有机酸对水泥土强度影响的试验研究

巴 潇 贾景超 林维地 陈志涛

(1.华北水利水电大学地球科学与工程学院 河南郑州 450011；2.中建七局交通建筑有限责任公司 河南郑州 450011；3.中建中原建筑设计院有限公司 河南郑州 450011)

0 引言

水泥土是采用深层搅拌法等将矿料、水泥、水和外加剂按照比例拌和养护而成的一种高密度坚硬材料[1]，造价低且施工方便，被广泛应用于修筑水泥土护坡、水泥土搅拌桩加固地基和夯土及铺垫材料等。水泥土搅拌桩是指将水泥等材料作为固化剂，与软土进行强制搅拌，发生水化、硬化反应进而加固软土的一种方法[2]。水泥土搅拌桩常用于处理PH值小于4或有机质含量较高的酸性土，且需要通过试验确定适用性[3]。

腐殖酸是自然界广泛存在的天然有机高分子化合物，由于软土地基大多处于腐殖质含量较高的环境，水泥土桩易受到腐殖酸等有机酸的影响，因此探讨不同的有机酸对水泥土强度的影响规律更有利于解决人们在应用水泥土桩时遇到的问题。刘叔灼等[4]通过分析两种典型珠三角软土，得到有机质含量对水泥土早期强度的形成起抑制作用，且随着腐殖酸钠含量的增加，水泥土试块由脆性破坏转为塑性破坏。曹净等[5]对比了在富里酸环境中纯水泥土与掺粉煤灰的水泥土的腐蚀变化情况，认为粉煤灰会加速富里酸环境下水泥土的劣化。韩鹏举等[6]认为水泥土试块表面腐蚀程度与腐蚀环境介质质量浓度、腐蚀时间成正比，水泥土无侧限抗压强度与硫酸浓度成反比，硫酸根离子浓度随腐蚀时间增长而降低。邵玉芳等[7]通过分析腐植酸质量分数、水泥掺入比、水灰比和龄期等单因子对水泥土抗压强度的影响，认为腐殖酸对水泥土无侧限抗压强度有抑制作用，且胡敏酸对水泥强度的影响大于富里酸。张树彬等[8]通过红外光谱(IR)试验，研究不同地域软土中腐殖酸组分对水泥土固化效果的影响及作用机理，认为富里酸对水泥土的无侧限抗压强度的影响效果较胡敏酸强。

综上，对于在腐殖酸环境下水泥掺量对水泥土无侧限抗压强度的影响，前人进行了大量的研究。然而，针对富里酸和胡敏酸对水泥土无侧限抗压强度的影响，不同的学者得出的结论不尽相同。因此，本文选取不同含量的醋酸、胡敏酸和富里酸，探究有机酸对水泥土强度的影响。

1 试验方案

1.1 水泥土试样制备

本次试验水泥土中的土选用河北沧州滨海地区软土，该土为粉质粘土，液限32.8%，塑限18.3%。水泥选用强度等级为P.O42.5的普通硅酸盐水泥。

试样制备时，首先称取一定量的软土，由于现场施工时，水泥土桩位于地下水位之下，处于过饱和状态，因此需再向土中添加软土质量13%的水以使土接近现场状态。根据新添加水的体积，按10 g/L、20 g/L、30 g/L、40 g/L称取所需的醋酸，按干土重的1%、2%、3%、5%称取所需富里酸，按干土重的5%、8%、12%、15%称取所需胡敏酸，将酸溶解于待添加的水中，并倒入土中与软土搅拌均匀。水泥掺量为20%，水灰比为0.6，根据土水总质量计算，称量所需水泥及水泥中需要加入的水，将水泥和水搅拌均匀后倒入软土中。将搅拌均匀后的水泥土倒入高为100mm、直径为50 mm的圆柱形模具，在振动台上充分振捣后，抹平试样表面、用塑料薄膜封口并设置编号；放置48h后拆模，并在养护箱中分别养护7d、15d、28d、60d。

1.2 无侧限抗压强度试验

本试验选用微机控制电液伺服压力试验机，该仪器最大荷载为2000kN。分别取养护7d、15d、28d和60d后的水泥土试块进行无侧限抗压强度试验，加载速率设置为1 mm/min。每3个平行试样为一组，试样的无侧限抗压强度值取三者的算术平均值。试样的实测值与组内平均值之差不可超过平均值的±15%；若超出则剔除该试样,取余下试样的实测值的平均值作为该组的无侧限抗压强度值。如剔除后组内试样不足两个,则该组试验结果无效。

2 试验结果及分析

2.1 醋酸对水泥土强度影响

如图1(a)所示，对同一龄期的水泥土试样，抗压强度随着醋酸浓度的增大先减小后增大。在浓度为30 g/L时，抗压强度达到最小值。

如图1(b)所示，对同一醋酸浓度的水泥土试样，抗压强度随着养护龄期的增长而逐渐增大，且养护龄期越长增长幅度越大。

(a)

(b)

醋酸对水泥土强度影响的主要原因是：水泥颗粒进入土中，粒子表面发生水化硬化作用，生成大量3CaO·2SiO2·3H2O(水化硅酸钙)、Ca(OH)2及含水铁酸钙等水化产物，形成蜂窝状水泥土骨架，强度增加。在弱酸性环境下，水泥初期水化反应被抑制，水化速度降低，导致水泥土早期无侧限抗压强度较低且增长缓慢。水化产物中Ca(OH)2为强碱性物质，率先与H+发生反应，生成游离的乙酸根离子、Ca2+和H2O。由于Ca(OH)2被消耗，火山灰反应被抑制，C-S-H(水化硅酸钙)和C-A-H(水化铝酸钙)含量降低，因此，在一定浓度范围内，醋酸浓度增大将导致水泥土抗压强度降低。

水泥土中，Ca(OH)2决定水泥土强度，C-S-H决定水泥土的后期强度。醋酸是一元有机酸，其水溶液呈弱酸性。当醋酸浓度较大时，H+率先与Ca(OH)2反应，后期Ca(OH)2的消耗促进了水化反应，C-S-H含量增多导致水泥土强度增大。醋酸浓度越小，养护龄期越长，H+大量被消耗，水泥土中剩余游离的Ca(OH)2与SiO2和Al2O3发生火山灰反应，水泥土无侧限抗压强度增大。

2.2 富里酸对水泥土强度影响

由于富里酸含量达到3%和5%时，水泥土试样未发生硬化，因此仅分析富里酸含量为1%、2%时对水泥土强度的影响。

如图2(a)所示，对于同一龄期的水泥土试样，其抗压强度随富里酸含量增大而减小，且不同养护龄期的下降幅度不同，随龄期增长，下降幅度不断减小。龄期为7d时，含2%富里酸的试块强度较含1%富里酸的试块下降17.4%；龄期为15d时，含2%富里酸的试块强度较含1%富里酸的试块下降10.8%；龄期为28d时，含2%富里酸的试块强度较含1%富里酸的试块下降6.2%；龄期为60d时，含2%富里酸的试块强度较含1%富里酸的试块下降6.1%。

如图2(b)所示，对含1%富里酸的水泥土试块，养护龄期为7～15d、28～60d时，强度随龄期的增长而不断增大，28d时，试块强度相比于15d略有下降。含2%富里酸的水泥土试块，其强度随着龄期的增长而不断增大。

富里酸是腐殖酸的一种，可溶于酸，以水溶液形式存在，与离子反应生成可溶性盐，还原能力强，富里酸表面有大量羧基等官能团，吸附能力强，在水泥固化过程中，吸附在水泥矿物表面，延缓水化硬化作用，阻碍硅酸胶体微粒形成，导致水泥土强度降低。富里酸具有特殊的分解作用，在富里酸环境中，水泥土水化产物中的C-A-H和C-A-S-H晶体被分解为可溶性钙盐流失，使得水泥土内部孔隙率增大，抗压强度快速下降。另一方面，富里酸中的H+率先与水化产物中的Ca(OH)2发生反应，阻止了Ca(OH)2与水泥土中的SiO2和Al2O3发生凝硬反应，水泥土整体性被破坏，强度降低。因此，工程中需特别注意富里酸的含量，该酸含量较高时会导致水泥土硬化程度低甚至不硬化。

(a)

(b)

2.3 胡敏酸对水泥土强度影响

如图3(a)所示，对于龄期分别为15d、28d、60d的水泥土试样，当胡敏酸含量为5%～12%时，强度随含量的增大先下降，到达8%时随之增大；当胡敏酸含量为12%～15%时，龄期为28d和60d的水泥土试样强度持续增长，龄期为15d的试样强度略有下降。对龄期为7d的水泥土试样，当胡敏酸含量为5%～12%时，强度随胡敏酸含量的增大而增大，随后略有下降。整体来看，试样强度随着胡敏酸含量的增长先降低而后增大，整体呈上升趋势。

如图3(b)所示，对于胡敏酸含量为8%和12% 的水泥土试样，龄期为7～15d、28～60d时，其强度随养护龄期的增长而不断上升；龄期为15～28d时，强度变化呈下降趋势。对胡敏酸含量为5%和15%的试样，龄期为7～28d时，强度随养护龄期的增长而不断增长；龄期为28～60d时，胡敏酸含量为5%的水泥土试样强度略微下降。整体强度变化曲线呈上升态。

胡敏酸是一种不溶于酸的有机弱酸，胡敏酸对Ca2+敏感，会与Ca2+、Al3+反应生成难溶或不溶的盐。在水泥土环境中，胡敏酸率先与水化生成的Ca2+形成沉淀，在一定含量范围内，含量越高水泥土强度越高。

(a)

(b)

3 结论

本研究选取醋酸、富里酸、胡敏酸，以不同含量掺入土中配置水泥土，研究了掺入含量与龄期对水泥土无侧限抗压强度的影响，结果表明：富里酸含量对水泥土强度影响最为明显。相较于富里酸随含量增大导致水泥土强度显著下降，醋酸与胡敏酸含量达到一定程度后水泥土强度有所增长；随龄期的增长，3种酸对水泥土强度的增长整体起促进作用，与含醋酸的水泥土试样随龄期稳定增长不同，含富里酸和胡敏酸的试样强度在随龄期增长过程中略有下降，整体增长趋势不变。

(1)水泥土强度随着醋酸浓度的增大呈现先减小后增大的趋势，在浓度为30 g/L时强度达到最低值。

(2)富里酸吸附性及还原能力强，可分解水泥土中的C-A-H和C-A-S-H晶体，使水泥土无法成型，对水泥土强度影响显著。

(3)含胡敏酸的水泥土中，水化反应占据主导，胡敏酸性质稳定，对水泥土水化硬化作用影响较小，水泥土强度随着胡敏酸含量增大整体呈增大趋势。