水泥基土壤固化剂固化土的微观结构特征

水泥基土壤固化剂固化土的微观结构特征樊恒辉;吴普特;高建恩;娄宗科【摘要】采用扫描电镜和能谱分析测试手段，对水泥基土壤固化剂固化土的微观结构和固化剂的水化产物进行了研究.结果表明:水泥基土壤固化剂水化产物包括水化硅酸钙(C-S-H)凝胶、氢氧化钙、碳酸钙、三硫型水化硫铝酸钙(AFt)等物质，其中C-S-H凝胶、AFt是构成固化土强度的主体;六方棱柱状的AFt晶体和纤维状的C-S-H凝胶(I)纵横交替搭接成网状结构，插入或填充于土颗粒孔隙之中;网络状或其他形状的C-S-H凝胶附着在土颗粒表面并将其包裹起来，或将相近的土颗粒黏结起来.水泥基土壤固化剂水化产物的填充、挤密、黏结等作用，使呈松散状态的土颗粒逐渐成为较致密的整体,从而改善了土体的工程技术性能.【期刊名称】《建筑材料学报》【年(卷)，期】2010(013)005【总页数】6页(P669-674)【关键词】水泥基土壤固化剂涸土机理;微观结构【作者】樊恒辉;吴普特;高建恩;娄宗科【作者单位】西北农林科技大学冰利与建筑工程学院，陕西，杨凌,712100;中国科学院教育部冰土保持与生态环境研究中心，陕西，杨凌,712100;西北农林科技大学冰利与建筑工程学院，陕西，杨凌,712100;中国科学院,教育部冰土保持与生态环境研究中心,陕西,杨凌,712100;西北农林科技大学,水利与建筑工程学院,陕西,杨凌,712100;中国科学院,教育部,水土保持与生态环境研究中心,陕西,杨凌,712100;西北农林科技大学,水利与建筑工程学院,陕西,杨凌,712100【正文语种】中文【中图分类】TU472.5水泥基土壤固化剂是以硅酸盐水泥熟料及其他活性材料为主，再配入各种激发剂而制成的，它通过物理、化学等作用增强土颗粒之间的黏结力，提高土壤的抗压强度、抗水性能和防裂性能.目前，土壤固化剂在道路基层、软基处理、水利工程等方面已被推广应用.水泥基土壤固化剂的固土机理复杂,一般认为其固化无黏聚性土的固土机理主要是通过水泥熟料水化生成的水化硅酸钙等产物将土颗粒黏结成整体,从而逐渐产生强度.这与水泥混凝土没有本质区别.但是，黏性土是一种复杂的多相分散体系,它不仅包含原生矿物，如石英、正长石、白云母等，而且含有较多的次生黏土矿物,如呈层状的铝硅酸盐矿物高岭石、伊利石、蒙脱石等和呈晶状或胶膜状的氧化硅、氧化铝等.由于这些次生黏土矿物具有很大的比表面积和表面能，且理化特性、水理性质活跃，因此其不仅对土的物理力学性质产生重要的影响，而且与固化剂之间也发生各种物理化学反应.在细粒土的固化理论研究方面川erzog、别兹鲁克和松尾新一郎等［1-3］认为冰泥基固化剂的水化反应、火山灰反应、碳酸化反应是其固土的主要化学反应，其中水化产物是构成固化土强度的主体.但是这些理论忽视了影响固化土强度产生的物理因素（如密度）、微观结构（如土的孔隙结构及颗粒之间的黏结，受黏土矿物影响的固化剂水化产物的形态）变化和土壤环境的特殊性（如酸碱度、有机质和各种盐分等），从而使固化剂的固土机理难以深入发展.本文采用扫描电镜和能谱分析测试手段，研究水泥基土壤固化剂加固土的微观结构特征及固化剂水化产物从微观结构特征方面对水泥基土壤固化剂的固土机理进行分析,以期指导土壤固化剂的开发与利用［4］.1试验1.1土样土样选自杨凌黄土，其物理性质和矿物组成分别见表1和表2.表1表明:土样的相对密度为2.71,液限含水率为35.5%1文中涉及的液限含水率、塑限含水率等均为质量分数.),塑限含水率为18.6%,塑性指数为16.9,属于中液限黏土(CI);土样粉粒(0.05-0.005mm)含量为60.2%,粘粒(v0.005mm)含量为35.0%,属粉质黏土.表2表明，土样的黏土矿物主要以伊利石为主.表1土样物理性质Table1Physicalpropertiesofsoilsample?表2土样矿物组成Table2Mineralcompositionofsoilsample?1.2水泥基土壤固化剂水泥基土壤固化剂由水泥熟料、碱性催化剂、表面活性剂和矿渣等混合磨细而成[6],它属于一种环保型的无机胶凝材料.固化剂中水泥熟料为主固剂，碱性催化剂和表面活性剂为助固剂.1.3试验方法采用扫描电镜-能谱仪对水化产物进行形貌观察和元素分析.扫描电镜型号为J-5800,分辨率为3.5nm,放大倍数为20~30万倍，图像模式为二次电子像和背散射电子像，加速电压为0.3~30kV.能谱仪型号为ISIS,分辨率为138eV,元素分析范围为B(5)~U(92).固化土试件采用直径50mm、高50mm的圆柱体,在(20±2)°C、相对湿度＞95%的标准条件下养护至规定龄期.2结果与讨论2.1杨凌黄土的微观结构采用扫描电镜-能谱仪对杨凌黄土的微观结构和元素组成进行观察与分析，结果分别见图1和表3.从图1可以看出，杨凌黄土颗粒呈棱角状，粘粒呈不规则状态并分布在颗粒之间，将颗粒镶嵌在一起，而颗粒之间具有明显的缝隙,但较少，属于接触-基底式结构[7].从表3可见，土中主要元素为氧，其次为硅，然后为铝、钙、铁等.这与地壳中的元素丰度分布一致.图1杨凌黄土的SEM照片Fig.1SEMphotographofYanglingloess表3杨凌黄土的能谱分析结果Table3AnalysisresultsofenergyspectrometryofYanglingloess?2.2水泥基土壤固化剂水化产物的形貌特征采用扫描电镜-能谱仪对水泥基土壤固化剂水化产物的形貌特征和元素组成进行分析，结果分别见图2和表4.由图2可见，在水泥基土壤固化剂水化产物中主要有纤维状和网络状的水化硅酸钙凝胶(C-S-H(I),C-S-H(H)),六方棱柱状的三硫型水化硫铝酸钙(AFt)晶体以及片状或叠片状的氢氧化钙(Ca(OH)2)晶体.一般认为当水化铝酸钙(C3AH6)尚未完全水化而石膏已经耗尽时，则AFt与C3AH6反应生成单硫型水化硫铝酸钙(AFm)[8].由于水泥基土壤固化剂中含有大量的石膏，能够满足AFt的形成，因此没有发现AFm的存在.上述水化产物相互交错搭接形成网状结构，构成固化土的强度.图2水泥基土壤固化剂水化产物的SEM照片Fig.2SEMphotographsofhydrationproductsofcement-basedsoilstabilizer表4水泥基土壤固化剂水化产物的能谱分析结果Table4Analysisresultsofenergyspectrometryofhydrationproductsofcement-basedsoilstabilizer?2.3水泥基土壤固化剂固化土的微观结构材料的结构和组成直接决定其力学强度的大小.土料经过固化剂处理后，其力学和耐久性能的改善必然根源于固化土体的微观结构变化.采用扫描电镜-能谱仪对水泥基土壤固化剂固化杨凌黄土进行分析.水泥基土壤固化剂剂量为12%,所制备试件的干密度为1.723g/cm3,含水率为18.2%,标准条件下养护.试验结果分别见图3和表5.图3水泥基土壤固化剂固化土的SEM照片Fig.3SEMphotographsofsoilstabilizedwithcement-basedsoilstabilizer表5水泥基土壤固化剂固化土的能谱分析结果Table5Analysisresultsofenergyspectrometryofsoilstabilizedwithcement-basedsoilstabilizer?从图3和表5可以看出:(1)1d龄期时，水泥基土壤固化剂水化产物C-S-H凝胶已经将土颗粒黏结起来，但仍可以看见土颗粒之间的缝隙，土颗粒的夕卜貌清晰可辨.(2)7d龄期时，水化产物C-S-H凝胶进一步增多，其将土颗粒包裹起来，并有效地进行了黏结.(3)28d龄期时，已经分辨不出土颗粒的形貌，土颗粒外部已经被水化产物包裹起来.(4)60d龄期时,C-S-H凝胶将土颗粒黏结起来，形成较大的颗粒.(5)90d龄期时，土颗粒之间被C-S-H凝胶黏结起来，土颗粒外表完全被胶结，土颗粒的棱角已经分辨不出，颗粒之间形成类同相接触.另外，在图3(e)局部区域可看到土颗粒的形貌，这与固化剂剂量、混合料搅拌的均匀性等有关.水泥基土壤固化剂在土中的水化产物主要包括纤维状或网络状的C-S-H凝胶、六方棱柱状AFt晶体以及片状或叠片状Ca(OH)2晶体.六方棱柱状AFt晶体和纤维状C-S-H凝胶(I)纵横交替搭接成网状结构，插入固体颗粒缝隙之间或填充在原先被水或气体占据的孔隙之中，形成〃微加筋土”结构.网络状或其他形状的C-S-H凝胶将土颗粒有效地黏结起来，封闭各土团之间的孔隙，形成坚固的联结.因此，固化土的力学强度显著增强，水稳、抗冻等耐久性能也大大改善.2.4水泥基土壤固化剂-土界面结构研究为了更清楚地了解水泥基土壤固化剂-土体系的结构变化，对固化剂-土界面进行了分析研究.首先在试模内将土样压实到最大干密度，利用千斤顶将试件推至离试模顶部约0.5cm处燃后将按水灰比0.5配成的水泥基土壤固化剂浆灌入试模内并稍加振动，刮平后放入标准养护箱中进行养护,24h后脱模，然后置于标准养护箱中养护至规定龄期.采用扫描电镜-能谱仪研究固化剂-土界面的结构变化与元素组成.测试结果见图4和表6.图4水泥基土壤固化剂-土界面的SEM照片Fig.4SEMphotographsofinterfacebetweencementbasedsoilstabilizerandsoil表6水泥基土壤固化剂-土界面的能谱分析结果Table6Analysisresultsofenergyspectrometryofinterfacebetweencement-basedsoilstabilizerandsoil?从图4、表6可以看出,去掉固化剂的水硬化浆体后，在土的表面仍然形成一层致密的水化物反应层，而且由于固化剂浆液的渗透作用，在界面附近的土粒缝隙和内部，也有固化剂水化产物的生成.水化物同样主要包括纤维状或网络状的C-S-H凝胶、六方棱柱状AFt晶体以及片状或叠片状Ca(OH)2晶体.上述表明在固化土表面采用固化剂浆液进行处理，可形成一层致密保护层，其不仅存在于固化土表面，而且通过渗透作用进入土体内部，从而提高固化土的表面强度和耐久性.另外，水泥基土壤固化剂渗入到土的团粒(由若干个土颗粒组成)内部，将各个土颗粒凝聚起来,防止土团粒结构的分解，有效加固了土体.3结语水泥基土壤固化剂水化产物包括C-S-H凝胶,Ca(OH)2,CaCO3,AFt等物质，其中C-S-H凝胶、AFt构成了固化土的强度主体.六方棱柱状AFt晶体和纤维状C-S-H凝胶(I)纵横交替搭接成网状结构，插入或填充于土颗粒孔隙之中;网络状或其他形状的C-S-H凝胶附着在土颗粒表面并将其包裹起来,或将相近的土颗粒黏结起来.通过水泥基土壤固化剂水化产物的填充、挤密、黏结等作用，呈松散状态的土颗粒逐渐成为较致密的整体,从而使土体的工程技术性能得以改善.水泥基土壤固化剂的固土机理复杂，目前尚未有指导水泥基土壤固化剂开发的系统理论.建议深入研究水泥基土壤固化剂的固土机理，为固化剂的研发、推广及应用提供科学理论支撑.参考文献：HERZOGA,MITCHELLJK.Reactionaccompanyingthestabilizationofclaywithcement[C]//42ndAnnualMeetingoftheHighwayResearchBoard.WashingtonDC:HRBPub,1963.别兹鲁克BM,亚斯特烈鲍娃人H,柳比莫娃丁他等.用水泥、石灰、沥青、煤沥青加固土铺筑道路底层和面层的现代化方法[M].杨靖译.北京:人民交通出版社,1964:25-34.BE3PyKBM况CTPEBOBA人H^QBMI/IMOBATQ,etal.Modernmeathodsofthesubbaseandsurfacecoursewithcement,lime,asphaltandcoal-tarasphalt[M].TranslatedbyYANGJing.Beijing:ChinaCommunicationPress,1964:25-34.(inChinese)松尾新一郎.土质加固方法手册[M].孙明漳，梁清彦译.北京:中国铁道出版社,1983:115-127成^右L^b\右^^.Soilstabilizationmethodshandbook[M].TranslatedbySUNMing-zhang,LIANGQing-yan.Beijing:ChinaRailwayPress,1983:115-127.(inChinese)樊恒辉.MBER土壤固化剂固土机理及成型技术研究[D].杨凌:中国科学院教育部水土保持与生态环境研究中心,2006.FANHeng-hui.Studyonsoil-stabilizingmechanismandmoldingtechniqueofMBERsoilstabilizer[D].Yangling:ResearchCentreofSoilandWaterConservation&Eco-environment,ChineseAcademyofSciencesandEducationMinistry,2006.(inChinese)中华人民共和国水利电力部.SD128—84，土工试验规程(第一分册)[S].北京:水利电力出版社,1987.TheMinistryofWaterConservancyandHydropowerofPeople'sRepublicof