水泥砂漿固化土在酸性條件下物理特性的研究現(xiàn)狀

孫 楠

四川農(nóng)業(yè)大學(xué)水利水電學(xué)院（625014）

1 水泥土研究背景與意義

水泥土是由水泥、土等成分按適當(dāng)比例混合、硬化而成的一種材料。因?yàn)槠洳牧蟻碓摧^為廣泛，價(jià)格較低且其物理力學(xué)性能較原土大大提升，因此廣泛應(yīng)用于軟土地基、基坑支護(hù)、防滲工程及復(fù)合地基加固等方面，取得了良好的經(jīng)濟(jì)效益。

然而，由于水泥土還存在著諸多問題，如強(qiáng)度不夠高、形成的復(fù)合地基存在承載力不足及后期變形較大等諸多問題。目前國內(nèi)提高水泥土強(qiáng)度的方法主要是加入不同的外加劑和摻合料，或改變水泥土的含砂量，相對其它添加劑和摻合料，砂具有價(jià)格低廉和來源廣泛的優(yōu)點(diǎn)[1-2]。

隨著我國國民經(jīng)濟(jì)持續(xù)增長，工業(yè)化水平不斷提升，城市發(fā)展致使大氣污染突出表現(xiàn)為排放連片、傳輸疊加和相互影響的區(qū)域污染特征,其中酸雨污染是重要的區(qū)域大氣環(huán)境問題之一[3]。酸雨是指酸性大氣降水，包括降水、雪、霧、露等，通常指pH值小于5.6的降水。由于酸雨對生態(tài)系統(tǒng)的嚴(yán)重危害，酸雨已成為嚴(yán)重威脅世界環(huán)境的十大問題之一。我國已成為世界第三大酸雨區(qū)，僅次于北美和歐洲[4]。中國的酸雨區(qū)面積約62萬Km2，占國土面積的6.4%。其中，較重酸雨區(qū)面積占國土面積的0.9%。酸雨污染主要分布在長江以南—云貴高原以東地區(qū)。酸雨（年平均降水pH值低于5.6）、較重酸雨（年平均降水pH值低于5.0）和重酸雨（年平均降水pH值低于4.5）的比例分別為18.8%、6.7%和0.4%。酸雨中主要陽離子為鈣離子和銨離子，分別占總離子當(dāng)量的25.9%和15.2%。主要陰離子為硫酸鹽，占總離子當(dāng)量的21.1%。硝酸鹽占總離子當(dāng)量的9.0%，酸雨類型總體仍為硫酸型[5]，酸雨對水泥土存在侵蝕作用。

2 水泥砂漿固化土物理力學(xué)性質(zhì)國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

水泥深層固化或噴射注漿是軟土地基處理的常用方法之一，水泥土在經(jīng)過了內(nèi)部的化學(xué)反應(yīng)之后，形成了各項(xiàng)強(qiáng)度大幅度提升和遇水穩(wěn)定性加強(qiáng)的加筋土。為了研究水泥土的物理力學(xué)性質(zhì)，許多人對水泥土攪拌強(qiáng)度進(jìn)行了室內(nèi)試驗(yàn)，得出了水泥土強(qiáng)度、水泥配合比、原狀土含水量、齡期等因素的一些規(guī)律[6]。

廖建春[6]針對軟土中常有砂的現(xiàn)象，觀察了實(shí)際生產(chǎn)中砂含量變化對水泥土及施工的影響，研究水泥土強(qiáng)度和含砂量的關(guān)系。結(jié)果顯示，含砂量對水泥土的各項(xiàng)強(qiáng)度，如抗壓強(qiáng)度、抗剪強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度等都有很大影響。在軟土含砂量的增加的條件下，水泥土的各種強(qiáng)度都得到了較大的增加。在水泥土水灰比、養(yǎng)護(hù)時(shí)間等外界條件大致相同時(shí)，含砂量是影響水泥土強(qiáng)度的主要內(nèi)部因素之一。蘭凱和印長俊[7-8]也發(fā)現(xiàn)將砂作為骨料摻入軟土中時(shí)，得到了強(qiáng)度更高的水泥土。

3 酸性溶液侵蝕下水泥土變化的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

水泥土的各種性質(zhì)作為國內(nèi)外專家研究的熱點(diǎn)，其抗?jié)B性被用作建造運(yùn)河、河床和池塘的材料。通過在樁基上應(yīng)用專用機(jī)械，生產(chǎn)出深層攪拌樁、硬水泥土攪拌樁、地下連續(xù)墻等

Da Chen等[9]通過一系列試驗(yàn)，將水泥土分別置于地下水和蒸餾水中，測量被完全浸潤之后得到的水泥土強(qiáng)度。研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)水泥土置于地下水中浸潤后，水泥土的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度更高。

Yu Pei Zhang等[10]進(jìn)行了PAM對水泥土強(qiáng)度影響的試驗(yàn)研究，結(jié)果表明，在外部條件不變時(shí)，加入適量PAM的水泥土強(qiáng)度更高。

Hyug-Moon等[11]進(jìn)行了土壤分級壓縮處理后水泥土的性能影響試驗(yàn)研究。

白曉紅[12]等人通過模擬試驗(yàn)，將水泥土浸泡在5種濃度的硫酸、氫氧化鈉和氯化鈉溶液中，研究不同齡期水泥土的外部特征和主要力學(xué)特性的變化規(guī)律。研究表明，硫酸溶液對水泥土表面侵蝕的影響最大，硫酸濃度越高，侵蝕作用越嚴(yán)重。

趙軼[13]等通過室內(nèi)模擬研究水泥土強(qiáng)度變化規(guī)律與硫酸溶液濃度的關(guān)系，得出以下結(jié)論：1）水泥土被侵蝕時(shí)的內(nèi)部斷裂過程與混凝土在同樣條件下的斷裂十分相似。2）水泥固化污染土的強(qiáng)度增長形式與普通水泥土一致。3）水泥固化不同污染土壤時(shí)，不同固化土壤的強(qiáng)度也有顯著差異。

喬俊義[14]通過室內(nèi)模擬試驗(yàn)，研究水泥土的表觀特征及強(qiáng)度變化規(guī)律在不同溶液浸泡下的變化。結(jié)果顯示，成分中含有硫酸的水泥土，各項(xiàng)強(qiáng)度隨著固化時(shí)間的增長而增強(qiáng)。硫酸濃度從1.5 g/kg到22.5 g/kg不等，并且水泥土抗壓強(qiáng)度在硫酸濃度9 g/kg時(shí)達(dá)到峰值。

寧建國[15]以高嶺土為原料加入適當(dāng)?shù)南跛崛芤汉桶彼玫讲煌琾H值的原料土，再加入水泥進(jìn)行固化得到水泥土，以此來研究酸堿度對水泥土強(qiáng)度的影響規(guī)律。結(jié)果顯示，pH值對水泥土抗壓強(qiáng)度的影響曲線是先陡峭再平緩，在一定pH值之前，水泥土的強(qiáng)度隨著pH值的增加而增強(qiáng)，超過一定pH值之后，水泥土強(qiáng)度變化不大。研究顯示，pH值對水泥土強(qiáng)度影響的內(nèi)因是pH值的變化引起水泥土內(nèi)部鈣離子和氫氧根離子的濃度變化，從而影響水泥土的固化過程中的物理化學(xué)反應(yīng)和引起水泥土的強(qiáng)度變化。

寧寶寬[16]將水泥土浸潤在三種不同pH值的溶液中進(jìn)行養(yǎng)護(hù)，以此研究水泥土在不同侵蝕條件下強(qiáng)度的變化規(guī)律。結(jié)果顯示，水泥土的強(qiáng)度與浸潤溶液的pH值及浸潤溶液的濃度有關(guān)，在浸潤溶液濃度一定時(shí)，水泥土強(qiáng)度隨pH值增加而增強(qiáng)；對于一種溶液而言，水泥土強(qiáng)度隨該溶液濃度增加而減小。

寧寶寬[17]通過試驗(yàn)，將水泥土浸泡于不同種類的腐蝕溶液中，根據(jù)其強(qiáng)度變化規(guī)律繪制P-Δ曲線。結(jié)果顯示，水泥土試件的破壞形式類似混凝土破壞形式分為彈性變形階段和彈塑性破壞階段，且水泥土內(nèi)部破壞過程與腐蝕溶液的濃度關(guān)系不大，pH值是影響水泥土強(qiáng)度的主要因素。

綜上所述，國內(nèi)外學(xué)者從無添加劑的水泥土抗壓強(qiáng)度、養(yǎng)護(hù)條件、腐蝕環(huán)境等方面對水泥土力學(xué)性能進(jìn)行大量試驗(yàn)研究，并在宏觀力學(xué)性能測試的基礎(chǔ)上對水泥土的微觀結(jié)構(gòu)及物質(zhì)組成進(jìn)行了進(jìn)一步研究，分析復(fù)雜環(huán)境對水泥土性能影響的作用機(jī)理。

4 研究前景

影響水泥固化土強(qiáng)度的影響因素很多，包括材料、外摻劑、施工工藝。材料方面，摻砂率是影響抗壓強(qiáng)度的主要因素，建議在施工中，要根據(jù)原狀土的含水量、腐殖質(zhì)等，做試樣，測明抗壓強(qiáng)度，找出最優(yōu)摻砂率;外摻劑方面，要求能夠提高 CH離子的飽和度，促進(jìn)水化硅酸鈣凝膠的形成，可以根據(jù)原狀土的物理性質(zhì)、pH、含鹽量等先做試驗(yàn)，找出最合適的外摻劑。施工工藝方面，主要涉及固化劑的配制、存放及提前測試。

目前國內(nèi)對水泥砂漿固化土的研究已經(jīng)比較成熟，但對各影響因素直接的耦合作用 研究涉及者較少。