应用于粉砂土的土壤固化剂性能及机理分析

丁 毅 李乃军(沈阳大学理学院，辽宁 沈阳110044)

辽宁地区辽河、浑河冲积平原上，粉砂土由两河的冲积、洪积物堆积而成，以细粉砂、亚砂土为主。由于可用于筑路的砂石严重短缺，如果采用传统的无机结合料稳定砾料修筑路面基层，需将原有旧路的残土运走，外购大量砂石料，经远距离运输到现场，加大工程量，增加工程造价。采用固化土技术时，就地取材，施工简便，既节省资源，又节省建设资金，利于环保，经济效益和环境生态效益值得关注。粉砂土的有效固化，是固化土技术推广应用中的一个难题。

1 粉砂土结构特征

粉砂土主要分布于河流冲积平原、冲积三角洲等地带，其中粉粒含量占80%，以石英、长石为主；粘粒含量占15%，以蒙脱石、水云母为主。砂土中粉粒、粘粒含量差异，决定了粉砂土的强度特点：内摩擦角大（约为250），内聚力较低（5-10KPa），土体渗透系数高（约2×10-3cm/s）[1]。粉砂土中含量占多数的石英（SiO2）不能象Ca2+等阳离子那样与极性水分子紧密结合而体现出较强的水胶作用力，因此联结强度较弱；又因粉砂土中蒙脱土、水云母等粘粒含量低，致使粉砂土颗粒间联结强度较低，其粘聚力仅为粘土的1/10。

以辽中县沙东村和冷子堡土样为例，其物理力学性质测定值如表1所示。

表1 粉砂土物理力学性质测定值

由于粉砂土结构松散，级配极差，承载力偏低，仅用水泥或石灰、粉煤灰进行稳定，早期强度较低，成型质量和水稳定性较差，难以达到规定的强度和稳定性要求。因此，需要采取一定的技术措施来加以改善利用。

2 复合土壤固化剂的设计

采用适量的水泥熟料、石灰、粉煤灰、矿渣和激发剂制成的复合土壤固化剂，综合了各无机胶凝材料对粉砂土作用的性能优势，可以有效地对粉砂土进行综合稳定固化。

2.1 水泥熟料

水泥熟料由冀东水泥厂提供。其化学成分如表2所示。

表2 水泥熟料化学成分

高温下形成的水泥熟料其矿物组成主要为硅酸三钙 3 CaO⋅SiO2、硅酸二钙铝酸三钙和铁铝酸四钙经水化反应后生成的主要水化产物有：水化硅酸钙和水化铁酸钙（凝胶体，是水泥具有胶结性能的主要物质)，氢氧化钙、水化铝酸钙和水化硫铝酸钙（晶体）。在完全水化的水泥石中，凝胶体约为70%，氢氧化钙约占20%。 熟料中各种矿物的凝结硬化特点不同，不同种类的水泥熟料中各矿物的相对含量不同，决定了不同种类的水泥熟料硬化特点差异很大。

1.2 粉煤灰

粉煤灰本身很少或没有粘结性，但是当它以细分散的状态与水和石灰或水泥混合时，在常温下与Ca(OH)2发生反应能形成具有粘结性的化合物，成为一种增加强度和耐久性的材料。

采用的粉煤灰是鞍山火电厂的一级灰，其化学组成和元素组成如表3所示。

由此可见，粉煤灰主要的化学组成SiO2、Al2O3、Fe2O3占总量的80%以上。次要的化学组成包括CaO、MgO、SO3等。氧化硅和氧化铝的含量多，具有很大的化学潜能；而钙、镁含量低，自硬性较差。

1.3 生 石灰

石灰中的碳酸钙、钙酸镁煅烧后分别分解为氧化钙（CaO）和氧化镁(MgO)。石灰加到土中并加水拌和后，土的性质和结构很快开始变化，开始是絮凝和絮聚，随后土颗粒形成较大的颗粒。石灰的自结晶和碳化作用，可以增加土颗粒之间的胶结性或增大土中的固相成分，有利于强度的发展。

1.4 水淬矿渣

水淬矿渣主要矿物成分为硅酸二钙、铝酸三钙，主要化学成分为SiO2（约37.28%）,CaO(约 39.2),Al2O3(约 12.77)。

矿渣被激发后的水化产物除了与硅酸盐相同的C-S-H凝胶外，还生成高强度、难溶解的沸石类矿物。这些化合物的细微晶体具有很高的强度，不仅在热力学上极为稳定，而且是极难溶于水的物质。掺加到固化剂中，既可以充当集料，在水化过程中矿渣又可以参与固结土体的强度构建[2]。

1.5 激发剂

固化土孔隙液中Ca2+和OH-的浓度影响固化土中胶凝性水化物生成量,进而影响固化土抗压强度。固化剂中添加碱性激发剂，可有效激发粉煤灰、矿渣和粘土矿物的潜在活性，加速火山灰反应，改善和提高土壤的技术性能。其具体作用方式可以有三种：一是提供有效的氢氧根离子，形成较强的碱性环境，促使活性SiO2、Al2O3溶蚀，从而提高火山灰反应的速度；二是提供较强的碱，直接参与反应，加快基本火山灰胶结产生的生成；其三是提供酸根离子，并能与Ca2+、Mg2+离子作用，直接生成其它胶结物质。这三种具体的作用方式可以通过掺加无机碱、盐来实现[3]。

工程实践中，需要根据待修道路土质情况和道路等级要求的不同，调整上述各原料组分的比例。将各种原料按反应顺序依次加入球磨机，研磨15 min后，成为一种灰色粉末状复合型水硬性胶凝材料，按照材料的物质组成特点，属于无机类固化剂。比表面积为300 m2/kg，过80 μm 方孔筛筛余4 %。

表3 粉煤灰化学组成

3 粉砂土固化机理分析

土的固体颗粒大小和形状、矿物成分及其组成三相体系在空间的排列与联结特性，是决定土的物理力学性质的重要因素。在研究土体的增强改性时，必须研究土中矿物的基本颗粒与其微集聚体之间相互作用的性质与本质，即土在固化过程中，所经过的一系列物理、化学和物理化学综合作用；研究复合土壤胶结材料如何对土壤颗粒强化粒间结构连结，改善颗粒接触。

固化剂的固结原理不仅同材料组成有关，不同的土壤环境、固化时间的长短都会改变固化剂的作用机理。但固化剂的材料种类决定了固结原理的大致类型。采用水泥熟料和粉煤灰、石灰等无机材料组合的复合土壤固化剂，对粉砂土的固化效应可归结为两大效应，即复合胶凝效应和填充效应。固化土的结构为胶结性水化物包裹胶结土颗粒和胶结性或膨胀性水化物填充孔隙所构成,且孔隙填充对固化土强度增长起重要作用[4]。

3.1 胶凝效应

水化作用 固化剂中水泥熟料和石灰在水的作用下发生化学反应。

1）熟料中矿物与土中水分发生强烈的水化作用，同时从溶液中分解出氢氧化钙并形成其它水化物。

3）铝酸三钙（3CaO·Al2O3）含量约占全重的10%左右，其水化速度最快，促进早凝。

各种水化物生成后，有的继续硬化形成水泥石骨架，有的则与活性土反应，生成具有胶凝性质的产物。

2）石灰在水的参与下解离成Ca2+、OH-离子。

3）矿渣的水化产物主要以非晶态的玻璃体为主。除了C-S-H 凝胶外，还含有β-C2S、石英、钙铝黄长石、灰硅钙石、钠明矾石、硬柱石、羟钙石，碳酸钙镁，并含有γ-C2S、其他类型的硅钙石、片柱钙石以及水化硅酸钙等。

4）石膏水化时, 硫酸钙与铝酸三钙一起与水发生反应，除生成水化硅酸钙C-S-H 外,还生成含32 个结晶水的钙矾石，把大量自由水以结晶水的形式固定下来。

在其形成过程中固相体积将增长120%左右。由于其体积膨胀，填充孔隙,使固化土结构密实,孔隙量减少;除自身膨胀作用外,其针柱状结晶相互交叉,与C-S-H一起形成独特的空间网状结构,在孔隙中形成了很好的支架结构,使孔隙细化。钙矾石的这种填充和支撑孔隙的作用弥补了C-S-H 的不足,进一步增加固化土的强度。

3.2 离子交换与团粒化作用

水泥熟料和生石灰与土反应后生成的胶凝材料水化物中存在着Ca(OH)2及Ca2+、OH-、Mg2+、Al3+等离子，其中Ca2+、OH-与土粒表面吸附的Na+、K+等金属离子进行等当量替换，使双电层中扩散层减薄，结合水减少，土颗粒之间的结合力增强，土的塑性下降，并呈絮凝团聚现象，从而使大量的土颗粒形成较大的土团。水化生C-H-S还有强烈的吸附活性，又使土团进一步结合成链条状胶体，封闭了土团间的空隙，形成兼顾的联接，从而具有较高的强度[5]。

3.3 晶化作用

1）Ca(OH)2的结晶反应是石灰吸收水分形成含水晶格。

2）固化剂中的碱性激发剂与土混合后会产生含32 个结晶水的钙矾石针状结晶体,将土壤中大量的自由水以结晶水的形式固定下来,有效地填充土团粒间的孔隙使土变得致密起来;此外针状晶体交错穿插于土团粒中,也有效增强了土强度[6]。

3.4 火山灰作用（硬凝反应）

离子交换后，随着龄期的增长，水化反应的深入，溶液中析出大量的Ca2+。当Ca2+的数量超出上述离子交换的需要量后，则在碱性环境中与土壤中的活性SiO2、活性Al2O3反应，生成水化硅酸钙、水化铝酸钙及钙铝黄长石等。

这些水合物的形成，是长时间的缓慢过程，这是固化土后期强度增长的原因。它们在水和空气中逐渐硬化并与颗粒粘结在一起，形成网状结构，使土颗粒连接得更加牢固，改善了土的物理力学性能；同时土体对水的敏感性减小，提高了水稳性能，使得固化土的强度增高并长期保持稳定。

3.5 碳酸化作用

水化物中的游离氢氧化钙Ca（OH）2不断吸收水中HCO3-和空气中的二氧化碳（CO2），反应生成不溶于水的碳酸钙（CaCO3）。碳酸钙具有较高的强度和水稳性，组成结晶格架后结硬，提高土体强度。

填充效应是指固化材料颗粒与土壤颗粒相互填充，形成最紧密堆积结构，使土壤固化体系形成细观层次的自紧密体系。固化材料颗粒本身强度和硬度一般均较高，水化初期，水化产物和固化材料颗粒的未水化部分填充在钙钒石搭接的网络空间中或填充在原来被水占据的孔隙中，起到了强有力的微集料填充和骨架支撑作用。长期反应中，离子交换后被置换出的一价金属离子又对矿物层间填充，加强层间连接的致密性，这对土壤固化也是有益的。

[1]潘振华 粉砂土路基工程特性及其整治[J]铁道标准设计 2002.7，51-53

[2]张大捷，田晓峰，侯浩波矿渣胶凝材料固化软土的力学性状及机制[J] 岩土力学2007年9月第28 卷第9期，1987-1988

[3]宁建国 黄新 许晟 液相环境对水泥固化土抗压强度增长的影响[J] 北京航空航天大学学报 2006年8月第32卷第8期 983-984

[4]黄新 宁建国 许晟 根据土样性质指标进行软土固化剂设计的方法[J]工业建筑 2006年第36卷第7期13-14

[5]张普 SL型土壤固化剂性能的研究 北京工业大学硕士学位论文[D] 54

[6]宁建国 黄新 固化土结构形成及强度增长机理试验[J]