鹽漬土地基加固新材料試驗研究

任志剛, 韋 璐

(中國電建集團 成都勘測設計研究院有限公司,四川 成都 610072)

鹽漬土地基加固新材料試驗研究

任志剛, 韋 璐

(中國電建集團 成都勘測設計研究院有限公司,四川 成都 610072)

由于鹽漬土中含有大量SO42-離子,在水泥加固過程中SO42-離子與水泥石中的Ca(OH)2等發生反應生成鈣礬石(3CaO·Al2O3·3CaSO4·31H2O)和硅礬石(CaCO3·CaSO4·CaSO3·15H2O),引起加固土的體積膨脹,其產生的膨脹力使得水泥加固土強度損失。抗鹽脹固化劑在水泥加固的基礎上摻入外摻劑,抑制土中SO42-離子與Ca2+離子的反應,并加速水化硅酸鈣(CSH)的形成,從而抑制高礦化度地基土加固中產生的鹽脹,同時產生的晶核效應使得加固土中的強度得到增長。通過正交試驗數據得到的回歸模型,可在確定試驗土含鹽量和含水率的基礎上確定固化劑最佳配比。

高礦化度地基土;抗鹽脹;加固新材料;晶核效應;回歸模型

1 概述

鹽漬土中的易溶鹽含量>0.3%,作為一種特殊土類,具有獨特的物理力學及工程特性,公路修建中易產生鹽脹、溶陷、腐蝕等路基路面病害,甚至引起路面波浪、鼓包、開裂等破壞[1]。隨著中國中西部的建設與發展,鹽漬區修建鐵路、公路所面臨的問題越加突出,為了保證鹽漬土地區工程的合理性及后期的安全運營,對鹽漬土路基填料進行加固處理具有一定的必要性。

由于鹽漬土的特殊性,在鹽漬土的固化中,傳統固化材料表現出了更多的不足之處,研究表明,土壤中的有機酸對固化土效果有很大影響,當土中有機酸達到一定含量時,水泥則失去加固效果;而目前大部分的新型固化劑是針對固化軟粘土開發研制的,對于固化鹽漬土的高分子材料SH固土劑的研究也僅僅考慮到鹽漬土加固的強度、水穩定性和飽水強度的改善等方面,未考慮鹽漬土與水泥間的鹽脹開裂,因而針對高礦化度地基土的鹽脹等問題,新型抗鹽脹固化劑的研究十分重要。

2 鹽漬土地區水泥路基病害機理

水泥土固結過程分為初級和次級兩階段。初級階段即水泥的水化和硬化,當水進入水泥中作用后,產生的主要水化物為水化硅酸鈣(CSH)、鋁酸鈣(CAH)以及消石灰,其中CSH起了最主要的膠結作用,石灰沉淀成了透明固體。在次級階段中,水泥水合作用產生了Ca2+,Ca2+與粘土顆粒中的鈉、鉀粘土吸附轉化成為鈣粘土,同時與土中所存在的硅酸根和鋁酸根反應,生成CSH、CAH和水化硅鋁酸鈣(CSAH)等具有粘結性的物質,成為水泥穩定土最主要的膠結過程[2]。

當土體中含有堿性硫酸鹽(如Na2SO4、K2SO4等)時,水泥石中的Ca(OH)2便與堿性硫酸鹽發生反應:

3CaSO4+4CaO·Al2O3·19H2O+14H2O→Ca(OH)2+3CaO·Al2O3·3CaSO4·32H2O

2CaSO4+3CaO·Al2O3·CaSO4·18H2O+14H2O→3CaO·Al2O3·3CaSO4·32H2O

生成CaSO42H2O并且結晶析出,其體積約為Ca(OH)2的兩倍多,造成水泥土膨脹;當SO42-濃度較低時,CaSO42H2O與固態水化鋁酸鈣發生反應,生成水化硫酸鋁酸鈣晶體,其反應由于是在固相中進行,結合了大量結晶水,體積變為水化鋁酸鈣的2.5倍左右;當SO42-含量過大時,產生的膨脹性物質過剩,一旦膨脹力超過水泥土的膠結力,水泥土的膠結便會破壞,造成水泥穩定土的強度降低[3]。

同時,土中的SO42-還將與水泥發生反應生成同樣具有膨脹性的鈣硅石:

CaCO3+Ca(OH)2+SiO2+CaSO4·2H2O+12H2O→CaCO3·CaSO4·CaSO3·15H2O

同鈣礬石反應機理一樣,鈣硅石同樣會對水泥土的強度產生影響。

由上述各反應機理可知,破壞水泥加固鹽漬土強度的最主要原因是由于土體中存在大量的SO42-,與水泥水化產物Ca(OH)2之間產生一系列反應,因此要抑制水泥加固鹽漬土的鹽脹變形,增強鹽漬土地區的水泥加固土強度和耐久性,其根本是要抑制土體中SO42-和Ca(OH)2之間的反應[4]。

3 力學特征試驗

3.1 試驗材料

3.1.1 試驗用土

試驗主要采用人工配制硫酸鹽鹽漬土進行。試驗用土為延安地區黃土,其基本參數見表1。將所備土樣過2 mm標準篩,按照一定含水率配制好后在室溫下密封靜置24 h,再根據硫酸鹽鹽漬土不同含鹽量稱取所需Na2SO4,將稱取的Na2SO4倒入土中攪拌均勻,室溫下密封存放7 d,使得土樣中的鹽分能夠分布均勻并與土體充分交換吸附,其后加入蓋過土體的足量的蒸餾水放置2 d,使土樣和鹽分繼續交換吸附,在完成以上步驟之后將土樣放置于自然狀態下風干,進行碾碎過篩(2 mm)后得到人工配制鹽漬土。

3.1.2 水泥

采用拉法基牌P·O42.5R普通硅酸鹽水泥,其主要化學成分如表2。

3.1.3 外摻材料

針對硫酸鹽鹽漬土水泥加固鹽脹特性,擬選用三種外摻劑作為抗鹽脹固化劑的主要材料選擇,其中1#外摻劑為灰色粉末,2#外摻劑為白色粉末,3#外摻劑為淺黃色溶液,三種外摻劑的主要技術指標如表3、表4和表5所示。

表1 試驗用黃土物理力學參數

注:土中總含鹽量為0.070%,pH值為6.75。

表2 42.5R水泥技術性質指標

表3 1#外摻劑技術指標

表4 2#外摻劑技術指標

表5 3#外摻劑技術指標

3.2 對比試驗

(1) 1#試樣 425#普通硅酸鹽水泥摻入比aw=7%;1#外摻劑摻量為2%(灰重);水灰比0.6。

(2) 2#試樣 425#普通硅酸鹽水泥摻入比aw=7%;2#外摻劑摻量為2%(灰重);水灰比0.6。

(3) 3#試樣 425#普通硅酸鹽水泥摻入比aw=7%;3#外摻劑摻量為10%(灰重);水灰比0.6。

將以上3種試樣進行正常養護,測定28 d齡期下試樣的體積膨脹量ve、無側限抗壓強度σbc以及抗折強度ft與時間T之間的關系曲線如圖1-圖3所示。

圖1 加固土體積膨脹率ve與齡期T關系曲線Fig.1 Relationship between linear expansion rate and age of reinforced soil

由圖1體積膨脹率與齡期的關系曲線可以看出,體積膨脹的最主要階段在養護7 d前,添加3#外摻劑的試樣在3 d時膨脹率最大,隨著養護齡期的增加,試樣的體積膨脹率逐步變緩,在7 d時呈現一個拐點,增長率降低,體積變化趨于穩定;整個養護過程中,添加1#外摻劑的試樣,體積膨脹率曲線最緩,變化最小,養護28 d后膨脹率僅為0.024%,而添加3#外摻劑的試樣體積膨脹率達到0.5%左右。

圖2 加固土無側線抗壓強度σbc與齡期T關系曲線Fig.2 Relationship between pressure intensity without lateral limit and age of reinforced soil

圖3 加固土抗折強度ft與齡期T關系曲線Fig.3 Relationship between flexural strength and age of reinforced soil

由圖2無側限抗壓強度與齡期關系曲線以及圖3抗折強度與齡期的關系曲線可以看出,1#試樣的無側限抗壓強度和抗折強度均為最大,且在7 d后,其強度仍保持較高的增長趨勢,2#試樣和3#試樣的強度增長開始變緩,2#試樣的無側限抗壓強度與3#試樣基本相同,而抗折強度則明顯高于3#試樣。

綜合鹽漬土加固的鹽脹、無側限抗壓強度及抗折強度的結果分析,1#外摻劑的各參數均最佳,因此最終選定1#外摻劑作為抗鹽脹固化劑的外摻劑。

3.3 正交試驗

為了更好地研究抗鹽脹固化劑的配比問題,試驗采用正交試驗進行分析。由于鹽漬土的加固除了受到抗鹽脹固化劑的配比影響外,其本身的含水率以及土體內的含鹽量也起了一定的影響作用,因而在對于抗鹽脹固化劑的配比選擇上,同樣考慮了土的含水率以及土中含鹽量,從而得到一個加固效果最佳模型。

保持水灰比0.6不變,參照相關文獻[5],正交試驗各因素和水平見表6。

將膨脹試驗、無側線抗壓強度試驗以及抗折試驗的極差分析分別繪制成圖,見圖4-圖6。

表6 正交試驗因素水平

圖4 膨脹率極差圖Fig.4 Linear expansion rate range

圖5 28 d無側限抗壓強度極差圖Fig.5 28 d pressure intensity without lateral limit range

圖6 28 d抗折強度極差圖Fig.6 28 d flexural strength range

從極差分析圖4-圖6可以看出,對于膨脹試樣來說,膨脹值越低,效果越好,因此,對影響因素從高到低排列的主次為:含鹽量>水泥摻入量>外摻劑摻入量>土的含水率。在抗壓強度和抗折強度測試中,當強度值越大表明試驗效果越明顯,故抗壓強度試驗中影響因素從高到低排列的主次為:外摻劑摻入量>水泥摻入量>土的含水率>含鹽量;而抗折強度中由高到低排列的影響因素主次為:水泥摻入量>外摻劑摻入量>土的含水率>含鹽量。

3.4 抗鹽脹固化劑最佳配比模型

將正交試驗數據放入MATLAB中進行擬合,分別將土中自身含水率X1、土中自身含鹽量X2、水泥摻量X3、外摻劑摻量X4(與水泥間的摻量比)和體積膨脹率、無側限抗壓強度、抗折強度進行非線性回歸分析,設定回歸模型。

νe=a1X1a2+a3X2a4+a5X3a6+a7X4a8

無側限抗壓強度:

σbc=a1X1a2+a3X2a4+a5X3a6+a7X4a8

抗折強度:

ft=a1X1a2+a3X2a4+a5X3a6+a7X4a8

將試驗數據進行擬合得到結果如下:

+0.118 4X4-0.054 4

σbc=2.923 8X1-0.047 2+2.362 9X2-0.050 9-6.892 8X3-0.045 9+3.647 9X40.057 1

ft=a1X1a2+a3X2a4+a5X3a6+a7X4a8

對各模型進行非線性回歸檢驗,結果見表7。通過檢驗分析可以發現,其相關系數和F值均達到檢驗標準,回歸模型的擬合效果達到要求。

表7 抗鹽脹模型非線性回歸檢驗

4 加固機理試驗研究

分別進行了新型抗鹽脹加固劑的水化放熱性能試驗和XRD定性分析試驗,從加固土的水化過程及水化產物兩個方面對新型抗鹽脹加固劑的加固機理進行了試驗研究。

4.1 水化熱試驗

由于在DR算法中，f和g所定義的迭代序列不是對稱的，若交換f和g，則會得到不同形式的算法迭代格式。從而對于問題(2.3)的求解，我們給出4種不同形式的DR迭代算法。

通過對水泥漿液中添加硫酸鹽的水化熱試驗模擬硫酸鹽鹽漬土地區水泥加固土中的水泥放熱反應,并且通過同時添加硫酸鹽和外摻劑進行水化熱試驗來模擬抗鹽脹加固劑的放熱過程。試驗中采用同濃度的鹽水代替鹽漬土中的鹽和相對應水灰比的水,通過鹽水與加固材料之間反應的放熱比來模擬鹽漬土加固中的反應[6]。

純水泥漿液、添加Na2SO4水泥漿液、添加Na2SO4抗鹽脹固化劑漿液的時間溫升曲線見圖7。

從圖7可以看出,土中的Na2SO4使得水泥水化過程中水化熱增加,其水化熱峰值出現時間提前,水化過程發出的熱量增加,1 d和4 d的水化熱性能得到了提高,對于加固土起到早強的作用;而添加抗鹽脹固化劑的試樣,其變化趨勢更為明顯,在水化熱峰值提前的同時,其水化熱峰值溫度變化更大,發出的熱量更高,峰值相差近10℃。

圖7 不同條件下加固土時間—溫升曲線Fig.7 Time temperature rise curve of different reinforced soil ramification

4.2 XRD定性分析

從水化試樣的內部取出2.5～5.0mm的小試塊,并采用無水乙醇和丙酮來終止試塊的水化反應,將試塊研磨成粉末,進行XRD分析。

由于各試樣的摻劑配比不同,其水化產物含量也不同,其X-射線衍射圖譜及產物見圖8。

圖8 不同條件下加固土的X-射線衍射圖譜Fig.8 X-ray diffraction pattern of different reinforced soil ramification

根據XRD圖譜分析加固土反應過程中的水化產物可以明顯看出,各試樣的水化產物大致相同,其主要產物為水化硫鋁酸鈣(鈣礬石)AFt、氫氧化鈣CH、水化硅酸鈣CSH2、水化鋁酸鈣C4AH13以及未水化的硅酸二鈣C2S。

由于漿液中Na2SO4的存在,水化產物AFt的衍射峰達到最高,即水化過程中產生了較多的AFt。此外,CH和殘余的C2S相對較多。而外摻劑的摻入降低了抗鹽脹固化劑漿液中AFt的含量,與添加Na2SO4溶液的純水泥漿液相比,抗鹽脹固化劑漿液中的CSH2和C4AH13含量增加,而C2S的含量基本一致。

4.3 加固機理分析

當土中含有Na2SO4時,Na2SO4與水泥中的Ca(OH)2發生反應生成CaSO42H2O和NaOH,所生成的次生石膏更易與C3A發生化學反應生成鈣礬石,使得加固土體積膨脹[7]。在這一過程中NaOH被消耗,整個加固土中的液相體系中,Ca2+的濃度下降的同時,離子的濃度相應得到了增加,C3S這一包覆層里外的離子濃度差值增大,使得C3S的早期水化速度得到了提高,因此適量的Na2SO4條件下加固土的水化熱得到了增長,其溫度峰值時間提前并且增大,但這一趨勢也隨著Na2SO4濃度的增加逐漸降低[8]。

抗鹽脹固化劑的摻入,使得Na2SO4與水泥中的Ca(OH)2得到抑制,固化劑中的外摻劑與溶液中的Ca(OH)2相結合發生如下反應:

C3S+H2O→CSH+Ca(OH)2

SiO2+Ca(OH)2+H2O→CSH

反應生成了水化硅酸鈣(CSH),這一物質大大地降低了Ca(OH)2在溶液中的濃度,加固土的水化過程得到加速,水化峰值時間提前。Ca(OH)2濃度的降低也使得與Na2SO4反應生成的鈣礬石減少,從而達到抑制硫酸鹽漬土水泥加固中的體積膨脹問題[9]。

同時,固化劑中外摻劑的摻入對于加固土的水化過程起“晶核效應”的作用,即在降低Ca(OH)2濃度、發生反應形成CSH凝膠的同時,凝膠和Ca(OH)2單晶體細粒化,這一過程與金屬材料的合金元素晶粒細化相似,使得反應生成的水化產物在漿液內部均勻分布,強度得到增長。

當固化劑中的外摻劑含量較低時,Ca(OH)2不能完全結合,則無法轉化為高堿性的水化硅酸鈣,產生的低堿性水化硅酸鈣的數量相對較少,則強度增長并不明顯,同樣地,當摻量過多后,這一效應也不能充分發揮作用。

5 結論

(1) 引起高礦化度地基土鹽脹變形、強度損失的最主要原因是由于SO42-離子在水泥土重結晶的過程中產生的膨脹力大于水泥土自身的膠結力。

(2) 從膨脹率、無側限抗壓強度以及抗折強度測試結果可以看出,所選用的3#外摻劑對于加固土的膨脹抑制作用是明顯的,同時改善了固結體后期力學性能。

(3) 根據正交試驗結果得出的加固材料配比模型具有較好的回歸性,在實際運用中,可參照該模型根據現場鹽漬土的含水率和含鹽量以及設計水泥摻量值,在鹽脹率、無側限抗壓強度和抗折強度達到要求的前提下確定外摻劑的最佳摻量。

(4) 抗鹽脹固化劑抑制高礦化度地基鹽脹的理論依據是晶體生成、成長及沉積過程中的離子競爭吸附,使晶體生成的方向發生變化。抗鹽脹固化劑中外摻劑的摻入加速了水化硅酸鈣(CSH)的形成,并且對加固土起著 “晶核效應”,增強了加固土強度。

[1] 王遵親,祝壽泉,俞仁培,等.中國鹽漬土[M].北京:科學出版社,1993.

[2] 張登良.加固土原理[M].北京:人民交通出版社,1990.

[3] 裴向軍,吳景華.攪拌法加固海相軟土水泥外摻劑的選擇[J].巖土工程學報,2000,22(3):319-322.

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[5] 周琦,韓文峰,鄧安,等.濱海鹽漬土作公路路基填料試驗研究[J].巖土工程學報,2006,28(9):1177-1180.

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[7] 郝巨濤.水泥土材料力學特性的探討[J].巖土工程學報,1991,13(3):53-59.

[8] 黃殿瑛.硅粉(SF)對水泥土性能影響的研究[D].武漢:中南工業大學,1994.

[9] 黃春香.水泥—水玻璃加固軟土研究[D].福州:福州大學,2002.

(責任編輯：于繼紅)

Experimental Study on New Reinforced Material for Foundation of Salty Soil

REN Zhigang, WEI Yao

(ChengduEngineeringCorporation,PowerConstructionCorporationofChina,Chengdu,Sichuan610072)

The foundation of salty soil contains a lot of ion SO42-,in the process of cement stabilization,SO42-reacted with ions like Ca(OH)2and so on to generate ettringite(3CaO·Al2O3·3CaSO4·31H2O)and silicon alum stone(CaCO3·CaSO4·CaSO3·15H2O),which caused the volume expansion of reinforced soil and lost the strength of reinforecd soil.Salt resistance expansion agent mixed with the additive agent on the basis of centment stabilization.It can inhibit the reaction between SO42-and Ca2+,and accelerate the formantion of calcium silicate hydrate(CSH),which inhibit the salt heaving during the process of reinforcing foundation soil with high salinity.At the same time,the effect of crystal nucleus caused by the reaction can increased the strength of reinforced compacted soil.The regression model obtained by the orthogonal experiment data can be used to determine the best ratio of curing agent based on the salt salinity and moisture content of test soil.

foundation soil with high salinity; anti-suffusion; new reinforced material; effect of crystal nucleus; regression model

2016-04-15;改回日期:2016-04-25

任志剛(1972-),男,高級工程師,水文地質與工程地質專業,從事水利水電工程勘測設計工作。E-mail:282033163@qq.com

S155.2+93; TU521

A

1671-1211(2016)03-0410-05

10.16536/j.cnki.issn.1671-1211.2016.03.038

數字出版網址:http://www.cnki.net/kcms/detail/42.1736.X.20160504.0924.034.html 數字出版日期:2016-05-04 09:24