水泥加固土硬化機(jī)理探討及其工程應(yīng)用

劉桂花 陳啟業(yè)

（1.重慶交通大學(xué)土木工程學(xué)院 ； 2.重慶浩力環(huán)評，重慶 400074）

水泥加固土硬化機(jī)理探討及其工程應(yīng)用

劉桂花1陳啟業(yè)2

（1.重慶交通大學(xué)土木工程學(xué)院 ； 2.重慶浩力環(huán)評，重慶 400074）

通過對水泥加固土的硬化機(jī)理的探討，研究水泥加固土的性能及其強(qiáng)度的影響因素，并介紹了水泥加固土深層攪拌樁的在工程（加強(qiáng)地面承載力、防滲工程等）地基處理中的應(yīng)用。

水泥土 強(qiáng)度 深層攪拌樁 軟土 承載力

引言

水泥加固土在加固軟土技術(shù)具有獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)，在軟土地基中已得到廣泛應(yīng)用，但是在實(shí)踐中其加固效果有時(shí)候并不理想，本文在研究水泥土的硬化機(jī)理的基礎(chǔ)之上，分析了影響水泥土強(qiáng)度的幾種主要因素，并介紹了先進(jìn)應(yīng)用較為廣泛的深層攪拌樁法在實(shí)際工程中得應(yīng)用。

1 水泥加固土的硬化機(jī)理

水泥加固土的強(qiáng)度來源主要有以下兩方面，水泥自身水化物的膠結(jié)作用和水泥水化時(shí)產(chǎn)生的Ca(OH)2與土中的活性物質(zhì)發(fā)生的反應(yīng)所產(chǎn)生的物質(zhì)的膠結(jié)作用。前者是強(qiáng)度的主要構(gòu)成部分。因土的組成多種多樣，水泥的水化反應(yīng)及水化產(chǎn)物也不盡相同，即使加入相同的水泥摻量，得出的結(jié)果卻是不同的，有的甚至相差甚遠(yuǎn)。多數(shù)學(xué)者在分析土對水泥加固土的影響時(shí)，重點(diǎn)都是Ca(OH)2與土中的活性物質(zhì)的硬凝反應(yīng)而忽略了土本身的影響，這在科研上顯然是不客觀的。

1.1 水泥加固土的硬化機(jī)理及分析

水泥在與土拌合后，因土中含有水分，水泥中的礦物質(zhì)會(huì)和水發(fā)生反應(yīng)，同時(shí)會(huì)分解出氫氧化鈣，即水泥的水化硬化過程。部分水泥水化產(chǎn)物填充于水泥土的空隙之中，約束土粒達(dá)到加固的效果。另一部分則與土中的活性物質(zhì)作用，使土團(tuán)結(jié)，提高土的強(qiáng)度，其中以硬凝反應(yīng)尤為重要。

水泥土中的水達(dá)到Ca(OH)2的飽和或過飽和狀態(tài)是水泥土硬化達(dá)到最佳狀態(tài)的條件，但在水泥土中，通常Ca(OH)2是不飽和的，因?yàn)樗嗟乃a(chǎn)物不僅以Ca(OH)2形式存在，還以、CaO和OH-等多種形式存在，在產(chǎn)生水泥水化產(chǎn)物的同時(shí)，土體也大量吸收或損壞Ca2+、CaO和OH-。由文獻(xiàn)1實(shí)驗(yàn)得出土樣在與CaO拌合幾分鐘至幾小時(shí)內(nèi)，就可以吸收土樣重量3%的CaO[1]，同時(shí)土質(zhì)膠體部分所吸附的H+，Al3+，Na+，K 等陽離子會(huì)與Ca2+和進(jìn)行反應(yīng)，降低孔隙水中得Ca2+和OH-的濃度。而通常加入水泥土產(chǎn)生的水化物不能滿足土對Ca(OH)2的要求。文獻(xiàn)2的試驗(yàn)結(jié)果也表明：水泥土中孔隙水中的濃度僅為水泥漿的1/3～1/13，CaO濃度僅是水泥漿中的1/3。此外，一個(gè)月后土中活性物質(zhì)將與Ca(OH)2進(jìn)行硬凝反應(yīng)，還將繼續(xù)消耗大量的。

2 水泥加固土的物理力學(xué)性質(zhì)及影響因素

2.1 含水率

水泥土在水化反應(yīng)等過程中，其中部分自由水會(huì)以結(jié)晶水的形式被固定下來，含水率會(huì)比原來土中的低，且隨著水泥摻量比增大其降低率增加[3]。

2.2 重度

因灌入的水泥漿與天然軟土的重度差不多，所以水泥土的重度與原來土樣差別不大，說明用水泥漿加固軟土?xí)r，不會(huì)對下面未加固部分不會(huì)產(chǎn)生大的附加荷載，也就不會(huì)產(chǎn)生大的附加沉降。

2.3 孔隙比

水泥的粘結(jié)作用使土粒團(tuán)結(jié)，減小了孔隙比，有實(shí)驗(yàn)結(jié)果得出，孔隙比隨著水泥摻量增加而減小。

2.4 抗剪強(qiáng)度

實(shí)驗(yàn)3得出：水泥抗剪強(qiáng)度隨齡期增加而增加，隨含水量增加而降低，而無側(cè)限抗壓強(qiáng)度隨含水量增加而降低，則抗剪強(qiáng)度與無側(cè)限抗壓強(qiáng)度成正比關(guān)系。2.5 無側(cè)限抗壓強(qiáng)度

通常水泥土的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度比天然軟土的大幾十到幾百倍。水泥土變形特征隨強(qiáng)度的不同介于脆性體與彈性體之間[3]。當(dāng)外力達(dá)到極限強(qiáng)度時(shí)，水泥土很快會(huì)出現(xiàn)脆性破壞，且破壞后殘余強(qiáng)度很小，在受力小于極限強(qiáng)度時(shí)，水泥土則變現(xiàn)為塑性破壞。

影響的因素：水泥摻量、水泥標(biāo)號(hào)、齡期、含水量、有機(jī)質(zhì)含量、外摻劑、養(yǎng)護(hù)條件及土的性質(zhì)等。其中主要影響因素有

(1) 土中有機(jī)質(zhì)含量

天然土中有機(jī)質(zhì)使土壤具有較大的水容量、塑性、膨脹性和低滲透性，并使土壤具有酸。它們都會(huì)阻礙水泥的水化反應(yīng)，影響水泥土的固化，降低水泥土的強(qiáng)度。

文獻(xiàn)得出∶土中有機(jī)質(zhì)影響著試樣的微觀結(jié)構(gòu)特征，有機(jī)質(zhì)含量越高，試樣結(jié)晶程度越低，顆粒越細(xì)小，結(jié)構(gòu)也越松散；反之，經(jīng)水泥加固后結(jié)構(gòu)較致密，水泥結(jié)晶較明顯，結(jié)晶物質(zhì)連接了土顆粒，從而提高了水泥加固土的強(qiáng)度[4]。有機(jī)質(zhì)含量越高，力學(xué)性質(zhì)越差，說明了有機(jī)質(zhì)對水泥加固軟土效果的影響。

（2）齡期

水泥土的強(qiáng)度隨齡期增長而增大，且齡期超過28天后還有明顯增長。據(jù)電子顯微鏡觀察，水泥和土的硬凝反應(yīng)需3個(gè)月才能充分完成。所以《建筑地基處理技術(shù)規(guī)范》建議以齡期T=90天的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度作為水泥土的強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值。 但在工程實(shí)踐中，由于多數(shù)工程施工工期原因，90d齡期的標(biāo)準(zhǔn)強(qiáng)度檢測給室內(nèi)試驗(yàn)和現(xiàn)場檢測帶來了一定的困難。目前廣泛使用的方法是根據(jù)短齡期(7d，28d)的試驗(yàn)、檢測數(shù)據(jù)，按照強(qiáng)度增長規(guī)律推測90d的強(qiáng)度[5-6]。

(3) 水泥強(qiáng)度

水泥標(biāo)號(hào)越高，強(qiáng)度越大，對土的粘結(jié)力就越強(qiáng)。水泥土的強(qiáng)度與水泥強(qiáng)度成正比，隨水泥標(biāo)號(hào)增加而增加。

3 深層攪拌樁在實(shí)際中得應(yīng)用

3.1 工程應(yīng)用

深層攪拌樁是用水泥作為固化劑，在地基深處通過機(jī)械攪拌將軟土和固化劑強(qiáng)制攪拌，有水泥與軟土之間產(chǎn)生一系列的物理化學(xué)反應(yīng)，事軟土稱為具有整體性、水穩(wěn)定性和一定強(qiáng)度的水泥加固土，從而提高地基的強(qiáng)度和增大變形模量。深層水泥攪拌樁可以用于增加地基的承載能力、減少沉降量、提高邊坡的穩(wěn)定性[7]。

（1）防滲作用

水泥土反應(yīng)形成一種獨(dú)特的水泥結(jié)構(gòu)，具有一定的強(qiáng)度，且反應(yīng)形成的水泥加固土的結(jié)構(gòu)能大大改變原結(jié)構(gòu)的滲水性，其滲透系數(shù)一般比原狀土降低約10-2。其滲透系數(shù)的變化與水泥的摻量成反比，而水泥土的強(qiáng)度則與水泥摻量成正比。這說明了加固的時(shí)候混合越均勻，泥土粉碎的越小，則水泥與土混合的月均勻，加固的效果更明顯，土的防滲作用改善的越好。

（2）改善軟土地基

水泥加固土是改善軟土地基的有效的辦法，主要表現(xiàn)在以下兩方面：通過一系列物理化學(xué)反應(yīng)從而增強(qiáng)橫向抵抗力和軟土地基的承載力：加大軟土基礎(chǔ)的固化率。

4 結(jié)語

水泥加固土通過一系列的物理化學(xué)作用，使土團(tuán)結(jié)，提高土的強(qiáng)度，廣泛用于加固軟土地基，且其生成的獨(dú)特的水泥結(jié)構(gòu)滲透系數(shù)降低，可以起到防滲目的，在工程實(shí)踐中常用深層攪拌樁方法加固土樣，達(dá)到 預(yù)期的目的。

[1]Diamond S,et,al,Me chanisms of soil-lime stabilization[J].public Roads,1996

[2]黃新,周國鈞.水泥加固土硬化機(jī)理初探[J]，巖土工程學(xué)報(bào)，1994

[3]黃嚴(yán).水泥加固土性能及其影響因素[J]，2007

[4]陳惠娥,王清，許曉慧. 不同有機(jī)質(zhì)含量水泥加固土微觀結(jié)構(gòu)分[J]遼寧工程技術(shù)大學(xué)學(xué)報(bào),2009

[5]基于水灰比準(zhǔn)則的水泥土無側(cè)限抗壓強(qiáng)度預(yù)測[J].山西建筑，2013

[6]TB 10113—96，粉體噴攪法加固軟弱土層技術(shù)規(guī)范[s]．

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