水泥攪拌樁加固軟土原理探析

苗慶林 （福建省交通規劃設計有限公司，福建 福州 350004）

0 前言

在我國廣闊的疆域上，分布有很多具有強度低、飽水性、孔隙大、沉降時間長等特點軟土地層。在這類地基土上修建構筑物，運行一段時間后，往往會出現變形及沉降現象。變形及沉降量的大小隨著軟土深度、處理方法的不同而存在差異。如果處理不當，在構筑物建成后，會發生沉降開裂或滑移傾倒等嚴重后果。水泥作為固化主劑已在泉廈高速路、湄渝高速等高速公路上應用，并取得很好的效果。在軟土地基施工時，機械攪拌入水泥后，即與土中的自由水及鋁-硅酸鹽晶體礦物發生反應，使細小的土粒凝聚成大的土粒結構。隨著時間的推移，其與粘土便形成一種強度和水穩性較好的網狀結構的拌和樁體，與樁間土一起組成復合地基。

1 水泥的物理特性

水泥多呈深灰色或灰色，水泥性能好壞重要參數是指其細度、凝結時間、強度、標準稠度需水量等指標，詳見表1。水泥顆粒細小、其比表面積就大、標準稠度需水量越小，水泥的水化程度越高。

高鈣粉煤灰的物理性質 表1

2 水泥的化學特性

人造的水硬性材料——水泥。在和水攪拌混合后，會發生物理、化學反應，生成堅硬的水泥石結構體。它是一種富含氧化鈣，由多種氧化物組成的混合材料。從性能和用途上分為通用水泥和專用水泥等。其中軟土處理時，一般我們用普通硅酸鹽水泥和硅酸鹽水泥，其礦物成分主要有四種，表2列出水泥的礦物成分及性能特點。水泥中除了四大礦物成分之外，還含有少量對水泥物理、力學性質造成不利影響的化學物質，這些物質的含量也需要加以限制，具體如下。

①游離態SO3、MgO及堿等是水泥中的有害成分。水泥的堿集料反應、體積安定性等受它們影響，如果含量較大，影響非常不利。②水泥中不溶解于濃硫酸的不溶物。主要為原料中的氧化硅和粘土未被充分煅燒、反應不足，未能完全轉換為水泥熟料，影響水泥中的有效成分。③燒失量:在規定的950℃下加熱時，如果水泥煅燒不佳或受潮都會使水泥質量損失。④水泥中含有少量的氯離子，氯離子的存在，使混凝土中鋼筋的銹蝕加快。⑤水泥是弱堿性材料，在堿性條件下，水泥的水化、凝結與硬化等反應才會順利進行。但是，在偏高的堿性環境下，水與活性碳酸鹽或活性硅酸鹽作用，也會產生堿集料反應，造成混凝土結構的破壞（理論上講堿含量以Na2O+0.658K2O計時≤0.6%計）。

水泥的礦物成分及性能特點 表2

3 水泥攪拌樁加固原理研究

軟土是軟弱粘性土的簡稱，它廣泛分布于福建沿海地帶及山澗溝谷中，因此我們在修筑公路等線路工程時，經常會遇到軟土路段，而又無法繞避現象，不可避免地在這類地基上填筑路基等構筑物。為了保證地基的穩定及變形，在允許范圍內，對軟土地基需要進行處理。

軟土是由含水的鋁-硅酸鹽晶體礦物及少量的有機質組成，而鋁-硅酸鹽晶體礦物主要由伊利石、蒙脫石和高嶺土三種礦物組成。水泥攪拌樁的形成過程也就是水泥與軟土中含水粘土礦物的水解、水化反應過程。水泥作為主固劑加固軟土時，由于水泥摻入量僅為加固土重的7%～20%，水泥與軟土拌和后的硬化反應是在軟土的含水鋁-硅酸鹽晶體礦物周圍進行，軟土的化學性質對攪拌樁強度增加的影響及力學性質對攪拌均勻性的影響均非常大，因此，攪拌樁體硬凝固結作用速度緩慢復雜，強度增長緩慢。

3.1 水泥的水解及水化反應

在軟土中拌入水泥后，水泥表面的活性硅酸鹽及鎂鋁酸鹽快速和軟土層中的自由水發生物理化學反應，生成Ca(OH)2、3CaO·SiO2、CaCl2、3CaO·Fe2O3等等一系列溶于水化合物。其中3CaO·SiO2含量63～67%，加固土樁體的強度主要由它決定；2CaO·SiO2，含量21～24%，加固土樁體后期強度的增大由它決定；3CaO·Al2O3含量4～7%，它在飽和軟土中反應速度最快，在前面7天的早凝時間起決定作用。4CaO·Al2O3·Fe2O3含量2～4%左右，決定早期強度。

在軟土中拌入水泥后，在軟土層中的自由水的參與下，水泥不斷發生水解及水化反應，生成能溶解于水中的Ca(OH)2、3CaO·SiO2·3H2O 等化合物。當溶液飽和后，水分子繼續進入水泥樁體內部，發生水解、水化反應，這樣加固區周圍自由水不斷減少，已經溶于水部分化合物及后續的生成化合物，因溶解液的減少而不能再溶解，只能以膠體的形態析出。水泥中還含有約3%硫酸鈣，它在飽和溶解液發生反應，生成3CaO·Al2O3·3CaSO4·32H2O 的化合物，它被稱為“水泥桿菌”。在現場開挖攪拌樁體，將它置于顯微鏡下觀察發現，早期它在短時間內以針狀結構結晶體析出，其中樁體齡期的長短及碳酸鈣摻入量的多少是決定其生成量的多少。據衍射試驗分析，硫酸鈣、鋁酸鈣及自由水反應迅速，以結晶水的形態把飽和水固定下來，從而增大了軟土的強度，這對樁間軟土硬度增長意義非常。對于普通水泥，依據3CaO·Al2O3·3CaSO4·32H2O 化學式可知自由水的結合量約為生成水泥桿菌總量的45%左右。當然，合適的硫酸鈣加入量是必需的，否則水泥桿菌結晶物會生成過多，體積增大，破壞水泥土樁體。所以只要硫酸鈣用量合適，反而會加大軟土地基加固效果。

3.2 粘土礦物顆粒與水化物的作用

當水泥水解水化作用完成后，這些凝膠體溶液有的與四周活性硅酸鹽礦物顆粒發生反應，吸收自由水，由于溶解液不斷減少，則會繼續析出膠體硬化，形成水泥石。

①離子交換及團粒化作用：軟土作為一種由復合鋁-硅酸鹽晶體、結合水及自由水組成的多相體系，它具有粘塑性特征，例如由于軟土飽水，多數硅酸鹽晶體礦物以硅酸膠體顆粒形式存在，其表面多吸附Na+或K+，而水泥和土中自由水反應時生成相當多的Ca++，當硅酸膠體顆粒遇到這些鈣離子時就會發生交換，這樣就把原來小的土粒聚集成大的團粒，從而大大提高了軟土的強度。如下表為某軟土浸泡Ca(OH)2溶液中前后，Na+或K+就被Ca++所置換結果 (表3)，可見大顆粒組明顯增加。

土樣浸泡前后顆粒分析結果 表3

水泥和軟土中的自由水反應生成以上4種凝膠粒子，其比表面積增大了一千倍左右，表面勢能非常強大，活性也增加得非常大，也就使較大的土粒繼續結合而變大，擠密土粒孔隙，增大土粒間聯結。這就是水泥土攪拌樁體強度大于樁間土體的原因之一。

②凝硬反應：在軟土和水泥拌合后的凝期時間以后，這種反應依然在進行，不斷產生Ca(OH)2并溶解于水中，當Ca(OH)2溶液趨于過飽和時，此時軟土層處于弱堿性環境中，組成軟土礦物的鋁-硅酸鹽晶體便與Ca(OH)2發生反應，生成不溶于水的穩定 CaO.SiO2·(n+1)H2O、CaO·Al2O2·(n+1)H2O 等結晶化合物。依據現場試驗檢測可知這些結晶化合物大致為:CAH系的鋁酸鈣水化物；CSH系的硅酸鈣水化物；鈣黃長石水化物等。這些結晶化合物硬化為水泥石，結構硬實致密，又不溶解于自由水，這是水泥土攪拌樁體強度大于樁間土體的原因之一。

經過現場試驗檢測分析，軟土中的含水的鋁-硅酸鹽晶體礦物及少量的有機質之間多通過弱結合水產生微弱聯系，且這種聯系很容易被打亂重置，且間距較大，因此其孔隙比多≥1。在拌入水泥7天后，水泥水解、水化物膠體替代軟土顆粒四周的飽和水，并有少量結晶物析出。28天后，隨著凝硬反應的不斷繼續，大量結晶體析出硬化，使樁體及樁間土的孔隙不斷被晶體充填，形成形狀各異網狀結構。5～6個月后，反應仍然繼續，結晶體繼續延伸充填樁體及樁間土的孔隙，這樣水泥石及土顆粒相互交織硬化。這樣水泥土樁體強度及樁間土體強度都得到了提高。

3.3 碳酸化作用

軟土中的自由水在和水泥反應時析出的Ca++也可吸收周圍的CO2，生成碳酸鈣，它不溶于水。析出硬化后，其強度一般，這樣水泥土樁體強度也得到了部分提高，不過其幅度小、速度慢。這就是水泥土樁體強度得以增大原因之一。在以上的分析中我們可以得出以下水泥土樁體硬化反應的模式圖。

水泥土樁體硬化反應模式示意圖

4 結束語

從以上原理分析可知，①采用水泥作為主固劑處理軟土，可形成較硬的水泥土樁體，它主要由水泥水化物硬化、水泥水化物伴生物與軟土含水鋁—硅酸鹽反應的生成物硬化及密實的土團顆粒組成，這些結晶硬化物具有遠大于軟土的強度。②軟土的力學及化學性質對水泥拌和的均勻性及樁體的強度影響也較大。在機械切削攪拌軟土時要多次攪拌，使水泥充分與軟土拌和，這樣反應才會完全，樁體強度離散性就會小，復合地基的整體強度才會高。