外加剂对水泥-水玻璃固化软土影响效果试验研究

朱思迪，顾强康，姚志华

(空军工程大学航空航天工程学院,西安 710038)



外加剂对水泥-水玻璃固化软土影响效果试验研究

朱思迪，顾强康，姚志华

(空军工程大学航空航天工程学院,西安 710038)

针对含水率高于75%，孔隙度大于2.0软土的固化处理，提出了一种在传统水泥-水玻璃基础上添加氯化铝溶液与石膏的固化方法，并结合无侧限抗压强度试验研究了石膏掺量、氯化铝溶液浓度、龄期及水泥掺入比对固化效果的影响规律。试验结果表明：石膏的添加能显著提高固化土强度，且存在一定最佳掺量。在未添加石膏时，固化土强度随氯化铝溶液浓度增大而提高。在掺有石膏时，添加低浓度氯化铝溶液的固化土早期强度较高，但后期强度增长较小；添加高浓度氯化铝溶液的固化土早期强度较小，但后期增长较大，同时氯化铝溶液也存在一定最佳浓度。

固化土； 水泥-水玻璃； 石膏； 氯化铝溶液； 钙矾石

1 引 言

水泥土搅拌法是加固饱和软黏土地基的一种成熟方法，最适宜于加固各种成因的饱和软黏土，其通常利用水泥、石灰等材料作为固化剂主剂，通过特制的搅拌机械，在地基中将软土和固化剂强制搅拌，利用固化剂和软土之间所产生的一系列物理-化学反应，使软土硬结成具有整体性、水稳定性和一定强度的优质地基[1]。在实际工程运用中，为了改善水泥土的硬化条件，提高加固效果，常加入一些掺加剂，如石膏、水玻璃等。其中，水泥-水玻璃固化土具有凝结时间短、结石后抗压强度高的优点。黄春香[2,3]通过对福州地区不同淤泥的试验研究，得出水泥-水玻璃固化土的抗压强度与原状土本身物理力学性质的关系。简文彬等[4]采用扫描电镜技术对不同龄期水泥-水玻璃加固软土的微观结构特征进行了观察和研究，并从化学和物理两个方面分析了水泥-水玻璃固化软土的微观机理。程福周[5]利用水泥-水玻璃固化东湖淤泥，并得出硅酸钠的添加能明显提高固化土无侧限抗压强度的结论。同时，关于石膏的添加对水泥土加固效果的影响，近年来也进行了一些相关的研究。黄新[6]用普通硅酸盐水泥、石膏和一种含铝膨胀组分构成的复合固化剂，选取 2 种有代表性的试样，进行软土固化试验研究，指出钙矾石的生成在固化土中是否产生增强效果，主要取决于钙矾石与水化硅酸钙凝胶生成过程的协调性。黄雨[7]利用XRD试验和SEM试验分别研究了原状软土、含石膏加固土和不含石膏加固土的微观结构特征，对比分析了导致加固效果差异的微观机理及形成原因。丁建文[8]本着“以废治废”思想将磷石膏加入水泥用以固化疏浚淤泥，研究其强度影响因素与应力-应变曲线，得出了磷石膏的添加能显著提高固化效果但存在一定最佳掺量的结论。总的来说，运用水泥-水玻璃加固软土地基具有凝结时间短、抗压强度高的特点，而石膏的添加也能显著改善水泥土的性能。

水泥土的强度组成主要包括土粒间的胶结与孔隙填充两部分。对于孔隙度大、含水率高的饱和淤泥，单纯使用水泥加固效果往往不明显。宁建国和黄新的研究[9]表明水化硅酸钙在强度形成中主要起胶结作用，其将松散的土颗粒用化学方式胶结在一起。但对于大孔隙的松散软土，水泥的水化产物无法很好地起到填充孔隙的作用。因而导致固化土内仍存在大量孔隙，密实度低，影响强度的进一步提高。因此，在固化此类软土时，即使采用很高的水泥掺入比也难以起到很好的固化效果。而石膏的添加则能很好地解决这一问题，其水化生成的钙矾石产生体积膨胀，能有效填充孔隙，提高密实度，进而提高强度。

本文基于以上理论与研究，针对含水率高于75%，孔隙度大于2.0的软土地基处理，提出了一种在水泥-水玻璃中添加氯化铝溶液与石膏的固化方法。选取来自武汉东湖的淤泥进行固化试验，随后测定其无侧限抗压强度，研究了石膏掺量，氯化铝溶液浓度，龄期及水泥掺入比对此类固化土强度的影响规律。

2 试 验

2.1 试验材料

试验材料包括：惠州塔牌P·C 42.5R复合硅酸盐水泥，其主要化学成分见表1。东岳产工业水玻璃(模数3.3，波美度40°Be，)。分析纯二水石膏(CaSO4·2H2O 含量>99.5%)，其主要化学成分见表2。天津科密欧产工业结晶氯化铝(AlCl3·6H2O分子量241.43，含量>97.0%)。

表1 水泥主要化学成分Tab.1 Chemical composition of cement /%

表2 石膏主要化学成分Tab.2 Chemical composition of gypsum /%

试验用土取自武汉东湖，其物理力学性质指标见表3。根据土的分类方法[10]，此土属于高液限黏土，含水率高，孔隙度大，其中有关性质指标依据《公路土工试验规程》[11]测定。试验进行前，先将取来的土样自然风干，用木制榔头击碎，并过2 mm筛去除杂质，装入塑料盆内以备用。

2.2 试验方法

在试验开始前，先用水合氯化铝晶体配制不同浓度的氯化铝溶液。试验中水泥掺入比定义为水泥与天然淤泥的质量比，石膏掺量定义为所加入石膏与水泥的质量之比。

试样制备时，先称取一定量土与水，并按不同掺入比称取相应重量的水泥与石膏。按照水灰比1∶1加入水并搅拌均匀，读取水泥浆体积，按水泥浆与水玻璃1∶0.5的体积比量取水玻璃，按水玻璃与氯化铝溶液1∶0.25的体积比量取氯化铝溶液。为防止水玻璃加入后过快凝固，先将水泥浆与淤泥混合均匀，再加入水玻璃与氯化铝溶液。经搅拌机充分搅拌后分3层装入内径3.91 cm，高为8 cm的钢制模具内制成无侧限抗压强度试样，每层经振动排除气泡。用刮土刀将试样表面刮平，并用聚乙烯塑料袋包裹，放入(20±2) ℃、湿度>90%的标准养护箱中养护24 h后脱去模具，脱模后继续用塑料袋包裹养护至设定龄期。本文试验参照《土工试验方法标准》[12]进行，使用YLQD-1B路面材料强度试验仪进行无侧限抗压强度试验，每个试样测定3个平行样，取其平均值作为该组试样的无侧限抗压强度，若某一试样与平均值之差大于20%，则剔除该组试样，取剩下的测试值计算平均值。所有试样的初始含水率均为80%。

2.3 试验方案

试验中水泥掺入比取为20%，为研究石膏掺量对强度的影响规律，石膏掺量取为0%、10%、20%、30%、40%、50%共六种情况，即设置不添加石膏的分组作为空白对比。参考陈沅江[13]的试验结果，共设置0.5、1、2、3、4 mol/L五种浓度的氯化铝溶液，试验方案见表4。另外，为研究水泥掺入比不同时所带来的影响，还补充进行了氯化铝溶液浓度2 mol/L时，不同石膏掺量下水泥掺入比为10%和15%的固化土7 d抗压强度试验。

表3 淤泥的物理力学性质指标Tab.3 Physico-mechanical characteristics of the soil sludge

表4 试验方案Tab.4 Experiment scheme

3 结果与讨论

3.1 石膏掺量对强度的影响

石膏掺量对固化土强度的影响如图1所示。试验结果表明，在添加不同浓度氯化铝溶液的情况下，当石膏掺量较小时，固化土强度随石膏掺量的增加而提高，但达到一定程度后，其强度随着石膏掺量增加反而减小，即存在一个最佳石膏掺量。同时，从图1a和1b可以看出，龄期7 d与28 d，对应不同氯化铝溶液浓度下的石膏最佳掺量均为20%。在石膏的最佳掺量下，不同氯化铝溶液浓度的固化土28 d强度比未添加石膏时提高了1.51～2.74倍，石膏的添加显著提高了固化土的强度。

3.2 氯化铝溶液浓度对强度的影响

氯化铝溶液浓度对固化土强度的影响如图2所示。试验结果表明，对于未添加石膏的试验组，其固化土强度随着氯化铝溶液浓度增加而不断增大。在石膏掺量不同的情况下，当氯化铝溶液浓度较低时，随着浓度的增大，固化土强度增大，但超过一定程度后，固化土强度开始下降，存在一个最佳浓度。从图2(a)和2(b)可以看出，龄期7 d与28 d，对应不同石膏掺量的氯化铝溶液最佳浓度都为2 mol/L。通过比较图2与图1可以发现，氯化铝溶液浓度变化对固化土强度的影响并没有石膏掺量那么明显。

图1 强度与石膏掺量关系(a)7 d；(b)28 dFig.1 Relationships between unconfined compressive strength and gypsum content

图2 强度与AlCl3溶液浓度关系(a)7 d；(b)28 dFig.2 Relationships between unconfined compressive strength and AlCl3solution concentration

3.3 龄期对强度的影响

3.3.1 不同石膏掺量下龄期对强度的影响

如图3所示，氯化铝溶液浓度为2 mol/L，不同石膏掺量下,龄期对固化土强度的影响十分显著，二者呈正相关关系，固化土强度随龄期增加明显增大。图3亦表明，石膏的最佳掺量与龄期无关，不论龄期3 d、7 d、14 d，还是28 d，石膏最佳掺量均为20%。同时，在石膏最佳掺量下的固化土3 d与7 d强度比未添加石膏分别提升了188%和274%，石膏的添加明显提高了固化土的早期强度，这对于加快施工进度有重要意义。

图3 不同石膏掺量下强度与龄期关系Fig.3 Relationships between unconfined compressive strength and curing time under different gypsum content

3.3.2 不同氯化铝溶液浓度下龄期对强度的影响

如图4所示，在石膏掺量为20%，氯化铝溶液浓度不同的情况下，固化土的强度随着龄期增加而增大。当氯化铝溶液浓度较低，为0.5 mol/L和1 mol/L时，固化土早期强度较大，随着龄期增加强度增长缓慢；当氯化铝溶液浓度较高，为2 mol/L、3 mol/L、4 mol/L时，固化土早期强度较小，随着龄期增加强度增长迅速，其中氯化铝溶液浓度为2 mol/L时强度增长最大。这说明低浓度的氯化铝溶液使固化土早期强度较高，相对而言，高浓度的氯化铝溶液则使固化土中后期强度增长较大，同时氯化铝溶液浓度不宜过高，在本次试验中为2 mol/L最佳。

图4 不同AlCl3溶液浓度下强度与龄期关系Fig.4 Relationships between unconfined compressive strength and curing time under different AlCl3solution concentration

3.4 水泥掺入比对强度的影响

氯化铝溶液浓度为2 mol/L，龄期7 d，不同水泥掺入比下石膏掺量对固化土强度的影响如图5所示。试验结果表明，水泥掺入比对强度的影响很大，水泥掺入比越高，固化土强度越大。不同水泥掺入比情况下的石膏最佳掺量不同，当水泥掺入比为20%时，石膏的最佳掺量为20%；水泥掺入比为10%和15%时，石膏的最佳掺量为30%。这说明当水泥-水玻璃的掺入量减少时，需要加入更多石膏才能使强度达到最高值，但影响固化土强度的最主要因素还是水泥掺入比。

图5 不同水泥掺入比下强度与石膏掺量关系Fig.5 Relationships between unconfined compressive strength and gypsum content under different cement incorporation ratio

4 固化机理分析

4.1 氯化铝溶液的增强作用

水泥-水玻璃加固软土具有凝结速度快，加固强度高的特点。这主要是由于水合硅酸钠与水泥水化产物Ca(OH)2反应迅速，生成CSH凝胶和NaOH，从而提高体系碱度并加快水泥水解。相较于常用的缓凝剂磷酸氢二钠，氯化铝作为水泥-水玻璃的缓凝剂时具有进一步提高浆体抗压强度，增强耐久性，中和碱性排出水的作用[13]。氯化铝的加入促进了水玻璃形成游离的Si(OH)4，减缓了水玻璃与水泥的反应，同时其水解生成的Al(OH)3与 Si(OH)4进一步反应，形成一种含有Al-O-Si键的铝硅酸盐胶状聚合物[14]。该种聚合物形成的网状结构具有一定的粘结性和耐久性，能很好地附着在土体或砂砾的周围，从而提高了固化土的抗压强度。其反应式如下：

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

本文经试验发现，在未添加石膏的情况下，随着氯化铝溶液浓度增大，水泥-水玻璃固化土强度不断提高。

4.2 石膏的增强作用

添加石膏后，水泥水化产物中的水化铝酸钙(C3A)还会与石膏发生反应生成三硫型水化硫铝酸钙，即钙矾石(AFt)。钙矾石是一种六角形断面的针状晶体，在形成过程中需要结合32个水分子，把大量自由水以结晶水形式固定下来的同时产生体积膨胀，固相体积可增大120%左右[15]。其反应式如下：

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

钙矾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实作用，另一方面其以较大的针刺状晶体与CSH凝胶在孔隙中形成一定的空间结构，以较高效率使固化土孔隙分布细化。但这种膨胀填充作用具有双重性。当石膏添加过多时，钙矾石的膨胀作用会破坏已形成的CSH凝胶体，使得固化土强度降低，故石膏存在一定的最佳掺量。之前的研究表明[16,17]，钙矾石的增强效果取决于体系中胶结物CSH与膨胀物AFt之间生成速率的协调性。若AFt的生成过程先于CSH，则在AFt生成后由CSH发挥胶结修补作用，修复由于AFt膨胀所带来的强度损失，此时AFt的膨胀作用能显著提高强度，二者的生成协调性好；相反，若CSH已经形成一定胶结结构，AFt在膨胀过程中会对此结构产生破坏作用，而CSH生成量有限，后期的修补能力不足，此时AFt的膨胀作用会导致强度降低。此外，钙矾石的增强效果还与固化土孔隙液的碱度有关。当碱度较高时，钙矾石在固相表面生成，晶体生成时遇到结晶生长压力，使已有结构产生局部应力集中，破坏土粒间联结，从而使强度降低；当碱度较低时，钙矾石在孔隙中生成，不易产生应力集中，且起到填充孔隙的作用，从而使强度提高。

4.3 石膏与氯化铝的共同作用

根据陈沅江[13]的试验结果，添加氯化铝溶液的水泥-水玻璃浆体在养护过程中浸出液PH值会先增大，后减小，最大值在龄期3 d或7 d时，且氯化铝溶液浓度越高对应pH值越小。对于低浓度氯化铝溶液的固化土，其在养护期间碱度较大，早期时CSH与Ca(OH)2生成较多[18]，对钙矾石膨胀所产生的破坏起到修复作用，二者配合生成，使早期强度形成较快。但钙矾石在固相表面生成，对强度的增长起到抑制作用，故中后期强度增长不大。对于高浓度氯化铝溶液的固化土，其在养护期间碱度较小，初期CSH与Ca(OH)2生成较少，故强度形成较慢。而到了7 d龄期以后，不同氯化铝溶液浓度的试样内CSH量都开始逐渐增多，高浓度氯化铝溶液的固化土中钙矾石在孔隙中生成的优势开始显现，后期生成的CSH凝胶起到胶结修复作用，故强度增长较大。另外，氯化铝溶液的浓度还影响着固化体系内铝相物质的量，从而与石膏共同作用生成钙矾石，故氯化铝溶液浓度在后期也出现了一个最佳值。总体表现为，在掺有石膏的情况下，添加低浓度氯化铝溶液的固化土早期强度较高，但后期增长不大；添加高浓度氯化铝溶液的固化土早期强度较小，但后期增长较大，同时氯化铝溶液也存在一定最佳浓度，在本实验中为2 mol/L。

5 经济成本分析

本固化方法所用固化剂较多，施工流程较复杂，故对其进行一个简单的经济成本分析，以便应用者选用。取水泥掺入比为20%，石膏掺量为20%，氯化铝溶液2 mol/L，处理深度为5 m。综合考虑市面上材料成本，取水泥单价360元/吨、石膏200元/吨、氯化铝晶体800元/吨、水玻璃1000元/吨，在仅考虑材料成本的情况下初步估算得到处理成本每平米为5.52元。

6 结 论

(1)以氯化铝溶液作为水泥-水玻璃的缓凝剂来固化软土，能提高固化土的强度，且氯化铝溶液浓度越高强度越大;

(2)石膏的添加能显著提高水泥-水玻璃固化土的强度，但存在一个最佳掺量，超过此掺量强度反而降低。在最佳掺量下，不同氯化铝溶液浓度的固化土28 d强度与未添加石膏时相比能提高1.51～2.74倍。石膏的最佳掺量与水泥掺入比有关，最佳掺量随水泥掺入比增加而降低，在水泥掺入比为20%时，其最佳掺量为20%;

(3)对于石膏+氯化铝双掺固化土，当所添加氯化铝溶液浓度较低时，其早期强度较高，但后期增长较小；所添加氯化铝溶液浓度较高时，早期强度较小，但后期增长较大。同时氯化铝溶液也存在一个最佳浓度，在本试验中，最佳浓度为2 mol/L;

(4)对于含水率高于75%，孔隙度大于2.0的软土固化处理，在水泥-水玻璃基础上添加石膏与氯化铝溶液，利用水泥水化产物与钙矾石间相互作用形成一种胶结与填充共同作用的固化体系是很有效的。其中，氯化铝溶液的添加既能缓凝，又能增加体系中铝相物质，促进钙矾石的生成。但需注意CSH与AFt生成速率间的协调性，合理控制石膏与氯化铝溶液的添加量。

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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

国家自然科学基金资助项目(51509257)

朱思迪(1991-)，男，硕士研究生.主要从事机场地基处理和边坡加固技术研究.

TU447

A

1001-1625(2016)10-3112-07