（岩土工程专业论文）水泥土添加剂室内试验研究.pdf

删i iii11i i l i ii i i l i l i l liiu1111 17 616 10 e x p e r i m e n t a lr e s e a r c h o nc e m e n t - s t a b i l i z e d so i lw i t ha d d i t i v ei nl a b o r a t o r y ad i s s e r t a t i o ns u b m i t t e dt o s o u t h e a s tu n i v e r s i t y f o rt h ea c a d e m i cd e g r e eo fm a s t e ro fe n g i n e e r i n g b y y a n z h o n g - y u s u p e r v i s e db y p r o f t o n gx i a o - d o n g c o l l e g eo fc i v i le n g i n e e r i n g s o u t h e a s tu n i v e r s i t y m a r c h2 0 1 0 东南大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。 尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过 的研究成果，也不包含为获得东南大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我 一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 研究生签名：鲍牢整日期：丝2 名生每丝斟 东南大学学位论文使用授权声明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位论文的复印 件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内容和纸质 论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可以公布( 包括 以电子信息形式刊登) 论文的全部内容或中、英文摘要等部分内容。论文的公布( 包括以电 子信息形式刊登) 授权东南大学研究生院办理。 研究生签名：姒导师签名- 量堇 日期： 趔芝垒堡红4 摘要 水泥土添加剂室内试验研究 摘要 本文以砂土作为加固对象，以水泥作为基本固化剂，在水泥土中加入不同剂 量的j m h f 灌浆剂、磺化三聚氰胺高效减水剂、生石膏、粉煤灰，进行水泥土的 力学性质和微观结构对比分析研究。同时，结合凝结时间试验和流动度试验，研 究水泥土的某些基本性能、几种添加剂的作用机理，以及几种添加剂以一定配比 混合使用时的作用机理。 本文首先通过先期试验，选定能够改善水泥土性质的添加剂，并通过先期试 验确定了适合于本文所要加固土体的水泥掺量、水灰比及添加剂掺量等。经过了 先期试验的验证，本文中最终选用j m h f 灌浆剂、磺化三聚氰胺高效减水剂、 生石膏和粉煤灰作为改善水泥土性能的添加剂。在正式试验中，本文主要通过基 准水泥土无侧限抗压强度试验、单掺添加剂水泥土无侧限抗压强度试验、混掺添 加剂水泥土无侧限抗压强度正交试验、水泥浆液流动度试验、水泥浆液凝结时间 试验和水泥土扫描电子显微镜及能谱分析试验，分别对7d 、2 8d 和9 0d 龄期的 各种水泥土进行了研究。通过对以上试验成果研究分析发现：自然养护的水泥土， 其强度要高于密闭养护的水泥土，但是随着龄期的增长，不同养护条件下水泥土 强度的差异会越来越小，这种差异也会随着水泥掺入量的增加而减小；j m h f 灌浆剂能够有效的改善水泥土的流动性能，并且它还能促进水泥水化反应的进 程，通过扫描电子显微镜发现，掺入j m h f 灌浆剂后，水泥土中能够生成大量 的水化产物，而这些水化产物结晶均匀的填充在土体颗粒、水泥颗粒以及土体与 水泥的间隙里，同时，这些水化生成物交织成的空间网架结构把这些颗粒连接在 一起，增加了水泥土微观结构的整体性和刚度；磺化三聚氰胺高效减水剂在掺量 不超过2 时，能够有效的提高水泥土的强度，但是当其掺量超过5 时则会影 响水泥土强度的发育；在掺入生石膏后，水泥土中生成了大量的水化硅酸钙结晶 和钙矾石结晶，这些结晶致密的交织在一起，牢固的把土体颗粒、水泥颗粒以及 土体与水泥颗粒联结在一起，大大的提高了水泥土的强度：粉煤灰能够有效的改 善水泥土的强度，但是在水泥土中，粉煤灰存在一个最优掺量，在该掺量下，粉 煤灰对水泥土强度的提高效率最高。 关键词：水泥土，添加剂，无侧限抗压强度，正交试验，微观结构，流动度，凝 结时间 a b s t r a c t e x p e r i m e n t a lr e s e a r c ho nc e m e n t - s t a b i l i z e ds o i l w i t h a d d i t i v ei nl a b o r a t o r y a b s t r a c t t h ep a p e rm a i n l ye x p o u n dt h ee x p e r i m e n t a lr e s e a r c ho nt h ea d d i t i v er e c i p eo f c e m e n t - s t a b i l i z e ds o i l ( c s s ) ，t h ef o u ra d d i t i v eu s e di nt h ec s sa r ej m h fg r o u t i n g a g e n t ，s y n t h e s i so fm e l a m i n es u p e rp l a s t i c i z e r , g y p s u ma n df l ya s h t 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 ( u c s ) ，s e mt e s t , c o r r e l a t i v i t yt e s to fc e m e n ta n ds e t t i n gt i m eo f c e m e n tp a s t et e s ta r eu s e dt os t u d yt h ec h a r a c t e ro fc s sw i t ha n dw i t h o u ta d d i t i v e t h et e s tr e s u l t ss h o w e dt h a t ，t h em e c h a n i c a lp r o p e r t i e so fc s su n d e rn a t u r a l c u r i n gi sb e t t e rt h a nt h ec s su n d e ra i r t i g h tc u r i n g b u tt h i sd i s p a r i t yw i l lr e d u c e da s t h eg r o w t ho fa g eo rt h ep r o p o r t i o no fc e m e n t j m - h fg r o u t i n ga g e n tc a ne f f e c t i v e l y i m p r o v et h ef l o w i n gp r o p e r t i e so fc s sa n dt h eh y d r a t i o np r o c e s so fc e m e n t ，s oi t c o u l di m p r o v et h em i c r o s t r u c t u r e si n t e g r i t ya n d r i g i d i t yo fc s s ，a n ds t r e n g t ho fc s s w h e nt h ed o s a g eo fs y n t h e s i so fm e l a m i n es u p e rp l a s t i c i z e rd o e sn o te x c e e d2 ， t h a ti tc a ne f f e c t i v e l yi m p r o v et h es t r e n g t ho fc s s ，b u tm o r et h a n5 ，i tw i l la f f e c tt h e s t r e n g t ho fc s s g y p s u ma n df l ya s ha l s oc o u l di m p r o v et h es t r e n g t ho fc s s ，b u tt h e y h a v eao p t i m a ld o s a g e ，i nt h i sd o s a g e ，t h et w ok i n do fa d d i t i v ec a ni m p r o v et h e s t r e n g t ho fc s sb e s t k e yw o r d ：c e m e n t - s t a b i l i z e ds o i l ，a d d i t i v e ，u n c o n f m e dc o m p r e s s i o n , o r t h o g o n a le x p e r i m e n t a l d e s i g n , m i c r o s t r u c t u r e ，c o r r e l a t i v i t yt e s to fc e m e n t ，s e t t i n gt i m eo fc e m e n tp a s t e n 目录 目录 摘要i a b s t 懈i i 目录i i i 第一章绪论1 1 1 水泥土概述l 1 1 1 水泥土搅拌法1 1 1 2 灌浆法1 1 1 3 喷射注浆法2 1 2 水泥土的研究现状2 1 2 1 水泥土力学性能研究现状2 1 2 2 水泥土微观结构研究现状4 1 2 3 水泥土添加剂研究现状5 1 3 本文问题的提出及研究内容6 1 3 1 本文问题的提出6 1 3 2 本文研究技术路线及内容7 第二章水泥土基本理论与方法：8 2 1 水泥土的固化机理8 2 1 1 水泥的水解和水化反应8 2 1 2 二次水化反应1 0 2 1 3 土颗粒与水泥水化物的作用1 0 2 1 4 碳酸化作用1 l 2 2 水泥土的物理性质1 2 2 3 水泥土强度的影响因素1 3 2 4 水泥土添加剂的作用机理1 5 2 4 1 物理作用机理1 5 2 4 2 化学作用机理1 5 2 4 3 混合作用机理1 7 2 5 本章小结1 7 第三章水泥土室内试验方案1 9 3 1 试验目的1 9 3 2 试验准备1 9 3 2 1 试验材料1 9 3 2 2 试验参数定义2 1 3 2 3 试验仪器2 2 3 2 4 正交试验设计2 3 3 3 试件的制作及养护2 5 3 3 1 试件的制作2 5 3 3 2 试件的养护2 6 3 4 试验方案2 6 3 4 1 先期试验方案2 6 3 4 2 无侧限抗压强度试验方案2 7 3 4 3 扫描电子显微镜试验及能谱分析试验3 1 3 4 4 水泥浆液凝结时间试验3 1 3 4 5 水泥浆液流动度试验3 2 3 5 本章小结3 3 第四章试验数据整理与分析3 4 4 1 先期试验结果及分析3 4 i l l 目录 4 1 1 第一批先期试验结果及分析3 4 4 1 2 第二批先期试验结果及分析3 7 4 2 无侧限抗压强度试验结果及分析4 1 4 2 1 基准水泥土无侧限抗压强度试验结果及分析4 2 4 2 2 单掺试验无侧限抗压强度试验结果及分析4 5 4 2 3 混掺试验无侧限抗压强度试验结果及分析5 2 4 3 扫描电子显微镜及能谱分析试验结果及分析5 6 4 3 1 扫描电子显微镜试验结果及分析5 7 4 3 2 能谱分析试验结果及分析5 9 4 4 凝结时间试验结果及分析6 l 4 5 流动度试验结果及分析6 1 4 6 水泥土添加荆性能分析6 2 4 7 本章小结6 4 第五章结论与展望6 5 5 1 水泥土室内试验研究结论6 5 5 2 水泥土室内试验研究展望6 6 参考资料6 8 致谢7 0 i v 一 第一章绪论 1 1 水泥土概述 第一章绪论 水泥土( s t a b i l i z e ds o i l ) ，是通过渗透、搅拌、劈裂、压实等手段，把水泥浆体或水 泥干粉与被加固土体混合，使水泥颗粒填充到被加固土体的裂隙和土颗粒间微孔隙中， 从而改善土体结构，改善土体物理力学性能和工程应用性能的加固方法。水泥土被广泛 运用于软土地基加固、软弱土质提防、防波堤、防波堤脚防渗等方面。 其实早在1 0 0 0 多年前，我们的祖先就利用石灰和水按一定比例与土搅拌均匀形成 灰土，用其作建筑物的地基或基础材料。古埃及曾用石灰、烧石膏和砂子加固金字塔的 地基和尼罗河河堤。古印度也早已用石灰和黏土来建造挡水坝体。而在古罗马帝国那坡 里城的居民曾用当地大量堆积的火山灰掺入不同比例的生石灰制成一种成为罗马水泥 的固化剂，是后来大量使用的火山灰水泥的雏形。这种制造水泥的技术到1 8 世纪为欧 洲各国广泛采用。现阶段使用最多的实现水泥土的方法为深层搅拌法、注浆法和灌浆法。 1 1 1 水泥土搅拌法 水泥土搅拌法是适用于加固饱和粘性土和粉土等地基的一种方法。它是利用水泥 ( 或石灰) 等材料作为固化剂通过特制的搅拌机械，就地将软土和固化剂( 浆液或粉体) 强制搅拌，利用固化剂和软土之间所产生的一系列物理一化学反应，使软土硬结成具有 整体性、水稳性和一定强度的水泥土，从而提高地基土强度和增大变形模量1 2 1 1 3 1 。 水泥浆搅拌法最早在美国研制成功，称为m i x e d i n p l a c ep i l e ( 简称m i p 法) 。国内 1 9 7 7 年由冶金部建筑研究总院和交通部水运规划设计院进行了室内试验和机械研制工 作，于1 9 7 8 年底制造出国内第一台s j b 1 型双搅拌轴中心管输浆的搅拌机械，并由江 阴市江阴振冲器厂成批生产( 目前s j b 2 型加同深度可达1 8m ) 。1 9 8 0 年初在上海宝钢 三座卷管设备基础的软土地基加固工程中首次获得成功。 水泥土搅拌法加固软土的优点有：最大限度地利用了原土；搅拌时无振动、无噪音 和无污染，可在密集建筑群中进行施工，对周围原有建筑物及地下沟管影响很小；根据 上部结构的需要，可灵活地采用柱状、壁状、格栅状和块状等加同型式；与钢筋混凝土 桩基相比，可节约钢材并降低造价。根据建筑地基处理技术规范规定，水泥固化剂 一般适用于正常固结的淤泥与淤泥质土( 避免产生负摩擦力) 、粘性土、粉土、素填土 ( 包括冲填土) 、饱和黄土、粉砂以及中粗砂、砂砾等地基加固。水泥土搅拌桩可用于 增加软土地基的承载能力，减少地基沉降量，提高边坡的稳定性，适用于：建筑物或构 筑物的地基、高填土方路堤下基层、进行大面积地基加固、防止码头岸壁滑动、深基坑 开挖时的塌方、基坑底隆起、减少软土地基中的沉降、地下防渗墙等工程。 1 1 2 灌浆法 灌浆法( g r o u t i n g ) 是指利用液压、气压或电化学原理，通过注浆管把浆液均匀的 注入地层中，浆液以填充、渗透和挤密的方式，赶走土颗粒间或岩石裂隙中的水分和空 气后占据其位置，经人工控制一定时间后，浆液将原来松散的土粒或裂隙胶结成一个整 体，形成一个结构新、强度大、防渗性能优良和化学稳定性良好的固化体【4 1 。 东南大学硕士学位论文 灌浆法能够提高土体的防渗性能、增加土体承载力。因此灌浆法主要运用于堵漏、 土体加固、纠正建筑物倾斜、防止流砂、钢板桩渗水、坝基漏水和隧道开挖时涌水、防 止桥墩和边坡护岸的冲刷、整治塌方滑坡、提到地基土承载力及减少地基沉降等方面。 随着材料、机械等各个行业的发展，灌浆法已能充分满足各类建筑工程和不同地基条件 的需要。 1 1 3 喷射注浆法 喷射注浆法( j e tg r o u t i n g ) 又称为旋喷法，是从2 0 世纪7 0 年代初期最先由日本开 发的地基加固技术。注浆方法是在浆液的压力作用下通过对土体的劈裂、渗透、压实或 是切割土体并使水泥与土搅拌混合，通过浆液凝固使浆液和土体形成一个固结体以达到 注浆加固的目的的方法。 由于高压喷射注浆使用的压力大，因而喷射流的能量大、速度快。当它连续和集中 地作用在土体上，压应力和冲蚀等多种因素便在很小的区域内产生效应，对从粒径很小 的细粒土到含有颗粒直径较大的卵石、碎石土，均有巨大的冲击和搅动作用，使注入的 浆液和土拌合凝固为新的固结体。实践表明，本法对淤泥、淤泥质土、流塑或软塑粘性 土、粉土、砂土、黄土、素填土和碎石土等地基都有良好的处理效果【3 】。 高压喷射注浆有强化地基、增加地基承载力、减少地基沉降和不均匀沉降、增强土 体摩阻力、防止土体液化、降低土体含水量和防漏的作用，可有效地用于既有建筑和新 建工程的地基处理、地下工程及堤坝的截水、基坑封底、被动区加固、基坑侧壁防止漏 水或减小基坑位移等工程。 1 2 水泥土的研究现状 1 2 1 水泥土力学性能研究现状 到现在为止，国内外专家和学者对水泥土力学性能的研究已经形成了一套完整的系 统，特别是龚晓南教授和叶观宝教授，在水泥土力学性能方面做了大量的试验研究，全 面系统的总结了包括水泥土无侧限抗压强度、水泥土抗拉强度、水泥土抗剪强度、水泥 土变形模量等性能，这为水泥土的工程运用和科学研究提供了完备的理论方法。 1 水泥土的无侧限抗压强度一般为o 5 4m p a ，即比天然软土大几十倍至数百倍。 图1 1 1 2 】是由水泥土无侧限抗压强度试验得到的应力应变曲线。o o k p a 图1 - 1 水泥土应力一应变曲线 图中a 5 、a l o 、a 1 5 、a 2 0 、a 2 5 分别表示水泥掺入比吼= ( 5 、l o 、1 5 、2 0 、2 5 ) 2 第一章绪论 水泥土的变形特性随强度不同介于脆性体和弹塑体之间，水泥土受力开始阶段，应 力和应变基本上符合虎克定律。当荷载达到极限荷载的7 0 8 0 时，试件的应力和应 变关系不在继续保持线性关系。当荷载达到极限强度时，对于强度大于2 0 0 0 k p a 的水泥 土便很快出现脆性破坏，破坏后残余强度很小，此时的轴向应变约为0 8 - - - 1 2 。对 于强度小于2 0 0 0 k p a 的水泥土则表现为塑性破坏。 2 水泥土抗拉强度采用劈裂法测定。试验结剁2 j 表明：试件破坏形式为脆性破坏， 破坏面微呈波状起伏；水泥土的抗拉强度随其抗压强度的增大而增大，但远小于其抗压 强度。抗拉强度约为抗压强度的1 1 0 - - 一1 1 5 ，与混凝土的抗拉强度和抗压强度的相关性 质很相似。试验结果如表1 1 t 2 1 。由试验结果可以看出，在抗压强度增长的同时，抗拉强 度也增长，但抗拉强度的增长率较低，因而抗拉强度与抗压强度的比例随着抗压强度的 增加而减小。根据叶观宝根据其试验结果回归分析得到水泥土抗拉强度仉与其抗压强度 口。的函数关系： q = o 0 7 8 7 q ：8 1 1 1 表1 1 水泥土试验的抗压和抗拉强度 试件编号无侧限抗压强度抗拉强度试件编号无侧限抗压强度抗拉强度 q u ( m p a ) a t ( m p a )q u ( m p a )吼( m p a ) lo 5 0 00 0 4 6 4 1 2 8 50 1 0 7 20 7 4 20 0 6 151 7 9 00 1 2 2 31 0 9 6 0 0 8 463 4 8 50 2 2 2 3 水泥土的抗剪强度可采用直剪试验和三轴不排水剪切试验进行测定。水泥土的抗 剪强度r 随抗压强度g 。的增加而提高。由试验结果 2 j 可见，水泥土较原天然土，黏聚力 f 和内摩擦角垆大为增加，当水泥土的无侧限抗压强度g 。在0 6 1 - - - 3 m p a 的范围内，其 黏聚力比天然土的黏聚力大1 0 2 0 倍，内摩擦角增加一倍左右。所以水泥土的抗剪强 度随其无侧限抗压强度的增大而增加，其黏聚力c 与无侧限抗压强度g 。的比值c q 。= o 2 0 3 ；其内摩擦角的变化在2 0 0 3 0 0 之间。试验结果见表1 2 t 2 。 表1 2 水泥土直剪试验结果表 天然土样试验水泥土试验 无侧限抗 抗剪强度水泥掺量 水泥土龄 期 无侧限抗 抗剪强度 试验编号压强度黏聚力内摩擦角 压强度 黏聚力内摩擦角 t q u c 伊 ( ) q u c 9 ( d ) ( m p a ) ( m p a ) ( 。)( m p a )( m p a )( 。) l1 02 80 6 3 30 1 6 12 6 5 2 0 0 3 70 0 1 41 41 09 01 1 2 40 2 7 13 l 3 1 52 81 3 1 50 2 8 93 2 4 变形模量历。是无侧限压力达到5 0 极限强度时，水泥土的应力与应变的比值。 由试验结果【2 】可知，当q u = 3 0 0 - - - 6 0 0 m p a 时，其变形模量e s o = 4 0 , - , 6 0 0 m p a ，一般为舢 的1 2 0 - - , 1 5 0 倍，即e 5 0 = ( 1 2 0 - 1 5 0 ) g 。试验结果见表1 3 1 2 1 。 东南大学硕士学位论文 表1 3 水泥土变形模量 无侧限抗压强度破坏应变变形模量 试件编号 f m q u q 。( k p a )研( )历o ( k p a ) l2 7 4o 8 03 7 0 0 01 3 5 24 8 21 1 56 3 4 0 01 3 l 3 5 2 4o 9 57 4 8 0 0 1 4 2 41 0 9 3o 9 01 6 5 7 0 01 5 l 51 5 5 41 1 9 1 8 0 01 2 3 6 1 6 5 lo 9 02 2 3 5 0 0 1 3 5 72 0 0 8 1 1 5 2 8 5 7 0 01 4 2 82 3 9 21 2 02 9 1 8 0 01 2 l 92 5 1 31 2 03 3 0 6 0 01 3 l l o3 0 3 60 9 04 7 4 3 0 0 1 5 6 1 l 3 4 5 0 1 o o 4 2 0 7 0 01 2 1 1 23 5 1 8o 8 05 4 1 2 0 01 5 3 除了对水泥土基本力学性能的研究之外，国内外专家学者对水泥土的其他性质也做 了深入的研究。 水泥土的应力应变特征介于土体与混凝土之间，因此，童小东1 5 】提出水泥土应该 使用弹塑性介质来研究更为合理。他根据水泥土的应变硬化规律和损伤硬化规律假定了 塑性损伤本构方程和损伤演化方程的形式，并结合损伤试验确定了水泥土的有关材料参 数，得到了水泥土的塑性损伤本构关系和损伤演化规律，建立了水泥土在无侧限、轴向 压缩情况下的弹塑性正交各向异性损伤模型。并通过与试验结果的对比，证明了水泥土 的弹塑性损伤模型的合理性。 汤怡新、刘汉龙1 3 5 j 等通过大量的试验发现，水泥土的抗压强度主要取决于水泥土的 用量，其次是加固土样的含水量。并根据2 8 种配方试验资料提出了水泥土的抗压强度 与土样含水量的平方成反比这一简洁的经验公式。 陈四利、宁宝引4 3 j 等针对饱和环境中的水泥土，建立了水泥土细观孔隙损伤变量和 损伤本构模型，并通过该模型研究了水泥土的损伤演化特性。他们结合水泥土宏观力学 特性认为水泥土损伤演化变量不仅与水泥土的初始密度有关，而且与水泥土微小孔隙中 的孔隙水密度 王旭东、郭大进】等通过对圆柱形水泥土试件进行无侧限抗压强度试验及单轴抗压 动态试验研究后得出，在比较快的加载速度下试件表现出明显的粘弹性。水泥土试件在 动态试验中表现出明显的非线性振动特性。 1 2 2 水泥土微观结构研究现状 水泥土微观结构的研究始于土体微结构的研究，土体及水泥土微结构的研究随着观 察技术手段的进步大致经历了，用肉眼和低倍放大镜对土体基本外观的研究( 包括土颗 粒形状、大小、颜色等) ，使用光学显微镜对土体亚微观结构特征、亚微观结构大小的 研究，使用扫描电子显微镜及x 光衍射仪等仪器对土体颗粒微观结构大小特征、形状、 微孔隙特征等的研究几个过程。土体及水泥土微结构领域的研究，为土体及水泥土微观 结构的研究、水泥土宏观力学特性及土体本构模型的研究提供了依据。图1 2 【6 】为土体 微结构形态的基本组成。 4 第一章绪论 颗 粒 大 小 微结构形态 颖粒形态ii 颗粒排列方式li 孔隙性ii 颗粒接触关系 蓁ll蓁l f雾l f蓁fl|fl鍪l l蓁 粒 间 连 通 性 图1 屹土体微结构形态的基本组成 叶观宝、陈望春p 】j 等对掺有s n i i 高效减水剂、氢氧化铝和氯化钙水泥土的微观结 构进行了研究，发现以上三种添加剂都能显著的提高水泥土的无侧限抗压强度，但是方 式不同。s n i i 高效减水剂能够促进水泥水化反应，促进早期水化铝酸钙之类针状矿物 的形成。而氢氧化铝和氯化钙是能够参加水泥水化反应，增加了水化铝酸钙的生成量， 并且能够使土颗粒的空间更加致密。 陈慧娥、王清i 圳等利用扫描电子显微镜采集不同水泥土试样的微观结构照片，并采 用w d 5 图像处理系统对土样的微观结构图像进行定量分析，提取土颗粒形态的分维数 值，同时使用计盒维数来表征各试样的分形特征。通过上述手段发现，土体有机质含量 越高，颗粒分布的分维数越大，土体的团粒化程度越低，强度越差。颗粒分布的分形计 盒维数和水泥土的强度呈负相关性。 李俊才、赵泽三【2 4 j 等通过对三种不同土样制成的水泥土试件及现场水泥土搅拌桩钻 取样品进行扫描电子显微镜试验和能谱分析试验后发现，软土中的黏土矿物通过离子交 换实现钙离子的吸附，影响了水泥水化反应的进程，从而影响了加固效果。同时从软土 微观结构分析中发现，软土实现离子交换后依然起不到刚性骨架的作用，这也就影响了 水泥土加固的效果。 邢皓枫、徐超1 4 5 】等通过扫描电子显微镜及x 射线衍射技术发现，不同离子含量下水 泥土的微观结构特征和其强度之间存在着联系，即离子含量的变化引起了水泥土微观结 构的差异，从而导致水泥土强度的变化。同时发现，水泥土强度与水化硅酸钙和水化氯 酸钙的总含量存在很好的线性关系。 1 2 3 水泥土添加剂研究现状 水泥土添加剂相对于其它提高水泥土性能的方法，具有高效、快捷、适用范围广以 及效果显著等特点，能够适用于各类地质条件下的土体加固工程，能够大大缩短工期、 节省施工费用。因此，在经济社会高速发展的中国，具有前所未有的发展前景。正因为 水泥土添加剂的诸多优点，国内外专家学者在水泥土添加剂领域作了大量的、适用于工 程实践的研究，指导了水泥土改良的研究和工程运用。 龚晓南、童小东【2 】1 5 儿j i l 2 j 在水泥土添加剂领域作了大量的试验研究。他们先后在水 泥土中加入多种矿物添加剂、生石膏、氢氧化铝、多种液态符合外加剂等，通过水泥土 各类强度试验发现，所添加添加剂能够显著的提高水泥土的强度，并给出了各添加剂的 最佳掺入量，为以上添加剂的工程运用提供了试验依据。 叶观宝、陈望春【3 2 j 等对3d 、7d 和1 0d 龄期的掺有s n i i 的水泥土进行了无侧限抗 5 东南大学硕士学位论文 压强度试验，由强度试验结果发现，在7d 龄期之内水泥土强度增长较快。龄期在3d 之内的水泥土，添加剂对其强度的影响不大。7d 龄期的加入添加剂的水泥土，其强度 增长最为明显。 麻志刚、黄别h j 等选用现有混凝土外加剂- x f 和c o p o c a 3 0 l 高效减水剂，掺入水 泥土中，对掺有混凝土多 l - j n n 的水泥土进行凝结时间试验和流动度试验后发现，选用适 当的混凝土外加剂也能够提高水泥土的凝结时间及和易性，而且存在一个最佳掺量，但 在多 l - j n 剂最佳掺量之外，混凝土外加剂不能显著的提高水泥土的工作性能。同时还发现， 上述两种外加剂除了提高水泥土流动度等工作性能之外，并不能提高水泥土的强度。 李琦、赵有明【3 0 】等选用两种水泥固化剂和多种水泥# t , d n 剂进行了水泥土配比试验和 无侧限抗压强度试验研究。通过试验发现，对于高含水量、高有机质含量的淤泥和淤泥 质土，选用特殊的配方同样可以使用水泥土搅拌法来提高地基承载力。 李云峰、李志引3 3 j 等对掺有聚丙烯纤维的水泥土进行了试验研究。他们以纤维掺量、 纤维长度、水灰比为变量，观察纤维水泥土的抗折强度、抗压强度、抗拉强度及弹性模 量的变化。发现在水泥土中掺入一定量的聚丙烯纤维能够有效的提高水泥土的力学性 能，而且发现在相同纤维含量的水泥土中提高水泥掺量能够更大程度的提高水泥土的强 度。 邵玉芳、龚晓南1 1 7 j 等在水泥土中加入了自行研制的新型有机类添加剂以胺类 化合物、金属络合物和催化裂化剂为主要成分的液态复合材料添加剂。通过三种配比方 案对水泥土试件进行了抗压、抗剪及三轴试验。通过试验发现，该种添加剂能够显著的 提高水泥土的抗压及抗剪强度。在水泥掺量不变的情况下，能使水泥土的强度提高6 0 左右。 范晓秋、洪宝宁i l9 1 等人还提出了一种通过改变水泥土物理性质来改良水泥土的新方 法，他们在水泥土中掺入一定量的砂浆，并对掺有砂浆的水泥土进行了一系列的强度试 验。试验结果显示，掺有一定量砂的水泥土能够有效的提高水泥土的强度，并存在一个 最佳掺量，在该掺量下，掺砂浆水泥土能达到最大强度和最大变形系数。研究还发现， 水泥砂浆固化土的应力一应变曲线具有明显的峰值，应力一应变曲线属于加工软化型曲 线。 1 3 本文问题的提出及研究内容 1 3 1 本文问题的提出 随着国民经济社会的飞速发展，国内各类大型建筑物、构筑物的建设数量和分布范 围也在相应迅速扩大。由于我国大部分地区都存在着不适于大型建筑、构筑物修建的地 质条件，# i - d i 水泥土适用土质类型范围广泛、经济性高、施工效率高以及加固效果好等 优点，使得国内水泥土的运用越来越广泛。 但是现有关于水泥土力学性能、添加剂等方面的研究，主要是针对于水泥土搅拌法 方面，研究对象也主要集中在软黏土、淤泥土等软土地基类型。相对于水泥土搅拌桩， 关于由灌浆法或注浆法形成的水泥土的研究相对较少。因为由水泥土搅拌法形成的水泥 土与通过灌浆、注浆得到的水泥土的物理性质和组成具有差异，所以适用于水泥搅拌法 类水泥土的配比并不一定适用于其它类水泥土。 同时，现有关于水泥土性质的研究，主要侧重于水泥土力学性能、水泥土微观结构 或水泥土添加剂性能方面上，也有学者联系水泥土宏观力学性能和水泥土微观结构、水 泥土力学性能和添加剂性能对水泥土进行研究的，但是很少有把水泥土宏观力学性能、 6 第一章绪论 水泥土微观结构、添加剂性能以及水泥土固有物理性质完全联系起来全面系统分析的研 究。 本文以砂土作为加固对象，以水泥作为基本固化剂，在水泥土中加入不同剂量的磺 化三聚氰胺高效减水剂、j m h f 灌浆剂、生石膏、粉煤灰，进行水泥土的力学性质和微 观结构对比分析研究。同时，结合凝结时间试验和流动度试验，研究几种添加剂单独作 用时的作用机理，以及几种添加剂以一定配比混合使用时的作用机理。除此之外，本文 还对不同养护条件下水泥土的力学性能做了对比分析研究。 1 3 2 本文研究技术路线及内容 本文选用两种类型的砂土作为被加固土样，采用普通硅酸盐水泥作为固化剂，以 j m - h f 灌浆剂、磺化三聚氰胺高效减水剂、生石膏和粉煤灰作为添加剂，通过无侧限抗 压强度试验、扫描电子显微镜试验、能谱分析试验、水泥浆液凝结时间试验以及流动度 试验，分析研究以上四种添加剂对水泥土的宏观力学性能、微观结构、凝结时间以及流 动度等方面的影响。此外，还进行不同养护条件下水泥土强度增长规律的研究。本文中 水泥土试样的养护龄期分别为7d 、2 8 d 、9 0d 。本文主要的工作路线如下： 1 相关资料调查研究。收集相关水泥土研究资料，整理并摘录与本试验研究有关的 资料，为本文的试验研究提供指导。 2 水泥土添加剂配比试验。根据试验方案安排进行水泥土添加剂配比试验，制作各 类添加剂水泥土试件，包括单种添加剂水泥土试件、混合添加剂水泥土试件、基准水泥 土试件、不同养护条件下水泥土试件。并记录水泥土试件制作过程中所遇到的一些问题 及现象。 3 进行水泥土无侧限抗压强度试验。根据试验方案安排，利用万能压力机进行水泥 土无侧限抗压强度试验。根据力学试验结果，分析添加剂对水泥土力学性能的影响。 4 进行扫描电子显微镜试验及能谱分析试验。分析添加剂对水泥土微观结构的影 响，分析添加剂对水泥土的作用机理。通过能谱试验，分析加入添d e i 齐u 是否在水泥土中 产生新的生成物。 5 进行各类配比水泥浆液凝结时间试验及流动度试验。分析研究添加剂对水泥浆液 物理性能的影响。 7 东南大学硕士学位论文 第二章水泥土基本理论与方法 2 1 水泥土的固化机理 水泥土的固化机理是基于水泥和被加固土的一系列物理化学反应过程，它与混凝土 的硬化机理不同。混凝土的硬化主要是水泥在粗骨料( 即表面积不大、活性很弱的介质) 中进行水解和水化作用，所以凝结和水化的速度都比较快。而在水泥土中，由于水泥的 掺量很小( 一般情况下仅占被加固土中的7 - - 2 0 ) ，而且在土体中，水泥水解和水化 反应完全是在有一定活性的介质一土的围绕下进行，土体的性质对加固效果影响很大。 土质条件对于加固土质量的影响主要有两个方面，一是土体的物理力学性质的影响，包 括土体自身的强度、变形模量、土体颗粒级配等；二是土体的物理化学性质对水泥七强 度增加的影响，如土体矿物组成、矿物含量等。相对于混凝土，水泥土硬化速度缓慢且 作用复杂，其强度增长的过程比混凝土缓慢。 2 1 1 水泥的水解和水化反应 普通硅酸盐水泥主要是由氧化钙、二氧化硅、三氧化二铝、三氧化二铁及三氧化硫 等矿物经过氧化之后的氧化物组成。水泥的主要成分有硅酸三钙、硅酸二钙、铝酸三钙、 铁铝酸四钙、硫酸钙等。普通硅酸盐水泥熟料四种矿物的成分构成如下： 1 硅酸三钙，简写c 3 s ，含量3 7 6 0 。硅酸三钙水化反应速度快，水化放热量较 高，是决定水泥强度( 尤其是早期强度) 最重要的矿物； 2 硅酸二钙，简写c 2 s ，含量1 5 0 0 3 7 。硅酸二钙水化反应速度很慢，水化放热量 很少。早期强度低，但后期稳定增长，大约1 年后其强度可接近c 3 s ； 3 铝酸三钙，简写c 3 a ，含量7 1 5 。铝酸三钙水化反应速度最快，促进早凝，水 化放热量最高。但强度值不高，增长也甚微； 4 铁铝酸四钙，c 4 a f ，含量1 0 0 o , - 1 8 。铁铝酸四钙水化反应速度较快，能促进早期 强度，水化放热量少。强度值高于c 3 a ，后期增长也甚微； 将水泥拌入软土后，水泥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、水化硅酸钙、水化铝酸钙及水化铁酸钙等化合物。各自的反应过程如下： ( 1 ) 硅酸三钙( 3 c a o s i 0 2 ) ： 2 ( 3 c a o s i 0 2 ) + 6 h 2 0 - * 3 c a o 2 s 1 0 2 。3h 2 0 + 3 c a ( o h ) 2 ( 2 ) 硅酸二钙( 2 c a o s i 0 2 ) ： 2 ( 2 c a o s i 0 2 ) + 4 h 2 0 - - * 3 c a o 2 s 1 0 2 3h 2 0 + c a ( o h ) 2 ( 3 ) 铝酸三钙( 3 c a o a 1 2 0 3 ) ： 3 c a o a 1 2 0 3 + 6 h 2 0 - - - , 3 c a o a 1 2 0 3 。6 h 2 0 ( 4 ) 铁铝酸四钙( 4 c a o a 1 2 0 3 f e 2 0 3 ) ： 4 c a o a 1 2 0 3 f e 2 0 3 + 2 c a ( o h ) 2 + 10h 2 0 3 c a o a 1 2 0 3 。6 h 2 0 + 3 c a o f e 2 0 3 6 h 2 0 在上述一系列的反应过程中所生成的氢氧化钙、水化硅酸钙能迅速溶于水中，使水 泥颗粒表面重新暴露出来，再与水发生反应，这样周围的水溶液就逐渐达到饱和。当溶 液达到饱和后，水分子虽然继续深入颗粒内部，但新生成物已不能再溶解，只能以分散 状态的胶体析出，悬浮于溶液中，形成胶体。在充分水化的水泥石中，水化硅酸钙凝胶 约占7 0 ，氢氧化钙约占2 0 。 8 第二章水泥上基本理论与方法 表2 1 硅酸盐水泥熟料矿物的基本特性 名称水化反应速率水化热强度耐化学侵蚀性干缩 c 3 s 快大高中中 c 2 s 慢小早期低，后期高 良 小 c 4最快最大 低差 大 c a f快 由 低优小 摹 褂 镫 根 基 * 公 正 弓 趔 骥 出 蝠 咄 詈 肇 术 6 0 4 0 2 0 o 12345 1 0 2 03 05 0 1 0 0 2 0 0 3 0 05 0 01 0 0 0 水化时间t ( h ) 图2 - i 水泥水化速度 1 3 龄期( d ) 图2 - 2 水泥水化生成物强度 硅酸盐水泥熟料矿物的基本特性见表2 1 。水泥中四种主要矿物的水化速度如图 2 1 1 2 j 所示，水化强度如图2 2 t 2 j 所示。 ( 5 ) 硫酸钙( c a s 0 4 ) ：虽然在水泥中的含量仅占3 ，但它和铝酸三钙一起与水 发生反应，生成一种被称为“水泥杆菌”的化合物： 3 c a s 0 4 + 3 c a o a 1 2 0 3 + 3 2 h 2 0 _ 3 c a o a 1 2 0 3 3 c a s 0 4 3 2 h 2 0 根据电子显微镜的观察，水泥杆菌最初以针状结晶的形式在比较短的时间里析出， 其生成量随水泥掺入量的多少和龄期的长短而异。由x 射线衍射分析【2 】可知，这种反应 9 东南大学硕士学位论文 速率、反应形式把大量的自由水以结晶的形式固定下来，这对于高含水量的软黏土的强 度增长有特殊意义，使土中自由水的减少量约为水泥杆菌生成量的4 6 。硫酸钙的掺量 不能过多，否则这种由3 2 个水分子固化形成的水泥杆菌针状结晶会使水泥土发生膨胀 而导致破坏。所以如果使用的合适，在深层搅拌法一定的条件下可以利用这种膨胀来增 加地基加固的效果。 2 1 2 二次水化反应 水泥水化产生的氢氧化钙和矿渣、粉煤灰等混合材料以及地基土中的粘土矿物中的 二氧化硅和三氧化二铝进行二次水化反应，形成稳定性好的水化铝酸钙和水化硅酸钙。 3 c a ( o h ) 2 + 2 s i 0 2 + 3h 2 0 - * 3 c a o 2 s 1 0 2 。3h 2 0 3 c a ( o h ) 2 + 3 a 1 2 0 3 + 3 h 2 0 3 c a o a 1 2 0 3 6 h 2 0 2 1 3 土颗粒与水泥水化物的作用 当水泥的各种水化物生成后，一部分硬凝后形成水泥石骨架；另一部分则与其周围 有一定活性的黏土颗粒发生反应。 1 离子交换和团粒化作用 软土作为一个多相散布系，当它和水结合时就表现出一般的胶体特征。例如土中含 量最多的二氧化硅遇水后，形成硅酸胶体颗粒，其表面带有钠离子n a + 或钾离子k + ，它 们能和水泥水化产生的钙离子c a 2 + 进行当量吸附交换，使较小的土颗粒形成较大的土团 粒，从而使土体强度