膠結細化巖土的性能研究*

郝建英 李憲軍

膠結土廣泛用于公路、鐵路、工業民用建筑、橋梁以及水利工程等,無論用于何種結構,膠結土都必須具有足夠的強度即具有承受各種荷載作用的能力,這種荷載來自外界作用的力和結構自身的重量,因此強度是膠結土性能的一個重要指標。抗壓強度是抵抗結構中的壓力作用,抗折強度是抵抗受載荷作用而彎曲的性能。膠結土的抗滲性是巖土抵抗壓力水滲透的能力,是膠結土耐久性的重要指標。抗滲性差的巖土,水分容易進入巖土內部引起侵蝕、水凍等破壞作用,有的甚至產生表面開裂和剝落。抗滲性越不好,有害物質的侵蝕速度越快,侵蝕深度越深,耐久性越差。因此,抗滲性能的優劣直接影響到工程建設的安全。早在20世紀50年代初期,國內外已有人對如何固土固砂進行了研究,但都因粘結強度低、成本較高及施工工藝復雜,甚至在環保方面還達不到要求而難以廣泛應用。進入80年代,人們開始使用全無機材料進行土壤膠粘劑的研究,但是因固化條件、成本、性能以及環保等因素滿足不了施工要求而放棄。因此研制一種低成本、強度較高、耐久性好、施工工藝簡單且符合環保要求的新型土壤膠粘劑就非常必要。根據工程需求,并在前期研究工作的基礎上,研制出一種高性能新型無機土壤膠粘劑。采用該膠粘劑與磨細的巖土按一定比例混合均勻,其抗壓、抗折強度和抗滲性能均大幅度提高,而且施工工藝簡單、成本低廉、無毒無污染,符合環保要求。解決了傳統膠結劑的一系列缺點和不足,為各項工程的應用和沙漠治理提供了技術保障,并對其膠結機理進行了研究。

1 試驗部分

1.1 試驗原材料

1)膠粘劑:膠粘各種土樣所使用的膠粘劑為硅酸鹽型無機膠粘劑[1],它的配制原料主要有三種:水溶性硅酸鈉(Na2O·n SiO2),氟硅酸鈉(Na2SiF6),磷酸(H3PO4)。其中,硅酸鈉為基料,氟硅酸鈉和磷酸為改性劑,另加少量添加劑。2)黏土:任選土樣,其細度磨成0.08 mm,與水泥同一細度,其化學成分質量分數分析見表1[2]。前期試驗土樣的粒度是0.355 mm～0.9 mm。

表1 化學成分質量分數分析 %

1.2 試樣制備

將所選土樣磨成粒度為0.08 mm的顆粒,然后加入配制好的膠粘劑,混合攪拌均勻后放入模型中,待初凝后(一般 2 h～8 h)取出,自然養護3 d以上,制成試塊:測試抗壓強度的試塊為70 mm×70 mm×70 mm的立方體;測試抗折強度的試塊為40 mm×40 mm×160mm的棱形;測試抗滲性能的試塊為小端直徑175 mm,大端直徑185 mm,高 150 mm的圓臺形。在 MTS810 Teststar材料試驗機上測試抗壓強度,在抗折試驗機上測試抗折強度,在HS-40 W數顯抗滲儀上測試抗滲性能,用相對滲透系數表示。

2 測試結果與分析

2.1 性能測試結果

試驗各制備了4組,每組6個試樣,其各測試結果分別見表2～表4。

表2 抗壓強度測試值 MPa

表3 抗折強度測試值 MPa

表4 相對滲透系數 10-7 cm/s

2.2 結果分析

1)從表2可以看出,細化后的巖土與配好的膠粘劑混合后,其抗壓強度比未細化的膠結土的抗壓強度[2]提高了65%,說明細化顆粒可以極大地提高膠結土的抗壓強度。未細化的巖土顆粒粒徑為0.355 mm～0.9 mm,細化為0.08 mm時,巖土的比表面積增大,與無機膠的接觸比較完好,反應更充分,所以固結效果更好。2)從表3可以看出,細化后的膠結土的抗折強度已基本達到425,525水泥3 d,7 d的抗折強度值,已經接近于28 d的抗折強度值[3]。在大多數的工程建設中,機械強度一般以抗壓強度為主要指標,抗折強度僅次于抗壓強度。由前面分析可知,巖土膠粘劑可以滿足一些工程施工中的抗壓強度要求,進行對各種工程的修復。抗折強度也基本達到要求,如果通過研究,進一步提高它的抗壓強度、抗折強度,它的應用范圍將更廣泛。3)從表4可以看出,細化后的膠結土的相對滲透系數偏小,說明滲水量較少,抗滲性能較好。這是因為細化后的巖土與無機膠混合更均勻,形成氣孔率很低的凝膠,致密度比較高,所以抗滲性能好。

3 膠結機理研究

巖土膠粘劑的膠結機理實質上是硅酸鈉與氟硅酸鈉反應產生的二氧化硅溶膠變成二氧化硅凝膠的過程。硅酸在水中的溶解度很小,但水溶性硅酸鈉中的 m SiO2是硅酸多分子的聚合體構成的膠態微粒。由于水合作用,膠體帶有相當的陰電荷,而周圍是等量的H+,堿金屬離子的作用在于保持平衡穩定。當硅酸鈉與土壤脫水反應或形成氫鍵時,從溶液中析出SiO2膠體,新形成的SiO2具有極大的活性,將周圍的土牢牢地膠結在一起。氟硅酸鈉的加入是因為它的水解,增加了SiO2膠體的濃度,同時中和了硅酸鈉水解生成的NaOH,減少對SiO2溶膠的作用。

反應后產生的SiO2,包括土中的SiO2分子,總是傾向于形成[SiO4]四面體,或者說得更明確些,4價的硅離子要求4個氧離子將它包圍才能起到“屏蔽”的作用,而2個氧離子是不夠的。由于[SiO4]四面體通過共角互相連接,則每個四面體的四角共有4個氧離子,按共角連接可形成一個空間網絡。兩種網狀結構間相互作用,并將周圍的土牢牢的固結在一起,使膠化后的土具有一定的抗壓強度。隨著氟硅酸鈉加入量的增加,產生的SiO2分子增多,使得兩種網狀結構間相互作用的效果更好,空間網絡更密,抗壓強度也會隨著增大。

4 結語

1)細化后的巖土與無機膠混合后,其抗壓強度遠遠高于粗顆粒的膠結巖土的抗壓強度,說明顆粒相對越細,抗壓強度相對越高。

2)膠結細化巖土的抗折強度已達到了常用水泥的3 d和7 d的抗折強度,也基本上接近于常用水泥的28 d的抗折強度。

3)細化后的膠結土的相對滲透系數偏小,抗滲性能較好。

4)巖土膠粘劑的膠結機理實質上是硅酸鈉與氟硅酸鈉反應產生的二氧化硅溶膠變成二氧化硅凝膠的過程。

[1]趙希英,賀英濱,燕 魁,等.正交試驗優化硅酸鹽土壤膠粘劑配制的研究[J].化學與粘合,2002(5):201-203.

[2]趙希英,賀孝先,王時越,等.硅酸鹽無機膠粘劑與膠結土壤抗壓強度關系的研究[J].昆明理工大學學報,2001,26(3):114-118.

[3]郝建英.新型巖土無機膠粘劑及其抗壓強度性能研究[D].昆明:昆明理工大學碩士學位論文,2003:37-38.