盐渍土地基加固新材料试验研究

任志刚, 韦 璐

(中国电建集团 成都勘测设计研究院有限公司,四川 成都 610072)

盐渍土地基加固新材料试验研究

任志刚, 韦 璐

(中国电建集团 成都勘测设计研究院有限公司,四川 成都 610072)

由于盐渍土中含有大量SO42-离子,在水泥加固过程中SO42-离子与水泥石中的Ca(OH)2等发生反应生成钙矾石(3CaO·Al2O3·3CaSO4·31H2O)和硅矾石(CaCO3·CaSO4·CaSO3·15H2O),引起加固土的体积膨胀,其产生的膨胀力使得水泥加固土强度损失。抗盐胀固化剂在水泥加固的基础上掺入外掺剂,抑制土中SO42-离子与Ca2+离子的反应,并加速水化硅酸钙(CSH)的形成,从而抑制高矿化度地基土加固中产生的盐胀,同时产生的晶核效应使得加固土中的强度得到增长。通过正交试验数据得到的回归模型,可在确定试验土含盐量和含水率的基础上确定固化剂最佳配比。

高矿化度地基土;抗盐胀;加固新材料;晶核效应;回归模型

1 概述

盐渍土中的易溶盐含量>0.3%,作为一种特殊土类,具有独特的物理力学及工程特性,公路修建中易产生盐胀、溶陷、腐蚀等路基路面病害,甚至引起路面波浪、鼓包、开裂等破坏[1]。随着中国中西部的建设与发展,盐渍区修建铁路、公路所面临的问题越加突出,为了保证盐渍土地区工程的合理性及后期的安全运营,对盐渍土路基填料进行加固处理具有一定的必要性。

由于盐渍土的特殊性,在盐渍土的固化中,传统固化材料表现出了更多的不足之处,研究表明,土壤中的有机酸对固化土效果有很大影响,当土中有机酸达到一定含量时,水泥则失去加固效果;而目前大部分的新型固化剂是针对固化软粘土开发研制的,对于固化盐渍土的高分子材料SH固土剂的研究也仅仅考虑到盐渍土加固的强度、水稳定性和饱水强度的改善等方面,未考虑盐渍土与水泥间的盐胀开裂,因而针对高矿化度地基土的盐胀等问题,新型抗盐胀固化剂的研究十分重要。

2 盐渍土地区水泥路基病害机理

水泥土固结过程分为初级和次级两阶段。初级阶段即水泥的水化和硬化,当水进入水泥中作用后,产生的主要水化物为水化硅酸钙(CSH)、铝酸钙(CAH)以及消石灰,其中CSH起了最主要的胶结作用,石灰沉淀成了透明固体。在次级阶段中,水泥水合作用产生了Ca2+,Ca2+与粘土颗粒中的钠、钾粘土吸附转化成为钙粘土,同时与土中所存在的硅酸根和铝酸根反应,生成CSH、CAH和水化硅铝酸钙(CSAH)等具有粘结性的物质,成为水泥稳定土最主要的胶结过程[2]。

当土体中含有碱性硫酸盐(如Na2SO4、K2SO4等)时,水泥石中的Ca(OH)2便与碱性硫酸盐发生反应:

3CaSO4+4CaO·Al2O3·19H2O+14H2O→Ca(OH)2+3CaO·Al2O3·3CaSO4·32H2O

2CaSO4+3CaO·Al2O3·CaSO4·18H2O+14H2O→3CaO·Al2O3·3CaSO4·32H2O

生成CaSO42H2O并且结晶析出,其体积约为Ca(OH)2的两倍多,造成水泥土膨胀;当SO42-浓度较低时,CaSO42H2O与固态水化铝酸钙发生反应,生成水化硫酸铝酸钙晶体,其反应由于是在固相中进行,结合了大量结晶水,体积变为水化铝酸钙的2.5倍左右;当SO42-含量过大时,产生的膨胀性物质过剩,一旦膨胀力超过水泥土的胶结力,水泥土的胶结便会破坏,造成水泥稳定土的强度降低[3]。

同时,土中的SO42-还将与水泥发生反应生成同样具有膨胀性的钙硅石:

CaCO3+Ca(OH)2+SiO2+CaSO4·2H2O+12H2O→CaCO3·CaSO4·CaSO3·15H2O

同钙矾石反应机理一样,钙硅石同样会对水泥土的强度产生影响。

由上述各反应机理可知,破坏水泥加固盐渍土强度的最主要原因是由于土体中存在大量的SO42-,与水泥水化产物Ca(OH)2之间产生一系列反应,因此要抑制水泥加固盐渍土的盐胀变形,增强盐渍土地区的水泥加固土强度和耐久性,其根本是要抑制土体中SO42-和Ca(OH)2之间的反应[4]。

3 力学特征试验

3.1 试验材料

3.1.1 试验用土

试验主要采用人工配制硫酸盐盐渍土进行。试验用土为延安地区黄土,其基本参数见表1。将所备土样过2 mm标准筛,按照一定含水率配制好后在室温下密封静置24 h,再根据硫酸盐盐渍土不同含盐量称取所需Na2SO4,将称取的Na2SO4倒入土中搅拌均匀,室温下密封存放7 d,使得土样中的盐分能够分布均匀并与土体充分交换吸附,其后加入盖过土体的足量的蒸馏水放置2 d,使土样和盐分继续交换吸附,在完成以上步骤之后将土样放置于自然状态下风干,进行碾碎过筛(2 mm)后得到人工配制盐渍土。

3.1.2 水泥

采用拉法基牌P·O42.5R普通硅酸盐水泥,其主要化学成分如表2。

3.1.3 外掺材料

针对硫酸盐盐渍土水泥加固盐胀特性,拟选用三种外掺剂作为抗盐胀固化剂的主要材料选择,其中1#外掺剂为灰色粉末,2#外掺剂为白色粉末,3#外掺剂为浅黄色溶液,三种外掺剂的主要技术指标如表3、表4和表5所示。

表1 试验用黄土物理力学参数

注:土中总含盐量为0.070%,pH值为6.75。

表2 42.5R水泥技术性质指标

表3 1#外掺剂技术指标

表4 2#外掺剂技术指标

表5 3#外掺剂技术指标

3.2 对比试验

(1) 1#试样 425#普通硅酸盐水泥掺入比aw=7%;1#外掺剂掺量为2%(灰重);水灰比0.6。

(2) 2#试样 425#普通硅酸盐水泥掺入比aw=7%;2#外掺剂掺量为2%(灰重);水灰比0.6。

(3) 3#试样 425#普通硅酸盐水泥掺入比aw=7%;3#外掺剂掺量为10%(灰重);水灰比0.6。

将以上3种试样进行正常养护,测定28 d龄期下试样的体积膨胀量ve、无侧限抗压强度σbc以及抗折强度ft与时间T之间的关系曲线如图1-图3所示。

图1 加固土体积膨胀率ve与龄期T关系曲线Fig.1 Relationship between linear expansion rate and age of reinforced soil

由图1体积膨胀率与龄期的关系曲线可以看出,体积膨胀的最主要阶段在养护7 d前,添加3#外掺剂的试样在3 d时膨胀率最大,随着养护龄期的增加,试样的体积膨胀率逐步变缓,在7 d时呈现一个拐点,增长率降低,体积变化趋于稳定;整个养护过程中,添加1#外掺剂的试样,体积膨胀率曲线最缓,变化最小,养护28 d后膨胀率仅为0.024%,而添加3#外掺剂的试样体积膨胀率达到0.5%左右。

图2 加固土无侧线抗压强度σbc与龄期T关系曲线Fig.2 Relationship between pressure intensity without lateral limit and age of reinforced soil

图3 加固土抗折强度ft与龄期T关系曲线Fig.3 Relationship between flexural strength and age of reinforced soil

由图2无侧限抗压强度与龄期关系曲线以及图3抗折强度与龄期的关系曲线可以看出,1#试样的无侧限抗压强度和抗折强度均为最大,且在7 d后,其强度仍保持较高的增长趋势,2#试样和3#试样的强度增长开始变缓,2#试样的无侧限抗压强度与3#试样基本相同,而抗折强度则明显高于3#试样。

综合盐渍土加固的盐胀、无侧限抗压强度及抗折强度的结果分析,1#外掺剂的各参数均最佳,因此最终选定1#外掺剂作为抗盐胀固化剂的外掺剂。

3.3 正交试验

为了更好地研究抗盐胀固化剂的配比问题,试验采用正交试验进行分析。由于盐渍土的加固除了受到抗盐胀固化剂的配比影响外,其本身的含水率以及土体内的含盐量也起了一定的影响作用,因而在对于抗盐胀固化剂的配比选择上,同样考虑了土的含水率以及土中含盐量,从而得到一个加固效果最佳模型。

保持水灰比0.6不变,参照相关文献[5],正交试验各因素和水平见表6。

将膨胀试验、无侧线抗压强度试验以及抗折试验的极差分析分别绘制成图,见图4-图6。

表6 正交试验因素水平

图4 膨胀率极差图Fig.4 Linear expansion rate range

图5 28 d无侧限抗压强度极差图Fig.5 28 d pressure intensity without lateral limit range

图6 28 d抗折强度极差图Fig.6 28 d flexural strength range

从极差分析图4-图6可以看出,对于膨胀试样来说,膨胀值越低,效果越好,因此,对影响因素从高到低排列的主次为:含盐量>水泥掺入量>外掺剂掺入量>土的含水率。在抗压强度和抗折强度测试中,当强度值越大表明试验效果越明显,故抗压强度试验中影响因素从高到低排列的主次为:外掺剂掺入量>水泥掺入量>土的含水率>含盐量;而抗折强度中由高到低排列的影响因素主次为:水泥掺入量>外掺剂掺入量>土的含水率>含盐量。

3.4 抗盐胀固化剂最佳配比模型

将正交试验数据放入MATLAB中进行拟合,分别将土中自身含水率X1、土中自身含盐量X2、水泥掺量X3、外掺剂掺量X4(与水泥间的掺量比)和体积膨胀率、无侧限抗压强度、抗折强度进行非线性回归分析,设定回归模型。

νe=a1X1a2+a3X2a4+a5X3a6+a7X4a8

无侧限抗压强度:

σbc=a1X1a2+a3X2a4+a5X3a6+a7X4a8

抗折强度:

ft=a1X1a2+a3X2a4+a5X3a6+a7X4a8

将试验数据进行拟合得到结果如下:

+0.118 4X4-0.054 4

σbc=2.923 8X1-0.047 2+2.362 9X2-0.050 9-6.892 8X3-0.045 9+3.647 9X40.057 1

ft=a1X1a2+a3X2a4+a5X3a6+a7X4a8

对各模型进行非线性回归检验,结果见表7。通过检验分析可以发现,其相关系数和F值均达到检验标准,回归模型的拟合效果达到要求。

表7 抗盐胀模型非线性回归检验

4 加固机理试验研究

分别进行了新型抗盐胀加固剂的水化放热性能试验和XRD定性分析试验,从加固土的水化过程及水化产物两个方面对新型抗盐胀加固剂的加固机理进行了试验研究。

4.1 水化热试验

由于在DR算法中，f和g所定义的迭代序列不是对称的，若交换f和g，则会得到不同形式的算法迭代格式。从而对于问题(2.3)的求解，我们给出4种不同形式的DR迭代算法。

通过对水泥浆液中添加硫酸盐的水化热试验模拟硫酸盐盐渍土地区水泥加固土中的水泥放热反应,并且通过同时添加硫酸盐和外掺剂进行水化热试验来模拟抗盐胀加固剂的放热过程。试验中采用同浓度的盐水代替盐渍土中的盐和相对应水灰比的水,通过盐水与加固材料之间反应的放热比来模拟盐渍土加固中的反应[6]。

纯水泥浆液、添加Na2SO4水泥浆液、添加Na2SO4抗盐胀固化剂浆液的时间温升曲线见图7。

从图7可以看出,土中的Na2SO4使得水泥水化过程中水化热增加,其水化热峰值出现时间提前,水化过程发出的热量增加,1 d和4 d的水化热性能得到了提高,对于加固土起到早强的作用;而添加抗盐胀固化剂的试样,其变化趋势更为明显,在水化热峰值提前的同时,其水化热峰值温度变化更大,发出的热量更高,峰值相差近10℃。

图7 不同条件下加固土时间—温升曲线Fig.7 Time temperature rise curve of different reinforced soil ramification

4.2 XRD定性分析

从水化试样的内部取出2.5～5.0mm的小试块,并采用无水乙醇和丙酮来终止试块的水化反应,将试块研磨成粉末,进行XRD分析。

由于各试样的掺剂配比不同,其水化产物含量也不同,其X-射线衍射图谱及产物见图8。

图8 不同条件下加固土的X-射线衍射图谱Fig.8 X-ray diffraction pattern of different reinforced soil ramification

根据XRD图谱分析加固土反应过程中的水化产物可以明显看出,各试样的水化产物大致相同,其主要产物为水化硫铝酸钙(钙矾石)AFt、氢氧化钙CH、水化硅酸钙CSH2、水化铝酸钙C4AH13以及未水化的硅酸二钙C2S。

由于浆液中Na2SO4的存在,水化产物AFt的衍射峰达到最高,即水化过程中产生了较多的AFt。此外,CH和残余的C2S相对较多。而外掺剂的掺入降低了抗盐胀固化剂浆液中AFt的含量,与添加Na2SO4溶液的纯水泥浆液相比,抗盐胀固化剂浆液中的CSH2和C4AH13含量增加,而C2S的含量基本一致。

4.3 加固机理分析

当土中含有Na2SO4时,Na2SO4与水泥中的Ca(OH)2发生反应生成CaSO42H2O和NaOH,所生成的次生石膏更易与C3A发生化学反应生成钙矾石,使得加固土体积膨胀[7]。在这一过程中NaOH被消耗,整个加固土中的液相体系中,Ca2+的浓度下降的同时,离子的浓度相应得到了增加,C3S这一包覆层里外的离子浓度差值增大,使得C3S的早期水化速度得到了提高,因此适量的Na2SO4条件下加固土的水化热得到了增长,其温度峰值时间提前并且增大,但这一趋势也随着Na2SO4浓度的增加逐渐降低[8]。

抗盐胀固化剂的掺入,使得Na2SO4与水泥中的Ca(OH)2得到抑制,固化剂中的外掺剂与溶液中的Ca(OH)2相结合发生如下反应:

C3S+H2O→CSH+Ca(OH)2

SiO2+Ca(OH)2+H2O→CSH

反应生成了水化硅酸钙(CSH),这一物质大大地降低了Ca(OH)2在溶液中的浓度,加固土的水化过程得到加速,水化峰值时间提前。Ca(OH)2浓度的降低也使得与Na2SO4反应生成的钙矾石减少,从而达到抑制硫酸盐渍土水泥加固中的体积膨胀问题[9]。

同时,固化剂中外掺剂的掺入对于加固土的水化过程起“晶核效应”的作用,即在降低Ca(OH)2浓度、发生反应形成CSH凝胶的同时,凝胶和Ca(OH)2单晶体细粒化,这一过程与金属材料的合金元素晶粒细化相似,使得反应生成的水化产物在浆液内部均匀分布,强度得到增长。

当固化剂中的外掺剂含量较低时,Ca(OH)2不能完全结合,则无法转化为高碱性的水化硅酸钙,产生的低碱性水化硅酸钙的数量相对较少,则强度增长并不明显,同样地,当掺量过多后,这一效应也不能充分发挥作用。

5 结论

(1) 引起高矿化度地基土盐胀变形、强度损失的最主要原因是由于SO42-离子在水泥土重结晶的过程中产生的膨胀力大于水泥土自身的胶结力。

(2) 从膨胀率、无侧限抗压强度以及抗折强度测试结果可以看出,所选用的3#外掺剂对于加固土的膨胀抑制作用是明显的,同时改善了固结体后期力学性能。

(3) 根据正交试验结果得出的加固材料配比模型具有较好的回归性,在实际运用中,可参照该模型根据现场盐渍土的含水率和含盐量以及设计水泥掺量值,在盐胀率、无侧限抗压强度和抗折强度达到要求的前提下确定外掺剂的最佳掺量。

(4) 抗盐胀固化剂抑制高矿化度地基盐胀的理论依据是晶体生成、成长及沉积过程中的离子竞争吸附,使晶体生成的方向发生变化。抗盐胀固化剂中外掺剂的掺入加速了水化硅酸钙(CSH)的形成,并且对加固土起着 “晶核效应”,增强了加固土强度。

[1] 王遵亲,祝寿泉,俞仁培,等.中国盐渍土[M].北京:科学出版社,1993.

[2] 张登良.加固土原理[M].北京:人民交通出版社,1990.

[3] 裴向军,吴景华.搅拌法加固海相软土水泥外掺剂的选择[J].岩土工程学报,2000,22(3):319-322.

[4] 裴向军,黄润秋,靖向党,等.活化粉煤灰抑制高矿化度水泥土膨胀的研究[J].岩土力学,2005,26(3):370-374.

[5] 周琦,韩文峰,邓安,等.滨海盐渍土作公路路基填料试验研究[J].岩土工程学报,2006,28(9):1177-1180.

[6] 黄学辉,郑健,马保国,等.外加剂对水泥净浆水化热的影响[J].武汉理工大学学报,2003,25(1):26-29.

[7] 郝巨涛.水泥土材料力学特性的探讨[J].岩土工程学报,1991,13(3):53-59.

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[9] 黄春香.水泥—水玻璃加固软土研究[D].福州:福州大学,2002.

(责任编辑：于继红)

Experimental Study on New Reinforced Material for Foundation of Salty Soil

REN Zhigang, WEI Yao

(ChengduEngineeringCorporation,PowerConstructionCorporationofChina,Chengdu,Sichuan610072)

The foundation of salty soil contains a lot of ion SO42-,in the process of cement stabilization,SO42-reacted with ions like Ca(OH)2and so on to generate ettringite(3CaO·Al2O3·3CaSO4·31H2O)and silicon alum stone(CaCO3·CaSO4·CaSO3·15H2O),which caused the volume expansion of reinforced soil and lost the strength of reinforecd soil.Salt resistance expansion agent mixed with the additive agent on the basis of centment stabilization.It can inhibit the reaction between SO42-and Ca2+,and accelerate the formantion of calcium silicate hydrate(CSH),which inhibit the salt heaving during the process of reinforcing foundation soil with high salinity.At the same time,the effect of crystal nucleus caused by the reaction can increased the strength of reinforced compacted soil.The regression model obtained by the orthogonal experiment data can be used to determine the best ratio of curing agent based on the salt salinity and moisture content of test soil.

foundation soil with high salinity; anti-suffusion; new reinforced material; effect of crystal nucleus; regression model

2016-04-15;改回日期:2016-04-25

任志刚(1972-),男,高级工程师,水文地质与工程地质专业,从事水利水电工程勘测设计工作。E-mail:282033163@qq.com

S155.2+93; TU521

A

1671-1211(2016)03-0410-05

10.16536/j.cnki.issn.1671-1211.2016.03.038

数字出版网址:http://www.cnki.net/kcms/detail/42.1736.X.20160504.0924.034.html 数字出版日期:2016-05-04 09:24