水泥加固軟土過程中有機質(zhì)行為研究(陳慧娥).ppt

1、,水泥加固軟土過程中有機質(zhì)的行為研究,陳慧娥 吉林大學(xué)建設(shè)工程學(xué)院,一.問題的提出 二.研究現(xiàn)狀 三.室內(nèi)試驗 1.外摻劑的選取 2.試樣的制備 3.試樣性質(zhì)測試與結(jié)果分析 四.結(jié)論及建議,近年來，隨著我國經(jīng)濟建設(shè)的發(fā)展和對外開放的需要，軟土的開發(fā)和利用不斷發(fā)展。由于軟土的特殊性質(zhì)（高孔隙比、大含水量、低強度、高壓縮性及低滲透性等），因此在大量的工程中，如機場、碼頭、高速公路、高層建筑深基坑等均會遇到軟土工程問題。軟土工程在我國已有相當(dāng)長的歷史，目前國際上已有的軟土工程技術(shù)在我國也都有應(yīng)用與發(fā)展。其中水泥土復(fù)合地基技術(shù)（深層攪拌與旋噴）在軟土地基加固中得到了廣泛應(yīng)用并取得了一定的效果。但是由于

2、各地軟土成因多種多樣，物質(zhì)組成千差萬別，因此在加固工程中即使水泥摻入比和施工工藝完全一致，水泥加固軟土效果也會有所差異，甚至在一些,一. 問題的提出,一. 問題的提出,工程實例中出現(xiàn)了加固失敗的問題。例如，1985年冬，在我國西南地區(qū)采用深層攪拌加固土法曾有一個沼澤相泥炭土的加固工程，該泥炭土單用水泥加固，即使摻入比達(dá)30%，加固土的強度也難達(dá)到300Kpa，以致使水泥加固泥炭土喪失經(jīng)濟技術(shù)效益。在對變形和強度變化的機理研究中發(fā)現(xiàn)軟土內(nèi)有機質(zhì)在加固過程中起到一定的作用，它能阻礙水泥的水化反應(yīng)，從而影響水泥土強度的形成，因此深入研究有機質(zhì)在水泥加固軟土中的行為，了解有機質(zhì)的各種作用，對指導(dǎo)工程實

3、踐，改良加固方法帶來巨大益處。,二. 研究現(xiàn)狀,1.有機質(zhì)的組成 土壤有機質(zhì)是土壤固相的一個重要組成部分，它的存在改變或影響著土壤的一系列物理的、化學(xué)的、生物的性質(zhì)。土壤有機質(zhì)或稱腐殖質(zhì)的主體是腐殖物質(zhì)，它們大多數(shù)與土中無機成分相結(jié)合，以復(fù)合體的形式存在于土體中。結(jié)合態(tài)腐殖質(zhì)因其溶解程度不同可有三種存在狀態(tài)，即松結(jié)態(tài)腐殖質(zhì)、穩(wěn)結(jié)態(tài)腐殖質(zhì)和緊結(jié)態(tài)腐殖質(zhì)。這三種結(jié)合態(tài)腐殖質(zhì)的活動性由強到弱，松結(jié)態(tài)腐殖質(zhì)性質(zhì)最活躍，易與其它物質(zhì)相結(jié)合，而緊結(jié)態(tài)腐殖質(zhì)最穩(wěn)定，是一類與土壤的礦質(zhì)部分結(jié)合得最緊密的有機質(zhì)。從成份角度來講，土壤有機質(zhì)最具有代表性的成份可歸為胡敏酸、富里酸和胡敏素。其中胡敏素即為緊結(jié)腐殖質(zhì)的

4、物質(zhì)組成，而胡敏酸與富里酸均存在于松結(jié)態(tài)與穩(wěn)結(jié)態(tài)腐殖質(zhì)中。 土壤腐殖質(zhì)的分組見圖1。,二. 研究現(xiàn)狀,圖1土壤腐殖質(zhì)分組示意圖,2.有機質(zhì)對土性質(zhì)影響的研究 初期，和工程相關(guān)的有機質(zhì)研究的重點是有機質(zhì)對土體性質(zhì)的影響。E.M.謝爾蓋耶夫曾指出，有機物腐殖質(zhì)的特點是親水性強，容水性高，可塑性強，透水性低和壓縮性強等，巖土中含有即使是少量的凝膠化有機物，其性質(zhì)也會發(fā)生根本變化。例如，細(xì)分散的砂土中混雜有少量腐殖質(zhì)會使其具有流砂性質(zhì)；向砂土中添加百分之幾的腐殖質(zhì)會成百倍地降低其透水性。與巖土的礦物組分相比，物理化學(xué)活性高是大部分有機組分的重要特點。有機物基本上都具有酸性，是非常活躍的風(fēng)化營力，能分解

5、硅酸鹽類及其它礦物。另有學(xué)者提出，土體中若含有1%的腐殖質(zhì)時，則其所起的作用相當(dāng)于由1.5%其它礦物成分形成的粘粒。因此，土體中有機質(zhì)含量較高時，其親水性、可塑性較高，壓縮性大，透水性及抗剪強度較低。同時，土中腐殖質(zhì)的含量對土的陽離子交換容量也有很大影響，土中每增加1%的腐殖質(zhì)，交換容量可增加1mmol/100g，含腐殖質(zhì)越多的土，交換容量越高。,二. 研究現(xiàn)狀,3.有機質(zhì)影響水泥攪拌樁強度的機理研究 研究發(fā)現(xiàn)有機質(zhì)組成中影響水泥土無側(cè)限抗壓強度的主要成分為富里酸。在富里酸、水、水泥土體系中，富里酸一般先以水溶液形式存在，其與水泥礦物吸附所形成的吸附層延緩了水泥水化的進(jìn)程；其次，在已經(jīng)生成的水

6、化鋁酸鈣等晶體中，由于富里酸對含鋁礦物特殊的分解作用使這些水化產(chǎn)物解體，破壞了水泥土結(jié)構(gòu)的形成，阻礙了水泥的水化反應(yīng)。 一些學(xué)者對富里酸的作用做出了更進(jìn)一步的解釋。他們指出富里酸與礦物的接觸開始后，便被礦物顆粒所吸收形成一個吸附膜層，并且由于功能團(tuán)分子鍵作用而使吸附過程具有明顯的化學(xué)性質(zhì)。其次，富里酸特別容易與含鋁多的礦物質(zhì)顆粒進(jìn)行結(jié)合，由于含鋁礦物晶格的層次排列，故此種反應(yīng)造成晶格層狀排列的重分布而分解，礦物分解的程度取決于它所含有的鋁的多少。在水泥水化體系中，硅酸鹽水泥的水化產(chǎn)物為氫氧化鈣、水化硅酸鈣、水化鋁酸鈣，水化與結(jié)晶可形成特有的晶格網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的水泥石。但在富里酸、水、水泥體系中，,二

7、. 研究現(xiàn)狀,一般地富里酸首先呈水溶性形式存在，在水泥與富里酸水溶液接觸后，體系中：一方面水泥的水化開始；另一方面富里酸與水泥礦物的吸附作用所形成的吸附層又延緩了水泥水化的進(jìn)程。其次在已生成的水化鋁酸鈣、水化硫鋁酸鈣及水化鐵鋁酸鈣晶體中，富里酸的分解作用使這些水化產(chǎn)物解體，破壞了水泥土結(jié)構(gòu)的形成，呈現(xiàn)出一種化學(xué)風(fēng)化的特征。 另外，黑色胡敏酸對鈣有很強的化學(xué)親合勢。當(dāng)溶液中存在一定數(shù)量的鈣時，黑色胡敏酸便與它生成胡敏酸鈣沉淀。后者不易溶解，并呈中性反應(yīng)。由于胡敏酸具有與鈣結(jié)合并沉淀特別能力，因此，它的存在將會對水泥水化產(chǎn)物產(chǎn)生影響，尤其當(dāng)水泥水化產(chǎn)生大量的鈣離子，而土中胡敏酸含量又較大時，這種作

8、用就更加明顯。從而進(jìn)一步影響結(jié)晶物質(zhì)的形成。,二. 研究現(xiàn)狀,以上觀點是從有機酸對水化反應(yīng)的抑制和水化產(chǎn)物的分解這一角度來說明有機質(zhì)影響水泥土強度形成的。曾衛(wèi)東等（2002年）指出，土中有機質(zhì)的存在阻礙了水泥水化反應(yīng)的進(jìn)行，是由其結(jié)構(gòu)特點所決定的。從微觀結(jié)構(gòu)來看，有機質(zhì)顆粒比大多數(shù)粘土礦物顆粒還要小，呈圓粒狀、分子結(jié)構(gòu)不緊密，具絮凝狀結(jié)構(gòu)、微孔隙發(fā)育，且呈鏈狀連結(jié)而成集粒。有機質(zhì)的結(jié)構(gòu)特征在相當(dāng)程度上決定了其持水性和吸附性都很強，有機質(zhì)顆粒吸附于水泥顆粒及粘土顆粒表面，阻礙和延緩了水泥水化產(chǎn)物的形成及水泥水化產(chǎn)物與粘土顆粒之間的作用；而且有機質(zhì)為酸性體，顆粒帶負(fù)電，且具有比粘土礦物顆粒更發(fā)育的

9、雙電層，這些因素阻礙了水泥土的加固作用，導(dǎo)致水泥加固土的效果較差，水泥土的強度一般較低。,二. 研究現(xiàn)狀,4.采用水泥加固高有機質(zhì)含量軟土對策的研究 荀勇研究發(fā)現(xiàn)采用工業(yè)廢石膏和水泥組成固化劑，再摻入少量的粉煤灰，會取得很好的加固效果。其原因在于加固土的強度取決于微觀孔隙和孔徑的減小程度以及水化硅酸鈣（CSH）膠結(jié)作用兩個方面。一方面，廢石膏中的主要成分CaSO4可與含鋁相發(fā)生反應(yīng)，產(chǎn)生大量的鈣礬石，其固相體積膨脹 ，填充了部分孔隙 ，使土體孔隙減小 ，且其較大的針刺狀晶體在孔隙中生成，相互交叉與水化硅酸鈣一起形成空間結(jié)構(gòu)，使固化土孔徑分布細(xì)化。另一方面可以生成水化硅酸鈣和水化鋁酸鈣，從而增強

10、了晶體礦物之間的膠凝作用。同時，粉煤灰的微珠效應(yīng)可改變水泥土的流變學(xué)性質(zhì)，使振動粘度系數(shù)小，使加固土易于拌勻，密實，降低加固土孔隙，減小孔徑。粉煤灰對水泥熟料的分散作用，能減小有機質(zhì)對水泥水化的阻礙。粉煤灰對有機質(zhì)的物理吸附作用也起到一定的作用。,二. 研究現(xiàn)狀,潘林有從富里酸的作用機理出發(fā)，尋找出一種復(fù)合添加劑，這種復(fù)合添加劑摻入量較大，部分代替水泥摻入量，它一方面能抵抗富里酸的侵蝕，另一方面又能調(diào)節(jié)水化硅酸鈣晶體的成長速度。經(jīng)過大量的室內(nèi)正交試驗，得出其最佳配方為：水泥摻量11%，生石膏粉為水泥重的5%，水玻璃為水泥重的5%，粉煤灰為水泥重的30%，PL1復(fù)合添加劑為水泥重的0.5%。PL

11、1復(fù)合添加劑中含有三乙醇胺，鹽鹵，紅礬，綠礬等化學(xué)物質(zhì)。且該配方在工程中已得到初步驗證。,曾衛(wèi)東等在深層攪拌法處理高有機質(zhì)含量的泥炭質(zhì)土的研究中，選用早強劑、減水劑搭配成三種組合方案作為外摻劑與水泥共同作用進(jìn)行地基加固。其中減水劑的主要作用是減小土中水量，節(jié)省水泥用量。而早強劑的作用機理主要是，早強劑的加入，一方面使其本身與水泥顆粒表面礦物發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，生成不溶于水的水化產(chǎn)物，更重要的是能加快水泥的水解和水化反應(yīng)，生成氫氧化鈣、含水硅酸鈣、含水硅酸鈉、含水鋁酸鈣等水化物，這些水化物又與具有一定活性的粘土顆粒發(fā)生離子交換、團(tuán)?；饔眉澳卜磻?yīng)，從而使水泥土的強度大大提高。通過對比研究，得出最佳的

12、外摻劑配比方案為由硫酸鈉、氯化鈉、三乙醇胺構(gòu)成的復(fù)合早強劑。,二. 研究現(xiàn)狀,潘殿琦等從影響水泥攪拌樁樁體強度的因素角度考慮在水泥漿中加入減水劑和早強劑。水泥減水劑是具有表面活性的低分子有機物，它吸附到水泥顆粒表面，阻止水泥顆粒間的聚結(jié)，因而提高了水泥顆粒的分散性，釋放了被水泥顆粒網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)所包圍的水，改善了水泥顆粒與水接觸的水化條件，增加了水泥漿的水化面積，從而提高水泥土的強度。減水劑的類型主要有木鈣粉、亞甲基二萘磺酸鈉、已糖二酸鈣等。 另一方面，不同的外摻劑對水泥土強度有著不同的影響。如木質(zhì)磺酸鈣對水泥土強度的增長影響不大，主要起減水作用。石膏、三乙醇胺對水泥土強度有增強作用，而其增強效果不

13、同土樣和不同水泥摻入比又有所不同，所以選擇合適的外摻劑可提高水泥土強度和節(jié)約水泥用量。一般早強劑可選用三乙醇胺、氯化鈣、碳酸鈉或水玻璃等材料，其摻入量宜分別取水泥重量的0.05%、2%、0.5%和2%；減水劑可選用木質(zhì)素磺酸鈣，其摻入量宜取水泥重量的0.2%；石膏兼有緩凝和早強的雙重作用，其摻入量宜取水泥重量的2%。,二. 研究現(xiàn)狀,三. 室內(nèi)試驗,1.外摻劑的選取 a.早強劑：能夠提高早期強度 ，一方面，外摻劑本身與水泥顆粒表面礦物發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，生成不溶于水的水化產(chǎn)物，另一方面，外摻劑的加入能加快水泥的水解和水化反應(yīng)，生成氫氧化鈣、含水硅酸鈣、含水硅酸鈉、含水鋁酸鈣等水化物，這些水化物又與具

14、有一定活性的粘土顆粒發(fā)生離子交換、團(tuán)?；饔眉澳卜磻?yīng)，從而使得水泥土強度大大提高。常用的早強劑主要有氯鹽類早強劑、硫酸鹽類早強劑、有機胺類早強劑三種。此處選用硫酸鈉、氯化鈉、三乙醇胺配比作為早強劑，重量按水泥重的2%、0.5%、0.05%計算。,b.結(jié)晶硫酸鈣 :由于胡敏酸具有結(jié)合鈣并沉淀的特別能力，因而，它的存在將會對水泥的加固效果產(chǎn)生影響，即大量結(jié)合水化產(chǎn)物中的鈣離子，從而導(dǎo)致鈣質(zhì)結(jié)晶難以形成，影響水泥土的強度。故第二種外摻劑選擇結(jié)晶硫酸鈣，以補充鈣離子的消耗，重量按水泥重的2.55%計算。 c.硫酸鋁：用于抵消富里酸對含鋁礦物的分解，重量按水泥重的2.55%計算。,三. 室內(nèi)試驗,2.

15、試樣制備 試驗所用土為取自廣州小谷圍島的淤泥質(zhì)土。經(jīng)測定土樣有機質(zhì)含量為17.42%。制樣前先將土風(fēng)干，碾碎，過2.5mm篩，以確保試驗用土的均勻性。制樣時，按設(shè)計配比分別稱量土、水泥（按水土總重的15%加入）及三種外摻劑。先將干粉料攪拌均勻，再按統(tǒng)一的含水量加水?dāng)嚢瑁ê繛樵瓨映跏己?0%），充分?jǐn)嚢杈鶆蚝?，在控制容重的條件下以手工壓筑法將土樣裝入飽和器，制成無側(cè)限抗壓試樣，最后將試樣密封養(yǎng)護(hù)，養(yǎng)護(hù)期為28天。各試樣情況見表1。 表1試樣說明表,三. 室內(nèi)試驗,3.試樣性質(zhì)測試及結(jié)果分析 a.力學(xué)性質(zhì) 由表2中可以看出，加入外摻劑以后，試樣的無側(cè)限抗壓強度值比單純用水泥加固的均有很大程

16、度的提高，外摻劑不同，其加固的效果也不同。其中3號樣的加固效果最好，也就是說，在三種外摻劑中，結(jié)晶硫酸鈣的加入很有效地補償了胡敏酸對鈣的沉淀作用，從而使得水泥水化產(chǎn)生的鈣能更充分地參與各種團(tuán)?；?、硬化和結(jié)晶作用，促進(jìn)了水泥土強度的增長。同樣，早強劑和硫酸鋁的加入對促進(jìn)水泥早期水化反應(yīng)的進(jìn)行以及補償鋁質(zhì)礦物的消耗都發(fā)揮了作用，只是影響的程度不同。,表2各試樣無側(cè)限抗壓強度成果表,三. 室內(nèi)試驗,b. 陽離子交換容量,表3 各試樣陽離子交換容量成果表,由于加入的外摻劑中有交換性離子，因此加入外摻劑后試樣的陽離子交 換容量均有所提高，而且2號樣中加入的交換性離子最多，且其不參與各種 結(jié)晶及膠結(jié)反應(yīng)，

17、所以交換容量最大。3號樣中加入的交換性離子比4號樣 多，但其交換容量小于4號樣，這主要是因為3號樣中加入的鈣離子大部分 參與了水泥的團(tuán)?；饔眉坝材磻?yīng)，形成結(jié)晶物質(zhì)，參與了水泥土強度的 形成，因而它具有較小的陽離子交換容量。,三. 室內(nèi)試驗,c. 粒度成分,表4 各試樣粒度組成表/%,三. 室內(nèi)試驗,d.微觀結(jié)構(gòu)特征,1號樣(a),1號樣(b),1號樣(c),2號樣(a),三. 室內(nèi)試驗,3號樣(a),3號樣(b),4號樣(a),4號樣(b),圖1各試樣微觀結(jié)構(gòu)照片,三. 室內(nèi)試驗,表5中的數(shù)據(jù)表明：加固后試樣中的松結(jié)態(tài)腐殖質(zhì)含量大幅度減少，而穩(wěn)結(jié)態(tài)與緊結(jié)態(tài)腐殖質(zhì)的總和相對增加。由此可看出，

18、水泥及各種外摻劑加入以后，土中性質(zhì)較活躍的松結(jié)態(tài)腐殖質(zhì)與各種水化產(chǎn)物及外摻劑相互作用，從而生成性質(zhì)較穩(wěn)定的穩(wěn)結(jié)態(tài)與緊結(jié)態(tài)腐殖質(zhì)。另外，在加固樣中，3號樣的穩(wěn)結(jié)態(tài)與緊結(jié)態(tài)腐殖質(zhì)總量與松結(jié)態(tài)腐殖質(zhì)含量的差值最大，亦即3號樣中參與腐殖質(zhì)與水泥水化產(chǎn)物及外摻劑之間相互作用的松結(jié)態(tài)腐殖質(zhì)最多，但由力學(xué)結(jié)果知道，3號樣的力學(xué)性質(zhì)最好，由此可知，3號樣中與松結(jié)態(tài)腐殖質(zhì)發(fā)生反應(yīng)的物質(zhì)主要為外摻劑結(jié)晶硫酸鈣，而水泥水化產(chǎn)物本身消耗很少。,表5試樣中不同結(jié)合狀態(tài)有機質(zhì)含量表,三. 室內(nèi)試驗,e.有機質(zhì)測試,對原樣松結(jié)態(tài)腐殖質(zhì)中的胡敏酸與富里酸進(jìn)行分離，并測定其含量分別為8.07%與0.66%，也就是說，對這一土樣來說，松結(jié)態(tài)腐殖質(zhì)的主要成分為胡敏酸，而富里酸只占極小的部分。