水泥加固土硬化机理探讨及其工程应用

2015-04-07刘桂花陈启业

四川水泥 2015年3期

关键词：龄期深层软土

刘桂花陈启业

（1.重庆交通大学土木工程学院； 2.重庆浩力环评，重庆 400074）

水泥加固土硬化机理探讨及其工程应用

刘桂花1陈启业2

（1.重庆交通大学土木工程学院； 2.重庆浩力环评，重庆 400074）

通过对水泥加固土的硬化机理的探讨，研究水泥加固土的性能及其强度的影响因素，并介绍了水泥加固土深层搅拌桩的在工程（加强地面承载力、防渗工程等）地基处理中的应用。

水泥土强度深层搅拌桩软土承载力

引言

水泥加固土在加固软土技术具有独特的优点，在软土地基中已得到广泛应用，但是在实践中其加固效果有时候并不理想，本文在研究水泥土的硬化机理的基础之上，分析了影响水泥土强度的几种主要因素，并介绍了先进应用较为广泛的深层搅拌桩法在实际工程中得应用。

1 水泥加固土的硬化机理

水泥加固土的强度来源主要有以下两方面，水泥自身水化物的胶结作用和水泥水化时产生的Ca(OH)2与土中的活性物质发生的反应所产生的物质的胶结作用。前者是强度的主要构成部分。因土的组成多种多样，水泥的水化反应及水化产物也不尽相同，即使加入相同的水泥掺量，得出的结果却是不同的，有的甚至相差甚远。多数学者在分析土对水泥加固土的影响时，重点都是Ca(OH)2与土中的活性物质的硬凝反应而忽略了土本身的影响，这在科研上显然是不客观的。

1.1 水泥加固土的硬化机理及分析

水泥在与土拌合后，因土中含有水分，水泥中的矿物质会和水发生反应，同时会分解出氢氧化钙，即水泥的水化硬化过程。部分水泥水化产物填充于水泥土的空隙之中，约束土粒达到加固的效果。另一部分则与土中的活性物质作用，使土团结，提高土的强度，其中以硬凝反应尤为重要。

水泥土中的水达到Ca(OH)2的饱和或过饱和状态是水泥土硬化达到最佳状态的条件，但在水泥土中，通常Ca(OH)2是不饱和的，因为水泥的水化产物不仅以Ca(OH)2形式存在，还以、CaO和OH-等多种形式存在，在产生水泥水化产物的同时，土体也大量吸收或损坏Ca2+、CaO和OH-。由文献1实验得出土样在与CaO拌合几分钟至几小时内，就可以吸收土样重量3%的CaO[1]，同时土质胶体部分所吸附的H+，Al3+，Na+，K 等阳离子会与Ca2+和进行反应，降低孔隙水中得Ca2+和OH-的浓度。而通常加入水泥土产生的水化物不能满足土对Ca(OH)2的要求。文献2的试验结果也表明：水泥土中孔隙水中的浓度仅为水泥浆的1/3～1/13，CaO浓度仅是水泥浆中的1/3。此外，一个月后土中活性物质将与Ca(OH)2进行硬凝反应，还将继续消耗大量的。

2 水泥加固土的物理力学性质及影响因素

2.1 含水率

水泥土在水化反应等过程中，其中部分自由水会以结晶水的形式被固定下来，含水率会比原来土中的低，且随着水泥掺量比增大其降低率增加[3]。

2.2 重度

因灌入的水泥浆与天然软土的重度差不多，所以水泥土的重度与原来土样差别不大，说明用水泥浆加固软土时，不会对下面未加固部分不会产生大的附加荷载，也就不会产生大的附加沉降。

2.3 孔隙比

水泥的粘结作用使土粒团结，减小了孔隙比，有实验结果得出，孔隙比随着水泥掺量增加而减小。

2.4 抗剪强度

实验3得出：水泥抗剪强度随龄期增加而增加，随含水量增加而降低，而无侧限抗压强度随含水量增加而降低，则抗剪强度与无侧限抗压强度成正比关系。2.5 无侧限抗压强度

通常水泥土的无侧限抗压强度比天然软土的大几十到几百倍。水泥土变形特征随强度的不同介于脆性体与弹性体之间[3]。当外力达到极限强度时，水泥土很快会出现脆性破坏，且破坏后残余强度很小，在受力小于极限强度时，水泥土则变现为塑性破坏。

影响的因素：水泥掺量、水泥标号、龄期、含水量、有机质含量、外掺剂、养护条件及土的性质等。其中主要影响因素有

(1) 土中有机质含量

天然土中有机质使土壤具有较大的水容量、塑性、膨胀性和低渗透性，并使土壤具有酸。它们都会阻碍水泥的水化反应，影响水泥土的固化，降低水泥土的强度。

文献得出∶土中有机质影响着试样的微观结构特征，有机质含量越高，试样结晶程度越低，颗粒越细小，结构也越松散；反之，经水泥加固后结构较致密，水泥结晶较明显，结晶物质连接了土颗粒，从而提高了水泥加固土的强度[4]。有机质含量越高，力学性质越差，说明了有机质对水泥加固软土效果的影响。

（2）龄期

水泥土的强度随龄期增长而增大，且龄期超过28天后还有明显增长。据电子显微镜观察，水泥和土的硬凝反应需3个月才能充分完成。所以《建筑地基处理技术规范》建议以龄期T=90天的无侧限抗压强度作为水泥土的强度标准值。但在工程实践中，由于多数工程施工工期原因，90d龄期的标准强度检测给室内试验和现场检测带来了一定的困难。目前广泛使用的方法是根据短龄期(7d，28d)的试验、检测数据，按照强度增长规律推测90d的强度[5-6]。

(3) 水泥强度

水泥标号越高，强度越大，对土的粘结力就越强。水泥土的强度与水泥强度成正比，随水泥标号增加而增加。

3 深层搅拌桩在实际中得应用

3.1 工程应用

深层搅拌桩是用水泥作为固化剂，在地基深处通过机械搅拌将软土和固化剂强制搅拌，有水泥与软土之间产生一系列的物理化学反应，事软土称为具有整体性、水稳定性和一定强度的水泥加固土，从而提高地基的强度和增大变形模量。深层水泥搅拌桩可以用于增加地基的承载能力、减少沉降量、提高边坡的稳定性[7]。

（1）防渗作用

水泥土反应形成一种独特的水泥结构，具有一定的强度，且反应形成的水泥加固土的结构能大大改变原结构的渗水性，其渗透系数一般比原状土降低约10-2。其渗透系数的变化与水泥的掺量成反比，而水泥土的强度则与水泥掺量成正比。这说明了加固的时候混合越均匀，泥土粉碎的越小，则水泥与土混合的月均匀，加固的效果更明显，土的防渗作用改善的越好。

（2）改善软土地基

水泥加固土是改善软土地基的有效的办法，主要表现在以下两方面：通过一系列物理化学反应从而增强横向抵抗力和软土地基的承载力：加大软土基础的固化率。