（岩土工程专业论文）淤泥质土的固化及力学特性的研究.pdf

浙江大学博士学位论文 淤泥质土的固化及其力学特性的研究郭印2 0 0 7 年6 月 摘要 水泥土在工程中得到了广泛的应用，然而工程实践表明，当遇到含水量高且 富含有机质的淤泥质土时，采用水泥固化淤泥质土往往会出现固化土的强度偏低， 搅拌桩施工过程中出现难以成桩的问题，使得处理成本大大增加，因此有必要选 择适宜的外掺剂来改善水泥土的性能。本文在国家自然科学基金资助项目。有机 质土的固化及其物理力学特性研究( 5 0 6 7 8 1 5 8 ) ”的资助下，总结了土壤固化剂的 研究现状和展望，分析了腐殖酸对水泥土固化过程的影响机理，提出固化淤泥质 土的对策；基于室内单掺和正交试验确定了针对淤泥质土的固化剂最优配方；在 分析各因素对固化土强度影响规律的基础上，建立固化土强度预测模型；基于三 轴试验数据的分析，建立了固化土的非线性本构关系；最后采用f l a c 软件模拟了 固化土在三轴试验中应力应变曲线，主要内容如下： ( 1 ) 分析了腐殖酸对水泥固化土固化过程的影响机理，提出固化淤泥质土的 对策； ( 2 ) 通过单掺试验初步确定了水泥、苛性钠、三乙醇胺、高效减水剂f d n 、 水玻璃、生石膏、高锰酸钾和生石灰各添加剂对固化效果影响规律和掺量范围； ( 3 ) 通过正交试验以及补充试验优化了针对高含水量、高有机质含量的淤泥 质土的固化剂g x 0 7 的配比，并与其它固化剂进行了固化效果对比分析，验证了该 固化剂o x 0 7 在强度方面的优越性； ( 4 ) 通过无侧限抗压强度试验，分析不同有机质含量、固化剂掺量、水泥掺 量、含水量和龄期对固化土强度的影响规律，在此基础上建立综合考虑各因素影 响的固化土强度预测模型； ( 5 ) 通过常规三轴试验，分析围压对固化有机质土力学特性的影响规律，同 时得到了淤泥质固化土抗剪强度指标与其抗压强度的关系； ( 6 ) 对无侧限抗压强度和三轴试验中的应力应变关系曲线进行非线性拟合， 建立了符合固化土自身特点的非线性本构关系； ( 7 ) 建立了固化土强度指标的扰动演化规律，采用有限差分法实现了考虑固 化土应力应变曲线软化和硬化特性的模拟。 关键词：固化土；淤泥质土；腐殖酸；抗压强度；固化剂；本构模型 器：紫衄。f z 岣i 叫。u 嘞s n 如伽8 曲“2 砸彻o f m “4 印s 捌4 m 。d m n 哪o f s 扛怒? 巴涮 a b s t r a c t c e m e n t e ds o i lh a sb e e nw i d e l yu s e di ng r o u n dt r e a t m e n t , h o w e v e r , e n g i n e e r i n ge x p e r i e n c e s s u g g e s t e dt h a ts n 蜘g l l lo fc e m e n t e ds o i li sv e r ys l o w e rw h e nt h ec e m e n ti su s e dt ot r e a tt h em u d d y s o i ld c h e di no l g a j l i c am a t t 日a n dw a t e r c e m e n tm i x e dp i l ei sd i 伍c u l tt ob ef o r m e di nt h i sk i n do f g r o u n d t h ec o s to fg r o u n dt r e a t m e n ti sl a r g e l yi n c r e a s e d , s oi t i sn e c e s s a r yt oc h o o s et h ep r o p e r m a t e r i a la d d e di n t ot h ec e m e n tt oi m p r o v et h ee f f e c to fs o i ls t a b i l i z a t i o n t h i sp a p e ri sb a s e do nt h e p r o j e c to f “r e s e a r c ho nt h eo r g a n i cm a t t e rs o i ls t a b i l i z a t i o na n dt h ep h y s i c a la n dm e c h a n i c a l p r o p e r t i e so fs t a b i l i z e ds o i l ( a u t h o r i z e dn u m b e r ：5 0 6 7 8 1 5 8 ) ，w h i c hi ss p o n s o r e db yn a t i o n a l n a t u r es c i e n c ef o u n d a t i o no fc h i n a t h ep r e s e n ts t a t ea n dp e r s p e c t i v e so fs t a b i l i z a t i o na g e n th a s b e e ng e n e r a l i z e d 1 1 ”i n f l u e n c em e c h a n i s mo fh u m i ca c i do i lt h ep r o c e s so fc e m e n ts t a b i l i z a t i o n w a sa n a l y s e d , a n dt r e a t i n gt e c h i n i q u cw a sp u tf o r w a r d ；t h eo p t i m u mm i x t u r er a t i oo fs t a b i l i z a t i o n a g e n t 恤d e t e r m i n e db a s e do nt h ei n d o o rs i n g l e - m i x e da n do r t h o g o n a le x p e r i m e n t ；s t r e n g t h p r e d i c t i o nm o d e lf o rt h es t a b i l i z e ds o i lw a se s t a b l i s h e db a s e do nt h ea n a l y s i n gt h ei n f l u e n c eo f f a c t o r so nt h ed e v e l o p m e n to fs t a b i l i z e ds o i l t h en o n l i n e a re m p i r i c a lc o n s t i t u t i v em o d e lw a sb u i l t u p b a s e do nd a t ao b t a i n e df i o mt r i a x i a lt e s t s t h ec u r v e so f t r i a x i a lt e s t ss i m u l a t e df o r t h es t a b i l l i z e d s o i lb yt h ef l a cs o f t w a r e t h em a i nc o n t e n t so f t l l i sp a p e ra ma sf o l l o w s ： ( 1 ) t h ei n f l u e n c em e c h a n i s mo fh u m i ca c i do nt h ep r o c e s so fc e m e n ts t a b i l i z a t i o nw a s a n a l y s e d , a n dt r e a t i n gt e c h i m q u ew a sp u tf o r w a r d ； ( 2 ) s t e b i l i z a t i o ne f f e c ta n dm i x t u r er e f e r e n c er a n g eo fs e v e r a la d d i t i v e so nt h es 廿e n g t h d e v e l o p m e n to fs t a b i l i z e ds o i lw a so b t a i n e db yt h es i n g l em i x e dt e s t t h e s ea d d i t i v e si n c l u d e h y d r a t eo fs o d i u m , t r i e t h a n o l a m i n e ，h i g he f f i c i e n c yw a t e rr e d u c i n ga g e n t , s o d i u ms i l i c a t e ，g y p s u m , k a l l ip e r m a n g a n a , q u i c k l i m e ( 3 ) t h eo p t i m u mm i x t u r er a t i oo fs t a b i l i z a t i o na g e n tg x 0 7w a sm a d eb a s e do nt h eo r t h o g o n a l e x p e r i m e n t c o m p a r e dw i t ho t h e rs t a b i l i z e r s ，g x 0 7h a sa d v a n t a g ei ni m p r o v i n gs t r e n g t i l ( 4 ) s t r e n g t hp r e d i c t i o nm o d e lf o rt h es t a b i l i z e ds o i lw a ge s t a b l i s h e db yr e g r e s s i o na n a l y s i sf o r t h ed a t ao b t a i n e df r o mu n c o n f i n e dc o m p r e s s i o nt e s t s n i i sm o d e lc o n s i d e r e dt h ei n f l u n c eo fc o n t e n t o fh u m i ca c i d , s t a b i l i z e r , c e m e n t , w a t e ra n dc u r i n gt i m eo nt h es t r e n g t hd e v e l o p m e n to fs t a b i l i z e d s o i l ( 5 ) r e g u l a r i t yc o n s i d e r i n gt h ei n f l u e n c er e g u l a r i t yo fc o n f i n e dp r e s s u r eo nt h em e c h a n i c a l p r o p e r t yo f m u d d ys o i lt r e a t e dw i t hs t a b i l i z e rw a so b t a i n e df r o mt r i a x i a lt e s t s a tt h es a m et i m e ，t h e r e l a t i o nb e t w e e nt h ei n d e xo fs h e a rs t r e n g t hr e s i s t a n c ea n dt h es 仃e n g t ho fs t a b i l i z e ds o i lh a sa l s o b e e na n a l y s e d ( 6 ) n o n l i n e a rf i t t i n gw a sd o n eo nt h es t r e s s - s u a i nc u r v e so b t a i n e df r o mt h eu n c o n f i n e d c o m p r e s s i o nt e s t sa n dt r i a x i a lt e s t s t h en o n l i n e a re m p i r i c a lc o n s t i t u t i v em o d e lw a sb u i l tu pb a s e d o ne x p e r i m e n td a t a ( 7 ) d i s t u r b a n c ee v o l u t i o nr e g u l a r i t yo fs h e a rs t r e n g t hr e s i s t a n c ei n d e xw a sd e r i v e df r o mt h e r e s u l t so ft e s t s t h es t r a i ns o f t e na n dh a r d e nc h a r a c t e ro fc u r v e sh a sb e e ns i m u l a t e db yt h ef l a c s o f t w a r e k e y w o r d s ：s t a b i l i z e ds o i l ，m u d d ys o i l ，h u m i ca c i d ，c o m p r e s s i o ns t r e n g t h ，c o n s t i t u t i v em o d e l 浙江大学博士学位论文淤泥质土的固化及力学特性的研究郭印2 0 0 7 年6 月 第1 章绪论 1 1 问题的提出及其研究意义 土体固化剂是指凡是在常温下能够直接胶结土体中颗粒表面或能够与粘土矿 物反应生成胶凝物质，从而改善和提高土体力学性能的材料。近3 0 年来，土体固 化剂在国内外逐渐得到了广泛的应用。一方面，通过机械搅拌混合对江河、湖泊、 海湾等疏浚淤泥进行固化处理，将其固化后转化为土工材料和建筑材料进行再生 利用，既节约资金，又解决废弃淤泥占用土地资源和污染环境的问题；另一方面， 通过深层搅拌法对房基、路基等进行加固处理，提高地基承载力，节约造价。 然而，当遇到含水量高且富含有机质的淤泥质土时，采用传统的固化剂往往 导致淤泥固化后的强度偏低，搅拌桩施工过程中出现难以成桩的问题，处理成本 大大增加。 国内外针对固化土的研究主要包括两个方面：一方面是固化措施的研究，在 掺入水泥的基础上，根据现场土质的特性添加石膏、粉煤灰和其它化学添加剂， 改善固化效果，节约成本：另一方面是对固化土本构模型方面的研究，通过室内 试验分析固化土的强度和变形特性，建立其本构模型。但值得注意的是，目前有 机质对固化土特性的影响及其固化对策的研究还比较少，针对淤泥质固化土自身 特点的本构模型研究更少，从而无法对其变形特性进行合理数值描述，这在一定 程度上阻碍了土体固化剂在有机质含量较高的淤泥质土场地中的应用。 所以我们有必要从室内试验出发，分析淤泥质土的固化机理，配制针对淤泥 质土的复合固化剂，对比分析复合固化剂对淤泥质土的固化效果，充分研究淤泥 质固化土的强度和变形特性，建立可适用用淤泥质固化土的数值计算方法，为工 程设计服务，达到一定的理论意义和工程应用价值。 1 2 土壤固化剂的研究 固化土【l l 是一种性能良好而价格低廉的新型建筑材料，它具有适用范围广、 强度可以调整、早期强度高、可就地取材等优点。土体固化剂在国内外逐渐得到 了广泛的应用，美国称之为2 0 世纪伟大发现之一，日本称之为2 l 世纪的新材料。 第1 章绪论 1 2 1 土壤固化剂的分类 土体固化剂的种类繁多，一般可按其外观形态或固化机理进行分类。从外观 形态上可分为液粉体类固化剂和粉状类固化剂；土壤固化剂按其主要成分又可分 为无机化合物类、有机化合物类、生物酶类、复合型固化剂等。 液粉类土壤固化剂是指由无机盐配成的溶液，现场再配以适量的水泥、石灰 或粉煤灰掺入土壤中，能改善和提高土壤技术性能的液体和粉状材料；粉状土壤 固化剂是由粉状无机盐、水泥、石灰或粉煤灰等组成的混合材料，掺入土壤中能 改善和提高土壤的技术性能。 无机化合物类土壤固化剂一般为粉末状，多采用水泥、石灰、粉煤灰、各类 矿渣、煤矸石等。在加固软土时固化剂颗粒表面的矿物很快与软土中的水发生水 解和水化反应，生成氢氧化钙、含水碳酸钙及水泥杆菌等混合物，部分产物为呈 分散形态的胶体，可以把土体中大量的自由水以结晶水的形式固定下来。当土壤 固化剂的各种水化物生成后，有的自身继续硬化，随着水化反应的深入，可在土 体中逐渐生成不溶于水的稳定结晶水化物，增大了固化土的强度。通过扫描电子 显微镜可观察到固化土中生成大量的纤维状结晶，并不断延伸填充到颗粒的空隙 中，形成网状结构。此类固化剂的缺点是用量比较大，运输成本高，早期强度不 高；优点是成本低，强度稳定性好。一直以来研究者们主要致力于通过添加辅助 激发剂来改善此类固化剂的性能。 有机化合类土壤固化剂多为液体状，主要是通过离子交换将土壤水分中的电 荷与土壤颗粒电荷充分交换，发生化学离子交换反应，减少土壤毛细管、土壤孔 隙以及表面张力所引起的吸水作用，使经过处理的土壤由“亲水性”变成“憎水 性”，经机械反复的整平、振动、夯实等作用，使土壤高度密实，形成一种新的土 壤结构。此类固化剂目前主要由水玻璃类、环氧树脂类、高分子材料类和离子类 等中的一种或多种组合配制而成。此类固化剂的缺点是使用寿命期短，抗水性能 差，受环境的影响比较大；优点是用量少，易于运输，施工方便，早期和后期强 度都易于控制，对土的适应性强。 生物酶类土壤固化剂为液体状，是由有机物质发酵而成，属蛋白质多酶基产 品。加入到土壤中，通过生物酶素的催化作用，经外力挤压密实后，能使土壤粒 子之间粘合性增强，形成牢固的不渗透性结构。此类固化剂的缺点是其固化土的 2 浙江大学博士学位论文 淤泥质土的固化及力学特性的研究 郭印2 0 0 7 年6 月 设计寿命较短，浸水后强度会降低；优点是无毒，可增加土壤密度，降低土壤膨 胀系数。 复合类土壤固化剂包括固体和液体两种形态，是由两种或两种以上的化学物 质按一定比例配合形成的一种新型固化材料。复合型土固化剂从化学组成可分为 主固化剂和激发剂两个部分。它可针对各种不同的加固目的而制定不同的配合方 法。 1 2 2 土壤固化剂固化机理 各类土壤固化剂的固化机理有所不同，为了开发性能更优越的固化剂，对现 有土壤固化剂的固化机理进行总结是必要的。根据土壤固化剂的成分将固化剂的 固化机理大致分为以下十类： ( 1 ) 水泥固化土机理m 水泥与土拌和后，水泥矿物与土中的水分发生强烈的水解和水化反应，同时 从溶液中分解出氢氧化钙并形成其它水化物。其各自成分的反应过程如下： 由硅酸三钙( 3 c a o s i 0 2 ) 水化反应可生成水化硅酸钙和氢氧化钙，这是提高 固化土强度的决定因素： 2 ( 3 c a o s i 0 2 1 + 6 h 2 0 3 c a o 2 s i 0 2 3 h 2 0 + 3 c a ( o h ) 2 ( 1 - 1 ) 硅酸二钙( 2 c a o s i 0 2 ) 水化反应可生成水化硅酸钙和氢氧化钙，主要形成固 化土的后期强度： 2 ( 2 c a o s i 0 2 ) + 4 h 2 0 3 c a o 2 s i 0 2 3 h 2 0 + c a ( o i - i ) 2 ( 1 - 2 ) 铝酸三钙( 3 c a o a 1 2 0 3 ) ，水化反应生成水化铝酸钙，其水化速度最快，能促 进早凝： 3 c a 0 a 1 2 0 3 + 6 h 2 0 3 c a o a 1 2 0 2 6 h 2 0 ( 1 - 3 ) 铁铝酸四钙( 4 c a o a 1 2 0 3 f e 2 0 3 ) ，水化反应生成水化铝酸钙和水化铁酸钙， 能促进加固土的早期强度： 4 c a o 舢2 0 3 f e 2 0 2 + 2 c a ( o h ) 2 + 1 0 h 2 0 一 3 c a o a 1 2 0 2 。6 h 2 0 忆c a o f e 2 0 2 6 h 2 0 ( 1 - 4 ) 硫酸钙( c a s 0 4 ) ：与铝酸三钙一起与水发生反应，生成水泥杆菌 ( 3 c a o a 1 2 0 3 3 c a s 0 4 3 2 h 2 0 ) ，把大量的自由水以结晶水的形式固定下来： 3 c a s 0 4 + 3 c a o a 1 2 0 3 + 3 h 2 0 3 c a 0 a 1 2 0 3 3 c a s 0 4 3 2 h 2 0 ( 1 - 5 ) 第1 章绪论 当水泥的各种水化物生成后，有的继续硬化形成水泥石骨架，有的则与土相 互作用，其作用形式可归纳为：离子交换及团粒化作用。在水泥水化后的胶体 中c a ( o w _ ) 2 和c a 2 + 、o f 共存。而构成粘土的矿物是以s i 0 2 为骨架而合成的板 状或针状结晶，通常其表面会带有n a + 和c 等离子。析出的c a 2 + 会与土中的 n a * 、k + 进行当量吸附交换。其结果使大量的土粒形成较大的土团。由于水泥水 化生成物c a ( o h h 具有强烈的吸附活性，而使这些较大的土团粒进一步结合起 来，形成了水泥土的链条状结构，封闭土团问孔隙，形成稳定的联结；硬凝反 应( 火山灰反应) 。随着水泥水化反应的深入，溶液中析出大量的c a 2 + ，当c a 2 + 的数量超出上述离子交换的需要量后，则在碱性的环境中与组成粘土矿物的部分 s i 0 2 和a 1 2 0 3 发生化学反应，生成不溶于水的稳定的结晶矿物c a o a 1 2 0 3 - h 2 0 系 列铝酸石灰水化物和c a o s i 0 2 - h 2 0 系列硅酸石灰水化物等；碳酸化作用。水泥 水化物中的游离c a ( o h ) 2 不断吸收水和空气中的c 0 2 作用生成c a c 0 3 ，提高土 的强度。水泥固化土就是水泥石的骨架作用与c a ( o h ) 2 的物理化学作用共同作用 的结果。后者使粘土微粒和微团粒形成稳定的团粒结构，而水泥石则把这些团粒 包覆并连接成坚强的整体。 水泥固化土受土类别限制，对塑性指数高的粘土、有机土及盐渍土等土类加 固效果不理想；水泥加固土干缩系数和温缩系数均较大，水泥土易开裂：水泥初、 终凝时间较短，一般要求在3 4h 内完成从加水与土拌和到碾压终了的各个工序。 ( 2 ) 石灰固化土机理1 8 9 】 石灰加入土中后，石灰和土发生一系列的化学反应和物理化学反应，主要有 离子交换反应、c a ( o h ) 2 结晶反应、碳酸化反应和火山灰反应。石灰加入土中后， 在水的参与下解离成c a 2 + 和o h 离子，c a 2 + 可与n a * 、k + 离子发生离子交换，使胶 体吸附层减薄，。电位降低，使粘土胶体絮凝，土的湿坍性得到改善，使石灰土 获得初期的水稳性；c a ( o h h 的结晶反应使石灰吸收水分形成含水晶格 ( c a ( o h h n h 2 0 ) ，所形成的晶体相互结合，并与土粒结合形成共晶体，把土粒 胶结成整体，使石灰土的水稳性得到提高；c a ( o h h 碳酸化反应是c a ( o h ) ：与空气 中的c 0 2 起化学反应生成c a c 0 3 。c a c 0 3 具有较高的强度和水稳性，它对土的胶 结作用使土得到了加固。火山灰反应是土中的活性硅、铝矿物在石灰的碱性激发 下解离，在水的参与下与c a ( o n h 反应生成含水的硅酸钙和铝酸钙等胶结物。这 些胶结物逐渐由凝胶状态向晶体状态转化，使石灰土刚度不断增大，强度和水稳 4 浙江大学博士学位论文 淤泥质土的固化及力学特性的研究郭印2 0 0 7 年6 月 性不断提高。 石灰与土形成的加固土强度发展缓慢，影响施工进度，同时，石灰固化体的 强度与石灰的掺入比在一定范围内成正比，若掺量超出某一范围，则加固土的强 度反而降低，石灰土的水稳性较差，对一些固化强度要求较高的工程，石灰无法 满足其要求。 ( 3 ) 硅粉固化土机a t l o 1 1 】 硅粉是一种高活性的火山灰质材料，能与水泥的水化产物c h 发生反应，生 成c s h ，降低c h 含量，提高净浆强度，并填充水泥颗粒间的孔隙，降低水灰比。 同时硅粉还能与水泥生成的c s h 反应，生成新的c s h ，而水泥土的结构主要是 c s h 形成的骨架结构。所以s f 与c h 、c s h 发生的火山灰反应起到了增强作用， 使固化土强度大为提高。 ( 4 ) 工业废料类固化土机型1 2 训 此类固化剂一般是在工业废料中掺加一定量的石灰和水泥进行固化。工业废 料的元素组成与土壤较为接近，主要是活性硅氧化物、铝氧化物等。其加固机理 为工业废料中的活性氧化硅和活性氧化铝在碱性环境下，将发生硬凝反应生成胶 凝物质，在固化剂和土壤颗粒之间进一步形成有效的作用力，在较长的时间内强 度稳定地增加，具有良好的水稳性和抗冻性。另外工业废石膏可与活性物质中 2 0 3 反应生成膨胀性物质钙矾石。 ( 5 ) 水玻璃固化土机8 2 1 - 2 3 1 水玻璃固化土的作用机理是水玻璃遇到粘土中的高价金属离子或p h 值低于 9 的孔隙水便生成硅酸钙或硅胶颗粒，填塞粘土颗粒间的孔隙，从而提高土体强 度。水玻璃与土之间除了生成沉淀填塞之外，还有水玻璃在粘土颗粒问的化学胶 结作用。在反应中，水玻璃的胶体性质、高度的吸附能力、新生物质的水解以及 反应演变过程中难以确定的其他因素，对反应的产物都有很大的影响。水玻璃加 入到土与水泥的混合溶液中后，与水泥水解产生的氢氧化钙反应生成具有一定强 度的水化硅酸钙凝胶体，反应式为： c a ( o h h + n a 2 0 n s i 0 2 + m l - - 1 2 0 一c a o n s i 0 2 m i - i ：o + n a o h ( 1 - 6 ) 在研究水泥水玻璃固化土方面，日本的研究水平处于国际领先地位。刘同春( 1 9 9 0 ) 以水玻璃为主剂，添加少量醋酸乙酯和促凝剂，以海水为溶剂，对孤东海滩地区 粉砂进行了化学固化的试验研究。结果表明，砂土固化后的强度大大提高，尤其 第1 章绪论 后期强度更为突出。 ( 6 ) 离子交换类土壤固化剂固化机理m 研 该类固化剂的作用机理是通过自身的离子交换作用改变土壤的性质，使土粒 周围被疏水层包裹，不再吸附空隙中的自由水，使其趋于憎水性。这种作用具有 不可逆性，也不随时间增长而消耗和丧失，对土壤具有长久的固化作用。目前国 内使用的离子类固化剂主要是指美国引进的i s s 固化剂。该固化剂与传统的水泥、 石灰稳定土等半刚性材料不同，它是一种柔性材料，不易开裂，在与土相互作用 过程中，因所排除粘粒周围的吸附水自然蒸发，加固土层表面产生微小裂缝，经 碾压后很快愈合，加固土体能形成良好的板状结构。离子固化剂施工简便，而且 是一种环保产品，对人体、牲畜、植物和大自然均无损害。 ( 7 ) 高分子类土壤固化剂固化土原理【2 7 - 2 9 1 高分子类固化剂是在常温、常压条件下通过催化剂催化和引发剂引发，使高 分子单体在土中发生聚合反应，形成网状或空间结构，填充土中孔隙及裹缚土粒 和土团粒，通过在土粒和聚合物之间形成化学的和物理化学的联系而大大提高土 体的强度。高分子乳液类固化剂加入到土壤中会产生化学聚合反应而生成大的有 机分子链，并胶结土壤颗粒。大的有机分子交换到粘土分子的表面后会产生屏蔽 作用，减少土壤中的吸附水，从而改善土的工程性质。 ( 8 ) 新型复合类土壤固化剂固化土原型3 0 - 4 8 1 复合类土壤固化剂是由两种或两种以上的化学物质按一定比例配合形成的一 种新型固化材料，复合型土固化剂从化学组成可分为主固化剂和激发剂两个部分。 该固化剂的固化原理主要包括：胶结土壤颗粒，在固化体中构成网状结构，形成 早期强度；表面活性作用和缓凝作用，调整固化剂的延迟时间；与粘土矿物发生 化学反应，弥补网状结构强度的不足，形成后期强度，从而最终提高固结体强度： 激发早强作用；与其它组分反应形成的生成物具有体积膨胀和填充固化土内部孔 隙的作用。 1 2 3 国内土壤固化剂的研究进展 近年来，我国学者采用各种固化材料对不同特性的土壤进行了固化研究，取 得了一些研究成果，研究成果主要包括水泥固化土、石灰固化土、硅粉固化土、 工业废料类固化土、水玻璃固化土、离子交换类固化土、高分子类固化土和新型 6 浙江大学博士学位论文淤泥质土的固化及力学特性的研究郭印2 0 0 7 年6 月 复合类固化土方面的研究。 水泥固化土方面的研究。黄新等( 1 9 9 4 、1 9 9 5 ) 认为水泥土的强度主要来自 水泥水化所产生的水化硅酸钙( c s h ) 等水化物的胶结作用，而钙矾石( a f t ) 的作用却是不确定的，c s h 和a f t 生成量的多少，受到土体本身以及掺入的固化 剂两方面的影响。高国瑞等( 1 9 9 6 ) 分析了水泥固化软土的作用机理，由于不同 的粘土矿物所消耗的水泥量不同，因此软土的成分决定着水泥掺量的多少。 石灰固化土方面的研究。林宗寿等采用不同细度的生石灰和消石灰脱水制备 出一种高强石灰固化剂，与通常使用的石灰固化剂相比可使稳定土强度提高2 倍以 上。 硅粉固化土方面的研究。叶青等( 2 0 0 1 ) 针对水泥固化土中水化硅酸钙凝胶 结合不够紧密的缺点，提出掺入1 - 3 的纳米s i 0 2 来提高水泥固化土的力学性能。 王立峰等( 2 0 0 3 ) 试验研究表明在水泥土中加入纳米硅粉可显著提高其强度。王 文军( 2 0 0 5 ) 将纳米硅粉水泥土的固化机理归纳为水泥的凝结硬化、火山灰效应、 离子交换吸附、填充效应四个方面。黄殿瑛( 1 9 9 4 ) 选用硅粉作为外掺剂对水泥 土性能影响进行了研究，认为硅粉的火山灰效应与微粒充填效应，使水泥水化、 硬化向有利方向发展，提高了固化土的强度。 工业废料类固化土方面的研究。黄新等( 1 9 9 4 、2 0 0 1 ) 研究了工业废石膏在 地基加固中的适用条件及加固机理。李玉华等( 2 0 0 2 ) 将工业废石膏掺入石灰、 粉煤灰、石灰、粉煤灰、粘土中提高了固化土的早期强度，降低了干缩性。张明 ( 2 0 0 1 年) 对水泥土中粉煤灰外掺剂配方及粉煤灰加固土原理进行了研究，认为 掺和了粉煤灰的固化土试样，在水泥水硬性胶结作用下，加强了试样的结构，使 强度增大，尤其是后期强度增强明显，固化土中粉煤灰可取代水泥1 5 2 0 ，充 分利用了粉煤灰工业废料，降低了成本。苟勇( 2 0 0 0 ) 对水泥中掺工业废料粉煤灰和 磷石膏固化软土进行了试验研究，研究表明，其性能指标由于纯水泥加固固化。 庄心善( 2 0 0 5 ) 研究表明，掺入等量水泥和石灰混合料对淤泥质土的固化效果要 优于单掺水泥或石膏。黄宏伟( 1 9 9 8 ) 采用水泥和粒化高炉矿渣对上海市西部某 地区的灰色淤泥质粘土进行了固化，固化效果优于单掺水泥。宁建国( 2 0 0 5 ) 分 类介绍了能够产生胶凝性水化物和膨胀性水化物和能提高固化土碱度的各类工业 废渣：高炉矿渣、铜渣、不锈钢渣、p s 渣、粉煤灰、炉底灰、下水污泥煅烧灰、 制纸煅烧灰、稻壳灰、赤泥渣、工业废石膏。黄新( 1 9 9 4 ) 研究表明，水泥一石膏固 7 第1 章绪论 化剂适于加固对c a o 、o h 一的吸收量较大的软土。王振军( 2 0 0 6 ) 研究表明对于粉 土而言，在相同掺量条件下，矿渣粉加固土的抗压强度、水稳定性、冻稳定性、 常温收缩及干燥收缩等性能优于石灰加固土。 水玻璃固化土方面的研究。丁锐( 1 9 9 9 ) 、王星华( 1 9 9 9 ) 等都曾应用x 射线衍射 和x 射线光电子能谱法，对水玻璃与粘土矿物之间表面反应进行了实验研究，结果 显示，粘土与水玻璃作用后，其表面组成中的s i a 1 摩尔比提高，钠含量也提高了， 从化学的角度得到结论，即水玻璃加固粘土地层的机理除生成沉淀填塞孔隙之外， 还有水玻璃在粘土颗粒之间的化学胶结作用。丁锐( 1 9 9 9 ) 用射线衍射和射线光电子 能谱法测试表明粘土颗粒表面与水玻璃易发生化学反应，这种反应可增加粘土颗 粒之间的胶结力。黄春香( 2 0 0 2 ) 对水泥一水玻璃加固软土进行了研究，认为水 玻璃与水泥、土之间不仅存在物理吸附作用，还发生一系列化学反应，从而提高 了土体强度。简文彬等( 2 0 0 2 ) 对福建沿海地区淤泥土进行水泥一水玻璃固化试 验，研究表明水玻璃可以加快水泥土结构的形成，提高水泥一水玻璃固化土的强 度，减小了其渗透性。程鉴基( 1 9 9 6 ) 在珠江三角洲软土地区将水泥和水玻璃配 制成浆液，将一定的比例的浆液注入流塑状淤泥中，固化效果显著。 离子交换类固化土方面的研究。汪益敏( 2 0 0 2 ) 通过化学分析、s e m 电镜扫描分 析、无侧限抗压强度试验研究表明，i s s 可使得砂质低液限粉土体易于压实，孔隙 体积减小，密实度提高，从而提高土的强度。在i s s 固化土中掺入适量水泥可明显 提高加固土的早期强度，且能生长出纤维状矿物，充填在土颗粒之间的孔隙中， 使加固土强度和抗变形能力得到显著提高。薛立公( 2 0 0 2 ) 采用i s s 土壤稳定剂对中 液限粉质粘土路基进行了固化，提高了道路土基的承载能力和水稳性，解决了道 路冻胀及翻浆问题。王家涛( 2 0 0 5 ) 采用i s s 土壤固化剂对不同性质的土进行了固 化试验，结果表明i s s 土壤固化剂对粘粒含量高的土壤固化效果更佳。 高分子类固化土方面的研究。王银梅等( 2 0 0 4 ) 采用兰州大学开发的高分子类固 化剂s h 对黄土进行了试验研究，固化剂s h 可充分利用胶体间的电性吸引力和高 分子长链的搭接、缠绕作用增强土体强度，s h 固化黄土的韧性较好，抗水性能好。 徐渊博( 2 0 0 5 ) 将改性助剂与表面活性材料配合使用，固化性能尤其是水稳定性 得到明显提高，显示出了实际应用的潜力。刘瑾等( 2 0 0 1 ) 对一种以聚丙烯酸基体系 为主体的新型水溶性高分子土体固化剂w s p 进行研究，研究表明，w s p 剂对土 体的固化作用主要集中在纯粘土部分，能充分发挥粘土潜在的活性，通过离子间 浙江大学博士学位论文淤泥质土的固化及力学特性的研究郭印2 0 0 7 年6 月 的置换改善了颗粒界面接触，从而达到使土体固结的性能，可用于固化粘粒含量 较高的软土。邹斌( 2 0 0 1 ) 在脲醛树脂中加入其它高分子材料，使其浆液具有快速 凝胶，高强度和抗水性，掺入土体后形成的网络状框架结构，提高了固化土的强 度，改善了其抗水性。彭波( 2 0 0 1 ) 采用一种以高分子表面活性剂为主的液体固 化剂对粉质粘土进行了固化试验，并分析了其利用双电层理论固化土的强度形成 机理，该液体固化剂固化土的效果要优于石灰固化土。邹斌等( 2 0 0 1 ) 对丙烯酸钙加 固软土进行了研究，认为丙烯酸钙具有高固结性、高强度和抗水性，是一种比较 理想的高分子软土加固材料。 新型复合类固化土方面的研究。董国亮( 2 0 0 0 ) 研究表明，在高液限粘土中掺入 n c s 固化剂，能有效降低其液限和塑性指数，从而改善其工程性质，满足施工要 求。周明凯等( 1 9 9 6 ) 采用矿渣、石灰及固化元素复合成了h s 干硬性土固化剂，该 固化剂适用于稳定路面基层，具有板块的整体性好、强度高、不开裂的优点，用 该固化剂固化的土强度高、水稳性好，尤其适用于固化天然含水量大于液限的软 土。方祥位( 2 0 0 6 ) 试验研究表明，g t 型土壤固化剂对北京软土和黄土改良效果良 好。g t 型土壤固化剂是一种新型的土壤改性加固材料，以高钙灰和脱硫石膏两种 工业废料为主要原料，辅以生石灰、水泥、熟石膏、硫酸铝及明矾石等次要成分， 采用生石灰消解法除去脱硫石膏中的自由水，按全粉料配料的方法研制而成。黄 晓明( 2 0 0 2 ) 研究表明，t r 型固化剂对粘土和亚粘土固化效果好，具有较好的减 小试件的干缩应变和干缩系数的效果，具有良好的路用性能。t r 型土壤固化剂是 以石灰、矿渣、水泥等一种或几种互配物作主固化剂，从马来酸、胡马酸、碳酸 钠、氟化钠、氢氧化钠、硫酸铝钾、三乙醇胺和胺基磺酸盐等各种各样化合物中 筛选出比较理想的化合物组群作为助固化剂。童小东( 1 9 9 8 ) 研究了加入各种添 加剂的水泥土的性能，认为木质素磺酸钙、石青和三乙醇胺等对水泥土的强度有 增强作用。裴向军( 2 0 0 0 ) 分析了几种外掺剂的作用机理，认为硅粉、木质素磺 酸钙、粉煤灰、水玻璃、磷酸氢二铵是较理想的外掺剂，通过正交试验比较了几 种外掺剂对水泥土强度的影响，对水泥土抗压强度的影响从大到小为：水泥掺入 比、硅粉、木钙粉；抑制膨胀率的效果从大到小为：硅粉、水泥掺入比、木钙粉。 陈云波( 1 9 9 6 ) 认为n a 2 s 0 4 、石膏和a 1 2 ( s 0 4 ) 3 对石灰稳定土有比较明显的增 强效果。董邑宁( 2 0 0 1 ) 采用固化剂z d y t - 1 对萧山粘土进行固化对比试验，其固化 效果明显优于水泥固化土。李迎春( 2 0 0 4 ) 采用复合固化剂分别对粉土和粘土进 9 第1 章绪论 行了对比试验研究，粉土和粘土存在着活性物质被激发的现象，有c s h 凝胶生成， 由于粘土中富含可被激活的活性s i 0 2 ，效果更加明显。杨志宏( 2 0 0 0 ) 分析了a u g h t s c t 固化剂中所含有的六种组分的作用。邹开学( 2 0 0 0 ) 分别采用石灰加粉煤灰 和水泥加粉煤灰对膨胀土进行固化，固化强度完全可以满足基床要求，但在此基 础上添加丙稀酸盐提高其韧性的同时强度有所降低。侯浩波( 2 0 0 6 ) h a s 土壤固化 剂的适用性，其可适用于黏性土、淤泥土、砂性土、废弃土、灰渣土等的固化处 理。h a s 土壤固化剂以工业废渣为主要原料的一种新型灰渣胶凝材料，其中的主 要成分是矿渣、磷渣、粉煤灰液态渣、沸腾炉渣等，占原料的8 0 以上，配以适 量的活化剂混合粉磨制成。黄新( 2 0 0 7 ) 用普通硅酸盐水泥、石膏和一种含铝膨胀组 分构成的复合固化剂对2 种有代表性的软土试样进行了固化土试验研究。水泥掺 石膏固化剂只对孔隙比大、含水率高的试样加固效果优于水泥固化剂的加固效果。 含有膨胀组分的固化剂的水化物中都产生钙矾石，利用钙矾石生成的固相膨胀作 用填充孔隙，而钙矾石的生成在固化土中是否产生增强效果，主要取决于钙矾石 与水化硅酸钙凝胶生成过程的协调性。 目前国内已研制成功的土体固化剂产品主要有：北京中土奥特赛特科技发展 有限公司生产的a u g h t - s e t 型，浙江大学研制的s n 2 0 1 一a 型水泥土添加剂，武汉 工业大学研制的h s 土壤固化剂，上海五科新型建材有限公司生产的n g 及l y 型 固化剂等。 1 2 a 国外土壤固化剂的研究进展 国外许多研究者也针对不同土质研制开发出了不同的土体固化剂，也取得了 许多研究成果。m e d i n a 等4 9 】用磷酸加固红土：t o m o h i s a 等【5 0 1 提出用混凝土粉末、 纸浆渣、粉煤灰和火山灰土加固处理含水量高和有机质含量高的土体；z a l i h e 等p ” 用粉煤灰和石灰来固化含有石灰质的膨胀性粘土。s h i r a z i l 5 2 认为石灰和粉煤灰的 混合物可以消除由于水泥土干缩而容易引起的开裂；b e l l 5 3 在水泥和石灰中分别 添加p f a 对其加固粘土的效果进行了研究；m i l l e r t 卅等对水泥窖粉尘( c k d ) 加固处 理土体的性能进行了研究。o s u l ad o a 【5 5 】采用石灰和水泥固化细粒粘性土，发现 石灰的掺入比对固化土的短期和长期强度的影响都比水泥掺入比大。o m a rs a e e d b a g h a b r a t 5 6 】使用水泥和石灰分别固化s a b k h a 粘土，结果表明在土样的含水量较高 时水泥的固化效果较好。s i v a p u l l a i a hp v 等【5 1 用2 0 的斑脱土加固印度红壤( 主 1 0 浙江大学博士学位论文淤泥质土的固化及力学特性的研究郭印2 0 0 7 年6 月 要成分是石英和高岭石) 再掺入1 的石灰或水泥以提高红壤的强度，水泥固化土 的早期强度较大，而石灰固化土的后期强度较大。国外利用各种废料固化土壤的 研究非常多，最多的是粉煤灰。s e i s h it o m o h i s a 掣弼】使用粉煤灰来硬化泥浆获得了 较好的效果，c a o 和s 0 3 含量高的粉煤灰其固化土强度最高，指出对固化土强度作 出贡献的物质是钙矾石及水化硅酸钙的混合物；b y u n gs i kc h u n 等【5 9 】进行了f o c ( f l y a s h 、g y p s u m 、c e m e n t ) 固化剂加固土的研究，提出了三种材料的最佳配合 比，并进行了固化土的s e m 研究，认为s e m 照片中显示的针状水化产物对高含水 量和高有机质含量的土有着重要意义；h e i k k ik u k k o 6 0 l 进行了利用无机工业废料 加固粘土的试验研究，认为加固土的强度与水粘结剂的比率有关，加温处理能加 快试验进程，温度在6 0 0 是适宜的；h i l m il a v a 【6 l 】等用火力发电站的粉煤灰分别 与水泥和石灰混合用于土的固化，对固化土作了微结构、化学、矿物学等的分析， 发现两种固化剂的加固效果几乎相同。除了对水泥和石灰这些传统固化材料的研 究之外，还有对各种新型固化材料的研究。r o s ew r i g h