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复呜土壤肢结$ 的性能试验a 工程应用 复合土壤胶结料的性能试验及工程应用 摘要 复合土壤胶结料能广泛应用于堤防加固、渠道防渗、路面硬化和软基 处理等工程中，使用时可根据需要掺入大量的工业废渣( 粉煤灰、矿渣等 等) ，对保护环境有积极作用；此外在用胶结料施工时可就地取材，充分利 用施工现场或附近的清场砂石、土料，故可降低工程造价，减轻施工负担， 产生良好的经济效益和社会效益。本次实验是在确定了土壤胶结料掺量的 前提下，通过调整组分改进配方，提高固化对象的强度和耐久性，并在此 基础上讨论材料的路用性能。 日 本文从室内性能试验入手，通过测定固化土体的无侧限抗压强度、安 定性、抗腐蚀、抗冻融等性能，发现用氢氧化钠部分代替原配方的纯碱， 或用几种材料组成的复合激发剂能更为有效的激发粉煤灰的火山灰效应， 提高试样的早期强度；在土样中加入砂石可以提高固化土的抗压强度，同 时也可改善抗渗性；调整后的复合土壤胶结料f h 2 1 满足路面底基层和基层 一 使用要求。 。 结合试验步骤，本文还详细解释了胶结料固化土壤的固化机理及规律。 最后通过介绍胶结料的在工程中的应用实例，展望了胶结料在砌衬防渗工 程、海岸工程、公路硬化等领域的应用前景。 关键词：胶结料固化土壤耐久性 复舌土萄峨结料的性能试验反工程应用 t h ep e r f o r m a n c ee x p e r i m e n ta n d a p p l i c a t i o ni np r o j e c to f c o m p o s i t i o ns o i ls t a b i l i z e r a b s t r a c t t h ec o m p o s i t es o i ls t a b i l i z e rc a l lb ew i d e l yu s e di nt h ep r o j e e l so fd i k e r e i n f o r c i n g ，w a t e rc o n s e r v a n c yp r o j e c t s ，r o a dh a r d e n i n ga n ds o f tf o u n d a t i o n d i s p o s i n gw o r k s i n d u s t r yw a s t er e s i d u e ( s u c ha sn ya s ha n ds l a g ) c a r lb em i x e d i n t ot h em a t e r i a l sa c c o r d i n gt os p e c i f i cc o n d i t i o nr e q u i r e m e n t ，t h a ti st os a y , i t h a sp o s i t i v ee f f e c tt ot h ee n v i r o n m e n t a lp r o t e c t i o n o nt h eo t h e rh a n d ，t h el o c a l m a t e r i a l sc a l lb et a k e nf u l la d v a n t a g e s ow h e nu s i n gc o m p o s i t es o i ls t a b i l i z e rt o t a k ep l a c ec e m e n ta n dc o n c r e t e ，t h ee n g i n e e r i n gc o s tw i l ld e c r e a s ea n dg o o d e c o n o m i cr e t u r n sa n ds o c i a le f f i c i e n c yw i l lb er e c e i v e d i nt h i se x p e r i m e n t ，a t t h ep r e m i s eo ff i x e dm i x i n ga m o u n t , t h ec o m p o s i t i o n so fc o m p o s i t es o i l s t a b i l i z e ra r ea d j u s t e dt oe n h a n c et h es t r e n g t h ，a n t i - p e n e t r a t i o np e r f o r m a n c ea n d d u r a b i l i t yo ft h es o l i d i f i c a t i o no b j e c t s t h er o a du t i l i t yp e r f o r m a n c eh a sb e e n s t u d i e d t h r o u g ht e s t i n gt h em e c h a n i c sp r o p e r t i e s ，s t a b i l i t y , a n t i c o r r o s i o n a n d a n t i f r o z e np e r f o r m 抽c eo ft h es o l i d i f i e ds a m p l e s ，i ti sr e v e a l e dt h a tn a o ha n d c o m p o s i t ee x c i t a n th a sb e t t e ra l k a l ia c t i v ef l ya s ht h a nn a 2 c 0 3 t h ee x p e r i m e n t r e s u l ta l s os h o w st h a ta d d i n gs a n d r o c kc a r li m p r o v et h ec o m p r e s s i v es t r e n g t h 2 广西大学硕士论文复自土壤肢结料的佳能试验及工程应用 a n da n t i p e n e t r a t i o np e r f o r m a n c eo ft h es a m p l e s f h 21c a nm e e tt h er o a d s t a n d a r d s i nt h i s p a p e r , t h e s o l i d i f i c a t i o nm e c h a n i s ma n dc o m m o nl a w so ft h e c o m p o s i t es o i ls t a b i l i z e rh a sb e e ne x p l a i n e di nd e t a i l s i nt h el a s t ，t h r o u g h i n t r o d u c i n gt h ea p p l i c a t i o np r o j e c to fc o m p o s i t es o i ls t a b i l i z e r , t h eu s i n gf i e l d s o ft h en e wm a t e r i a lh a v eb e e nd i s c u s s e d k e yw o r d s ：c o m p o s i t es o i ls t a b i l i z e r ；s o i l ；s t a b i l i z a t i o n ；d u r a b i l i t y 3 ，l 奢土壤胶结料的性能试驰! 覆工程应用 第一章前言 1 1 理论渊源 人类采用天然土建造墙体、道路、河渠以及水库堤坝的历史由来已久。天然土体作 为一种建筑材料具有原料来源广泛、价廉易得的特点。但是，天然土的强度很低，水稳 定性差，故其使用范围受到极大限制。随着社会的向前发展，为了构筑物的安全，在兴 修水利、公路、厂房及住宅时，经常需要对土体进行加固处理，使之达到符合要求的承 载力和水稳定性。系统研究土壤增强改性的原理、方法以及土壤固化材料的性质及固化 机理，开发最经济实用的固化材料以加固软弱土壤和生产高性能的土木建筑材料以代替 混凝土，是各国学者和专家致力于研究的重要课题。 土壤固化材料是在常温下能够直接胶结土粒表面或能够与土粒的粘土矿物成分( 其 中主要有蒙脱石、伊利石和高岭石) 反应生成胶结物质的改性剂。我国对土壤的增强改 性的研究起步较晚，对固化材料的研究也方兴未艾。日、美等发达国家对此进行了大量 的开拓性工作，取得了一些重要成果。土壤固化剂的品种可以分为无机类、有机类及有 机一无机复合类。其中水泥、石灰在土壤固化工程中应用最广。 石灰对土的固化作用是早被人熟知的。长城的一些部位，每两个一米砖墙之间的夹 层中就有_ 个氢氧化钙固土墙，用石灰拌和的粉土和粘土也曾用来修建西藏的佛塔和罗 马的一些道路。水泥是目前应用最为普遍，也是最成功的固化材料，1 9 3 5 年在美国南卡 罗来纳洲的约翰圣维列修建的世界第一条水泥稳定道路，至今仍在使用。从那时以来， 无论是发达国家还是发展中国家，都开始广泛应用水泥作为建筑材料。 综合国内外研究材料，土壤固化材料的品种可分为无机类、有机类、有机一无机复 ” 合类，见表1 1 。从使用情况来看，无机类占主要。 按照状态的不同，土壤固化剂可分为液态和粉状固态两种类型。而一般说来，有 机型或离子型固化剂为液态的，粉态固化剂为无机粉料 1 1 1 无机固化剂的固化机理【1 】 ( 1 ) 加水拌和后，结合料与土之间发生离子交换，使土粒之间的斥力降低，进入范 德华力引力作用范围之内，粘土颗粒发生凝聚，大量土粒聚结形成较大的土团，从而在 一定程度上可提高土体的强度及水稳定性 1 1 广西大掌硕士论文 复曹- 土壤肢结料的性能试验及工程应用 ( 2 ) 在成型压力作用下土体与固化剂颗粒紧密接触。在土壤颗粒附近，固化剂水化 生成水化硅酸钙等凝胶体。固化剂的激活组分与粘土矿物以及固化剂中其它组分发生物 理化学作用，形成水铝酸盐、含水硅酸盐等胶凝物质，使粘土颗粒表面产生不可逆凝结 硬化。 j 表1 1 土壤固化材料按组成的大致分类 t a b l e1 - 1c l a s s i f i c a t i o no f t h es o l i d i f y i n gm a t e r i a l sf o rs o i li na c c o r d a n w i t ht h e i rc o m p o s i t i o n s 类别 组成材料 无机类 有机类 水玻璃类( 水玻璃+ 铝酸钠或磷酸或氯化钙或氢氧化钠) 水泥类( 高铝水泥，普通硅酸盐水泥，矿渣磷酸盐水泥，钢渣水泥) 石灰类( 生，熟石灰，电石渣、贝壳类、漂白粉渣) 硫酸盐类( 石膏，硫酸铁，硫酸铝) 氯化物类( 氯化钙，氯化钠、氯化镁) 磷酸盐 。 苛性碱 工业废渣类( 矿渣，钢渣、粉煤灰、煤矸石、硫铁矿渣等) 无机复合类( n c s 系列，a u g h t - s e t 系列等新材料)。 沥青、焦油 聚合物( 树脂，丙烯酸钙、聚丙烯苯胺、羧甲基纤维素等) e n i 、派酶等有机产品 乙二醛+ 水玻璃，水泥+ 石灰+ 聚丙烯纤维，石灰+ 聚丙烯胺、水玻璃+ 硫 有机一无机复合类 酸铝+ 苯酸等 1 1 2 有机固化剂的固化机理 当今市面上的液态有机类土壤固化剂主要由生物酶类固化剂和离子固化剂。在过去 的五十年运用有机聚合物制的液态类土壤固化剂得到世界范围的重视，有机聚合物作为 土壤外加剂固化土壤展现良好前景【2 l 。其固化机理如下： ( 1 ) 离子类固化剂 3 1 这是目前推广应用较广的一种液态固化剂。这类固化剂一般 呈酸性，用水稀释后会迅速离子化，使溶液呈高导电性通过离子固化剂对土的电化学 作用，利用电离原理改变粘土颗粒双电层结构，能长久地将土壤土粒、气体、水组成的 三相体系中的土粒固相骨架与水分子之间的亲水性改变为疏水性，再通过足够的外力作 用( 施加有效压力) 将水和气体排出土体，形成密实的板体结构，提高土的承载能力， 2 复合土壤胶爿r 料的性能试验a 工程应用 并能有效的阻止外界水分的再侵入。理论上说，这种离子性将长期存在于土体中，国外 工程应用文献还发现其离子作用经过很长时间仍会向下作用于下层土，使其固结。 ( 2 ) 生物酶类固化剂这种丽化剂的圊化机理复杂，例如有一种生物酶类固化剂就是 仿照美国陆军在热带丛林中发现的土蚁的唾液制成的这种丛林土蚁用唾液和土可以构 筑非常坚硬并且耐水性能优异的“土蚁窝塔”。只可惜研制的产品始终达不到真正的土蚁 唾液的性能，该类固化剂的工程应用也始终未能达到预期的高强度和高耐水性能。 1 2 固化剂的研究状况 国内外对土壤固化材料的研究都很重视。国外对土壤固化类材料的研究始于二十世 纪四十年代末，七十年代世界发达国家在道路和机场建筑中开始普遍使用这项技术。国 内对土壤固化类材料的研究始于上世纪七十年代国家建设部1 9 9 8 年制定了国内行业 标准固化类路面基层和底基层技术规程( g j j t 8 0 8 9 ) 以加大土壤固化材料的研制推 广 1 2 1 引进的土壤固化剂品种 目前引进的国外土壤固化剂品种如下： ( 1 ) e n - 1 土壤稳定剂( 4 1 这是美国路邦公司生产的一种含有强氧化剂、具有强溶解能 力和自然分散能力的液体土壤稳定剂。它能和土壤中碱性矿物成份及石灰、粉煤灰等发 生化学反应产生一些胶凝产物，从而强化土壤固化体。 ( 2 ) i s s 土壤稳定剂陆5 1 英文全名为i o n i cs o i ls t a b i l i z e r , 美国技术，南非生产。i s s 土 壤稳定剂是将石油裂解产物加以磺化所得的，系腐蚀性强酸，对已死机体有较强腐蚀作用， 但对活的有机体只有轻度作用。i s s 剂在常态下为黑褐色液体，略粘于水，易溶于水，溶于 水后迅速离子化而使溶液呈高导电性。 ( 3 ) 固化酶【6 】派酶固化酶是由美国国际酶制品有限公司的约翰巴迪斯尼先生在5 0 年代所首创的一种生物酶土壤固化剂。此项派酶筑路新技术经过发明人约翰先生和他的 合作者四十多年的发展，现已发展到编号为“l l x ”的品种了，在美国、加拿大、墨西哥、 澳大利亚、前苏联、以色列、泰国、马来西亚、斯里兰卡、印度、新加坡等地已造了几 万公里的道路。 ( 4 ) 1 9 本田熊公司的奥特赛特( a u g h t - - s e t ) 系列土壤固化剂m 日本世纪东急 工业株式会社土壤安定剂，日本u k c 公司土壤安定剂均为粉状无机固化剂。 ( 5 ) 康耐( c 0 n 一a i d ) 固化剂嗍康耐固化剂是南非产品，呈淡黄色液体，属液态离 广西大掌硕士论文复舌吐壤胶结料的性能试验a - i 程应用 子交换剂型，也是一种水剂。 一、。鳓t o ps e a l 固化剂 9 1 i d p s e a l 固化剂为美国产品，呈乳白色液体，为原 b a s e - - s e a l 的改进犁，属丙烯酸联合乳胶聚合物，是一种液状剂。 此外，在些国家水泥窑灰也被广泛应用于土壤固化【m 】。 1 2 2 国内土壤固化剂品种 国内土壤固化剂品种如下： ( 1 ) 广西大学和南宁盈溢公司开发研制的f h 土壤胶结料1 2 1 f h 土壤胶结料( 亦称复合土壤胶结料) 是由生石灰、粉煤灰、炉渣、水泥熟料与 核心料等主要原材料按适当的比例配合并粉磨至一定细度制得。 ( 2 ) 武汉水利水电大学生产的g a 土壤固化剂【i j g a 新型土壤固化剂是由武汉水利电力大学研制。该土壤固化剂是由特殊二氧化硅 及活性铝、铁氧化物等组成的无机胶结料，为灰白色粉末。g a 剂的施工工艺简单，与 应用水泥固化砂石骨料、粘土的施工工艺基本相同，并且在施过程工中无需将砂石中所 含泥土用水冲净；但在固化粘土时，应将粘土破碎，其中粒径小于o 1 6 r a m 的颗粒应在 7 0 左右，同时应与粘土充分拌匀，控制物料的含水率为1 6 - - 1 5 。 ( 3 ) 武汉大学生产的h a s 土壤固化剂盼1 4 】 h a s 土壤固化剂是以工业废渣为主要原材料( 8 0 以上) 的一种水硬性胶凝材料。 该材料已先后在山西、湖北、长春、江苏、浙江等地投产 ( w h 土壤固化剂 w h 系列土壤固化剂是中国水利水电科学研究院岩土所研制开发的土壤固化材料。 主要应用于水利工程中的渠道、护岸防渗。 此外还有n c s ! u 】及d l l 系列等土壤固化材料。 近年来，一些企业和研究单位纷纷引进国外的先进经验和技术，如e n - 1 、i s s 、派 酶一1 1 x 、a u g h t - - s e t 、c o n - - a i d 等都有在中国的代理机构和引进单位。值得一提 的是，虽然这些品种的固化剂都有很成功的工程范例，但在中国的几个试验工程似乎并 无过人之处，并且其应用范围也有一定的局限性。例如某些高分子材料的液体固化剂， 只有在应用于颗粒较小的粘性土时其效果才会凸现出来，而对颗粒较大的粉土、砂土就无 能为力了并且经某些固化剂固化的土，其水稳性较差，浸水后强度较低，故只在雨水较少 或干旱的地区直接使用。比如美国t o p s e a l 液体土壤固化剂的常用掺量范围为o 1 1 ，能显著提高土体的非浸水无侧限抗压强度，但固化土的水稳定性不良，需要严格 4 复合土壤胶结料的性能试验及工程应用 控制排水。有些固化材料与土作用后对温度较为敏感，在温差较大的地区使用时会出现温 缩、冻融等现象，在固化塑性指数较大的土时，还会因水分变化产生干缩。即固化剂的全 方位的效果不很明显，舀提高强度、耐久性、抗冻融和耐水性等方面很难兼顾【l “。 中国自行研制的固化剂应用较广的多为粉状无机类固化剂。据所查资料分析，以上 几个品种的固化剂的主固化剂大致相同，包括日本研制的无机类固化剂，也是以水泥、 石灰等为主固化剂，它们所不同的是一些微量的助固化剂。不过也正是这些微量元素， 对材料的固化效果起着举足重轻的作用。 目前国内已先后有十几家科学研究所和大专院校对土壤固化类材料进行了研究，国 内对土壤固化类材料的应用也越来越广泛。广西壮族自治区也有部分应用。但和其他的 省份比起来在土壤固化类材料的研究还处于起步阶段，复合土壤胶结料的研制填补了广 西区在土壤固化剂研制方面的空白。 1 3 选题意义 。 混凝士的发展已具有1 0 0 多年的历史专家提出，在2 0 5 0 年以前，混凝土仍将是 应用最为广泛的土木工程材料，可以说，当今的人类社会是以钢筋混凝土为骨架的。而 拌和混凝土用的水泥的制备及使用会造成环境污染、能源浪费，并且用水泥稳定土体时， 效果并不太好，如用水泥固化土体做高等级路面的基层或底基层时，往往因延迟碾压时 间过长而导致强度损失，公路路面基层施工技术规范( j t j 0 3 4 - - 9 3 ) 规定：水泥稳定 土从加水拌和到碾压终了的延迟时间宜控制在3 4 小时，必须延长延迟时间时，不应 超过水泥的终凝时间。然而现有的施工条件特别是一级公路以下的施工条件很难达到上 述要求，往往因为延迟碾压时间过长而失去早强高强的特点，造成经济损失；再者，水 泥稳定土不可避免地要产生收缩裂缝，其原因是水泥土混合料加水拌和并压实后，混合 料内部会产生化学收缩、温度收缩、干燥收缩而共同引起基层体积收缩，形成收缩压力， 因而产生收缩裂缝。并且研究表明，水泥用量超过某一数值后，裂缝现象还会加剧，所 以这个控制标准在工程中很难掌握；除了上述两点外，水泥固化土还存在随着土体含水 量的增加其强度一般呈直线下降的缺陷，从而导致须用大量的水泥才能使软基土壤、泥 浆达到设计强度，而掺量大时又会导致较大的收缩裂缝。复合土壤胶结料在与土壤微粒 接触的同时，可激发粘土潜在的活性，使界面形成牢固的多晶粘土聚集体，改善颗粒界 面的接触形式。广西拥有丰富的无机矿产资源，发展新型无机建筑材料具有得天独厚的 地理条件，易于解决复合土壤胶结料的主要本地生产条件。胶结料凝结硬化较慢，并且 广西大掌硕士论文 复舌土壤肢绪料的性擞验反工程墓【用 初凝时间和终凝时间可以根据需要调整，有利于现场施工。胶结料还具有微膨胀特征。 胶结料固化体的膨胀率比普通硅酸盐水泥及矿渣水泥大得多，两月后还有微弱的膨胀 量，而水泥同化土制品此时已发生了较大的收缩。这是由于胶结料水化时体积以膨胀为 主导，而通常的水泥水化为体积减缩过程，因此，将胶结料用于土壤稳定工程，不仅能 有效延长从洒水拌和到碾压终了之间的延迟时间，而且可以部分补偿固化土料因失水引 起的体积收缩。 金无足赤。复合土壤胶结料虽然可以固结不同土质，但固化效果不尽相同。比如用 这种无机料稳定粘性土时会产生适量膨胀，有利于提高稳定土的密实度，并且会弥补土 体干缩所引起的体积收缩。而在用其稳定含砂、石较多的土体时，如果仍用同组分、同 用量的胶结材料，势必会因固化对象质地密实、收缩率小而使固化体产生体积裂纹，所 以为了更有效配合这种土壤固化材料的推广力度，对其进行配方优化及针对不同的土质 和固化对象进行配方系列化提上了日程；并且由于在实际应用中也如混凝土工程一样， 一般最多养护7 天即投入使用，所以能使固化土的早期强度尽快发挥出来也是促进胶结 料的推广使用给我们提出的要求。 6 - 西大掌硕士论文 复古土壤肢结料的性能试验覆工糖u 目拥 第二章复合土壤胶结料的制备及固化机理 2 1 复合土壤胶结料的制备 2 1 1 原料 粉煤灰二级粉煤灰，密度2 2 2 5 9 c m 3 ，比表面积为4 6 5 m 2 k g ，其化学成分见表2 - - 1 ， 广西田东电厂出产； 水泥熟料：p o 4 2 5 强度等级，物化性能如表2 2 ，广西华宏水泥公司生产； 矿渣：粒化高炉矿渣，碱度系数为1 ，质量系数为1 9 ，比表面积为4 2 0m 2 k g ，柳 州钢铁公司提供； 石灰：市售商品生石灰，产地：广西邕宁； 石膏：细度为2 0 0 目的市售熟石膏，产地：广西钦州； 纯碱：分析纯无水碳酸钠，北京刘李店化工厂生产；一 氢氧化钠：分析纯，浙江东阳化工厂生产： 氧化铁：分析纯，重庆化学试剂总厂生产： 氧化铝：分析纯，天津科密欧化学试剂开发中心生产； 石英粉：江西省芦溪县南方石英粉厂生产：， 其它微量添加剂若干。 表2 一l 粉煤灰的化学成分 t a b l e2 - 1t h ec h e m i c a lc o m p o s i t i o no f f l ya s h 名称l o s s s i 0 2a 1 2 0 3f e 2 0 3 c a o m g o 其它 z 细度( o 0 8 r a m 方孔筛凝结时间( h )抗压强度抗折强度 筛余量)初凝终凝3 天2 8 天3 天2 8 天 7 广西大掌锄陆论文复舌土壤肢结料的性能试验覆工程应用 2 1 2 原科配比 复合土壤胶结科作为一种已获得国家专利授权的新型胶凝材料，其组分构成分为主 固化剂部分和助阎化剂部分，主固化剂部分以水泥、粉煤灰、石灰为主，助固化剂部分 以无水碳酸钠、氧化铁、氧化铝及二氧化硅为主。本次试验是在复合土壤胶结料传统配 方的基础上对部分原料进行适当调整，以改善胶结料固化体的耐久性。 试验用的固化红土的复合土壤胶结料的原料配比如表2 3 所示，用于固化砾石土 的复合土壤胶结料的胶结料的原料配比如表2 4 所示。 表2 3固化红土胶结料配比( ) t a b l e2 - 3t h ep r o p o r t i o no f t h ec o m p o s i t es o i ls t a b i l i z e rt os o l i d i 母r e ds o i l ( 呦 表2 4 固化砾石土胶结料配比( ) t a b l e2 - 4t h ep r o p o r t i o no f t h ec o m p o s i t es o i ls t a b i l i z e rt os o l i d i f yg r a v e ls o i l ( ) 8 ! 查竺竺竺查墨竺兰竺竺竺竺竺苎兰竺苎苎兰竺 2 1 3 制备 将粉煤灰、矿渣、生石灰、氧化铁、氧化铝和二氧化硅按表2 - - 3 和表2 - - 4 的配比 称争后混合存球摩机中粉磨至过】2 0 目筛，水泥熟料、液态剂和一些易潮解的原料到加 水混料时再稀释或分散加入。各组配合料的凝结时间和标准稠度用水量如表2 5 和表2 6 所示。 表2 5 固化红土用胶结料的凝结时间和标准稠度用水量 t a b l e2 - 5t h es e t t i n gt i m ea n dn o r m a lc o n s i s t e n c y w a t e r r e q u i r e m e n to f t h ec o m p o s i t es o i ls t a b i l i z e rt o s o l i d i 如r e ds o l l 混合料的初凝与终凝时间与胶结料工程中的延迟碾压时间抗压强度损失有很大关 系。普通的胶凝材料比水泥的初凝和终凝都进行得较快，这样在工程应用中常常因延迟 碾压致使工程质量下降。由表2 5 和表2 6 可看出，各组料的初凝时间都在7 小时以 9 广西大掌硕士论文 奢奢土拥l 肢结稗的性能试验反工稽u 堑用 上，故在工程中可有效缓解施工压力及保证工程质量。 2 2 复合土壤胶结料的固化机理 2 2 1 粘土的结构和性质 粘土在微观上是由各个粘粒连接形成，其矿物组成主要是晶质的d 一石英等粘土矿 物和非品质胶体。粘粒颗粒细小，表面能大，具有吸引极性水分子和水化离子的能力， 具有胶体性质和强的亲水性，宏观上表现为粘土的荷电性与吸附性。粘粒因其带电性( 一 般带负电) 与靠近表面的水分子通过氢键而结合，粘粒表面负电荷在其附近形成负电场， 使极性水分子定向排列，水分子依次重叠，直至水分子的热运动足以克服上述引力作用 时，水分子逐渐过渡到不规则的排列。按其形成顺序依次是：牢固结合水、松散结合水、 毛细管水和自由水。土中的结合水是粘土矿物与水溶液发生物化作用的产物，它是控制 形成粘土稠度、塑性、膨胀，收缩等水理性质及强度、变形等力学性质的重要因素。 土的结合水量取决于粘土的荷电性。一般来说l 电位越大，结合水量就越多，故一 切影响；电位的因素都会影响到土的结合水量。而在毛电位一定的条件下，水溶液中的 阳离子价数愈高，就愈易受粘粒胶核的吸引进入胶核外部的固定层，而随着扩散层中这 些离子的减少，亏电位也将逐渐变小，结合水量也随之减少，粘土胶粒的结合水膜变薄。 粘土矿物晶体的强度相当高，可达到1 0 3 1 0 4 m p a o 但粘土类土壤的力学性质并不 决定于这种基本结构单元粘土矿物晶体的强度，而是决定于它们之间的连接力口7 】。 在自然界的粘土中，这个力是很小的。 对结构连接有重要影响的有吸引和排斥两种力。吸引力能增强结构连接，包括分子 间力、毛细管力、离子一静电力及化学键力等；排斥力的主要代表是水化膜的楔入作用 力。粘土水化时，水膜的楔入作用力扩大颗粒间的距离，从而降低了颗粒间的吸引力。 粘土体系的结构连结方式有三种瑚1 ： 凝聚接触：当粘土体系经压实或发生凝聚反应时，粘土胶粒的水膜发生部分交集； 过渡接触：水膜变薄、破裂，粘土颗粒产生部分接触，凝聚接触和过渡接触状态的 土体遇水后会再次泥化，这也是一般乡村土路雨天会很泥泞的原因； 同相接触：当粘土体系的压力或温度进一步增大或在新相位接触处结晶时，相邻粘 土胶粒之间的结合水膜被破坏，粘土颗粒出现紧密的接触( 不排除有其它胶凝产物填充 在粘土颗粒之间) ，这种状态的固化体遇水不会产生二次泥化，即由过渡接触到同相接 触的转变是不可逆的。 l o 复舌j 土壤肢结料的性能试验覆- t , w 增大压力与同相接触的形成有着直接的关系，增高压力、提高温度及新相位接触处 的结晶是同相接触形成的三要素【2 9 一o 】。 222 复合土壤胶结料固化机理 在施工或进行试验前，要对胶结料固化对象进行一系列理化性能分析，而后调整胶 结料组分至理想配比。在此通过固化红土试验的试验步骤来说明胶结料的固化机理。 ( 1 ) 混料 将过1 2 0 目筛的混合料与土料( 过5 m m 方孔筛) 按规定配比混合，用砂浆搅拌仪 充分拌合均匀。 这个过程可使胶结料和土壤颗粒尽可能接触充分，或者说，使土壤颗粒尽可能得被 胶结料包裹因为局部的土颗粒聚集会形成强度薄弱区，是试验和工程施工的禁忌。 为使土壤有较好的“和易性”，混料之前一般要摊铺、晾硒，使土料含水率小于成型最佳 含水率( 成型最佳含水率、最大干密度由试验确定) 。 ( 2 ) 加水拌和 干料混匀后要加水继续搅拌，加水量的多少视土样具体情况而定，但一般要小于最 佳含水率。比如某配方固化红土试验中的最佳含水率为1 8 ，那在这个拌和过程的加水 量控制到1 1 一1 3 即可，因为如果在这个阶段即加至最佳含水率，经过充分困料后分 散的土粒会粘结成团或是因粘度过大影响成型时前的混料。 。 这个过程的作用为：排出混合料中的气体，由水占据原来的气体空问；为固化 体提供必需的水化环境。因为大部分的物质在溶液中或潮湿状况下才能发生反应，如生 石灰在加入水后就开始和水的化合反应 c a o + h 2 0 = c a ( o h ) 2 使混合料容易塑化成型。 ( 2 1 ) 湿料最好在恒温恒湿环境中密封困料4 一1 2 小时( 视土料的最初含水率而定，土料 干时，困料时间相对较长，反之较短) 。在这段时间内，土料被充分润湿，这不仅可以 促进土料间气体的排除，并且由于水分的楔入使得土粒更加分散。 水泥熟料及液体添加剂和易潮解组分在困料完成后加入混合，混料时加水至最佳含 水率混好的湿料要在加入水泥熟料后的一小时内完成成型。 ( 3 ) 成型 。 利用成型模具和压实设备将松散的湿物料击实或压制成型。这个过程是很关键的一 步。在水化胶凝产物还未大量生成时，外力的强制压实作用可以使原来处于松散湿物料 广西大掌硕士制 3 乞复合土壤肢结料的性扼试验夙工程应用 中的气体被最大量的排出。混合物料微观上是复合土壤胶结料包裹的土颗粒在外力 作用下由凝聚接触转变为过渡接触状态。 f 4 、养护 试块在标准养护条件( 养护温度为2 0 i - 2 c ，相对湿度三9 0 ) 下养护6 天后泡水1 天做无侧限抗压强度测试；需做较长龄期测试的试块在标准养护7 天后改为自然条件养 护至规定龄期前一天泡水。试件养护期间，胶结料自身组分的水化反应和胶结料与土壤 的相互水化胶结得以全面展开。 胶结料的自身水化是指胶结料中所含的水泥、石灰、矿渣粉、粉煤灰、活性氧化物、 碱性激发剂等组分的水化反应，举例如下： c 3 s + n h 2 0 2 c 。s h y + ( 3 x ) c h ( 2 2 ) 2 c a + 2 7 h 2 0 = c 4 a h l 9 + c 2 a h s( 2 3 ) 2 c 2 s + 4 h 2 0 = c 3 s 2 h 3 + c h( 2 4 ) c a s 仉必h 2 0 + h 2 0 = c a s 0 4 2 h 2 0 ( 2 5 ) x c a ( o h h + s i 0 2 + ( n x ) h 2 0 = x c a o s i 0 2 。n h 2 0 ( x 璺) ( 2 6 ) 3 c a ( o h h + a 1 2 0 3 + 3 c a s 0 4 + 2 9 h 2 0 = 3 c a o a h 0 3 3 c a s o 3 2 1 - 1 2 0 ( 钙钒石)( 2 7 ) 3 c a o a h ( 3 3 m h 2 0 + 3 c a s 0 4 十( 3 2 一m ) h 2 0 = 3 c a o a h 0 3 3 c a s 0 4 3 2 h 2 0 ( 2 8 ) 3 c a o a 1 2 0 3 3 c a s 0 4 3 2 h 2 0 + 2 ( 4 c a o a h 0 3 1 3 h 2 0 ) = 3 ( 3 c a o - a h 0 3 c a s 0 4 1 2 h 2 0 ) ( 硫铝酸钙) + 2 c a ( o h h + 2 0h 2 0 ( 2 9 ) c a ( o h ) 2 + n a 2 c 0 3 = c a c 0 3i + 2 n a o h ( 2 1 0 ) 矿渣和粉煤灰的自身水化速度比较慢，尤其是粉煤灰，其致密的玻璃微珠结构即使 在加入激发剂的情况下，短时间内也很难使粉煤灰的玻璃体结构解理。所以在较早龄期， 以硅酸钙、铝酸钙、半水石膏、氧化钙等的水化反应为主，生成的c s h 、氢氧化钙、 单硫型硫铝酸钙和钙钒石等填充在原来由水占据的孔隙中，且水化产物构成固化土的骨 架，针棒状钙钒石晶体在土体中相互交错形成空间网络，强化了土体结构。另外，由于 氢氧化钙、钙钒石等可产生膨胀应力，对土粒进行挤压，使部分粘土从过渡接触状态转 变为同相接触状态，对固化土起到稳定固化作用，并且这个膨胀量可以补偿土壤的失水 干缩口1 3 2 1 在胶结料的激发剂的激发下，胶结料中的碱性组分和粘土中的s i 0 2 、a 1 2 0 3 、f e 2 0 3 等进行反应，生成物胶结在土壤颗粒表面，除了进一步改善土壤颗粒间的结构连接外， j - - 西，擎爿n 艟文，：咱r 土l 胜爿| 料的佳i 邑试疆r a 正j 臣应用 在石膏的参与下，新生成的水化铝酸钙将进一步反应生成钙钒石，从而使粘土颗粒表面 或邻近处产生不可逆的硬化，使固化土的强度和耐久性得到增强。这个反应的时间很长， 对固化土后期强度有很大贡献【3 3 3 4 1 。反应方程式举例如下： x c a ( o h h + s i 0 2 + ( n - 1 2 0 = x c a o s i 0 2 n h 2 0 ( 2 1 1 ) x c a ( o h h + f e 2 0 3 + m i - 1 2 0 = x c a o f e ；2 0 3 m h 2 0 ( 式中x 9 ) ( 2 一1 2 ) c a ( o h ) 2 + a 1 2 0 3 + s i 0 2 + m h 2 0 = c a o a 1 2 0 3 s i 0 2 恤+ 1 ) h 2 0 ( 2 一1 3 ) c a ( o n h + f e 2 0 3 + s i 0 2 + m h 2 0 = c a o f e 4 0 3 s i 0 2 ( m + 1 ) h 2 0 ( 2 1 4 ) 图2 一l ( | ) f h 4 净浆试群的s e m 照片( 3 天) ( b ) f h 4 固化红土的s e m 照片( 7 天) 一 f i g 2 - 1 ( 丑) t h es e m p h o t o g r a p ho f 恤p a s t e o f f i - 1 4 ( 3 d ) ( b ) t h e s e m p h o t o g r a p h o f t h er e ds o i l 7 s o l i d i f i e db yf h 4 ( 7 d ) 图2 一l ( a ) 是f h 4 净浆试样的s e m 照片，从中可以看到发育很好的针棒状的钙矾 石以及须状的水化硅酸钙凝胶，它们是f h 4 胶结料中自身组分的水化产物。在图2 一l ( b ) f h 4 固化红土的s e m 照片上也可以看到比较短小的钙矾石以及片层状氢氧化钙( 由于 在成型过程中施加了较大的机械外力，试体的整体结构比较致密，故钙矾石、水化硅酸 钙的发育不够完全) 。 2 2 3 小结 ( 1 ) 填充作用 物料的最大化紧密堆积对固化体的力学性能、耐久性有很大作用，工程应用中的压 实度指标就是为了保证固化体的固含量。固化对象一般是复杂的多相体系，极不容易达到 组分的均匀和各组成材料的紧密堆积。胶结料的加入可以有效改善固化土的级配。胶结 料、粘土颗粒、水化产物填充在被水占据的孔隙中或钙钒石晶体交错搭接形成的网络空 间中，使固化体形成细观层次的自紧密系统网，这对试体的早期性能和长期性能的发展 ，：舌吐壤胶结料的性能试疆r 反工相l 应用 都是有益的。在固化土体系中，从而得到高的密实度。 在碱性环境下，粘土颗粒的k + 、n a + 与a l ”、f e 3 + 、c a 2 + 会发生离子置换反应【2 5 】： n a + ( k + ) 一粘土+ c a ”= c j l 粘土+ n a + ( k 十) ( 2 - - 1 5 ) n a + ( k + ) 一粘土+ a 1 ( f e3 + ) = a 1 3 + ( f e 3 + 卜粘土+ n a + ( k + ) ( 2 - - 1 6 ) 被置换出的碱金属阳离子填充在对粘土矿物层间六角形网眼中，加强了粘土的层间 连接，对土体固化也是有益的。 ( 2 ) 激发作用 激发作用的一种是在水化初期激发剂对矿渣和粉煤灰的激发。矿渣和粉煤灰的自身 水化速度较慢，加入激发剂可使矿渣和粉煤灰的玻璃体结构解理，矿渣和粉煤灰中的 s i 0 4 4 、a 1 0 4 5 。会重新排列，形成水化硅酸钙、水化硅铝酸钙等胶凝产物，这种激发作用 对矿渣的作用更为明显。 * 碱性激发剂还可以和粘土中的氧化物如二氧化硅、氧化铝、氧化铁i 反应，解理粘土 矿物结构，生成产物会进一步与复合土壤胶结料中的其它组分反应，生成更复杂、更稳 定的钙钒石及其它胶凝产物。 1 4 ，：舌土壤胶结料的性能试验覆工程应用 第三章复合土壤胶结料固化红土试验 实验安排了不同组分及配比的胶结料对红土的固化实验，以优选出针对这种土质的 最适宜配方。 3 1 试验准备 3 1 1 试验原料 红土；取自广西大学某建筑工地，属于高液限粘土；其化学成分及物理指标如表3 一l 和表3 - - 2 ； 水：自来水。 复合土壤胶结料f h l - - f h 7 ：自制。 表3 1 红土的化学成分 t a b l e3 - 1c h e m i c a lc o m p o s i t i o n so f t h er e ds o i l 3 1 2 试验设备 1 0 1 一l s 型电热恒温鼓风干燥箱，上海跃进医疗器械厂生产； c f i i 型循环恒温水浴箱，广州高科达试验仪器有限公司出品： s h b y - 4 0 b 型数控水泥砼标准养护箱，绍兴公路仪器设备有限公司生产； 新飞双温冷柜，河南新飞集团出品； h s 4 0 n 1 a 数控式混凝土渗透仪，绍兴公路仪器设备有限公司生产； 三轴剪力仪，无锡建仪仪器机械厂生产； u j 2 1 5 型砂浆搅拌机，无锡建仪仪器机械厂生产； j t j 8 9 2 b 型轻型土壤击实仪及配套无侧限抗压强度试模， 7 0 7 x 7 0 7 x 7 0 7 r a m 3 三联水泥砂浆试模，无锡建仪仪器机械厂生产； 1 5 广西大掌硕士口叉 复合土壤肢结料的性能试验反工程应用 n y l 6 0 0 型压力试验机，无锡建仪仪器机械厂生产； z k s 1 0 0 型砂浆凝结时间测定仪，无锡建仪仪器机械厂生产： 砂浆稠度仪，无锡建仪仪器机械厂生产： 磅秤； t d l 0 0 0 1 型电子天平，余姚金诺天平仪器有限公司出品： 日本日立s - 5 7 0 扫描电镜等。 3 1 3 主要试验方法 ( 1 ) 最佳含水率和最佳干密度确定。依据标准为交通部颁发的t 0 8 0 4 9 4 “无机结合 料稳定土的击实试验方法”。 将具有代表性的风干试料( 必要时可以在5 0 c 烘箱内烘干) 用木锤捣碎，土团均应 捣碎过5 m m 方孔筛，应注意不使粒料的单个颗粒破碎或不使其破碎程度超过施工中拌 和机械的破碎率。 在预定做击实试验的前一天，取有代表性的试料测定其风干含水率，对于试验用的 细粒土取l o o g 用烘干法来测定即 _ h ，( ) ：( m l - m 2 ) x 1 0 0 ( 3 1 ) 嘲 式中：码烘干前土料质量( g ) 5 鸭- 烘干至恒重时土料质量( g ) 5 将已筛分的土料用四分法逐次分小，至最后取出约1 0 - - 1 5 k g ，再用四分法将其分 为5 - 6 份，每份的干质量为2 0k g 。 预定5 6 个不同含水率，依次相差1 一2 ，且其中至少有两个大于或和小于最佳 含水率( 最佳含水率是指试样在最大干密度下所对应的含水率) 。一般细粒土的最佳含 水率较塑限约小3 一1 0 ，砂砾土、级配集料等的最佳含水率变化在5 一1 2 之间， 故可以据此估计土料的最佳含水率。 将过1 2 0 目筛的混合料与干土料一起拌和后加少于制试件应加水量的水，并继续搅 拌均匀，液体添加剂及易潮解组分可溶解或分散于水中倒入混合料中搅拌。湿料装入密 封容器或塑料口袋中困料1 2 小时。 应加水量可按下式计算： 1 6 复舌土壤肢结稗的性能试疆r 覆工拍u s 用 纠盘+ 志，x o o l w - 盘o 叭一盘心( 3 - - 2 ) 式巾：q 。应力水帚( g ) ： q 土料的质量( g ) ，其原始含水率为，即风干含水率( ) ； q 胶结料质量( g ) ，其原始水量为心( ) ，一般按0 计； w 要求达到的含水率( ) 。 将水泥熟料与过困好的料混合后搅拌，而后加入干土料搅拌均匀。补充加水至预 定水量。混好的湿料要在加入水泥熟料后的- d , 时内完成成型。 将击实筒放在地上，取只好的混合料( 用四分法) 4 0 0 - - 5 0 0 9 ( 其量应使击实后的 试样等于或略高于筒高的1 5 ) 倒入筒内，整平表面并稍加压紧，均匀击实2 7 次。击锤 应自由落下，落高4 5 e m 。锤迹须均匀；之后将已击实层的表面拉毛，重复上述做法， 进行其余四层试样的击实，最后一层击实层超过试筒顶的高度不得大于6 m m ，超出高 度过大试样作废。 齐筒顶刮平试样，带试筒称