水泥搅拌桩加固软土原理探析

苗庆林 （福建省交通规划设计有限公司，福建 福州 350004）

0 前言

在我国广阔的疆域上，分布有很多具有强度低、饱水性、孔隙大、沉降时间长等特点软土地层。在这类地基土上修建构筑物，运行一段时间后，往往会出现变形及沉降现象。变形及沉降量的大小随着软土深度、处理方法的不同而存在差异。如果处理不当，在构筑物建成后，会发生沉降开裂或滑移倾倒等严重后果。水泥作为固化主剂已在泉厦高速路、湄渝高速等高速公路上应用，并取得很好的效果。在软土地基施工时，机械搅拌入水泥后，即与土中的自由水及铝-硅酸盐晶体矿物发生反应，使细小的土粒凝聚成大的土粒结构。随着时间的推移，其与粘土便形成一种强度和水稳性较好的网状结构的拌和桩体，与桩间土一起组成复合地基。

1 水泥的物理特性

水泥多呈深灰色或灰色，水泥性能好坏重要参数是指其细度、凝结时间、强度、标准稠度需水量等指标，详见表1。水泥颗粒细小、其比表面积就大、标准稠度需水量越小，水泥的水化程度越高。

高钙粉煤灰的物理性质 表1

2 水泥的化学特性

人造的水硬性材料——水泥。在和水搅拌混合后，会发生物理、化学反应，生成坚硬的水泥石结构体。它是一种富含氧化钙，由多种氧化物组成的混合材料。从性能和用途上分为通用水泥和专用水泥等。其中软土处理时，一般我们用普通硅酸盐水泥和硅酸盐水泥，其矿物成分主要有四种，表2列出水泥的矿物成分及性能特点。水泥中除了四大矿物成分之外，还含有少量对水泥物理、力学性质造成不利影响的化学物质，这些物质的含量也需要加以限制，具体如下。

①游离态SO3、MgO及碱等是水泥中的有害成分。水泥的碱集料反应、体积安定性等受它们影响，如果含量较大，影响非常不利。②水泥中不溶解于浓硫酸的不溶物。主要为原料中的氧化硅和粘土未被充分煅烧、反应不足，未能完全转换为水泥熟料，影响水泥中的有效成分。③烧失量:在规定的950℃下加热时，如果水泥煅烧不佳或受潮都会使水泥质量损失。④水泥中含有少量的氯离子，氯离子的存在，使混凝土中钢筋的锈蚀加快。⑤水泥是弱碱性材料，在碱性条件下，水泥的水化、凝结与硬化等反应才会顺利进行。但是，在偏高的碱性环境下，水与活性碳酸盐或活性硅酸盐作用，也会产生碱集料反应，造成混凝土结构的破坏（理论上讲碱含量以Na2O+0.658K2O计时≤0.6%计）。

水泥的矿物成分及性能特点 表2

3 水泥搅拌桩加固原理研究

软土是软弱粘性土的简称，它广泛分布于福建沿海地带及山涧沟谷中，因此我们在修筑公路等线路工程时，经常会遇到软土路段，而又无法绕避现象，不可避免地在这类地基上填筑路基等构筑物。为了保证地基的稳定及变形，在允许范围内，对软土地基需要进行处理。

软土是由含水的铝-硅酸盐晶体矿物及少量的有机质组成，而铝-硅酸盐晶体矿物主要由伊利石、蒙脱石和高岭土三种矿物组成。水泥搅拌桩的形成过程也就是水泥与软土中含水粘土矿物的水解、水化反应过程。水泥作为主固剂加固软土时，由于水泥掺入量仅为加固土重的7%～20%，水泥与软土拌和后的硬化反应是在软土的含水铝-硅酸盐晶体矿物周围进行，软土的化学性质对搅拌桩强度增加的影响及力学性质对搅拌均匀性的影响均非常大，因此，搅拌桩体硬凝固结作用速度缓慢复杂，强度增长缓慢。

3.1 水泥的水解及水化反应

在软土中拌入水泥后，水泥表面的活性硅酸盐及镁铝酸盐快速和软土层中的自由水发生物理化学反应，生成Ca(OH)2、3CaO·SiO2、CaCl2、3CaO·Fe2O3等等一系列溶于水化合物。其中3CaO·SiO2含量63～67%，加固土桩体的强度主要由它决定；2CaO·SiO2，含量21～24%，加固土桩体后期强度的增大由它决定；3CaO·Al2O3含量4～7%，它在饱和软土中反应速度最快，在前面7天的早凝时间起决定作用。4CaO·Al2O3·Fe2O3含量2～4%左右，决定早期强度。

在软土中拌入水泥后，在软土层中的自由水的参与下，水泥不断发生水解及水化反应，生成能溶解于水中的Ca(OH)2、3CaO·SiO2·3H2O 等化合物。当溶液饱和后，水分子继续进入水泥桩体内部，发生水解、水化反应，这样加固区周围自由水不断减少，已经溶于水部分化合物及后续的生成化合物，因溶解液的减少而不能再溶解，只能以胶体的形态析出。水泥中还含有约3%硫酸钙，它在饱和溶解液发生反应，生成3CaO·Al2O3·3CaSO4·32H2O 的化合物，它被称为“水泥杆菌”。在现场开挖搅拌桩体，将它置于显微镜下观察发现，早期它在短时间内以针状结构结晶体析出，其中桩体龄期的长短及碳酸钙掺入量的多少是决定其生成量的多少。据衍射试验分析，硫酸钙、铝酸钙及自由水反应迅速，以结晶水的形态把饱和水固定下来，从而增大了软土的强度，这对桩间软土硬度增长意义非常。对于普通水泥，依据3CaO·Al2O3·3CaSO4·32H2O 化学式可知自由水的结合量约为生成水泥杆菌总量的45%左右。当然，合适的硫酸钙加入量是必需的，否则水泥杆菌结晶物会生成过多，体积增大，破坏水泥土桩体。所以只要硫酸钙用量合适，反而会加大软土地基加固效果。

3.2 粘土矿物颗粒与水化物的作用

当水泥水解水化作用完成后，这些凝胶体溶液有的与四周活性硅酸盐矿物颗粒发生反应，吸收自由水，由于溶解液不断减少，则会继续析出胶体硬化，形成水泥石。

①离子交换及团粒化作用：软土作为一种由复合铝-硅酸盐晶体、结合水及自由水组成的多相体系，它具有粘塑性特征，例如由于软土饱水，多数硅酸盐晶体矿物以硅酸胶体颗粒形式存在，其表面多吸附Na+或K+，而水泥和土中自由水反应时生成相当多的Ca++，当硅酸胶体颗粒遇到这些钙离子时就会发生交换，这样就把原来小的土粒聚集成大的团粒，从而大大提高了软土的强度。如下表为某软土浸泡Ca(OH)2溶液中前后，Na+或K+就被Ca++所置换结果 (表3)，可见大颗粒组明显增加。

土样浸泡前后颗粒分析结果 表3

水泥和软土中的自由水反应生成以上4种凝胶粒子，其比表面积增大了一千倍左右，表面势能非常强大，活性也增加得非常大，也就使较大的土粒继续结合而变大，挤密土粒孔隙，增大土粒间联结。这就是水泥土搅拌桩体强度大于桩间土体的原因之一。

②凝硬反应：在软土和水泥拌合后的凝期时间以后，这种反应依然在进行，不断产生Ca(OH)2并溶解于水中，当Ca(OH)2溶液趋于过饱和时，此时软土层处于弱碱性环境中，组成软土矿物的铝-硅酸盐晶体便与Ca(OH)2发生反应，生成不溶于水的稳定 CaO.SiO2·(n+1)H2O、CaO·Al2O2·(n+1)H2O 等结晶化合物。依据现场试验检测可知这些结晶化合物大致为:CAH系的铝酸钙水化物；CSH系的硅酸钙水化物；钙黄长石水化物等。这些结晶化合物硬化为水泥石，结构硬实致密，又不溶解于自由水，这是水泥土搅拌桩体强度大于桩间土体的原因之一。

经过现场试验检测分析，软土中的含水的铝-硅酸盐晶体矿物及少量的有机质之间多通过弱结合水产生微弱联系，且这种联系很容易被打乱重置，且间距较大，因此其孔隙比多≥1。在拌入水泥7天后，水泥水解、水化物胶体替代软土颗粒四周的饱和水，并有少量结晶物析出。28天后，随着凝硬反应的不断继续，大量结晶体析出硬化，使桩体及桩间土的孔隙不断被晶体充填，形成形状各异网状结构。5～6个月后，反应仍然继续，结晶体继续延伸充填桩体及桩间土的孔隙，这样水泥石及土颗粒相互交织硬化。这样水泥土桩体强度及桩间土体强度都得到了提高。

3.3 碳酸化作用

软土中的自由水在和水泥反应时析出的Ca++也可吸收周围的CO2，生成碳酸钙，它不溶于水。析出硬化后，其强度一般，这样水泥土桩体强度也得到了部分提高，不过其幅度小、速度慢。这就是水泥土桩体强度得以增大原因之一。在以上的分析中我们可以得出以下水泥土桩体硬化反应的模式图。

水泥土桩体硬化反应模式示意图

4 结束语

从以上原理分析可知，①采用水泥作为主固剂处理软土，可形成较硬的水泥土桩体，它主要由水泥水化物硬化、水泥水化物伴生物与软土含水铝—硅酸盐反应的生成物硬化及密实的土团颗粒组成，这些结晶硬化物具有远大于软土的强度。②软土的力学及化学性质对水泥拌和的均匀性及桩体的强度影响也较大。在机械切削搅拌软土时要多次搅拌，使水泥充分与软土拌和，这样反应才会完全，桩体强度离散性就会小，复合地基的整体强度才会高。