǎn)物本身消耗很少。,表5試樣中不同結合狀態(tài)有機質含量表,三. 室內試驗,e.有機質測試,對原樣松結態(tài)腐殖質中的胡敏酸與富里酸進行分離，并測定其含量分別為8.07%與0.66%，也就是說，對這一土樣來說，松結態(tài)腐殖質的主要成分為胡敏酸，而富里酸只占極小的部分。