红粘土地区深层搅拌桩粉煤灰

1、红粘土地区深层搅拌桩粉煤灰对水泥土强度的影响韩利光本文2006年8月收到，8月改回。 陈永光2( 1广东省核工业地质局二九三大队，广州510800；2广东省地质建设工程勘察院，广州510080 )摘 要灰岩地区广泛存在上硬下软的红粘土。可采用深层搅拌法处理下卧软塑、流塑红粘土，形成复合地基，提高下卧层的变形模量和承载力，满足建筑物对地基强度和变形的要求。本文主要分析了采用深层搅拌法处理红粘土时，在水泥土内掺入粉煤灰对水泥土的加固机理，说明了粉煤灰影响强度的主要因素，并通过试验成果分析了粉煤灰对水泥土无侧限抗压强度的影响。关键词红粘土 深层搅拌桩 复合地基 粉煤灰 水泥土强度灰岩地区广泛分布上硬

2、下软的红粘土。一般情况下，其上部含水量低、压缩变形小、地基土承载力高，为建筑物良好天然地基土；下部含水量高、压缩变形大、地基土承载力低，为软弱下卧层。上部多呈坚硬至硬塑状态，占红粘土层的75左右；下部多呈软塑、流塑状态，为软弱下卧层，常导致地基不均匀沉降，引起建筑物开裂。地基基础设计常采用调整基础宽度、相邻地段基底压力和基础埋深的措施，以减小地基不均匀沉降。当以上方法不能满足建筑物要求时，常采用桩基础。桩基一般以石灰岩为持力层，因石灰岩溶沟、石芽、溶洞等发育，加大了基础勘察、施工的难度，施工周期长、费用高。采用深层搅拌法处理下卧软塑、流塑红粘土，提高下卧层的变形模量和承载力，可充分发挥上部硬塑

3、红粘土的作用，形成复合地基，满足建筑物对地基强度和变形的要求，可大大降低地基处理费用，缩短工期，且施工时无环境污染，具有良好的社会效益和经济效益。本文主要研究采用深层搅拌法处理红粘土时，水泥与红粘土拌合物的工程性质以及在水泥土内掺入粉煤灰对其强度的影响。1粉煤灰对水泥土的加固机理根据前人的科研成果，深层搅拌法对含有高岭石、多水高岭石、蒙脱石等粘土矿物的软土加固效果较好。红粘土中含高岭石的比例较大，并且粉煤灰具有火山灰活性，其化学组成属于CaOSiO2Al2O3系统。向水泥土中掺入适量的粉煤灰之后，粉煤灰中的SiO2和Al2O3与Ca（OH）2发生反应，生成水化硅酸钙、水化铝酸钙，从而降低了Ca

4、（OH）2的浓度，进而使钙矾石生长，对强度增长有利。此外，增加水化铝酸钙的数量相当于晶体矿物之间的胶凝作用。再者，粉煤灰基本上具有与水泥相同的颗粒尺寸和级配分布，粉煤灰的微珠效应也可以改变水泥的流变学性质，使加固土易于拌匀，易于密实，降低加固土空隙，减小孔径。另外，粉煤灰对水泥熟料的分散作用，能使水泥水化反应进行得更为彻底。粉煤灰对水泥土强度的增强作用主要表现在3个方面。(1)活性成分水化效应 水泥水化开始后，Ca（OH）2的浓度不断增加，直至饱和并析出Ca（OH）2晶体。由于掺入粉煤灰，其中细小的、可溶性的SiO2和Al2O3首先与吸附在其表面的Ca（OH）2进行水化反应，它在Ca（OH）2

5、膜层和粉煤灰颗粒界面处进行，这就是所谓的“火山灰反应”。主要水化产物有：水化硅酸钙、水化铝酸钙、水化硫铝酸钙以及水化铁酸钙等。随着水化的深入，水化反应向颗粒内部进行，生成更多的水化物并不断充填其孔隙，水化过程一直持续到反应物不足，水化产物充满整个空间才停止。(2)微粒形态效应 粉煤灰是煤粉在高温燃烧过程中形成的颗粒，颗粒很细，多数为玻璃微珠。红粘土为团粒结构，在与水泥浆搅拌过程中不易破坏而使水泥不能均匀的分散在红粘土中，影响加固效果。粉煤灰的玻璃微珠结构可减小内摩阻力、解开原团粒，使水泥土内部结构更均匀，水化反应更有效、彻底。同时，粉煤灰还有减水作用。因此，合适的粉煤灰掺量可有效的改善施工质量

6、。(3)微粒填充效应 粉煤灰的颗粒充填于水泥土颗粒间的空隙中，一方面通过活性成分水化作用的影响，生成新的物质，堵塞毛细管孔道，减少了大孔数量；另一方面非活性成分的挤密、填充使水泥土更加密实。2影响粉煤灰增强效果的主要因素(1)粉煤灰细度 由于粉煤灰的火山灰反应是在粉煤灰粒子的界面进行的，因此粒子界面的大小直接影响到反应生成物的数量，从而影响到强度的大小。(2)粉煤灰的比重 粉煤灰的活性影响因素中，比重是在物理作用中很主要的影响因素。比重较大的粉煤灰活性较好，坚硬而致密的粉煤灰颗粒比疏松多孔的粉煤灰颗粒具有更高的强度。(3)活性氧化物含量 由于火山灰反应原料之一即粉煤灰中活性氧化物含量，故SiO

7、2和Al2O3的含量越高，其混合料强度越高。尤其是在28 d以后，随龄期的增长，火山灰反应逐渐增强，其后期强度主要来自火山灰反应，强度的增长率就显得与氧化物含量的关系更为密切。(4)CaO的含量 火山灰反应原料之一为Ca（OH）2。若粉煤灰中有足够的游离CaO，那么在有水的条件下会生成Ca（OH）2，进而与粉煤灰本身的SiO2和Al2O3发生反应，生成胶凝性化合物，即为粉煤灰的自硬性。当然，一般粉煤灰中CaO含量较低，可通过外加石灰来激发其活性。(5)含碳量 含碳量是指粉煤灰在800900下能烧失的量，其主要成分为碳，所以粉煤灰的含碳量即烧失量。含碳量的大小对粉煤灰的活性有直接影响。碳的化学性

8、质比较稳定，在水化作用中不参与反应。碳含量大，活性的SiO2和Al2O3及CaO就相应减小，使混合料强度降低。碳吸水后在碳粒表面形成薄膜，影响水分的渗透和水化反应的进行，从而降低了活性。此外，碳含量过多，还会影响混合料的密实性，导致强度降低。3 无侧限抗压强度试验成果分析(1)与纯水泥掺入的水泥土无侧限抗压强度对比 在总掺入比一定的情况下，90 d龄期的水泥土粉煤灰取代比太小或太大对强度不利，适宜选取在25%40%之间（表1，图1）。表1 总掺入比一定时，粉煤灰取代比与无侧限抗压强度的关系总掺入比（）粉煤灰取代比（）无侧限抗压强度（MPa）取代后与取代前取代之比30 d60 d90 d30 d

9、60 d90 d801.8912.6633.4351202.1853.4033.47733.32.1452.9313.7270.9820.8611.0721602.2063.4914.198252.6843.6404.4701.2171.0431.065502.4983.0694.1461.1320.8790.98820202.9984.2864.942402.9794.0575.1730.9940.9471.047602.1053.1524.5290.7020.7350.916注：水泥掺入比20%及以上，因在工程应用上无实际意义，故未测定。总掺入比20%，对比值为与粉煤灰最小掺入比。图1 粉

10、煤灰取代比与无侧限抗压强度的关系曲线(2)粉煤灰含量一定时，无侧限抗压强度随水泥掺入比的变化规律 显然，当粉煤灰含量一定时，无侧限抗压强度随水泥掺入比的增大而增大。说明水泥的增加一定会导致强度提高（表2）。表2 粉煤灰含量一定时，无侧限抗压强度随水泥掺入比的变化关系粉煤灰掺入比水泥掺入比8%（MPa）水泥掺入比12%（MPa）水泥掺入比16%（MPa）30d60d90d30d60d90d30d60d90d01.8912.6633.4352.1853.4033.4772.2063.4914.1988%2.4983.0694.1462.9794.0575.1733.344.6525.7416%2.

11、3683.5575.1823.3694.6764.7720%2.3973.4214.6074 粉煤灰对水泥土无侧限抗压强度影响的综合分析综合以上数据及分析可知：当粉煤灰掺入比不大时，强度基本上随粉煤灰掺入比的增大而增大，超过一定限度时（此时与水泥取代比不到40%），强度则不一定增大，甚至降低，原因与粉煤灰自身特性、土性、水泥掺量等因素有关。龄期对粉煤灰加固水泥土影响方面，水泥掺入比不大时，粉煤灰对早期强度（30 d以内）有一定的提高作用，主要原因在于它的填充、挤密作用，随着龄期的延长，粉煤灰中活性成分的水化作用逐渐进行，对后期强度的增长有重要作用，所以90 d的强度一般都比较大。分析原因如下：水泥土形成过程中，水泥活性大，首先与水发生水化反应，生成胶凝性化合物、晶体，并释放一定量的Ca（OH）2。加入粉煤灰后，由于它活性小，最初只是发挥物理性的充填、挤密、分散作用。随着水化的深人，Ca（OH）2的浓度不断增加，直至达到过饱和状态、析出晶体，在未水化的水泥颗粒及水化产物周围形成一个半稳定状态的Ca（OH）2薄层，延缓了水泥的进一步水化。粉煤灰中活性的SiO2和Al2O3与溶液中的Ca（OH）2反应，生成胶凝产物，降低了溶液中的Ca（OH）2浓度，促使水泥继续水化，生成更多的胶凝产物，使水