水黏土固化处理的研究

水黏土固化处理的研究

1对于水土流失的控制加快天津滨海新区的开发建设，是渤海发展乃至全国发展战略布局的重要组成部分。新区属于典型的滨海相-海陆交互相沉积所形成的软土地基,其含水率高,压缩性高,孔隙比高,承载力低,很难直接满足工程建设的需要。对于土的固化及其机制等方面,已有学者作了大量的研究工作,取得了一定的成果。对于软土的固化,目前广泛使用的水泥作为固化剂,其强度很难再有所提高,本文通过试验发现,改变水泥土的酸碱环境对提高水泥土强度有很大的促进作用。然而,目前关于这方面的研究尚不充分。针对上述问题,本文研究了碱性环境对水泥土的固化影响机制,并以此为根据进行水泥土固化强度宏观与微观研究,最后通过现场试验进行验证,为进一步深入研究碱性环境对水泥土强度的影响打下基础,也为滨海新区软土地基处理技术及其影响因素提供理论依据。2固土试验的制备和维护2.1水泥及其外加剂的混合量定义掺入量:2.2无侧限抗压强度试验用土为天津滨海新区海积软土,pH=8.7,无侧限抗压强度为28.3kPa,水泥为矿渣325水泥,NaOH以及Na2CO3为工业分析纯。2.3试膜的制备和养护试验前将土样在105℃~110℃温度下烘干磨碎过2mm筛,将水泥、碱性外加剂和土样拌匀,按天然含水率加水,采用7.07cm×7.07cm×7.07cm的试膜振动成型,恒温(20±2)℃,恒湿(相对湿度为95%)养护1d脱模,再进行保湿保温养护。试验前一天浸入水中24h,测其7、14d及28d无侧限抗压强度,取拌和好的混合料后,也测定其pH值。2.4样品的维护脱模后保湿保温分别养护6、13、27d后浸入水中养护1d,测定其7、14、28d无侧限抗压强度。3土的物理力学试验现场钻探取样,在室内进行原状土(天津海积软土)的各种物理力学试验,试验结果见表1。从表1可以看出,天津海积软土为典型的软土,高含水率、高压缩性、低承载力、工程实用性差。4对固土无侧限压强度和微观结构的研究4.1加碱水岩土抗压强度试验按照上述试样的制备及养护要求,制作10%、12%、15%、18%、20%的水泥土以及10%、12%、15%水泥土中分别加入0.1%、0.5%、0.8%、1.0%碱性外加剂(NaOH、Na2CO3)试样,测定其无侧限限抗压强度,28d水泥土及加碱水泥土无侧限抗压强度与增幅见表2。表2的试验结果可以归纳为:(1)碱性环境对水泥土强度的提高有一定的促进作用,外加碱性添加剂时其强度比纯水泥土强度高20%~40%左右。碱性外加剂(NaOH、Na2CO3)对水泥土强度的提高有一定的作用范围,当碱性添加剂含量在0.5%~0.8%左右时效果最佳;(2)虽然碱性环境对水泥土的强度有一定的促进作用,但对水泥土强度起主要作用的还是主固化剂水泥;(3)在本研究条件下碱性添加剂的增强作用有随水泥含量增加而增加趋势。4.2水土性土微结构的变化本文选取10%水泥土外加NaOH及Na2CO3等碱性外加剂的固化土进行微观结构分析。图2、3为原状海积软土扫描图像,图4为掺碱性外加剂的固化土的扫描图像。由图2、3可知,未处理的原状土微结构为絮凝状,骨质疏松,而从掺碱性外加剂的固化土微结构(图4)中可见,有新生成的化合物如针状硅酸钙晶体及板状Ca(OH)2晶体,新的生成物填充了土体的孔隙,增加了土体的强度。为了定量地对微观结构进行分析,本文对扫描照片进行了量化分析,结果见表3。通过对微观结构进行定量分析发现,水泥土及掺碱性外加剂的水泥土的平面孔隙含量、平均孔隙面积及周长均比原状土要小,说明水泥及外加剂的掺入,使土体孔隙变少,变得更密实,因此固化强度比原状土高。在水泥掺量不变的情况下,掺碱性外加剂的水泥土比纯水泥土的平面孔隙含量、平均孔隙面积及周长更小,这也从微观结构说明掺碱性外加剂对提高水泥土强度有促进作用的机制所在。5水土强度的影响研究水泥固化土强度的同时,对碱性环境(pH值)对固化土强度的影响进行了相应地研究。pH值对水泥土强度的影响,实际上反映的是碱性外加剂(NaOH、Na2CO3)掺量的影响。本次pH值在试样成模之前测定,并对7、14、28d强度与pH值之间的关系进行研究,其成果如图1所示。试验研究表明,碱性环境对水泥固化土强度有影响,其随水泥含量增加而有所变化,水泥含量增加时,必须提高pH值,即增加NaOH、Na2CO3掺量,水泥固化土的强度才能达到最大值。另外,碱性环境对固化土强度影响有一定的范围,即pH值不能超过12.5,即碱性外加剂NaOH、Na2CO3掺量在本研究条件下不能超过0.8%,否则,对水泥土强度的提高起反作用。水泥土强度的构成主要是土的固有结构与组成、物理改良、水泥硬化、硬凝反应,其中水泥硬化对强度的贡献最大,整个强度增加的过程是水泥的水解水化反应、土颗粒与水泥水化物的离子交换、固粒化作用、凝硬作用、碳酸化作用等一系列复杂的物理化学反应作用的综合。据关文献介绍,当地下水或土样的pH<<4时,土样呈酸性,将严重影响水泥水化反应的进行,水泥水化的不完善将阻碍水泥与土的颗粒发生一系列的物理化学反应,不能用水泥加固土。不同的外加剂对水泥土强度有着不同的影响。合适的外加剂可以提高水泥土强度或节省水泥用量。当水泥土试样中液相(OH)-和CaO浓度以及Ca2+、(OH)-数值呈下降趋势时,水泥土中水化产物的数量和水泥土强度也呈同样趋势。反之,当水泥土中液相CaO和(OH)-高,则水泥水化产物(新晶体)生成量大。新晶体的析出,一方面成为土颗粒间的联结体,另一方面充填了颗粒孔隙,加强了土的强度。为使水泥水化后形成足够的水化硅酸钙,水泥材料必须有过量活性(游离)CaO,在水化后产生过量的过饱和Ca(OH)2溶液,并使之具有极强的碱性化学环境。NaOH以及Na2CO3作为碱性外加剂加入水泥土中可使水泥土保持强碱性,使OH-浓度增加,促使生成大量针状棒状或纤维状水化硅酸钙晶体,抑制了能产生膨胀作用的钙矾石的生成,同时有Ca(OH)2晶体析出,它们共同构成土颗粒间和土颗粒表面的充填物和包裹物,加强了颗粒间联结,并使水泥土的孔隙明显减小,加固了土的强度。通过研究还发现强碱对强度的提高有一定的作用范围,也就是说强碱促使固化土生成新的固化物不宜过多,否则会产生膨胀作用,反而降低固化土的强度。6水土流失固载试验结果为了验证碱性环境对水泥固化土强度的提高作用,本文选用天津滨海新区汉沽区一工程场地进行了现场验证试验。试验采用深层搅拌桩,28d时取样做无侧限抗压强度试验,试验结果见表4。试验结果表明,掺碱性外加剂改变了水泥土的酸碱度,使其所处环境变成强碱性环境,有利于提高水泥土的固化强度,与室内试验成果趋于一致。从环境保护方面来考虑,水泥土+NaOH或Na2CO3固化处理滨海新区海积软土是一种好的选择,减少了水泥的用量,因此可以减少因为水泥的运输施工等带来的环境污染问题,而NaOH或Na2CO3作为外加剂只改变了土壤的酸碱度,使土壤碱性加强,而滨海新区本身就是盐渍土地区,所以,NaOH或Na2CO3等碱性外加剂的加入没有从根本上破坏当地土壤环境。7碱性环境对水岩土强度的影响(1)水泥土的固化过程是一系列的物理化学反应过程,固化效果与土性质及其所处环境有关。水泥土的强度主要由水泥掺量决定,酸碱度起辅助作用。(2)碱性环境对水泥土强度的影响有一定的范围,当水泥土中的pH