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1、,水泥加固软土过程中 有机质的行为研究,陈慧娥 吉林大学建设工程学院,一.问题的提出 二.研究现状 三.室内试验 1.外掺剂的选取 2.试样的制备 3.试样性质测试与结果分析 四.结论及建议,近年来，随着我国经济建设的发展和对外开放的需要，软土的开发和利用不断发展。由于软土的特殊性质（高孔隙比、大含水量、低强度、高压缩性及低渗透性等），因此在大量的工程中，如机场、码头、高速公路、高层建筑深基坑等均会遇到软土工程问题。软土工程在我国已有相当长的历史，目前国际上已有的软土工程技术在我国也都有应用与发展。其中水泥土复合地基技术（深层搅拌与旋喷）在软土地基加固中得到了广泛应用并取得了一定的效果。但是由
2、于各地软土成因多种多样，物质组成千差万别，因此在加固工程中即使水泥掺入比和施工工艺完全一致，水泥加固软土效果也会有所差异，甚至在一些,一. 问题的提出,一. 问题的提出,工程实例中出现了加固失败的问题。例如，1985年冬，在我国西南地区采用深层搅拌加固土法曾有一个沼泽相泥炭土的加固工程，该泥炭土单用水泥加固，即使掺入比达30%，加固土的强度也难达到300Kpa，以致使水泥加固泥炭土丧失经济技术效益。在对变形和强度变化的机理研究中发现软土内有机质在加固过程中起到一定的作用，它能阻碍水泥的水化反应，从而影响水泥土强度的形成，因此深入研究有机质在水泥加固软土中的行为，了解有机质的各种作用，对指导工程
3、实践，改良加固方法带来巨大益处。,二. 研究现状,1.有机质的组成 土壤有机质是土壤固相的一个重要组成部分，它的存在改变或影响着土壤的一系列物理的、化学的、生物的性质。土壤有机质或称腐殖质的主体是腐殖物质，它们大多数与土中无机成分相结合，以复合体的形式存在于土体中。结合态腐殖质因其溶解程度不同可有三种存在状态，即松结态腐殖质、稳结态腐殖质和紧结态腐殖质。这三种结合态腐殖质的活动性由强到弱，松结态腐殖质性质最活跃，易与其它物质相结合，而紧结态腐殖质最稳定，是一类与土壤的矿质部分结合得最紧密的有机质。从成份角度来讲，土壤有机质最具有代表性的成份可归为胡敏酸、富里酸和胡敏素。其中胡敏素即为紧结腐殖质
4、的物质组成，而胡敏酸与富里酸均存在于松结态与稳结态腐殖质中。 土壤腐殖质的分组见图1。,二. 研究现状,图1 土壤腐殖质分组示意图,2.有机质对土性质影响的研究 初期，和工程相关的有机质研究的重点是有机质对土体性质的影响。E.M.谢尔盖耶夫曾指出，有机物腐殖质的特点是亲水性强，容水性高，可塑性强，透水性低和压缩性强等，岩土中含有即使是少量的凝胶化有机物，其性质也会发生根本变化。例如，细分散的砂土中混杂有少量腐殖质会使其具有流砂性质；向砂土中添加百分之几的腐殖质会成百倍地降低其透水性。与岩土的矿物组分相比，物理化学活性高是大部分有机组分的重要特点。有机物基本上都具有酸性，是非常活跃的风化营力，能
5、分解硅酸盐类及其它矿物。另有学者提出，土体中若含有1%的腐殖质时，则其所起的作用相当于由1.5%其它矿物成分形成的粘粒。因此，土体中有机质含量较高时，其亲水性、可塑性较高，压缩性大，透水性及抗剪强度较低。同时，土中腐殖质的含量对土的阳离子交换容量也有很大影响，土中每增加1%的腐殖质，交换容量可增加1mmol/100g，含腐殖质越多的土，交换容量越高。,二. 研究现状,3.有机质影响水泥搅拌桩强度的机理研究 研究发现有机质组成中影响水泥土无侧限抗压强度的主要成分为富里酸。在富里酸、水、水泥土体系中，富里酸一般先以水溶液形式存在，其与水泥矿物吸附所形成的吸附层延缓了水泥水化的进程；其次，在已经生成
6、的水化铝酸钙等晶体中，由于富里酸对含铝矿物特殊的分解作用使这些水化产物解体，破坏了水泥土结构的形成，阻碍了水泥的水化反应。 一些学者对富里酸的作用做出了更进一步的解释。他们指出富里酸与矿物的接触开始后，便被矿物颗粒所吸收形成一个吸附膜层，并且由于功能团分子键作用而使吸附过程具有明显的化学性质。其次，富里酸特别容易与含铝多的矿物质颗粒进行结合，由于含铝矿物晶格的层次排列，故此种反应造成晶格层状排列的重分布而分解，矿物分解的程度取决于它所含有的铝的多少。在水泥水化体系中，硅酸盐水泥的水化产物为氢氧化钙、水化硅酸钙、水化铝酸钙，水化与结晶可形成特有的晶格网状结构的水泥石。但在富里酸、水、水泥体系中，
7、,二. 研究现状,一般地富里酸首先呈水溶性形式存在，在水泥与富里酸水溶液接触后，体系中：一方面水泥的水化开始；另一方面富里酸与水泥矿物的吸附作用所形成的吸附层又延缓了水泥水化的进程。其次在已生成的水化铝酸钙、水化硫铝酸钙及水化铁铝酸钙晶体中，富里酸的分解作用使这些水化产物解体，破坏了水泥土结构的形成，呈现出一种化学风化的特征。 另外，黑色胡敏酸对钙有很强的化学亲合势。当溶液中存在一定数量的钙时，黑色胡敏酸便与它生成胡敏酸钙沉淀。后者不易溶解，并呈中性反应。由于胡敏酸具有与钙结合并沉淀特别能力，因此，它的存在将会对水泥水化产物产生影响，尤其当水泥水化产生大量的钙离子，而土中胡敏酸含量又较大时，这
8、种作用就更加明显。从而进一步影响结晶物质的形成。,二. 研究现状,以上观点是从有机酸对水化反应的抑制和水化产物的分解这一角度来说明有机质影响水泥土强度形成的。曾卫东等（2002年）指出，土中有机质的存在阻碍了水泥水化反应的进行，是由其结构特点所决定的。从微观结构来看，有机质颗粒比大多数粘土矿物颗粒还要小，呈圆粒状、分子结构不紧密，具絮凝状结构、微孔隙发育，且呈链状连结而成集粒。有机质的结构特征在相当程度上决定了其持水性和吸附性都很强，有机质颗粒吸附于水泥颗粒及粘土颗粒表面，阻碍和延缓了水泥水化产物的形成及水泥水化产物与粘土颗粒之间的作用；而且有机质为酸性体，颗粒带负电，且具有比粘土矿物颗粒更发
9、育的双电层，这些因素阻碍了水泥土的加固作用，导致水泥加固土的效果较差，水泥土的强度一般较低。,二. 研究现状,4.采用水泥加固高有机质含量软土对策的研究 荀勇研究发现采用工业废石膏和水泥组成固化剂，再掺入少量的粉煤灰，会取得很好的加固效果。其原因在于加固土的强度取决于微观孔隙和孔径的减小程度以及水化硅酸钙（CSH）胶结作用两个方面。一方面，废石膏中的主要成分CaSO4可与含铝相发生反应，产生大量的钙矾石，其固相体积膨胀 ，填充了部分孔隙 ，使土体孔隙减小 ，且其较大的针刺状晶体在孔隙中生成，相互交叉与水化硅酸钙一起形成空间结构，使固化土孔径分布细化。另一方面可以生成水化硅酸钙和水化铝酸钙，从而
10、增强了晶体矿物之间的胶凝作用。同时，粉煤灰的微珠效应可改变水泥土的流变学性质，使振动粘度系数小，使加固土易于拌匀，密实，降低加固土孔隙，减小孔径。粉煤灰对水泥熟料的分散作用，能减小有机质对水泥水化的阻碍。粉煤灰对有机质的物理吸附作用也起到一定的作用。,二. 研究现状,潘林有从富里酸的作用机理出发，寻找出一种复合添加剂，这种复合添加剂掺入量较大，部分代替水泥掺入量，它一方面能抵抗富里酸的侵蚀，另一方面又能调节水化硅酸钙晶体的成长速度。经过大量的室内正交试验，得出其最佳配方为：水泥掺量11%，生石膏粉为水泥重的5%，水玻璃为水泥重的5%，粉煤灰为水泥重的30%，PL1复合添加剂为水泥重的0.5%。
11、PL1复合添加剂中含有三乙醇胺，盐卤，红矾，绿矾等化学物质。且该配方在工程中已得到初步验证。,曾卫东等在深层搅拌法处理高有机质含量的泥炭质土的研究中，选用早强剂、减水剂搭配成三种组合方案作为外掺剂与水泥共同作用进行地基加固。其中减水剂的主要作用是减小土中水量，节省水泥用量。而早强剂的作用机理主要是，早强剂的加入，一方面使其本身与水泥颗粒表面矿物发生化学反应，生成不溶于水的水化产物，更重要的是能加快水泥的水解和水化反应，生成氢氧化钙、含水硅酸钙、含水硅酸钠、含水铝酸钙等水化物，这些水化物又与具有一定活性的粘土颗粒发生离子交换、团粒化作用及凝硬反应，从而使水泥土的强度大大提高。通过对比研究，得出最
12、佳的外掺剂配比方案为由硫酸钠、氯化钠、三乙醇胺构成的复合早强剂。,二. 研究现状,潘殿琦等从影响水泥搅拌桩桩体强度的因素角度考虑在水泥浆中加入减水剂和早强剂。水泥减水剂是具有表面活性的低分子有机物，它吸附到水泥颗粒表面，阻止水泥颗粒间的聚结，因而提高了水泥颗粒的分散性，释放了被水泥颗粒网状结构所包围的水，改善了水泥颗粒与水接触的水化条件，增加了水泥浆的水化面积，从而提高水泥土的强度。减水剂的类型主要有木钙粉、亚甲基二萘磺酸钠、已糖二酸钙等。 另一方面，不同的外掺剂对水泥土强度有着不同的影响。如木质磺酸钙对水泥土强度的增长影响不大，主要起减水作用。石膏、三乙醇胺对水泥土强度有增强作用，而其增强效
13、果不同土样和不同水泥掺入比又有所不同，所以选择合适的外掺剂可提高水泥土强度和节约水泥用量。一般早强剂可选用三乙醇胺、氯化钙、碳酸钠或水玻璃等材料，其掺入量宜分别取水泥重量的0.05%、2%、0.5%和2%；减水剂可选用木质素磺酸钙，其掺入量宜取水泥重量的0.2%；石膏兼有缓凝和早强的双重作用，其掺入量宜取水泥重量的2%。,二. 研究现状,三. 室内试验,1.外掺剂的选取 a.早强剂：能够提高早期强度 ，一方面，外掺剂本身与水泥颗粒表面矿物发生化学反应，生成不溶于水的水化产物，另一方面，外掺剂的加入能加快水泥的水解和水化反应，生成氢氧化钙、含水硅酸钙、含水硅酸钠、含水铝酸钙等水化物，这些水化物又
14、与具有一定活性的粘土颗粒发生离子交换、团粒化作用及凝硬反应，从而使得水泥土强度大大提高。常用的早强剂主要有氯盐类早强剂、硫酸盐类早强剂、有机胺类早强剂三种。此处选用硫酸钠、氯化钠、三乙醇胺配比作为早强剂，重量按水泥重的2%、0.5%、0.05%计算。,b.结晶硫酸钙 :由于胡敏酸具有结合钙并沉淀的特别能力，因而，它的存在将会对水泥的加固效果产生影响，即大量结合水化产物中的钙离子，从而导致钙质结晶难以形成，影响水泥土的强度。故第二种外掺剂选择结晶硫酸钙，以补充钙离子的消耗，重量按水泥重的2.55%计算。 c.硫酸铝：用于抵消富里酸对含铝矿物的分解，重量按水泥重的2.55%计算。,三. 室内试验,
15、2.试样制备 试验所用土为取自广州小谷围岛的淤泥质土。经测定土样有机质含量为17.42%。制样前先将土风干，碾碎，过2.5mm筛，以确保试验用土的均匀性。制样时，按设计配比分别称量土、水泥（按水土总重的15%加入）及三种外掺剂。先将干粉料搅拌均匀，再按统一的含水量加水搅拌（含水量为原样初始含水量60%），充分搅拌均匀后，在控制容重的条件下以手工压筑法将土样装入饱和器，制成无侧限抗压试样，最后将试样密封养护，养护期为28天。各试样情况见表1。 表1 试样说明表,三. 室内试验,3.试样性质测试及结果分析 a.力学性质 由表2中可以看出，加入外掺剂以后，试样的无侧限抗压强度值比单纯用水泥加固的均有
16、很大程度的提高，外掺剂不同，其加固的效果也不同。其中3号样的加固效果最好，也就是说，在三种外掺剂中，结晶硫酸钙的加入很有效地补偿了胡敏酸对钙的沉淀作用，从而使得水泥水化产生的钙能更充分地参与各种团粒化、硬化和结晶作用，促进了水泥土强度的增长。同样，早强剂和硫酸铝的加入对促进水泥早期水化反应的进行以及补偿铝质矿物的消耗都发挥了作用，只是影响的程度不同。,表2 各试样无侧限抗压强度成果表,三. 室内试验,b. 阳离子交换容量,表3 各试样阳离子交换容量成果表,由于加入的外掺剂中有交换性离子，因此加入外掺剂后试样的阳离子交 换容量均有所提高，而且2号样中加入的交换性离子最多，且其不参与各种 结晶及胶
17、结反应，所以交换容量最大。3号样中加入的交换性离子比4号样 多，但其交换容量小于4号样，这主要是因为3号样中加入的钙离子大部分 参与了水泥的团粒化作用及硬凝反应，形成结晶物质，参与了水泥土强度的 形成，因而它具有较小的阳离子交换容量。,三. 室内试验,c. 粒度成分,表4 各试样粒度组成表/%,三. 室内试验,d.微观结构特征,1号样(a),1号样(b),1号样(c),2号样(a),三. 室内试验,3号样(a),3号样(b),4号样(a),4号样(b),图1 各试样微观结构照片,三. 室内试验,表5中的数据表明：加固后试样中的松结态腐殖质含量大幅度减少，而稳结态与紧结态腐殖质的总和相对增加。由
18、此可看出，水泥及各种外掺剂加入以后，土中性质较活跃的松结态腐殖质与各种水化产物及外掺剂相互作用，从而生成性质较稳定的稳结态与紧结态腐殖质。另外，在加固样中，3号样的稳结态与紧结态腐殖质总量与松结态腐殖质含量的差值最大，亦即3号样中参与腐殖质与水泥水化产物及外掺剂之间相互作用的松结态腐殖质最多，但由力学结果知道，3号样的力学性质最好，由此可知，3号样中与松结态腐殖质发生反应的物质主要为外掺剂结晶硫酸钙，而水泥水化产物本身消耗很少。,表5 试样中不同结合状态有机质含量表,三. 室内试验,e.有机质测试,对原样松结态腐殖质中的胡敏酸与富里酸进行分离，并测定其含量分别为8.07%与0.66%，也就是说
19、，对这一土样来说，松结态腐殖质的主要成分为胡敏酸，而富里酸只占极小的部分。这也从另一方面解释了当外掺剂为与胡敏酸相互作用的结晶硫酸钙时，水泥土的加固效果最好，而外掺剂为与富里酸相作用的硫酸铝时，加固效果不是很理想的原因。,三. 室内试验,四. 结论及建议,单纯用水泥加固高有机质含量软土，很难收到预期效果，选用适当的外掺剂可以提高水泥土强度，而外掺剂种类不同，对水泥土加固效果也有所不同。 土体有机质中，与水泥水化产物及外掺剂相作用的主要为松结态腐殖质。因此，土中松结态腐殖质的含量在水泥加固软土地基中起主要作用。 由于水泥及外掺剂的各种作用，将小颗粒连接成了大的团粒，加固后试样中的粉粒含量均有较大
20、程度的增加，且外掺剂为结晶硫酸钙的试样粉粒含量增加最大，其次为外掺剂为早强剂的试样，只用水泥加固的试样粉粒含量增加最小，这一趋势与试样的力学性质相一致。,试样的微观结构特征表明由于土中有机质含量很高，各试样中水泥 结晶效果不是很好，但加入外掺剂的试样与只加水泥的试样相比结 构较致密，整体性较好，结晶物质相对较多。试样的微观结构特征 从另一方面对其力学性质进行了补充说明。 松结态腐殖质中各成份的含量影响外掺剂的加固效果。当松结态腐 殖质以胡敏酸为主时，采用结晶硫酸钙作为外掺剂的水泥土加固效 果最好。 建议对高有机质含量的软土用水泥进行加固时，应先确定其中松解 态腐殖质的含量及其中的物质组成和含量，以便能更科学合理地选 择外掺剂的种类及确定其用量。,四. 结论及建议,谢谢！,