朱思迪，顧強康，姚志華

(空軍工程大學航空航天工程學院,西安 710038)

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外加劑對水泥-水玻璃固化軟土影響效果試驗研究

朱思迪，顧強康，姚志華

(空軍工程大學航空航天工程學院,西安 710038)

針對含水率高于75%，孔隙度大于2.0軟土的固化處理，提出了一種在傳統(tǒng)水泥-水玻璃基礎上添加氯化鋁溶液與石膏的固化方法，并結合無側限抗壓強度試驗研究了石膏摻量、氯化鋁溶液濃度、齡期及水泥摻入比對固化效果的影響規(guī)律。試驗結果表明：石膏的添加能顯著提高固化土強度，且存在一定最佳摻量。在未添加石膏時，固化土強度隨氯化鋁溶液濃度增大而提高。在摻有石膏時，添加低濃度氯化鋁溶液的固化土早期強度較高，但后期強度增長較??；添加高濃度氯化鋁溶液的固化土早期強度較小，但后期增長較大，同時氯化鋁溶液也存在一定最佳濃度。

固化土； 水泥-水玻璃； 石膏； 氯化鋁溶液； 鈣礬石

1 引 言

水泥土攪拌法是加固飽和軟黏土地基的一種成熟方法，最適宜于加固各種成因的飽和軟黏土，其通常利用水泥、石灰等材料作為固化劑主劑，通過特制的攪拌機械，在地基中將軟土和固化劑強制攪拌，利用固化劑和軟土之間所產生的一系列物理-化學反應，使軟土硬結成具有整體性、水穩(wěn)定性和一定強度的優(yōu)質地基[1]。在實際工程運用中，為了改善水泥土的硬化條件，提高加固效果，常加入一些摻加劑，如石膏、水玻璃等。其中，水泥-水玻璃固化土具有凝結時間短、結石后抗壓強度高的優(yōu)點。黃春香[2,3]通過對福州地區(qū)不同淤泥的試驗研究，得出水泥-水玻璃固化土的抗壓強度與原狀土本身物理力學性質的關系。簡文彬等[4]采用掃描電鏡技術對不同齡期水泥-水玻璃加固軟土的微觀結構特征進行了觀察和研究，并從化學和物理兩個方面分析了水泥-水玻璃固化軟土的微觀機理。程福周[5]利用水泥-水玻璃固化東湖淤泥，并得出硅酸鈉的添加能明顯提高固化土無側限抗壓強度的結論。同時，關于石膏的添加對水泥土加固效果的影響，近年來也進行了一些相關的研究。黃新[6]用普通硅酸鹽水泥、石膏和一種含鋁膨脹組分構成的復合固化劑，選取 2 種有代表性的試樣，進行軟土固化試驗研究，指出鈣礬石的生成在固化土中是否產生增強效果，主要取決于鈣礬石與水化硅酸鈣凝膠生成過程的協(xié)調性。黃雨[7]利用XRD試驗和SEM試驗分別研究了原狀軟土、含石膏加固土和不含石膏加固土的微觀結構特征，對比分析了導致加固效果差異的微觀機理及形成原因。丁建文[8]本著“以廢治廢”思想將磷石膏加入水泥用以固化疏浚淤泥，研究其強度影響因素與應力-應變曲線，得出了磷石膏的添加能顯著提高固化效果但存在一定最佳摻量的結論?？偟膩碚f，運用水泥-水玻璃加固軟土地基具有凝結時間短、抗壓強度高的特點，而石膏的添加也能顯著改善水泥土的性能。

水泥土的強度組成主要包括土粒間的膠結與孔隙填充兩部分。對于孔隙度大、含水率高的飽和淤泥，單純使用水泥加固效果往往不明顯。寧建國和黃新的研究[9]表明水化硅酸鈣在強度形成中主要起膠結作用，其將松散的土顆粒用化學方式膠結在一起。但對于大孔隙的松散軟土，水泥的水化產物無法很好地起到填充孔隙的作用。因而導致固化土內仍存在大量孔隙，密實度低，影響強度的進一步提高。因此，在固化此類軟土時，即使采用很高的水泥摻入比也難以起到很好的固化效果。而石膏的添加則能很好地解決這一問題，其水化生成的鈣礬石產生體積膨脹，能有效填充孔隙，提高密實度，進而提高強度。

本文基于以上理論與研究，針對含水率高于75%，孔隙度大于2.0的軟土地基處理，提出了一種在水泥-水玻璃中添加氯化鋁溶液與石膏的固化方法。選取來自武漢東湖的淤泥進行固化試驗，隨后測定其無側限抗壓強度，研究了石膏摻量，氯化鋁溶液濃度，齡期及水泥摻入比對此類固化土強度的影響規(guī)律。

2 試 驗

2.1 試驗材料

試驗材料包括：惠州塔牌P·C 42.5R復合硅酸鹽水泥，其主要化學成分見表1。東岳產工業(yè)水玻璃(模數3.3，波美度40°Be，)。分析純二水石膏(CaSO4·2H2O 含量>99.5%)，其主要化學成分見表2。天津科密歐產工業(yè)結晶氯化鋁(AlCl3·6H2O分子量241.43，含量>97.0%)。

表1 水泥主要化學成分Tab.1 Chemical composition of cement /%

表2 石膏主要化學成分Tab.2 Chemical composition of gypsum /%

試驗用土取自武漢東湖，其物理力學性質指標見表3。根據土的分類方法[10]，此土屬于高液限黏土，含水率高，孔隙度大，其中有關性質指標依據《公路土工試驗規(guī)程》[11]測定。試驗進行前，先將取來的土樣自然風干，用木制榔頭擊碎，并過2 mm篩去除雜質，裝入塑料盆內以備用。

2.2 試驗方法

在試驗開始前，先用水合氯化鋁晶體配制不同濃度的氯化鋁溶液。試驗中水泥摻入比定義為水泥與天然淤泥的質量比，石膏摻量定義為所加入石膏與水泥的質量之比。

試樣制備時，先稱取一定量土與水，并按不同摻入比稱取相應重量的水泥與石膏。按照水灰比1∶1加入水并攪拌均勻，讀取水泥漿體積，按水泥漿與水玻璃1∶0.5的體積比量取水玻璃，按水玻璃與氯化鋁溶液1∶0.25的體積比量取氯化鋁溶液。為防止水玻璃加入后過快凝固，先將水泥漿與淤泥混合均勻，再加入水玻璃與氯化鋁溶液。經攪拌機充分攪拌后分3層裝入內徑3.91 cm，高為8 cm的鋼制模具內制成無側限抗壓強度試樣，每層經振動排除氣泡。用刮土刀將試樣表面刮平，并用聚乙烯塑料袋包裹，放入(20±2) ℃、濕度>90%的標準養(yǎng)護箱中養(yǎng)護24 h后脫去模具，脫模后繼續(xù)用塑料袋包裹養(yǎng)護至設定齡期。本文試驗參照《土工試驗方法標準》[12]進行，使用YLQD-1B路面材料強度試驗儀進行無側限抗壓強度試驗，每個試樣測定3個平行樣，取其平均值作為該組試樣的無側限抗壓強度，若某一試樣與平均值之差大于20%，則剔除該組試樣，取剩下的測試值計算平均值。所有試樣的初始含水率均為80%。

2.3 試驗方案

試驗中水泥摻入比取為20%，為研究石膏摻量對強度的影響規(guī)律，石膏摻量取為0%、10%、20%、30%、40%、50%共六種情況，即設置不添加石膏的分組作為空白對比。參考陳沅江[13]的試驗結果，共設置0.5、1、2、3、4 mol/L五種濃度的氯化鋁溶液，試驗方案見表4。另外，為研究水泥摻入比不同時所帶來的影響，還補充進行了氯化鋁溶液濃度2 mol/L時，不同石膏摻量下水泥摻入比為10%和15%的固化土7 d抗壓強度試驗。

表3 淤泥的物理力學性質指標Tab.3 Physico-mechanical characteristics of the soil sludge

表4 試驗方案Tab.4 Experiment scheme

3 結果與討論

3.1 石膏摻量對強度的影響

石膏摻量對固化土強度的影響如圖1所示。試驗結果表明，在添加不同濃度氯化鋁溶液的情況下，當石膏摻量較小時，固化土強度隨石膏摻量的增加而提高，但達到一定程度后，其強度隨著石膏摻量增加反而減小，即存在一個最佳石膏摻量。同時，從圖1a和1b可以看出，齡期7 d與28 d，對應不同氯化鋁溶液濃度下的石膏最佳摻量均為20%。在石膏的最佳摻量下，不同氯化鋁溶液濃度的固化土28 d強度比未添加石膏時提高了1.51～2.74倍，石膏的添加顯著提高了固化土的強度。

3.2 氯化鋁溶液濃度對強度的影響

氯化鋁溶液濃度對固化土強度的影響如圖2所示。試驗結果表明，對于未添加石膏的試驗組，其固化土強度隨著氯化鋁溶液濃度增加而不斷增大。在石膏摻量不同的情況下，當氯化鋁溶液濃度較低時，隨著濃度的增大，固化土強度增大，但超過一定程度后，固化土強度開始下降，存在一個最佳濃度。從圖2(a)和2(b)可以看出，齡期7 d與28 d，對應不同石膏摻量的氯化鋁溶液最佳濃度都為2 mol/L。通過比較圖2與圖1可以發(fā)現，氯化鋁溶液濃度變化對固化土強度的影響并沒有石膏摻量那么明顯。

圖1 強度與石膏摻量關系(a)7 d；(b)28 dFig.1 Relationships between unconfined compressive strength and gypsum content

圖2 強度與AlCl3溶液濃度關系(a)7 d；(b)28 dFig.2 Relationships between unconfined compressive strength and AlCl3solution concentration

3.3 齡期對強度的影響

3.3.1 不同石膏摻量下齡期對強度的影響

如圖3所示，氯化鋁溶液濃度為2 mol/L，不同石膏摻量下,齡期對固化土強度的影響十分顯著，二者呈正相關關系，固化土強度隨齡期增加明顯增大。圖3亦表明，石膏的最佳摻量與齡期無關，不論齡期3 d、7 d、14 d，還是28 d，石膏最佳摻量均為20%。同時，在石膏最佳摻量下的固化土3 d與7 d強度比未添加石膏分別提升了188%和274%，石膏的添加明顯提高了固化土的早期強度，這對于加快施工進度有重要意義。

圖3 不同石膏摻量下強度與齡期關系Fig.3 Relationships between unconfined compressive strength and curing time under different gypsum content

3.3.2 不同氯化鋁溶液濃度下齡期對強度的影響

如圖4所示，在石膏摻量為20%，氯化鋁溶液濃度不同的情況下，固化土的強度隨著齡期增加而增大。當氯化鋁溶液濃度較低，為0.5 mol/L和1 mol/L時，固化土早期強度較大，隨著齡期增加強度增長緩慢；當氯化鋁溶液濃度較高，為2 mol/L、3 mol/L、4 mol/L時，固化土早期強度較小，隨著齡期增加強度增長迅速，其中氯化鋁溶液濃度為2 mol/L時強度增長最大。這說明低濃度的氯化鋁溶液使固化土早期強度較高，相對而言，高濃度的氯化鋁溶液則使固化土中后期強度增長較大，同時氯化鋁溶液濃度不宜過高，在本次試驗中為2 mol/L最佳。

圖4 不同AlCl3溶液濃度下強度與齡期關系Fig.4 Relationships between unconfined compressive strength and curing time under different AlCl3solution concentration

3.4 水泥摻入比對強度的影響

氯化鋁溶液濃度為2 mol/L，齡期7 d，不同水泥摻入比下石膏摻量對固化土強度的影響如圖5所示。試驗結果表明，水泥摻入比對強度的影響很大，水泥摻入比越高，固化土強度越大。不同水泥摻入比情況下的石膏最佳摻量不同，當水泥摻入比為20%時，石膏的最佳摻量為20%；水泥摻入比為10%和15%時，石膏的最佳摻量為30%。這說明當水泥-水玻璃的摻入量減少時，需要加入更多石膏才能使強度達到最高值，但影響固化土強度的最主要因素還是水泥摻入比。

圖5 不同水泥摻入比下強度與石膏摻量關系Fig.5 Relationships between unconfined compressive strength and gypsum content under different cement incorporation ratio

4 固化機理分析

4.1 氯化鋁溶液的增強作用

水泥-水玻璃加固軟土具有凝結速度快，加固強度高的特點。這主要是由于水合硅酸鈉與水泥水化產物Ca(OH)2反應迅速，生成CSH凝膠和NaOH，從而提高體系堿度并加快水泥水解。相較于常用的緩凝劑磷酸氫二鈉，氯化鋁作為水泥-水玻璃的緩凝劑時具有進一步提高漿體抗壓強度，增強耐久性，中和堿性排出水的作用[13]。氯化鋁的加入促進了水玻璃形成游離的Si(OH)4，減緩了水玻璃與水泥的反應，同時其水解生成的Al(OH)3與 Si(OH)4進一步反應，形成一種含有Al-O-Si鍵的鋁硅酸鹽膠狀聚合物[14]。該種聚合物形成的網狀結構具有一定的粘結性和耐久性，能很好地附著在土體或砂礫的周圍，從而提高了固化土的抗壓強度。其反應式如下：

3Na2O·mSiO2·H2O+2AlCl3→mSiO2·(n-3)H2O+6NaCl+2Al(OH)3

本文經試驗發(fā)現，在未添加石膏的情況下，隨著氯化鋁溶液濃度增大，水泥-水玻璃固化土強度不斷提高。

4.2 石膏的增強作用

添加石膏后，水泥水化產物中的水化鋁酸鈣(C3A)還會與石膏發(fā)生反應生成三硫型水化硫鋁酸鈣，即鈣礬石(AFt)。鈣礬石是一種六角形斷面的針狀晶體，在形成過程中需要結合32個水分子，把大量自由水以結晶水形式固定下來的同時產生體積膨脹，固相體積可增大120%左右[15]。其反應式如下：

3CaO·Al2O3·nH2O +3CaSO4·2H2O +(26-n) H2O→3CaO·Al2O3·3CaSO4·32H2O

鈣礬石的存在一方面起到填充孔隙，降低固化土孔隙量的填充密實作用，另一方面其以較大的針刺狀晶體與CSH凝膠在孔隙中形成一定的空間結構，以較高效率使固化土孔隙分布細化。但這種膨脹填充作用具有雙重性。當石膏添加過多時，鈣礬石的膨脹作用會破壞已形成的CSH凝膠體，使得固化土強度降低，故石膏存在一定的最佳摻量。之前的研究表明[16,17]，鈣礬石的增強效果取決于體系中膠結物CSH與膨脹物AFt之間生成速率的協(xié)調性。若AFt的生成過程先于CSH，則在AFt生成后由CSH發(fā)揮膠結修補作用，修復由于AFt膨脹所帶來的強度損失，此時AFt的膨脹作用能顯著提高強度，二者的生成協(xié)調性好；相反，若CSH已經形成一定膠結結構，AFt在膨脹過程中會對此結構產生破壞作用，而CSH生成量有限，后期的修補能力不足，此時AFt的膨脹作用會導致強度降低。此外，鈣礬石的增強效果還與固化土孔隙液的堿度有關。當堿度較高時，鈣礬石在固相表面生成，晶體生成時遇到結晶生長壓力，使已有結構產生局部應力集中，破壞土粒間聯(lián)結，從而使強度降低；當堿度較低時，鈣礬石在孔隙中生成，不易產生應力集中，且起到填充孔隙的作用，從而使強度提高。

4.3 石膏與氯化鋁的共同作用

根據陳沅江[13]的試驗結果，添加氯化鋁溶液的水泥-水玻璃漿體在養(yǎng)護過程中浸出液PH值會先增大，后減小，最大值在齡期3 d或7 d時，且氯化鋁溶液濃度越高對應pH值越小。對于低濃度氯化鋁溶液的固化土，其在養(yǎng)護期間堿度較大，早期時CSH與Ca(OH)2生成較多[18]，對鈣礬石膨脹所產生的破壞起到修復作用，二者配合生成，使早期強度形成較快。但鈣礬石在固相表面生成，對強度的增長起到抑制作用，故中后期強度增長不大。對于高濃度氯化鋁溶液的固化土，其在養(yǎng)護期間堿度較小，初期CSH與Ca(OH)2生成較少，故強度形成較慢。而到了7 d齡期以后，不同氯化鋁溶液濃度的試樣內CSH量都開始逐漸增多，高濃度氯化鋁溶液的固化土中鈣礬石在孔隙中生成的優(yōu)勢開始顯現，后期生成的CSH凝膠起到膠結修復作用，故強度增長較大。另外，氯化鋁溶液的濃度還影響著固化體系內鋁相物質的量，從而與石膏共同作用生成鈣礬石，故氯化鋁溶液濃度在后期也出現了一個最佳值?？傮w表現為，在摻有石膏的情況下，添加低濃度氯化鋁溶液的固化土早期強度較高，但后期增長不大；添加高濃度氯化鋁溶液的固化土早期強度較小，但后期增長較大，同時氯化鋁溶液也存在一定最佳濃度，在本實驗中為2 mol/L。

5 經濟成本分析

本固化方法所用固化劑較多，施工流程較復雜，故對其進行一個簡單的經濟成本分析，以便應用者選用。取水泥摻入比為20%，石膏摻量為20%，氯化鋁溶液2 mol/L，處理深度為5 m。綜合考慮市面上材料成本，取水泥單價360元/噸、石膏200元/噸、氯化鋁晶體800元/噸、水玻璃1000元/噸，在僅考慮材料成本的情況下初步估算得到處理成本每平米為5.52元。

6 結 論

(1)以氯化鋁溶液作為水泥-水玻璃的緩凝劑來固化軟土，能提高固化土的強度，且氯化鋁溶液濃度越高強度越大;

(2)石膏的添加能顯著提高水泥-水玻璃固化土的強度，但存在一個最佳摻量，超過此摻量強度反而降低。在最佳摻量下，不同氯化鋁溶液濃度的固化土28 d強度與未添加石膏時相比能提高1.51～2.74倍。石膏的最佳摻量與水泥摻入比有關，最佳摻量隨水泥摻入比增加而降低，在水泥摻入比為20%時，其最佳摻量為20%;

(3)對于石膏+氯化鋁雙摻固化土，當所添加氯化鋁溶液濃度較低時，其早期強度較高，但后期增長較??；所添加氯化鋁溶液濃度較高時，早期強度較小，但后期增長較大。同時氯化鋁溶液也存在一個最佳濃度，在本試驗中，最佳濃度為2 mol/L;

(4)對于含水率高于75%，孔隙度大于2.0的軟土固化處理，在水泥-水玻璃基礎上添加石膏與氯化鋁溶液，利用水泥水化產物與鈣礬石間相互作用形成一種膠結與填充共同作用的固化體系是很有效的。其中，氯化鋁溶液的添加既能緩凝，又能增加體系中鋁相物質，促進鈣礬石的生成。但需注意CSH與AFt生成速率間的協(xié)調性，合理控制石膏與氯化鋁溶液的添加量。

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Effect of Admixtures on Cement-Sodium Silicates Stabilized Soft Soils

ZHUSi-di,GUQiang-kang,YAOZhi-hua

(Aeronautics and Astronautics Engneering College,Air Force Engineering University,Xi’an 710038,China)

Aimed at the solidification treatment of soft soils with high water content and large porosity, a new method by adding aluminum chloride solution and gypsum was proposed based on traditional cement-sodium silicates treatment method. The effect of gypsum content, concentration of aluminum chloride solution, age and cement incorporation ratio on the solidification was studied by unconfined compression strength test. The experimental results show that the addition of gypsum can significantly improve the strength of solidified soil. There is an optimum addition content of gypsum for solidification treatment. The unconfined compressive strength of solidified soils increases with the increase of the concentration of aluminum chloride solution in the absence of gypsum. When adding gypsum, the early strength of solidified soil with low concentration of aluminum chloride solution is higher, but the later growth is small. The early strength of solidified soil with high concentration of aluminum chloride solution is small, but the later growth is relatively large. At the same time, there is a certain optimum concentration of aluminum chloride solution.

solidified soil;cement-sodium silicates;gypsum;aluminum chloride solution;ettringite

國家自然科學基金資助項目(51509257)

朱思迪(1991-)，男，碩士研究生.主要從事機場地基處理和邊坡加固技術研究.

TU447

A

1001-1625(2016)10-3112-07