（岩土工程专业论文）水泥土添加剂的室内试验研究.pdf

中文摘要 河流、湖泊等所需疏浚工程中产生大量的淤泥及浅海滩地存在大量的淤泥， 其分布范围广，土层厚度也较大。淤泥具有高含水率、强度低、压缩量大的特性。 一般来说，将淤泥进行处理，并用于工程中，具有明显的社会效益与经济效益。 水泥固化剂作为一种固化材料，在国内外被广泛加以研究，固化剂不但可以处理 淤泥，而且能对其他各种软弱土进行加固。目前，对固化剂研究主要分为两个大 方向，一个是研发新种类的固态或液态的固化剂：另一类是水泥作为固化主料， 而同时加入其他材料，如石膏、液态水泥添加剂等。 本文针对唐山市曹妃甸地区的浅海滩地淤泥，通过大量的室内试验，如无侧 限抗压试验、直接剪切试验、渗透试验、压缩试验，分析研究了普通配方( 只加 水泥) 和增强配方( 与普通配方相同量的水泥和添加剂掺入量o 2 ) 下高含水率水 泥土的力学性能的变化。本文主要研究了增强配方下的水泥固化土的强度、渗透 系数、抗剪指标、变形系数的变化规律及影响因素。另外，本文还对不同养护条 件对水泥固化土强度的影响做了一些试验研究。通过所得结果分析研究，为工程 应用提出了合理的建议以及注意事项。 关键词： 水泥固化土添加剂掺入量龄期无侧限抗压强度抗剪强度 a b s t r a c t d r e d g i n gp r o j e c t st h a ts t r e a m f l o wa n dl a k en e e dg e n e r a t el a r g ea m o u n t so fs i l t a n ds h a l l o wb e a c h e st ot h ep r e s e n c eo fal a r g ep o o lo fm u d ，t h ed i s t r i b u t i o no fa w i d er a n g eo fl a y e rt h i c k n e s si s g r e a t e r t h em u dh a st h ec h a r a c t e r i s t i co ft h eh i g h m o i s t u r ec o n t e n t ，t h el o ws t r e n t ha n d b i gc o m p r e s s i o n g e n e r a l l y , t h es l u d g ew i l lb e p r o c e s s e da n du s e df o rt h ep r o j e c t ，w i t ht h eo b v i o u ss o c i a la n de c o n o m i cb e n e f i t s c e m e n tc u r i n ga g e n ta sac u r i n gm a t e r i a l sa th o m ea n da b r o a d ，h a sb e e nw i d e l y s t u d i e d ，c u r i n ga g e n tc a nn o to n l yd e a lw i t ht h es l u d g e ，b u ta l s ot oo t h e rt y p e so fs o f t s o i l r e i n f o r c e m e n t c u r r e n t l y ，t h es t a b i l i z e r ss t u d yi sd i v i d e di nt ot w om a j o r d i r e c t i o n s ：d e v e l o p m e n to fan e wt y p eo fs o l i do rl i q u i ds t a b i l i z e r s ；a o t h e ri sa d d i n g o t h e rm a t e r i a l s ，s u c ha sg y p s u m ，l i q u i dc e m e n ta d d i t i v e s ，w h i l ec e m e n ti sa sa m a i ni n g r e d i e n t t h i sa r t i c l eh a sa n a l y z e dt h er e g u l a r i t yo ft h em e c h a n i c a lc h a r a c t e r i s t i c sm a r ko f t h ec e m e n t e ds o i lo fh i g hm o i s t u r ec o n t e n ts o i lm e c h a n i c sw i t hn a m e dr e g u l a r f o r m u l a ( o n l yw i t hc e m e n t e d ) a n de n h a n c e df o r m u l a ( w i t ht h es a m ec e m e n t e d ， a n d 0 2 a d d i t i v e ) t h r o u g hal a r g en u m b e ro fi n d o o rt e s t s s u c ha su n c o n f i n e dc o m p r e s s i o n t e s t ，d i r e c ts h e a rt e s t ，s e e p a g et e s t ，c o m p r e s s i o nt e s t ，w h i c hd i r e c t e dm u df r o ms h a l l o w b e a c h e si nc a of e i d i a na r e a t a n g s h a n t h er e s u l t ss h o wt h a tt h ea d d i t i v e sc a n s i g n i f i c a n t l ye n h a n c et h es t r e n g t ho fc e m e n ts o i l t h i sa r t i c l em o s t l ys t u d i e dt h e r e g u l a r i t ya n df a c t o r so fs t r e n g t h ，p e r m e a b i l i t yc o e f f i c i e n t ， s h e a ri n d i c a t o r s ， d e f o r m a t i o nc o e 舒c i e n tw i t he n h a n c e df o r m u l a m o r e o v e r ，t h i sa r t i c l ea l s ot e s t e da n u m b e ro fs t r e n g t ho fc e m e n t s t a b i l i z e ds o i lo nd i f f e r e n tc u r i n gc o n d i t i o n s t h r o u g h s t u d y i n gt h er e s u l t s ，t h es t u d yw i l lp r o v i d et h er e a s o n a b l es u g g e s t i o na sw e l la st h e m a a e r sn e e da t t e n t i o nf o rt h ea p p l i c a t i o no fc e m e n t e ds o i li np r o j e c ti nf u t u r e k e yw o r d s ：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 o na g e n t ，c e m e n t r a t i o ，a g e ， u n c o n f i n e dc o m p r e s s i v es t r e n g t h ,s h e a rs t r e n g t h 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得丕注苤堂或其他教育机构的学位或证 书焉使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所徽的任何贡献均已在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：墨迭囊堤签字r 期：寻一年二月西圜 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解叁盗盘堂有关保黧、使用学位论文的规定。 特授权苤盗盘鲎可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部f 】或视构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：毛取故 导师签名： 签字日期：吲年月信圈 答字嗍：矽引刖1 第一章绪论 1 1 引言 第一章绪论 我国地域广阔，是一个多河流、多湖泊的国家，疏浚工程中产生大量的淤泥 及浅海滩地存在大量的淤泥，其分布范围广，土层厚度也较大。一般来说，淤泥 是一种高含水率的土质，其含水率达到8 0 以上，多处于流动状态而几乎没有强 度，其粘土颗粒含量多在2 0 以上，而对于这样粘粒含量较多的淤泥，其渗透系 数也非常低，一般很难采用脱水的方法处理。淤泥具有含水率高，孔隙比大，压 缩系数大，渗透系数小等特点。而近年来随着我国经济的快速发展，各处的基建 工程不断地扩大，出现了可用地日益紧张的局面，而以前不适合的场地也越来越 多的被征用作为建筑场地，而淤泥土层就属于这类场地，要想利用这样的场地， 必须要对这些软弱地基进行处理，以提高地基的强度，保证地基的稳定性，并减 小地基的压缩性，以减小地基的沉降。 加固地基的类型与方法很多，但不同地基加固类型与方法基本上都是改变土 的结构和构造，我国从事工程的人员在地基处理的不同工程中，利用了不同的地 基加固方法，同时对加固方法进行了研究改进，例如，抛石挤淤的方法、自然晾 晒、机械脱水等方法，在迅速发展的建设浪潮中，工程人员采用了一个新的加固 方法一深层搅拌技术，人们逐渐发现这种地基加固技术在各类工程建设中取得 了显著的效果，而且应用范围逐渐扩大，应用到道路、机场、码头、港口及房屋 等各类工程，同时在动力和水利工程的构筑物上业得到了广泛的应用，例如运河、 围堰、护坡、挡墙、大坝、水库、管床等。 1 2 淤泥固化土的研究 1 2 1 淤泥的常用处理方法 淤泥是一种性质很差的软土，如要将其转化为可利用材料，则必须通过处理 措施改良其高含水率、低强度的性质。目前常用的废弃淤泥资源化方法有物理脱 水、热处理方法和化学处理方法。 常用的淤泥处理方法主要有以下三种【l 】： ( 1 ) 物理处理方法 第一章绪论 降低淤泥含水率来提高淤泥的强度是最为直接的方法。通常情况下，自然晾 晒是最简单的方法。 ( 2 ) 热处理方法 热处理方法是通过加热、烧结的方法将疏浚泥转化为建筑材料的方法。分为 烧结和熔融两种。 ( 3 ) 化学处理方法 化学方法也称为固化处理法，最早用于有毒物质的处理【2 j ，后来用于地基处 理方面。通常的做法是向淤泥中添加固化材料，进行搅拌混合，通过固化材料与 孔隙水发生水解和水化反应使得孔隙内的自由水变成固化土的结合水，另一方面 加强了土颗粒之间的粘聚力，从而提高了淤泥的强度。处理土的使用目的调整固 化材料的配方，一次处理便可达到地基所要求的承载力等物理力学性能【3 】。固化 处理的效果在很大程度上受淤泥的性质、混合方法和复合型固化材料的配比的影 响，应根据每一工程淤泥的特点进行配方试验。 综上，从原理上讲，处理淤泥虽有以上三种，但各有优缺点。 从工程自身降低成本的角度出发，我国有些淤泥处理工程选用了物理处理方 法即排水固结法、吹填、抛填造地的方法，排水固结法需要将场地封闭，将水排 出场地之外，而且淤泥质土的排水固结速度慢，施工工期长；抛石挤淤需要大量 石料，造价较高，而且挤出的淤泥并没有彻底清除，并且由于形成的土地必须进 行地基加固处理才能有效利用，从而使工程造价大大上升难以得到广泛地推广应 用；物理脱水是通过天然晾晒或机械脱水的方法将淤泥中多余的水分脱去，达到 提高土体强度的目的，这种方法设备昂贵、处理效率底，而且脱水后的泥饼仍然 含有较多的水分，在使用过程中仍然需要进行二次处理。热处理方法是通过熔融 和烧结的方法去除淤泥中过量的水分并将淤泥中的粘土矿物高温改性，可以将淤 泥处理为陶粒或烧制砖瓦来使用。这种方法产生的产品可以具有比较高的附加 值，但是由于处理量有限，不适合于大量淤泥的处理工程。 目前国际上较为先进的方法是将淤泥进行固化处理，固化方法通过在淤泥中 加入水泥类固化材料或石灰类固化材料，经过简单的混合搅拌即可进行填筑，也 就是向淤泥中加入固化材料，使处理后的淤泥，即固化土具有良好工程特性的方 法。采用这种化学原理的固化处理方法可从本质上改变土的工程性质，是最为灵 活、适用范围广的方法。固化处理后的淤泥可结合邻近的堤防加固工程、道路工 程、填海工程作为填方材料进行使用。而且固化淤泥可根据用途设计合适的配方， 一次处理使其满足工程对强度、变形和渗透性的要求。日本的名古屋机场就是使 用了1 2 0 0 万m 3 固化淤泥作为填方材料，这一技术在国际上已经受到极大地重视， 另外，固化淤泥的二次污染远远小于未处理过的淤泥，具有良好的环境稳定性 第一章绪论 4 - 1 0 】。同时固化处理机械原理简单，处理效率根据工程不同可以灵活的选用，可 以用来处理各种性质的淤泥。而且在处理成本上，可以利用许多具有一定活性的 工业废料作为固化材料17 1 ，如废石膏、粉煤灰，从而大大降低了固化处理的成 本。因此固化方法是解决大量产生淤泥处理问题的较好方法。 淤泥固化土主要用于以下工程： ( 1 ) 堤防工程 工程淤泥经过固化处理后其强度高、渗透系数小的特点使其可以成为良好的 筑堤材料。 ( 2 ) 道路工程 经过对淤泥进行处理后得到的路基强度较高。 ( 3 ) 填方工程 1 2 2 淤泥固化土的施工方法 固化方法在地基处理中得到了广泛的应用，如传统的灰土垫层、二灰( 石灰、 粉煤灰) 路基，石灰稳定土等，以及近些年发展起来的水泥、石灰搅拌桩，化学 注浆，还有开发出的系列土壤固化材料等，这些固化材料如美国路邦公司的路基 强固剂，日本世纪东急工业株式会社土壤安全剂，日本u k c 公司土壤固化材料， 日本住友株式会社土壤固化材料等。国内如北京奥特赛特、北京固邦、浙江大学 等。目前研制开发或己投入使用的有n c s 系列、d l l e n 1 h s 系列、硫酸盐系。 这些方法都是通过在土壤中加入固化材料，通过材料本身，以及与土的胶结硬凝 反应，改善土体的性质。淤泥固化在原理上与水泥搅拌桩中的水泥土相同。在国 外如日本对废弃土的处理研究较多，其中大部分是对淤泥的处理。其中对固化技 术的研究大多集中在对固化效果的研究方面。在机理研究上主要借助扫描电镜 ( s e m ) 或x 衍射( x r d ) 的方法对水泥土中产生的固化物进行研究。 深层搅拌法是用于加固饱和软粘土地基的一种较新的地基加固方法，始于二 十世纪中叶的日本与瑞典。该方法是利用水泥或其它固化剂作为固化材料，通过 特制的深层搅拌机械边钻进边往软土中喷射浆液或雾状粉体，在地基深处就地将 淤泥和固化剂( 浆液或粉体) 强制搅拌，使喷入淤泥中的固化剂与淤泥充分拌合 在一起，由固化剂与淤泥之间产生一系列的物理、化学、物理一化学作用，形成 抗压强度比天然土强度高得多，并且有整体性、水稳性的水泥固化土桩柱体，由 若干根这类固化土桩柱体和桩间土构成复合地基( 另外可根据需要，也可将深层 搅拌桩柱体逐根紧密排列构成地下连续墙或作为防水围幕) 。 深层搅拌法适应于软土地基的加固。如沿海一带的海滨平原、河口三角洲、 湖盆地周围、山间谷地等沉积得河海相软土，对在这类沉积厚度大、含水率高( 一 第一章绪论 般在6 0 8 0 ，高者达1 0 0 2 0 0 ) ，孔隙比大于1 0 ，抗剪强度低，压缩性 高，渗透性差的软土地区进行建筑时，通常都需要进行地基处理。深层搅拌法是 一种有效的地基处理方法，它具有成桩效率高、成本低、施工占地面积小，不使 施工现场周围遭受污染，并且施工过程中无振动、无噪音等特点，特别适合于城 市中心区，建筑物较为密集的地域施工和加固。对旧城改造的地基加固施工，深 层搅拌法是最佳选择方案，尤其对2 0 m 深度范围内没有理想持力层的软土地基。 深层搅拌法主要用于以下几个方面【1 8 】： ( 1 ) 形成水泥土桩复合地基，提高地基承载力和改善地基变形特性：深层搅 拌法形成的水泥土增强体强度比天然土体强度提高几倍至数十倍，变形模量也是 如此。将水泥土增强体与增强体之间的天然土体形成复合地基可有效提高地基承 载力和减少地基上建筑物的沉降。 水泥土增强体复合地广泛应用于下述工程： 建( 构) 筑物地基，如多层民用住宅、办公楼、厂房、水池等建( 构) 筑物地 基； 堆场地基，包括室内、室外堆场； 高速公路、铁路和机场停机坪、跑道地基等。 ( 2 ) 形成水泥土支档结构 应用深层搅拌法形成的水泥土重力式挡墙可以较充分利用水泥土的强度和 防渗水性能，既是挡土墙又是防渗帷幕，因此具有较好的经济效益和社会效益。 ( 3 ) 形成水泥土防渗帷幕，用于防渗工程 采用水泥作固化剂制成的搅拌桩，由于水泥与原位土混合后形成较密实的水 泥土体，其湿密度比原土的湿密度可增加5 - - 1 0 ，渗透系数明显降低，将这 种搅拌桩互相搭接而成为一个完整的地下连续墙，可有效地起到阻水作用，降低 水的渗透，避免坑壁流沙发生。 根据水泥搅拌法的工作原理我们不难看出它具有以下独特的特点： ( 1 ) 水泥土搅拌法由于将固化剂和原地基土就地搅拌混合，故最大限度地利 用了原土； ( 2 ) 该工法不存在水对周围环境的影响，且不会使地基侧向挤出，对原有建 筑物及地下管沟的影响很小，无振动，无嗓音和无污染，可在密集建筑群中进行 施工； ( 3 ) 根据上部结构的需要，可灵活地采用柱状、壁状、隔栅状和块状等加固 形式； ( 4 ) 与钢筋混凝土桩基相比还可节约钢材并降低造价； ( 5 ) 土体加固后重度基本不变，对软弱下卧层不致产生附加沉降： 第一章绪论 ( 6 ) 按照不同地基土的性质及工程设计要求，合理选择固化剂及其配方，设 计比较灵活。 一般地，在场地不很硬且密度不很高，如淤泥、淤泥质土、粉质粘土或粘土 等：在地平面以下3 0 米以内无大岩石块或阻隔物；当场地土能经受住振动破坏， 当所需处理场地体积较大时均可采用该施工工法。 目前在美国、日本及中国等地水泥深层搅拌法正在以惊人的速度发展着。我 们不难看出，深层搅拌法是当今世界上发展很快，最具吸引力的岩土工程施工工 法之一，在许多方面都取得了令人满意的效果。相信随着工程师与研究人员的进 一步合作，水泥搅拌法将会日益完善，在岩土工程中发挥更大的作用。 1 2 3 淤泥固化土力学性质研究状况 淤泥固化土的力学性质和水泥土比较相似，许多学者用室内土工试验的方法 较为系统地研究了水泥固化土的强度和变形特性及其影响因素，并采用宏观和微 观研究相结合的方法探讨了土体中的矿物成分对水泥土强度的影响，成功揭示了 水泥土的性质与土体本身的物理力学性质，水泥掺入量外加剂等有关【l 9 1 。 周国钧在国内首先开展了水泥土力学性质的试验研究，得到了水泥土基本物 理力学性质，1 9 9 4 年孙立川研究了土类对水泥搅拌土工程性质的影响【2 0 1 ，孙立 川，韩杰【2 l 】还分析了几个影响水泥固化土无侧限抗压强度的主要因素，推导了几 个预测水泥固化土的无侧限抗压强度的公式，并得出了干、湿掺入量，初始含水 率与天然含水率的换算关系；潘林有对温州软土一水泥土性能的室内试验；叶观 宝，叶书麟的水泥土搅拌桩加固软基的试验研究；段继伟通过在水泥土桩中设置 应变及压力传感器的方法，测定了静载试验中，桩身的应力与应变，研究了水泥 土桩的荷载传递规律；郝巨涛对水泥土的力学性质也进行了探讨。此外，刘勇健 等人还利用人工神经网络的方法( a n n ) 对水泥固化土力学性能进行预测。 l 、水泥土的无侧限抗压强度及影响因素 水泥土的无侧限抗压强度一般为0 3 - - 4 m p a 【2 2 】比天然土大几十倍甚至几百 倍。水泥土的变形特性随着强度不同而介于脆性破坏与塑性破坏之间，在加载初 期，水泥土的应力应变大体上符合胡克定律；当外力达到极限强度的( 7 0 - 8 0 ) 时，应力应变的直线关系不再保持；实践表明，水泥土的极限强度越高，残 余强度越小，越容易发生脆性破坏，相反，则残余强度越大，发生塑性破坏。 水泥土强度的增长原理是基于水泥与土样之间的物理化学反应。不仅存在着 水泥的水化硬化，而且还伴随着土体与水泥水化物的相互作用。水泥土强度的构 成主要为下图所示4 个层次：土的固有结构，物理改良，水泥硬化，硬凝反应。 其中水泥硬化对强度的贡献最大i z 引。 第一章绪论 强 度 构 成 层 次 图1 1 水泥土强度构成层次 t ( 固化时间) 可见水泥土强度构成的多层次性和土样对水泥土强度的影响因素的多样性， 决定了影响水泥土的无侧限抗压强度特性的因素也是多样的，主要有：土质，水 泥掺入量，龄期，含水率，有机质含量，水泥标号，外掺剂，养护条件，加载速 度等。 ( 1 ) 土质条件的影响 同一种固化剂对不同土质的固化作用是不同的，实践证明，水泥对有机土、 盐渍土等的固化效果并不很理想，甚至没有固化作用。已有研究表明，当水泥掺 入量为1 0 5 时，粉质粘土的无侧限抗压强度q 。，明显高于粉土，而在口。= 2 1 0 时，粉土的q 。却高于粉质粘土，这可见随着水泥用量的增长，粉土的无侧限抗 压强度增长要敏感于粉质粘土【2 1 1 。而粉质粘土的无侧限抗压强度g 。高于淤泥质 粉质粘土，这也充分说明了有机质对固化土强度的影响，对于无粘性的细粒土， 其水泥土性质类似于混凝土，粉粒类似于骨料，水泥浆类似于充填物，故而具有 较高的强度；对于有粘粒的细粒土，由于粘土矿物参与水泥的水解水化反应，强 度与粘土矿物的成分有关( 高岭石 蒙脱石 伊利石) 。 ( 2 ) 水泥掺入量的影响 研究结果表明：水泥掺入量是影响甚至决定水泥土无侧限抗压强度的主要因 素，一般情况下，水泥固化土强度随着水泥用量的增加而增大，实践表明，水泥 掺入量提高( 1 0 - - 2 0 ) ，固化土强度提高( 1 0 - - - , 5 0 ) ，因此一般来说，水泥 的掺入量应根据实际工程要求而定。 第一章绪论 ( 3 ) 水泥等级的影响 水泥土的无侧限抗压强度随着水泥等级提高而逐渐增加，水泥等级每提高1 个等级，水泥搅拌土的强度提高约( 5 0 9 0 ) 。 ( 4 ) 龄期的影响 水泥土的强度随养护时间的增长而提高。一般当养护龄期超过2 8 天其强度 仍有明显的增长，当龄期超过3 个月后，水泥土的强度增长趋势逐渐趋于平缓。 换句话说水泥固化土的无侧限抗压强度随养护时间渐增到某一临界值后不再增 加【2 4 】。据电子显微镜观察，水泥和土的硬凝反应约需3 个月，才能充分完成，因 此选用3 个月龄期的强度作为水泥土的标准强度较为适宜。 则在实际应用中我们比较关心如何利用水泥土的早期强度来预测其最终加 固效果。已有人根据国内几项深层搅拌桩加固地基工程的试验数据进行了统计， 得出了养护7 天，3 0 天，9 0 天时的水泥土无侧限抗压强度吼，、q 删、q 。9 。间的 统计关系： q 。= 2 1 6 9 q 瑚n 1 1 酯 ( 相关系数为0 8 8 ) ； q 。= 2 4 6 q 。7 ( 相关系数为0 9 4 ) ； 1 ：一0 0 0 1 + 0 6 6 2 1 ( 相关系数为0 8 9 ) 。 q 。3 0q h 7 上海地区淤泥质粘土水泥土不同龄期t 之间有如下强度推算公式【2 5 1 ，如式 ( 1 - 2 ) ，、0 4 2 厶。厶2 = 疋) ( 1 - 2 ) 式中 厶。、厶：一分别为龄期五、正所对应的无侧限抗压强度。 ( 5 ) 含水率的影响 含水率对水泥固化土的无侧限抗压强度影响较大，当水泥与土样搅拌在一起 后，水泥与土中的水发生水化反应凝结硬化作用。而由于水泥在水化过程中吸收 了部分水分子，使水分子由自由态转化到结合态，被加固土体的含水率较加固前 有所降低，进而土的强度得以提高含水率越高，强度越低，变形越大。一般情况 下，土样含水率每降低1 0 ，则强度可增加( 1 0 - 1 5 ) 。据刘勇健【2 6 】的研究表 明，在固化剂种类与掺入量相同的情况下，水泥土的无侧限抗压强度随土样的天 然含水率的增大而降低。如图所示，一般地，土样含水率每降低1 0 ，则固化土 的无侧限抗压强度提高1 0 1 5 。地基处理手册【27 j 中给出土的无侧限抗压强度 第一章绪论 与天然含水率之间的关系曲线如i 至t ( 1 2 ) 。 言 白 邑 = 盘 初始含水量( - ) ( ) 图1 - 2 无侧限抗压强度与含水率的关系曲线( 水泥比为1 0 ，龄期为2 8 d ) 而汤怡新【2 8 】等过2 8 种试验材料给出了水泥固化土的抗压强度与土的含水率 的平方成反比关系，如式( 1 - 2 ) 所示。 。一k ( c c o ) 吼2 万 ( c o 旦+ 1 ) 2 1 0 0 7 式中 k 一淤泥的固化系数； c 一水泥掺入量( k g m 3 ) ； c 0 一水泥最小掺入量( k 酊) ； 国天然含水率( ) ； g s 一土粒比重。 ( 1 - 3 ) ( 6 ) 养护方法的影响 养护方法对强度的影响，实事表明，不同的养护方法对固化土强度有一定 的影响。养护方法对水泥土的强度影响体现在养护环境的湿度和温度。养护方法 对龄期较短的水泥土强度影响较大，而对龄期n 的水泥土影响不大，且随着养 护时间的增长，不同的养护方法对水泥土无侧限抗压强度趋于一致，这同时表明 养护条件这一因素为次要因素。 但养护方法的不同土质影响是不同的。浙江大学的徐日庆、邵玉刊2 9 l 对淤 泥固化土进行不同养生条件下水泥土的无侧限抗压强度对比试验，结果表明，不 浸水养生固化土强度是浸水养生固化土强度的1 5 倍左右；何国荣、宋宏波等对 第一章绪论 水泥土无侧限抗压强度室内试验研究也表明相同龄期的强度水中养生最低，塑料 袋包膜润水养护( 完全湿润) 次之，空气养护最高。 ( 7 ) 外加剂的影响 外加剂能有效改善水泥土的性能，节约水泥，可提高水泥固化土的强度，但 不同性质的外加剂对强度影响是不同的，常选用石灰、粉煤灰、石膏、木质素磺 酸钙等添加剂，外加剂分为早强剂与减水剂，一般早强剂可选三乙醇胺或氧化钠， 而且三乙醇胺也能有效提高后期强度；减水剂可选用木质素磺酸钙。根据缓凝和 增强要求适当选择外加剂。董邑宁【3 0 】【3 l 】、黄新、刘刻3 3 1 、刘瑾【3 4 1 、楼宏铭、 童小东3 6 1 、刘顺妮【3 7 】、m a s a s h i l 3 8 1 、g r a j a s e k a r a n | 3 9 1 等人通过大量的试验，研究 不同外加剂对不同土质固化淤泥固化效果的提高作用。其中董邑宁等人对固化剂 y t - 1 和y t - 2 固化土和水泥土固化效果进行对比研究，发现前两种固化土明显比 水泥土的固化效果好；黄新和刘毅分别用废石膏和磷石膏作为添加剂加固软土， 同样得到添加剂的固化效果好：刘瑾和楼宏铭分别研究了新型水溶性高分子土体 固化剂和改姓木素磺酸钙g c l l 减水剂对固化淤泥固化效果的贡献；童小东则研 究了生石灰、生石膏、粉煤灰等工业废料作为外加剂对固化淤泥的固化效果的作 用；刘顺妮对高含水率粘土固化剂也进行了研究，发现添加适量的石膏和硫酸盐 能大幅度提高固化淤泥的强度。 以粉煤灰为例，其对水泥土强度的影响如图1 3 。 一 一 图1 3 粉煤灰对水泥土强度的影响 ( 8 ) 其它因素 例如水泥与固化土的搅拌时间愈长，拌和程度愈高，则水泥土的强度愈高， 第一章绪论 试验结果显示，水泥和土的搅拌时间至少要3 5 分钟，水泥拌和程度与原土的软 硬状态、水灰比以及机械搅拌的方式有关，原土若呈碱性( p h 7 ) ，水泥土抗压 强度会增大，反之，酸性土则水泥的固化效果会降低；有机质含量较大的土壤， 一般会降低水泥土的强度的；环境气温高，水泥土的早期强度增长快，但对长期 强度的影响不大。 2 、水泥土的压缩特性 把水泥土放在侧限固结仪里做固结试验，所得到的固结压缩系数曲线如图 1 4 所示i 删一般说来，它具有明显的屈服点，对应的屈服应力b 与抗压强度有q 密切联系，可近似表达为： 弓= ( 1 2 1 3 ) q 羞 蓬 - j r h 固结压力p ( 缸佣) 图1 4 水泥土的固结压缩试验 ( 1 - 4 ) 3 、水泥土的渗透性 由于水泥土在渗透稳定、边坡稳定及防渗工程中的应用，其渗透系数成为重 要的工程指标。候永峰【4 l 】等人的研究表明：水泥土的渗透系数和水泥的掺入量、 时间有明显的关系水泥固化后，水泥土的渗透系数大幅度降低，水泥固化土的渗 透系数随着水泥掺入量的增加而减小，随着龄期的增加而减小。 4 、水泥土的抗剪能力 人们对水泥固化土的抗压性能的研究较多，而对抗剪强度的研究较少，在文 献【27 】中也仅能看到以下结论：水泥土的抗剪强度随抗压强度的增长而提高。当水 泥土的无侧限抗压强度q 。= 5 0 0 9 0 0 k p a 时，其抗拉强度盯，= ( o 1 5 0 2 5 ) q 。， 第一章绪论 粘聚力c = ( 0 2 0 3 ) q 。，内摩擦角妒= 2 0 。3 0 。 1 2 4 淤泥固化机理的研究状况 目前对淤泥固化机理的研究一般使用化学分析、扫描电镜( s e m ) 、x 衍射 ( x r d ) 、差热分析的方法对水泥土产生的固化物进行了研究。黄新【4 2 】、王星华 【4 3 1 、m a s a h a r u 4 4 1 、d i a m o n d 4 5 】等人分别利用上述手段对固化土加固机理进行了研 究。黄新通过分析固化土孔隙水溶液中的c a ( o h ) 2 浓度的变化来探索固化土固化 机理，研究表明不同的土质对孔隙水溶液中的c a 2 + 、o h 的吸附能力不同，影响 了水泥水化反应的进行，从而影响了固化效果。还有很多学者则利用扫描电镜、 x 衍射对固化淤泥水化产物进行了定性分析了固化淤泥的固化机理。 根据国内外的研究状况可以看出：对水泥土得固化机理主要还是停留在定性 研究状态上，虽然有一点点定量的研究，但尚有待于使用新的研究方法，进行较 系统的研究。 1 2 5 水泥添加剂的研究状况 随着水泥搅拌法应用的日益广泛，桩身质量问题也突出起来，为发挥水泥的 水硬性及其价格低廉，来源广泛的突出特点，外掺剂作为调节水泥土性能的材料 起到了一定的作用，当固化剂掺入总量一定时，该方法比用纯水泥加固一般性质 的土，复合地基承载力和工程造价之比约提高了1 0 - - ，3 0 ，显示出固化剂对土 体的适用性及经济性。2 0 世纪4 0 年代，固化技术开始蓬勃发展起来，至今已形 成一门综合性的交叉学科。可以说加入软土中的任何一种材料只要能对软土起到 加固作用均可成为固化剂，固化剂从广义上来说可以分为土体固化剂、矿物外掺 料和外加剂三大类，土体固化剂：北京中土奥特赛特科技发展有限公司的 a u g h t - s e t ，周明凯等研制的h s 系列【4 6 】；矿物外掺料：胡同安m 、黄新【4 8 1 等人的 研究表明在水泥中掺入水泥质量2 0 左右的废石膏可以大幅度提高水泥土强度， 梁伟平【4 9 1 、周志道【5 0 1 等研究表明：在水泥中掺入高炉磨细矿渣粉可以明显改善 水泥土的强度，节约水泥用量；外加剂：k e v i ng a s p a r d 5 1 】、莫永京【5 2 】等人对纤 维水泥研究表明：在水泥土中掺入一定比例的纤维可以提高水泥土的抗拉强度、 抗剪强度、整体稳定性，童小东【5 3 】，探讨了氢氧化铝作为一种添加剂再提高水泥 土强度方面的作用，而且对其机理也进行了分析。 第一章绪论 1 3 课题提出的背景及工作路线 1 3 1 背景 随着我国经济建设的的进行，我国从中央到地方政府都已经加大对高速公路 等基础设施的投资力度，公路建设已进入鼎盛时期。高速公路为线形大型构筑物， 具有沉降控制标准要求高、桥梁多、横穿孔密集等特点。而我国沿海及部分内陆 地区泛分布着厚度不等、压缩性高、强度低的软弱粘性土层( 简称软土) ，这些地 基条件给高速公路路基、路堤的设计、施工及竣工后道路的正常运营带来诸多严 重问题。根据高速公路自身对沉降要求高的特点，软土地基上路堤设计在强度满 足设计要求的情况下主要由变形控制。由于公路分布范围广，地质条件变化复杂， 沉降控制技术难度大，路基加固己引起建设部门和工程技术领域的广泛关注。在 软土地区进行高速公路建设中，软土路基的处治方案大都根据当地的工程地质条 件和构筑物的设计要求，因地制宜地选择。除浅层、薄层软土多采用换填法处理 外，对于中等至深厚层软土，水泥土搅拌法( 分为湿法和干法) 是目前广泛应用的 路基处理方案。湿法是采用水泥浆等浆液材料作为固化剂；干法是采用干燥状态 的粉状材料作为固化剂，如石灰、水泥等。经过搅拌后形成柱状水泥土增强体， 可提高地基土的强度，减少路基沉降，增强路基( 堤) 的稳定性。 而在工程应用中，除了要提高水泥土搅拌桩的技术水平和施工管理水平外， 我们还要对比处理的地基土进行分析，并在设计前进行水泥土室内配合比试验。 在湿施工中，人们注意到加入适量的特定添加剂，对水泥土桩的质量具有一定的 正面效果。但在使用前需对添加剂的种类和添加量进行室内试验，为设计提供参 数。进行室内配合比试验的目的就在于确定现场实际工程水泥品种及其掺入量、 添加剂及其掺入量，并预测现场水泥增强体的强度。水泥上添加剂多来源于混凝 土添加剂，对于水泥土添加剂作用机理的研究多是借鉴于混凝土添加剂，但是由 于水泥土和混凝土本身性质的差异，生搬硬套肯定会犯错误，有必要研究添加剂 在水泥土中的作用机理。目前国内对水泥土添加剂的研究大多侧重于水泥土力学 性质的研究，也有学者侧重于从微观结构方面探讨添加剂的作用机理，但是出于 试验条件和资金等方面原因的限制，将力学性质试验与微观结构分析相结合进行 的研究开展的不是很充分。微观结构分析只有与力学性质试验相结合才能够有的 放矢研究水泥上添加剂的宏观力学表现，反之力学性质试验只有结合微观结构分 析才能够较深入的对添加剂作用本质进行研究。 唐山曹妃甸工业区管线路建设为本课题的研究提供了必要的研究背景和充 足的资金保障，天津大学提供力学、物理性质试验所需的试验仪器和技术条件， 第一章绪论 本课题拟在水泥土添加剂现有的研究成果基础上，以水泥作为基本固化剂，进行 了加入中永基p m 添加剂的增强配方，不加入中永基p m 添加剂的普通配方的室 内力学性质试验，为现场施工的水泥掺入量及添加剂的掺量的选用提供指导。 1 3 2 本文的工作 为接近工程实际条件，本次室内试验以水泥为固化剂，以取自曹妃甸管线路 工地得淤泥土样为固化对象，以中永基p m 为添加剂进行室内配合比试验研究。 采用无侧限抗压强度试验、渗透试验、直接剪切试验、压缩试验来研究此新型水 泥固化土的性质，试验中所使用的养护方法采用标准养护，龄期分别为7 d 、2 8 d 、 9 0 d 。此外，为了进一步验证不同养护方法对淤泥固化土强度的影响，做了不同 养护条件下增强配方下的3 d 与7 d 的无侧限抗压强度。 综上所述，本文拟完成以下主要工作： ( 1 ) 开展调查研究，针对性地研究水泥土外加剂的特性和作用机理以及在公 路路堤加固和相关应用领域的研究成果和现有资料，为室内和现场试验提供依 据； ( 2 ) 对曹妃甸较为典型的淤泥，结合路基修建工程，制备了不同水泥掺入量， 相应的不加p m 添加剂和加入p m 添加剂的水泥固化土试样( 主要是加入水泥添 加剂p m 的增强配方) ，养护到预定龄期后，进行无侧限抗压强度、压缩、直接 剪切、和渗透等室内试验； ( 3 ) 对室内试验结果进行整理分析，研究影响水泥固化土的工程性质( 抗压 强度、抗剪强度、压缩系数、渗透系数等) 变化规律，以及加入添加剂对强度、 压缩性、渗透性的影响； ( 4 ) 对比不同养护条件下的无侧限抗压强度变化规律； ( 5 ) 对今后水泥固化土在工程中的应用，尤其是适用于路基处理工程的高含 水率量水泥土的研究提出合理的建议及注意事项。 第：章上壤同化剂及水泥土理论 第二章土壤固化剂及水泥土理论 2 1 固化剂加固机理 固化剂改良土体的作用有以下四方面的机理： ( 1 ) 土体经过固化剂处理后，在成型压力作用下颗粒紧密接触，在土壤颗粒 附近，固化剂水化生成水化硅酸钙、沸石、方纳石及硅酸等物质，使粘土颗粒表 面形成凝结硬化壳。固化剂的激活组分以不同的方式渗入颗粒内部，与粘土矿物 发生物理化学作用，形成水铝酸盐、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，固化后的粘土具有水稳定性和强度稳定性。 ( 2 ) 极性水分子和o h 离子进入粘土内部空穴，使土体分散，比表面积增加。 这些被分散的粘土颗粒表面一般带有负电荷，其动电电位增大，固化剂的某种成 分可代换土体中凝聚能力低的离子，降低电位，促使粘土颗粒凝聚，同时电解质 浓度增加，胶粒双电层减薄，也有利于颗粒凝聚。 ( 3 ) 疏松土体的联结主要是靠矿物与胶结物界面上的化学力实现的，层状硅 酸盐自身建立空间网状结构；固化剂的主要水产物及其粘土矿物反应的生成物， 均属上述胶结物之一，能牢固的胶结分散的土壤颗粒，增强和加固这种网状结构， 使之成为一个具有较高强度的整体。 ( 4 ) 固化剂对土壤颗粒粒径有广泛的实用范围，在固化剂中的激活成分能使 固化剂颗粒和土壤颗粒表面活化，在水化反应过程中，使固化剂本身比表面积增 加几百倍，因此固化剂固化粘土等细颗粒凸，很具有优势。 2 2 水泥土的固化机理 固化剂和软土之间产生一系列的物理一化学反应，改变了原状土的结构，使 之应届成为具有整体性、水稳定性和一定强度的水泥土固化材料。水泥水泥土强 度的构成主要是：土的固有结构与组成，物理改良，水泥硬化，硬凝反应。其中， 水泥的硬化对强度的贡献最大，但整个强度增加的过程是一系列复杂的物理化学 反应的综合。为了更好地利用水泥，就应该对这些过程的机理加以了解，这样有 利于进一步控制和改善水泥的使用性能，可见，正确地了解水泥的水化、硬化、 碳化过程，在理论和实践上都有重要的意义。 第二：章土壤固化剂及水泥1 ：理论 如图2 1 所示为水泥和土搅合后所发生的一系列化学反应过程。 图2 1 水泥与土的化学反应 由图2 - 1 可见，在整个反应中起重要作用的是水泥水化后产生的c a ( o h ) 2 。 当被水泥浆包围的小土块不断吸附c a ( o h ) 2 并达到某一饱和点后，便于多余的 c a ( o h ) 2 发生硬凝反应。 2 2 1 水泥的水解和水化反应 水泥固化土的物理化学反应过程与混凝土的硬化机理不同，混凝土的硬化主 要是在粗填充料中进行水解和水化作用，所以凝结速度较快，而在水泥固化土中， 由于水泥掺量很小，水泥的水解和水化反应完全是在具有一定活性的介质一土的 围绕下进行，所以水泥固化土的强度增长过程比较缓慢，普通硅酸盐水泥的水解 和水化是一个复杂的物理一化学变化过程。在此过程中，不断生成新的水化产物 并且放出热量，由此产生体积变化和强度增大。在水泥固化过程中，其熟料矿物 硅酸二钙、硅酸三钙、铝酸三钙、铁铝酸四钙和硫酸四钙与水发生水解和水化反 应，生成硅铝酸胶凝、氢氧化钙、含水硅酸钙、含水铝酸钙及含水铁酸钙等化合 物。 各自的反应过程如下【矧： ( 1 ) 硅酸三钙( 3 c a o s i 0 2 ) 在水泥中含量最高( 约占全重的5 0 左右) ， 是决定强度的主要因素。 2 ( 3 c a 0 s i 0 2 ) + 6 h 2 0 专3 c a o 2 s i 0 2 3 h 2 0 + c 4 0 h ) 2 1s 第章 ：壤固化荆及水泥f ：理论 ( 2 ) 硅酸二钙( 2 c a o s i 0 2 )在水泥中的含量较高( 占2 5 左右) ，它主 要产生后期强度。 2 ( 2 c a 0 。s i 0 2 ) + 4 h 2 0 专3 c a o 2 s f o ：3 h 2 0 + c 4 0 h ) 2 ( 3 ) 铝酸三钙( 3 c a o a 1 2 0 3 ) 占水泥重量的1 0 ，水化速度最快，促进早 凝。 3 c a 彳，2d 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 )占水泥重量的1 0 左右，能促进 早期强度。 4 c a o 。彳乞q 。凡2 q + 2 c a ( o h ) 2 + 10 h 2 0 j 3 c a o 。a 1 2 0 3 6 h 2 0 + 3 c a o 心0 3 6 h 2 0 在上述一系列反应过程中所生成的氢氧化钙、含水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，只能以细分散状态的胶体析出，悬浮于溶液中，形成胶体。 ( 1 ) 硫酸钙( c a s 0 4 )虽然在水泥中的含量仅占3 左右，但它与铝酸三钙 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 a 1 2 0 3 + 3 2 h 2 0 一3 c a o 彳，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