（化学工艺专业论文）水泥消石灰半水石膏固化红土的组成、结构与性能关系的研究.pdf

水泥一消石灰一半水石膏固化红土的组成、结构与性能关系研究 摘要 红土是我国南方地区广泛存在的一种来源广泛的工程材料，该种材料在 工程领域应用广泛，但与其他材料复合使用时存在强度低和水稳性差等工 程特性，因而对固化红土体系极其性能的研究具有重要的现实和科学意义。 本文主要针对采用水泥、消石灰和半水石膏作为固化剂来对红土进行固化 的土壤固化体系的组成与性能关系进行研究，为该体系用于实际工程提供 理论指导。 本文以材料的结构与性能原理和体系的制备过程中的物理化学变化特 征为主线，对体系的原材料、制备过程、产物和性能方面展开了研究。在 原料方面，本文采用m 和s e m 等手段主要对红土物理力学特性、矿物 组成和微观结构等进行了分析。结果表明：本试验所用的红土的主要矿物 为：石英、高岭石、蒙脱石和伊利石和铁矿，且该红土中粘土矿物的含量 约为：8 6 。 对制备过程中的物理化学变化过程和产物特性的研究，主要采用单掺、 双掺和三掺试验系统研究了水泥、消石灰和半水石膏的掺入量对红土固化 强度和水稳性能的影响，并采用x i 和s e m 等手段对其产物的结构、组 成和特征进行了分析。单掺试验发现：水泥掺入量对红土固化强度和水稳 性能有两种增长规律和两个界点分别为2 8 和5 0 ，水泥在这两种增长过 程中所起作用不同；消石灰和半水石膏的掺入对红土有一定的固化效果， 但固化性能弱于水泥；双掺试验发现：水泥与消石灰或半水石膏双掺时有 复合效应的存在，且双掺时的消石灰和半水石膏在固化材料中的最佳掺入 比例为1 2 5 ，并根据双掺的效果确定了三掺试验过程中各种固化材料的掺 入的比例范围；三掺实验发现：水泥、消石灰和半水石膏三掺时存在复合 效应，在水泥消石灰半水石膏三元相图中，在气养条件下强度呈带状规律 分布，水养条件下强度随水泥掺量的降低逐渐降低，在富半水石膏部分强 度为零。另外，本文对含砂量发现：在固化体系中加入砂强度迅速增加， 掺砂量达到3 0 时随掺砂量的增加强度增加幅度降低，此实验结果对后续 实验和实际应用提供了依据。 关健词：土固化红土水泥消石灰半水石膏性能 s t u d yo nt h ec o m p o s i t i o n ，s t r u c t u r ea n d s o l i d i f y i n gp r o p e r t i e so f c e m e n t h y d r a t e dl i m e h e m i h y d r a t eg y p s u m a b s t r a c t r e dc l a yi sal ( i n do f e n g i n e e r i l l gm a t e r i a lw h i c he x i s t sw i d e l y i i lo u rc o m l t a r l dh a sb e e nw i d e l y 印p l i e dm e i 玛i n e e 血gf i e l d ，b u ti th a ss o m es h o r t c o m i n g s s u c ha st h el o wc o m p r e s s i v es b e n g m ，m el a c ko fw a t e rs t a b i l i 够s om es t u d yo f t l l es o l i d l yr e dc l a yi so f 印a tp r a c t i c a la l l ds c i e n t i f i cs i 印i f i c a i l c e t h i sa l t i c l e m a i n l ys t u d i e dt h er e l a t i o n s h i pb e t 、e e nc o n t e n ta r l dc u r ep r o p e r t i e s 、h e nu s e d c e m e m h y d r a t e dl i m ea n dh e m i h y d r a t e sg y p s u m ss o i l 虹b i l i z e r w h i c h p r 0 v i d e da t h e o r e t i c a lg u i d a n c et ot 1 1 ep r a c t i c a lp r o j e c t 1 1 1 e 枷c l et o o km a t e r i a ls t r u c n l r e ，p 曲c i p l eo fc 印a b i l 时a n dp h y s i c a l c h e m i s t 巧c h a r 培e si nm es y s t e ms y t l t h e s i sp r o c e s sa st l l em a i nl i n e s ，t h e n r e s e a r c h e dt h er a wm a t e r i a l s ，s y n m e s i sp r o c e s s ，p r o d u c t i o na n dc a p a b i l i t yo f s y s t e m i nr a wm a t e r i a l s ，t h ea n i c l ea n a l y z e dt h ep h y s i c a lm e c h a n i co f r e dc l a y m i n e r a lc o i n p o s i t i o n sa 1 1 dm i c r o - s 臼m c t u r eb yx i 之da n ds e m t h er e s u l ts h o w t 1 1 er e dc l a yc o n t a i nq u 叭z ，k a o l i i l ，e l i t e 舡l dc a l c i t e ，m o r e o v e rc l a yc o n t e n ti s 8 6 f o rs t u d yo fp h y s i c a lc h e m i s 臼yc h a n g e sa n dp r o d u c t i o nc h a r a c t e r i s t i ci i l m es y n t h e s i sp r o c e s s ，t h ea n i c l er e s e a r c h e dt h ee 恐c to fs 讪i l i z e r ( c e m e n t ， m h y d r a t e dl i m ea n dh e m i h y d r a t e sg y p s u m s ) r a t i om r o u 曲s i n g l e - d o p e d ，c o - d o p e d a n dt r i d o p e de x p e r i m e n t s t h es i n g l e d o p e de ) c p e r i m e n ti n d i c a t e dt h a tm ew a t e r c u r ec 印a c i t ) ，a n dc o m p r e s s i v es t r e 啦啦h a v et 、虹n do fi n c r e a s i n gr e g u l 撕t ) r a n dt w oc r i t i c a lp o i n tw h i c hi s2 8 a n d5o w i t hv 撕o u sc e m e n tm i x i n g 锄o u n t ，a n dc e m e n tt a k et w od i f r e r e n te f r e c t so nm ed i f r e r e n to fi n c r e a s m g r e g u l a r i 够；w h e nm i x m gh y d r a t e dl i m eo rh e m i h y d r a t e sg ) r p s u m ，t h e r ew e r ea w e a k e rc u r ee f i e c t i te x i s t st h ec o i i l p o s i t ee 您：c tmt h ec o d o p e de x p e r i m e n to f h y d r 眦e dl i m eo rh e m i h y 山吼e s 科p s u ma n dc e m e n t ，a n dt h eo p t i m u m r a t i oo f h y d r a t e dl i i l l e m i x i n gm t i oo r h e m i h y d r a t e sg y p s u m m i x i n gi s l2 5 w h i c h d e t e m l i n e st h em i x i n gr a j l g eo fc u r em a t e r i a l i nt l l et r i d o p e de x p e r i m e n t mm e c e m e n t h y d r a t e dl i m e - h e m i h y d r a t e sg y p 毗l sp h a s ed i a 伊a m ，也es t r e n g t ho f p r o d u c t i o nd i s 仃i b u t e sa ss t r i p e si 1 1m e a i rm a i n t e n a n c ec o n d “i o n ，b u tt h e s 仃e n g t hd e c r e a s e sw i m c e m e n tc o n t e n ti i lm ew a t e rm a i n t e n a n c ec o n d i t i o n ，a 1 1 d t h ez o n eo fr i c h 鼢巾s 啪s t r e n g mi sm i n i m u m f i n a l l y m er e s u l ts h o wt h e s t r e n g mo f c u r es y s t e mi n c r e a s e sq u i c l ( 1 yw i ms a i l dc o n t e n t ，a 1 1 di n c r e a s i n g s p e e dd e c r e a s e sw h e ns a n dc o m e n tr e a c h3o ，w h i c hp r o v i d e sm e 廿1 e o r e t i c a l b a s i sf o rt h e6 m l r ee x p 耐m e n t sa n dp r a c t i c a l 砂a p p l i c a t i o n s k e yw o r d s ： s o i ls o l i d i 匆i n g ；r e dc l a y ；c e m e n t ；h y d r a t e dl i m e ； h e m i h y d r a t e sg y p s u m ；p r o p e r t i e s 广西大学学位论文原创性声明和学位论文使用授权说明 学位论文原创性声明 本人声明：所呈交的学位论文是在导师指导下完成的，研究工作所取得的成果和相 关知识产权属广西大学所有。除己注明部分外，论文中不包含其他人已经发表过的研究 成果，也不包含本人为获得其它学位而使用过的内容。对本文的研究工作提供过重要帮 助的个人和集体，均已在论文中明确说明并致谢。 论文作者签名：压翮蒡 学位论文使用授权说明 7 占年月7 日 本人完全了解广西大学关于收集、保存、使用学位论文的规定，即： 本人保证不以其它单位为第一署名单位发表或使用本论文的研究内容； 按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版本； 学校有权保存学位论文的印刷本和电子版，并提供目录检索与阅览服务； 学校可以采用影印、缩印、数字化或其它复制手段保存论文； 在不以赢利为目的的前提下，学校可以公布论文的部分或全部内容。 请选择发布时间： 叼即时发布口解密后发布 ( 保密论文需注明，并在解密后遵守此规定) 论文作者签名：。套诵芳导师签名：厶。7 l ， t ，汐年歹月日 水泥- 消石灰- 半水石夤固化红土的组成、结构与性能关系研究 第一章绪论弟一早珀下匕 凡是能在物理、化学作用下，从浆体变成坚固的石状体，并能胶结其它物料具有一 定的机械强度的物质，通称为胶凝材料，又称为胶结料【l 】。胶结料分为无机、有机和无 机有机复合三大类别。胶结料的发展有悠久的历史。在石器时代时，人们就开始用粘土 这种天然的胶结料来建筑墙体、修筑路面。我们的祖先在5 0 0 0 多年前，就采用消石灰 与土，按一定的比例均匀拌和形成灰土，作为建筑物的基础材料，有不少还完好的保存 至今，这是用消石灰对土性进行改良的实例。现在，随着水泥的广泛应用，仿照灰土的 做法，按用途选取适当的配合比，与土体搅拌均匀，使水泥与土起物理化学作用，形成 整体的、坚硬的、水稳性的生成物，以获得经济实用的建筑材料，己呈现广阔的发展前 景。 1 1 课题背景 粘土岩占地表面积7 0 以上，作为一种资源和环境，在人类的各种建设活动社会中， 粘土都或多或少地被涉及到，有关将粘土固化为具有一定强度和耐水性能材料使用于人 类建筑活动已有悠久的历史，至今在人类建筑活动中仍被广泛利用到，对固化的粘土的 胶结料的研究仍然是建筑材料领域的一个热点问题。当前以粘土为主要组成作为工程材 料主要有：墙体材料、道路材料和地基加固等领域。 在地基加固领域，水泥石灰类土壤固化剂由于其低廉的价格和相对稳定的性能而 得到广泛的研究和使用，在该领域的研究中，人们更多的是注意到水泥、石灰和石膏等 胶结材料本身掺量与性能对固化制品性能的影响，然而对粘土本身特征对固化制品性能 的影响的研究相对较少，由于粘土本身是一个复杂体系，它是由不同的粘土矿物和非粘 土矿物构成的，尤其是其中的粘土矿物及其含量的影响是特别巨大的。人们【2 】已经注意 到在常温下粘土胶结料能够直接胶结土体中的土壤颗粒并能够与粘土矿物反应生成胶 凝物质，这里面不仅有物理作用，也存在化学作用。为了弄清粘土矿物本身特性对固化 制品性能的影响，特地选择了含非粘土矿物比较少的天然粘土材料作为被胶结材料，研 究了水泥一石灰和石膏类粘土胶结料组成变化对固化材料强度和耐水性能的规律。该研 究对进一步研究其中的固化机理，弄清粘土材料本身特征对固化制品性能的影响规律具 有重要的意义。 水泥- 消石灰半水石膏固化红土的组成、结构与性能关系研究 1 2 土固化技术概述 1 2 1 土壤固化途径 土的固化和稳定的基本原理就是强化颗粒间结构连结，改善颗粒接触。因此，土的 固化过程必须重视以下几个技术途径【3 1 。 ( 1 ) 挤压 挤压可缩短颗粒间距，增加颗粒接触面积和数量，从而增强颗粒间的结构连接。挤 压的措施有两种：一为外力压密，这对含水量较低的土的稳定非常有用；二为固化材料 在土结构内部产生膨胀挤密，这对不同含水量的土固化都是有益的，尤其是对湿塑性土、 泥浆的固化是至关重要的。 ( 2 ) 化学胶结 通过加入一定土壤稳定固化材料，其水化后能很好胶结土粒表面，与粘土矿物的活 性成分反应生成胶结构质；而且在水化硬化过程中吸收大量水分，产生固相体积膨胀； 这些都能增加土粒之间的结构连结，对土起到较强的稳定固化作用。 ( 3 ) 调整土中孔隙溶液组成 在土孔隙溶液中，引入高价阳离子如f e 3 + 、c a 2 + ，将使粘土表面电位降低，扩散 层减薄，颗粒之间的距离缩短；提高土孔隙水溶液的阳离子浓度，也可使颗料表面电 位降低，颗粒之间的距离缩短。颗粒间的距离缩短，可使水化膜楔入作用力随之减小， 结构连结进入分子间相互作用力范畴，促进粘土颗粒凝聚。另外，在土孔隙溶液中引入 k 、毗等离子，填入粘土矿物层间的六角形网眼中，可加强其层间连结，对土体固 化起到一定作用。 1 2 2 土壤固化材料研究 目前，土壤固化稳定的方法很多，已经由单一的外掺( 如水泥、消石灰、消消石灰 等) 发展到了多种成分的复掺( 包括有机和无机) ，并逐渐发展成为一种全新的工程材料一 土壤固化剂。土壤固化剂是一种性能优良的土工复合材料，又称土壤改性剂，是一种由 多种无机和有机材料配制而成的水硬性胶凝材料，以专门加固土壤为特性。它与土壤混 合后通过一系列物理化学反应，可产生胶结土粒、填充孔隙等作用，将松散土体转为致 密的胶凝材料，可较大幅度地改善和提高土壤的强度、耐久性等材料性能。它不仅能有 2 水泥涓石灰埠水石膏固化红土的组成、结构与性能关系研究 效固化土壤、砂砾料、淤泥等各种土质，同时还可用于生活垃圾及工业粉尘等废弃物的 固化。不过由于各种主客观条件的限制( 如工程的造价、特殊的自然环境、特殊的地质 条件等) ，土壤固化剂也有其局限性。 1 2 2 1 国外研究现状 多年来工程师们一直在研究土和水泥、消石灰、粉煤灰等无机结合料的混合物试图 找到能够利用当地土料为主要原料的廉价筑路材料，这就是国外最早应用加固土的目 的。1 9 1 5 年美国一位大胆的铺路承包人，用犁将从海湾挖出的贝壳和砂子、水泥混合在 一起，并用1 0 t 蒸汽压路机将表面压实，无意识地创造了很可能是世界上首次应用水泥 加固土的实例。四十年代，加固土技术得到了普遍的认同。美国材料试验协会a s 聊还 将水泥加固土试验标准编订在工程土壤规程中【4 】。到七十年代中期，美国各地己有5 5 座水库大坝采用了水泥加固土护坡，其工程量达1 6 0 万m 3 。在印度加固土材料的应用 亦很广泛。据报导，印度1 9 4 8 年在旁遮普邦修筑了4 0 0 0 幢水泥加固土民房，水泥掺量 为2 5 ，建筑物经多年使用后情况好，特别保温和防潮性能较好。非洲一些国家也大 量使用水泥加固土作为基层和底基层修筑了沥青面层公路。据英国道路研究所调查，水 泥掺量为3 一8 ，只有肯尼亚一些道路上水泥加固土基层的使用情况较差，破坏比例 达2 0 q 0 ，出现了裂缝、剥落和变形，其它国家的道路使用情况均好【5 1 。 2 0 世纪7 0 年代，随着对土壤固化技术进行了深层次研发，出现了固结土壤的新材 料一土壤固化材料( s o i ls t a b i l 泌r ) 。它能够克服消石灰、水泥和粉煤灰等单一材料的缺 点，作用对象是各种土壤。在许多国家，土壤固化材料作为一种品牌商品被专门的企业 生产。如美国生产的帕尔玛固化酶【6 】，s o i h o c k ，e n 1 等土壤固化材料；澳大利亚开发 的r 0 a d b o n d b ，r o a d p a c k e r b 【8 】；日本的u k c 公司，住友株式会社等也生产各种品牌的 土壤固化材料。据说其加固土混合料的7 d 无侧限抗压强度可达1 3 m p a 以上，并比相同 掺量的水泥加固土强度高5 0 7 0 以上【7 1 0 1 。 在企业生产土壤固化材料的同时，许多学者也在从事土壤固化材料的研究工作。研 究者针对不同土质研制开发出了不同的土壤固化材料，如m e d i n a 【1 1 】等用磷酸加固红土； t 0 m o l l i s a 【1 2 l 等提出用混凝土粉末、纸浆渣、粉煤灰和火山灰土加固处理含水量高和有机 质含量高的土壤；色o b r o w s k 【1 3 研究出一种离子类固化材料来加固软基土；z a l i h e 等用 粉煤灰和石灰来固化含有石灰质的膨胀性黏土。 国外学者在研究土壤固化材料时，研究的对象和思路较宽广，不仅包括水泥和石灰 的各种添加剂、废弃物的再利用研究，而且对菌类加固剂、昆虫加固技术也进行了深入 水泥涓石灰埠水石膏固化红土的组成、结构与性能关系研究 研究。s l l i 谢【l5 】认为，石灰和粉煤灰的混合物可以消除由于水泥土干缩而容易引起的开 裂；b e l l 【1 6 】在水泥和石灰中分别添加p f a ( 一种添加剂) 对其加固黏土的效果进行了研究； m i l l e r f l7 】等对水泥窑粉尘( c k d ) 加固处理土壤的性能进行了研究；m u i l i e d 等用一种沉 积物燃烧后的物质作为一种土壤固化材料；t h e c a n n 【1 9 】研究了腐生物分解木质素中的担 子菌类，认为其在土壤固化过程有着重要的作用；n e n e l 2 0 】等研究了自然界白蚁用黏土固 化筑巢的技术，提出了岩土昆虫学的概念。 1 2 2 2 国内研究现状 目前，我国有许多学者也在从事土壤固化材料的研究工作，主要集中在无机类方面， 以水泥熟料或特种水泥熟料、石灰及工业废渣等为主要原料，添加少量的激发剂制备而 成。例如黄晓明等【2 l 】以石灰、矿渣、水泥等一种或几种互配物作为主固化材料，选用马 来酸、胡码酸、碳酸钠、氟化钠、氢氧化钠、硫酸铝钾、三乙醇胺和胺基磺酸盐等作为 助固化材料，配制了一种t r 型土壤固化材料，具有良好的路用性能。梁文泉等瞄】研制 了一种由特殊二氧化硅及活性铝、铁等组成的灰白色粉末状无机胶结材料_ g a 新型 土壤固化材料，其能固结黏土、淤泥、工业废渣以及粉砂、风化砂等。彭波等【2 3 1 以钢厂 工业废渣( 水淬渣) 为原料，加入少量合成的固态催化剂，经研磨加工制成了一种土壤稳 定剂，其稳定的土壤在无侧限饱水抗压强度、水稳定性、冻稳定性、劈裂强度等路用性 能方面优于石灰固化土。周明凯等【2 4 】研制了一种以矿渣、石灰为主剂，复合几种固化素 合成的h s 干硬性土壤固化材料，该固化材料自身凝结硬化较慢，用于固化土壤时，除延 迟碾压时间较长外，还具有强度较高、微膨胀等特点。季节【2 5 j 等研制了一种水硬性胶结 材料固化材料，主要包括s i 0 2 ，a 1 2 0 3 ，f e 2 0 3 ，c a o ，m g o ，s 0 3 等化合物，对砂性土 和黏性土试验结果表明，经固化材料加固后的土体强度和耐久性均有所提高。大连麦克 文化学工程有限公司于1 9 9 4 年成功推出了1 6 8 全方位固化材料，掺入土中的固化时间不 超过4 8 h ，加固土的无侧限抗压强度不小于4m p a ，浸水抗压强度不小于3 m p a 【2 6 1 。北京 中土奥特赛特科技发展有限公司引进e l 本土固化技术，在吸收国外经验的基础上，于 1 9 9 7 年开发了a l 四1 t - s e t 系列土固化材料。其中包含有6 种组分，分别起形成早期强度、 调整固化材料的凝结时间、提高加固土的最终强度、增强水稳性、提高加固土体的抗渗、 抗缩、抗冻等作用【2 7 】。 到目前为止，我国自主开发的固土固化材料还处于起步阶段，也出现过一些初步产 品，例如用于加固湿软地基和过湿土路基的n c s 固化材料【2 引。n c s 是在石灰、水泥中 添加合成的“s c a ”，高性能无机增强吸水材料改性而成的复合固化材料，可用于固化粘 4 广西大掌硕士学位论文 水泥一消石灰一半水石膏固化红土的组成、结构与性能关系研究 土、过湿土、有机质土、盐渍土、黄土和膨胀土。近年来，n c s 在江苏、山东、黑龙江、 吉林和河北等省市推广应用。但总体来说，我国成熟高效的加固土固化材料产品少，几 乎没有在工程中大量使用的实例，实际效果如何有待于进一步的研究。因此，我国急需 加快这方面的开发研究，以满足高速发展的交通事业的迫切需求，并同国外的同类产品 相竞争。 综上所述，尽管国内外就稳定材料的研究取得了一定的进展。但迄今为止，还没有 一种稳定材料能够完全解决土木工程中所遇到的疑难问题。稳定土的研究不管是理论还 是实践上还不完全成熟。 1 2 3 土的固化稳定机理研究现状 土的固化稳定机理的研究目前开展得还不很充分，目前研究主要有以下两个方面： 研究固化材料本身固化的机理以及土壤与固化材料的相互作用原理。由于土壤的固化材 料千差万别，所以其固化机理也各不相同，在此不能一一叙述，下面以在工程上应用广 泛水泥、石灰、粉煤灰和工业废渣几种较为典型的土壤固化稳定材料的作用机理做一个 简要的介绍。 1 2 3 1 水泥固化稳定土的机理 水泥与土拌和后，水泥矿物与土中的水分发生水解和水化反应，同时从溶液中分解 出氢氧化钙与土壤中的活性物质进行反应，形成其它水化物。归纳起来有如下几种形式： ( 1 ) 水泥的水化硬化反应 水泥与土拌和后，水泥矿物与土中的水分发生强烈的水化反应，形成氢氧化钙和其 它水化产物，形成水泥石骨架。随着水泥水化反应的深入，溶液中析出大量的c a 2 + ，当 c a 2 + 的数量超出离子交换需要量后，则在碱性环境中，这些多余的c a 2 + 同土壤中的s i 0 2 ， a 1 2 0 3 等进行化学反应，生具有胶结作用的水化硅酸钙凝胶和水化铝酸钙晶体。这些生 成物迸一步使颗粒相互结合，使土的塑性减小，强度增大，并使土对水分变化的敏感度 变小，也就是我们常说的使水泥土混合料的水稳提高。 ( 2 ) 离子交换及絮凝团聚作用口9 l 水泥水化以后，形成c a ( o h ) 2 和c a ? + + 2 ( o h ) 。共存的胶体，其中的钙离子与土粒表 面通常带有钠子和钾离子，根据质量作用定律，二价钙离子就能等当量替换土粒表面所 吸附的一价金属离子，进行等当量吸附交换。 【土】( n 矿，曲+ c a 2 + 叫土】c a ? “+ ( 或k + ) s 水泥- 涓石灰- 半水石膏固化红土的组成、结构与性能关系研究 其结果是使大量的土粒形成较大的土团，再加上水泥水化后形成的c a ( o h ) 2 具有强 烈的吸附，而使这些较大的土团进一步结合起来，并封闭各土团之间的孔隙，使水泥的 强度获得提高。 ( 3 ) 碳化作用 水泥水化物中的游离c a ( o h ) 2 与水中和空气中的c 0 2 发生碳酸化作用，生成不溶于 水的碳酸钙： c a 2 + 十c 0 3 2 一一c a c 0 3 此碳酸钙是坚硬的结晶体，它把土颗粒胶结或固结起来，提高了土体的强度。 1 2 3 2 石灰固化稳定土的机理 在土壤中掺入少量的石灰并使其比较均匀地分布在整个土体中，消石灰与土之间发 生相互作用，从而使土的性质发生根本的改变。土的力学性质得到显著的改善初期表现 在颗粒间产生胶结。土的塑性降低，后期表现结晶结构的形成。从而提高了板体性、强 度及稳定性。石灰加入土中后，发生一系列的化学反应和物理化学反应，主要有： ( 1 ) 离子交换及絮凝团聚作用 石灰加入土中后，会发生电离作用：c a ( o h ) 2 - c a ? + + 2 ( o h ) 。电离产生的二价 钙离子( c a l 与扩散层中的一价钠、钾离子( n 矿，曲发生离子交换作用，使双电层中的 扩散层减薄，结合水减少，粘土颗粒的结合力增强，土塑性下降，并呈絮凝团聚现象。 从而改变了土的性质。此种反应一般在2 d 龄期内就完成了刚。这一作用与水泥土固化 稳定中的离子交换作用是相似的。 ( 2 ) 火山灰作用 在上述离子交换后，随着龄期的增长，粘性土中的硅胶、铝胶将与石灰进一步反应 形成水化硅酸钙、水化铝酸钙( 4 c a o a 1 2 0 3 1 3 h 2 0 ) f 3 0 l ，这些凝胶物质能够在固体与水 二相环境下发生硬化，在土的团粒外围形成一层稳定的保护膜，具有很强的粘结力，把 土团粒胶结起来，形成网状结构，这是消石灰土强度后期增长的原因。同时，在团粒外 围形成的保护膜还能起到隔离作用，阻止水分进入，是石灰灰土获得水稳性的因素。 ( 3 ) 结晶和碳化作用 在上述作用的同时，液相水溶液中的c a ( o m 2 可以在溶液水分蒸发等造成的过饱和 状态下发生溶逆反应- 结晶作用，形成c a ( o h ) 2 晶体，c a ( o h ) 2 晶体的结晶网格将土粒胶 结成整体，结晶的c a ( o h ) 2 晶体溶解度更小，水稳性能提高。 6 水泥消石灰半水石膏固化红土的组成、结构与佳能关系研究 液相中的c o h ) 2 也可以与气相中或溶解在溶液中的c 0 2 反应，发生碳化作用。石 灰的自结晶作用和碳化作用，可以增强土颗粒之间的胶结性或增大稳定的固相成分，有 利于强度发展。 1 2 3 3 二灰( 石灰+ 粉煤灰) 土固化稳定的机理 石灰粉煤灰稳定土混合压实后，先由石灰在液相中溶解解离，产生二价的c a p 、 m 9 2 + ，以及提供较高p h 值的碱性环境。有研究表明【3 1 1 ，当足够量的熟石灰加入土中后， 可使土的p h 值提高到1 2 4 。在此条件下，发生石灰与土之间的离子交换和絮凝团聚作 用最快。结果使二灰稳定土发生体态的变化表现为土的塑性指数降低、和易性改善等工 程性质的改变【8 】。土的结构发生明显变化，出现较大粒径的“聚集体”，从而使加固土具 有初期的稳定性。继而，由于粉煤灰硅铝玻璃体以及土中的性s i 0 2 、a 1 2 0 3 成分在碱性 环境下被溶蚀，在液固界面上或液相中与c a 2 + 作用，发生火山灰反应，成水化硅酸钙、 水化铝酸钙等系列胶结性的物质。随着火山灰反应的进行，并伴随着石灰的自结作用和 吸收空气中的c 0 2 的碳化作用，以火山灰反应产物为主的胶结性物质，在稳定土固相间 隙中成结晶体网状结构，联结固相成一整体，发展成为具有较高强度和稳定性的石灰粉 煤灰稳定土材料在二灰稳定土的强度形成过程中，三相间发生的基本作用过程有；石灰 粉煤灰之间的火山灰应；石灰与土之间的离子交换作用、絮凝团聚作用和火山灰作用； 以及消石灰自身的电离、结晶和碳化作用等。这些作用的进行都是通过液相介质来完成 的。从对稳定土强度的贡献的大小来说石灰与粉煤灰之间的火山灰反应则是最主要的作 用过程；同时，解离作用是所有过程的基础，而灰与土之间的离子交换作用、絮凝团聚 作用则为石灰粉煤灰稳定土的强度形成提供了有利条件；灰与土中的火山灰物质的反应 以及石灰的结晶作用和碳化作用又进一步增加了稳定土的强度。由以上阐述可知，二灰 ( 石灰+ 粉煤灰) 土固化稳定的机理类似于石灰稳定土，只是粉煤灰的酸性比土壤高得多， 在石灰的激发作用下，。粉煤灰发生更为显著的火山灰反应，增强了二灰稳定土固化性能 【3 2 l o 以上阐述的均是固化材料的化学作用，但土壤的固化稳定过程中机械作用也是不容 忽视的。固化材料加入土中，经加水拌和后，虽能产生上述的一系列化学反应，但当其 处于松散状态时，并能具有作为路面基层等工程所要求的强度，它必须经过机械的压实， 使稳定土体系在机械压力的实作用下，使颗粒紧密接触，当固化材料水化硬化时，它们 将胶结在一起形成不易透水的板体，强度大大提高，并获得抵抗交通荷载和温度应力所 引起的变形的能力。 7 水泥- 涓石灰j 簪a u 百膏固化纽j ：的组成、麓构与性能关系研究 1 3 存在的问题 由于无机固化剂制造工艺简单、成本低，目前无机固化剂占据市场上主流，所以 我们选择无机固化剂作为研究对象。无机固化剂也存在一些问题。 1 3 1 石灰不足之处【3 3 t 蚓 ( 1 ) 石灰与土壤形成的固化体强度形成缓慢，往往影响施工进度。 ( 2 ) 石灰固化体的强度与消石灰的掺量在一定范围内成正比，若提高掺量超出范围， 则固化体的强度反而下降。因此，对于固化体强度要求较高的工程，消石灰显得无能为力。 ( 3 ) 干缩大、易开裂、易软化、水稳性差。在文献中提到，最佳含水量下制成的消 石灰土梁式试件，在空气中自然风干产生的最大干缩应变为31 2 0 6 0 3 0 雌，它是各种半 刚性材料中收缩性最大的材料，也是最容易受水影响产生表层软化的材料，由于这种水 稳性差的弱点，石灰固化土在公路系统中被禁止用作高级路面的基层，而只能用作底基 层处理。 1 3 2 水泥不足之处 ( 1 ) 固化土壤受土壤类别限制。实践证明，水泥对塑性指数高的粘土、裂土、有机 土及盐渍土固化效果很不理想，甚至没有固化作用。 ( 2 ) 干缩较大、易开裂。在文献【3 5 】中提到，水泥土的干缩系数和温缩系数都比较大， 在最佳含水量下制成的水泥土试件，在空气中风干所达到的最大干缩应变为 2 7 8 0 39 5 0 肛。因此，暴露的水泥土易干缩和冷缩产生裂缝，这种裂缝的出现导致固 化体( 水泥土) 的抗压强度、抗渗、抗冻、抗冲刷性能降低。因此，在公路规范中，水泥 土被禁止用作高级沥青路面和水泥混凝土路面的基层，而只能用作底基层。 ( 3 ) 水泥初、终凝时间无法调整，影响工程质量。水泥与土壤从加水拌和到碾压终了 的时间称之为延迟时间。固化剂的延迟时间可根据工程需要加以控制。延迟时间除了与 被固化的土壤土质有关外，受水泥的初、终凝时间影响很大；而水泥的初、终凝时间是 按国家规范标准执行的，作为固结砂石的建筑材料，不可能为固化土壤而调整初、终凝 时间。在生产实践中，有很多工程由于各种条件限制，施工时要求有足够的延迟时间来 完成各个工序。水泥与土壤拌和后，为了保证固化体的强度不受损失，要求在3 4h 8 水泥- 消石灰半水石膏固化红土的组成、结构与性能关系研究 的延迟时间内完成养护前的各个工序。因此，水泥无法满足这种施工时的需求，施工质量 往往受到影响。 ( 4 ) 水泥与土壤色泽相近，难以判别拌和均匀度，影响工程质量。由于水泥颗粒在润 湿情况下与土壤颗粒色泽相近，如出现没有拌匀特征的灰条、灰团现象，也不易用肉眼 辨别出来，无法采取补救措施，从而影响施工质量。 1 3 3 石灰粉煤灰( 二灰土) 不足之处【3 6 】 ( 1 ) 早强性差。近年来，石灰一粉煤灰被我国公路部门广泛用于道路基层、底基层的 稳定处理。但在使用中发现石灰粉煤灰的早强性差，直接影响施工进度及质量。虽然 采取了很多早强措施，但由于效果不理想及增加了成本，早强性仍然是一个没有很好解 决的问题。 ( 2 ) 水稳性差。由于粉煤灰特性，注定二灰土水稳性差，室内试验证明了这一点。 1 4 研究目的和意义 红土是我国南方非常常见的土层，分布面积达2 0 0 万k m 2 ，红粘土是红土的一种， 具有高含水率、高空隙比和高塑性，但却有较高的承载力和低压缩性等较好的工程力学 性质，是较好的建筑物地基。由于我国对红粘土研究起步比较晚，且主要集中在红粘土 特殊性成因解释方面，而对红粘土固化研究还主要是以单一水泥固化为主，对复掺试验 的研究特别是机理部分的研究目前还很少。 本实验研究的主要目的是探讨以红土为对象，研究其在水泥消石灰半水石膏为固 化剂的反应体系中的行为和规律。由于本文采用固化材料水泥、消石灰和半水石膏本身 具有来源广泛价格低等方面的优点，因而用水泥消石灰半水石膏为固化剂的反应体系 研究具有重要科学意义和实际意义，为以此类粘土为固化对象的固土工程实践提供理论 和实验依据。 1 5 研究内容及技术方案 本文以材料的结构与性能原理和体系的制备过程中的物理化学变化特征为主线，对 体系的原材料、制备过程、产物和性能方面展开了研究。本实验的内容主要分为以下三 个部分： 9 水泥- 消石灰半水石膏固化红土的组成、结构与性能关系研究 ( 1 ) 原材料性能分析 在原料方面，本文采用m 和s e m 等手段主要对红土矿物组成、和微观结构等进 行了分析。 ( 2 ) 固化性能研究 本文通过水泥、消石灰和半水石膏的单掺、双掺和三掺对固化红土的强度测定，研 究固化材料对红土固化强度和水稳性能的影响。本部分主要分为两个部分：一部分是固 化材料掺量对固化性能的研究，另一方面是纵向对比各种固化材料的固化效果。最终确 定固化材料对固化性能的影响规律，并根据实验结果选取较好固化效果区域。 ( 3 ) 固化机理研究 本文采用r d 和s e m 等手段对红土、固化材料及其反应产物的结构、组成和微观特 征进行了研究，通过对比其中的微观结构之间的差别，分析体系的制备过程中的物理化 学变化特征；结合固化性能测定结果，对固化材料与土体之间可能的物理化学过程进行 判断，探讨不同条件下固化材料加固土的基本原理。 1 6 小结 本章对固化材料的国内外研究现状和典型的无机固化材料固化机理进行了综述，对 如何发展无机固化材料提出了一些看法，只有对其反应机理进行了清晰的认识才能使其 更好的发展，但由于粘土的矿物种类较为复杂，且无机类固化材料的种类较多，每种体 系都存在着自己的特点。在本文中，提出了水泥石灰石膏粘土这种新的复合体系，从 提高固化材料的抗压强度和耐水性方面，对该体系进行了反应机制和应用的探索研究。 i o 水泥涓石灰举水石膏固化红土的组成、结构与性能关系研究 第二章实验材料、设备与实验方法 2 1 实验材料与试剂 粘土、水泥、消石灰、半水石膏，自来水，细砂 2 2 实验设备 电热恒温鼓风干燥箱，马弗炉，电子天平，压力试验机，数控水泥混凝土标准养护 箱，手动击实设备等。 2 3 实验方法 2 3 1 原材料的实验方法 ( 1 ) x 射线粉末衍射分析c ( r d ) 仪器：丹东x 射线衍射仪，d y 珥型 分析条件：铜靶，石墨单色器，电压3 5 k v ，电流2 0 m a ，扫描速率0 0 3 0 s ，扫描 范围2 e = 5 “o o ( 2 ) 红外吸收光谱分析( u 仪器：美国p e 公司，n e x u s 4 7 0 分析条件：背景样品：k b r ，扫描参数：分辨率4 c 面l ，扫描次数2 0 ，扫描范围： 4 0 0 4 0 0 0 c m - 1 ，镜象速度o 6 3 2 9 ( 3 ) 扫描电镜分析( s e h d 仪器：日本h i t a 啪公司，s 4 5 0 0 场发射扫描电子显微镜 分析条件：被测样品用双面胶固定在支持网上并喷镀金靶合金，加速电压2 0 k v 2 3 2 材料制备实验 首先在粘土中分别掺入不同种类的固化材料，纵向对比各单掺固化材料对粘土性能 指标的影响，选中其中对红土性能影响较为显著的固化组分，并确定该成分合理的范围。 其次，对前期试验结果分析整理后得出固化剂的初步配比范围，将针对该范围设计正交 水泥一涓石灰- 半水石膏固化红土的组成、结构与性能关系研究 试验，以进一步分析各固化组分的作用大小，并确定固化剂的较佳配比。最后，利用正 交试验得出较佳配比的固化剂对不同含砂量粘土进行实验，以便在实际应用中的指导作 用。 具体实验操作： ( 1 ) 土样处理：实验前将取来的土样于5 0 烘干( 风干土) ，然后过5 m m 方孔筛； 调节外加水量，加水量小于设定含水率1 8 ，湿料在密封条件下困料1 2 小时。 ( 2 ) 混料：将土料与固化材料混合均匀，继续加适量水搅拌，使试样的含水率为1 8 。 ( 3 ) 成型：利用成型磨具和压实设备将松散的湿物料压制成型，用5 0l 洲压力下成 型圆柱体试件，试件的尺寸为0 5 x 5 c m 。 2 3 3 制品的性能测试 2 3 3 1 抗压强度的测定 ( 1 ) 试件：5 5 c m 圆柱体，以含水量为1 8 和5 01 潮压力下压实成型。 ( 2 ) 养护 气养：养护龄期7 d ：空气中养护6 d ，浸水l d ： 养护龄期2 8 d ：空气中养护2 7 d ，浸水1 d ； 水养：养护龄期7 d ：混凝土养护箱中标准养护4 d ，浸水3 d ； 养护龄期2 8 d ：混凝土养护箱中标准养护2 5 d ，浸水3 d 。 ( 3 ) 强度测试：抗压强度参照j t 0 5 7 进行。 2 3 3 2 水稳系数 水稳系数为浸水养护试件的抗压强度与标准养护试件的抗压强度之比，水稳系数反 映的是土壤固化体系的水稳性能，水稳系数越大，水稳性能越好。 k 国：罢 ( 2 1 ) r d 、7 式中：砌水稳系数： 鼢检验试件抗压强度( m p a ) ； 皿、浸泡不同时问后试件的抗压强度( m p a ) ； 1 2 广西大学硕士掌位论文 水泥- 消石灰泮水石膏固化红土的组成、结构与性能关系研究 3 1 红土概述 第三章原材料的特性研究 红土是碳酸盐岩风化残坡积并经过红土化作用而形成的棕红、褐黄等色的高塑性粘 土。其主要分布在北纬3 0 0 与南纬3 0 0 之间的热带与亚热带地区。由于红土的工程性质 较为复杂，因此，对红土进行了比较深入而细致的研究具有重要的意义。 3 1 1 红土的定义【3 7 3 8 】 红土是指母岩在温暖潮湿的气候下，经过复杂的物理化学作用而形成的土体。 目前研究普遍认为发育成红土的母岩主要有三种：碳酸盐系、玄武岩系和花岗岩系。 碳酸盐类岩是三类岩石中红化作用最强烈，风化最彻底的一类。降水先是将岩石中的钙、 镁、碳酸盐岩溶蚀淋走，相对难溶的硅酸盐和硅铁铝氧化物残留并富集。由于排水条件 好，碱和碱土金属迅速排走，使得残留物所处的环境朝有利于不含碱和碱土金属的高岭 石类矿物结晶形成的酸性环境方向发展，高岭石类矿物也就逐渐形成。随着时间的推移， 一方面次生矿物( 高岭石等) 和粘粒的不断形成，另一方面是被吸附和富集的胶体在一 定的条件下，将形成次生的赤铁矿、针铁矿等晶态及无定形态的氧化物。高价铁的存在， 使土体呈红色。 碳酸盐类岩石是广泛分布在我国中南和西南地区，尤其是贵州和广西。因本文实验 所用红土来自广西大学校园内部建筑工地，判断本实验所用的红土为碳酸盐类形成的红 土。 3 1 2 红土的物理性质 实验用红土的其物理性质测定结果如下。 3 1 2 1 红土含水量测定 称取1 k g 试验用红土，放入烘干箱，在1 0 5 的温度下烘干至恒重，然后取出冷却 后称红土的质量测其含水率。风干土为取样试土在烘干箱恒温5 0 烘干至恒重。 湿土含水率： ! ! q q q ：q 二苎! 鱼：翌1 0 0 ：2 2 4 7 广西大学硕士学位论文 水泥消石灰埠水石膏固化红土的组成、结构与性能关系研究 风干土含水率：塑警1 0 0 = 1 6 3 3 1 2 2 塑性指数 土的物理指标中，塑性指数是表征细粒土间的连接强度，反映了土粒与水相互 作用的程度