母鸡接鸡蛋第31卷第1期湖南文理学院学报(自然科学版) V ol. 31 No. 1 2019年3月 Journal of Hunan University of Arts and Science(Science and Technology) Mar. 2019 doi: 10.3969/j.issn.1672–6146.2019.01.020
刘秀秀1, 吴俊1, 2
(1. 上海工程技术大学城市轨道交通学院, 上海, 201620; 2. 北京工业大学 城市与工程安全减灾教育部重
点实验室, 北京, 100124)
摘要：以上海高含水率的淤泥质粉质黏土为研究对象, 通过试验方法分析不同固化剂的固化性能。试验中采用石灰、石膏、矿渣微粉、超细水泥等部分替代水泥以组成不同配比的固化剂, 以固化软土的UCS为主要指标, 研究不同配比固化剂对高含水率软土早期固化效果和破坏特点。研究结果表明: (1) 当高含水率软土中固化剂总掺入比为20%时, 超细水泥对固化土的抗压强度性能影响最大; (2) 随着超细水泥掺量的增加, 固化软土抗压强度逐渐增大, 但对于含水率50%的固化土由于二次水化反应的不充分抗压强度增长缓慢, 超细水泥掺量存在一定的阈值。 关键词: 软土; 固化剂; 无侧限抗压强度; 超细水泥
中图分类号: TU 472 文献标志码:A
文章编号: 1672–6146(2019)01–0085–05
Study on the properties of curing agent material for soft soil with high water content
Liu Xiuxiu1, Wu Jun1, 2
(1. College of Urban Railway Transportation, Shanghai University of Engineering Science, Shanghai 201620,
China; 2. The Key Laboratory of Urban Security and Disaster Engineering, Ministry of Education, Beijing
University of Technology, Beijing 100124, China)
Abstract:The experimental study is carried out to investigate the mechanical behavior of soft soil with high water content cured by different curing agents. The different portion of lime, gypsum, slag powder and ultra-fine cement are used to partly replace the cement in curing agent to form the different curing agents. Then the unconfined compression test is adopted to obtain the unconfined co
mpressive strength (UCS) and failure pattern of the treated soft soil cured by different curing agents at early age. The results show that: (1) when the ratio of curing agent to solid particle of soft soil is 20%, the addition of ultra-fine cement (UFC) in curing agent performed the greatest influence on the UCS of the cured soft soil; (2) with the increase of the content of UFC, the UCS of cured soft soil increases. However, for the soft soil with 50% water content, the UCS of the treated soft soil cured by the UFC agent enhanced slowly due to the insufficient secondary hydration reaction, and hence, there is a certain threshold for the amount of UFC added in the curing agent.
Key words: soft soil; curing agent; unconfined compression strength; ultra-fine cement
土壤固化剂作为一种新型的工程材料, 在实际工程中被大量使用, 土壤固化剂能与软土发生一系列的物理化学反应, 能将碎散的土壤颗粒粘结为具有一定强度的整体性物质, 进而提高软土强度[1]。我国沿海地区地下空间开发程度较高, 软土地基加固在基坑工程、隧道工程中得到广泛应用。目前, 国内
通信作者: 刘秀秀, 2440269051@qq。收稿时间: 2018–09–19
基金项目: 北京市自然科学基金资助项目(8172010)。
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外软土地基加固采用的土壤固化剂主要有两种: (1)由石灰、粉煤灰、水泥等为主要成分的无机化合物类土壤固化剂; (2)由改性水玻璃类、环氧树脂类、高分子材料类等组成的有机化合物类土壤固化剂。后者主要应用在道路和水利工程加固[2–4], 但抗水性能差、受环境影响大, 在较高含水率软土中应用不佳。无机类土壤固化剂主要利用水解、水化反应生成胶凝物质使土颗粒粘结密实, 因其原料易得、性能稳定且性价比高而被广泛应用[5–8]。但对于较高含水率的软土, 无机类固化剂存在早期强度不足、掺量大、成本较高的缺陷。
在工程实践中, 从控制软土流变的角度出发, 加快土体固化效率对于地下工程的安全性有帮助, 故有必要针对该类型的土壤进行相关固化剂组分的研究, 使固化后的软土具有较高的早强特性, 且具有良好的经济性和绿环保特性。
本文拟采用试验研究方法针对上海高含水率的淤泥质粉质黏土采用辅助固化材料部分替代水泥组成不同配比的固化剂, 其中辅助材料分别为石灰、石膏、矿渣微粉、超细水泥。以固化软土无侧限抗压强度(UCS)为主要指标, 研究不同组分下高含水率软土的固化强度和特点, 得出对固化土抗压强度影响最大的材料, 对其进行单掺试验, 分析其固化性能。
1 材料与方法防裂霜
1.1 土样的制备
试验中土样为上海典型第4层淤泥质黏土, 取自上海市浦东新区某工程场地。土样的主要物理力学性质指标可见表1。重塑土的颗粒级配如表2所示。
1.2 固化剂材料
本试验首先采用水泥、石灰和石膏等传统土壤固化剂材料对重塑软
土进行固化分析。由邢维忠[9]、易耀林等[10]的研究结果可知, 矿渣微粉具有潜在活性, 加入软土中能发生水化反应, 生成大量的胶凝化合物促进土颗粒的粘结。由于超细水泥比表面积比普通水泥大, 活性较高, 水化反应迅速, 早期强度提高较快。故在添加矿渣微粉的基础上, 研究超细水泥代替部分水泥的土壤固化剂对重塑软土的早期固化效果。其中试验所用固化材料的相关性质见表3。
1.3 试验方案
本试验土样含水率取
40%(水的质量与重塑干土的
质量之比), 按照相关规范取固化剂总掺量(固化剂质量与
湿土质量之比)为20%, 采用
水灰比0.5(水的质量与固化
剂质量之比)。试验中采用基龙芯一体机
准组和对照组, 其中基准组
的试样采用纯水泥, 对照组先以水泥 + 石灰 + 石膏为基础, 然后用矿渣微粉、超细水泥等材料分别对水泥进行部分替代, 以配制不同配比的固化剂, 通过测定各个配比下固化软土的UCS, 从而分析得出对固化土性能影响最大的材料。初次试验中仅考虑了7 d 和14 d, 各组试验方案如表4所示。
1.4 试验过程
(1) 试样制备和养护。本试验制备高80 mm 、直径为39.1 mm 的圆柱体试样, 制备过程中, 首先按照表1制备土样。按照表4将干土、水、固化材料混合, 使用搅拌机充分搅拌至均匀。按照规范[11–12]
表1 土样的主要物理力学性质指标
UCS 含水率/%
天然密度/(g ⋅cm −3)
比重
孔隙比
液限/%
塑限 /%
原状
重塑41.7 1.77 2.72 1.18 36.322.9 38.1
5.18
表3 固化剂主要成分
成分 样品要求 固化剂中所占比例/% 备注
水泥 425#普通硅酸盐水泥 D50: 19.70; D90: 59.06 0～100
矿渣微粉 S95型, 比表面积>400 0～100 石膏 无水石膏粉(合格品即可) 0～20 超细水泥 比表面积大
于10000 0～10 1 250目表2 重塑土的颗粒级配情况 土颗粒 粒径/mm 小于某粒径土的百分含量/% 0.075 12.5 0.1 32 0.25 44.5 0.5 57 1 79 2 92.5 5 100
第1期 刘秀秀, 等: 高含水率软土固化剂材料的性能研究 87
将混合料分3次填充到模具中, 层振捣压实30次, 将试件表面刮平, 每组制备3组平行试验。最后将试样装密封静置。养护24 h 后脱膜编号装袋, 放入水槽内养护至龄期, 如图1所示。
(2) 无侧限抗压强度试验。本试验仪器采用轴向应变速率为0.4 mm/min 的应变控制式无侧限压缩仪。试验前对试样进行预处理, 将试样上下表面刮平, 该操作如图2所示。按照规范[11–12]进行无侧限抗压强度试验, 记录试件破坏过程中的形态。
2 多种固化剂材料的实验结果与分析
2.1 基准试样
基准组试验中掺入的纯水泥为20%, 测得7 d 和14 d 的无侧限抗压强度分别为0.2 MPa 和0.37 MPa, 分别比原状土的无侧限抗压强度提高426% 和874%。因此, 当采用纯水泥的土壤固化剂时, 加固后软土的早期抗压强度有一定程度的提高。其强度的提高主要依靠水泥水化反应产生的CSH 凝胶的胶结作用, 及生成Ca(OH)2等结晶物的填充作用[13]。但对于天然含水率大、孔隙多的软土来说, 填充效果不佳。
2.2 第1组试验
对照组第1组试验采用水泥为主剂, 石灰、石膏为辅
剂。由于石灰掺量过大会造成强度倒缩, 因此借鉴在道路地基处理中石灰掺量, 本文假设石灰掺量为5%。通过调整石膏掺量, 研究石膏对重塑土固化效果的影响, 并获取石膏在该类固化剂中的最优掺量。
固化土中掺入不同含量石膏后固化土抗压强度的变化
曲线如图3所示。由图3可知, 随着石膏掺量增加, 固化土7 d 的强度逐渐增大, 最大强度比基准试样提高30%左右。
但其14 d 强度随着石膏掺量增加逐渐减小, 其强度比基准
试样提高5%~27%。这可能是由于石膏的主要成分是CaSO 4,
能与水化产物反应生成大量的钙矾石填充固化土的孔隙, 并与胶凝产物共同作用提高试样的强度。但当石膏掺量超过一定值后,
钙矾石的膨胀作用会破坏已经形
图1 各龄期期间试样的养护
图2 对试样进行预处理
表4 各组试验配比 试验组 固化剂材料组成 配比掺量 基准组 A0水泥 100% B190∶5∶5
B2
85∶10∶5 B380∶15∶5
B475∶20∶5 第一组B5水泥∶石膏∶石灰 70∶25∶5
C170∶15∶10∶5 C2
60∶15∶20∶5 C350∶15∶30∶5 C440∶15∶40∶5 第二组C5水泥∶石膏∶矿渣∶石灰 30∶15∶50∶5 D162∶15∶20∶3 D260∶15∶20∶5
D358∶15∶20∶7 第
三组D4水泥∶石膏∶矿渣∶石灰
56∶15∶20∶9
E155∶20∶15∶5∶5
E250∶20∶15∶10∶5
对 照 组 第四组E3水泥∶矿渣微粉∶石膏∶ 超细水泥∶石灰 45∶20∶15∶15∶5
图3 第1组试验数据
B1A0B2 B3 B4 B5
A0B10.15
0.20
0.25
0.350.30
0.450.400.500 5 10 15 20 2530石膏掺量/%
无侧限抗压强度/M P a
B2 B3
B4 B5
7 d 14 d
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成的胶凝结构, 降低试样强度, 该结论也与黄雨[14]、Aly Ahmed [7]、李战国[15]等的研究结果相类似。综合看来, B2和B3试样的固化性能较明显, 7 d 无侧限抗压强度提高大约15%, 14 d 无侧限抗压强度提高大约22%。因此, 对于该类软土, 采用早期固化剂时, 最佳石膏掺量可以控制在10%。
2.3 第2组试验
确定石膏掺量后, 第2组试验拟采用矿渣微粉代替部分水泥, 研究矿渣微粉对高含水率软土的固化性能, 并得出该组分中最佳矿渣微粉掺量。
固化土中掺入不同含量矿渣粉后固化土抗压强度的变
化曲线如图4所示。由图4可知, 固化土强度随着矿渣微粉
掺量的增加, 先增大再减小。当矿渣微粉的掺量超过20%之
后, 7 d 和14 d 的无侧限抗压强度都急剧减小。矿渣微粉掺量为20%( B2)时, 7 d 和14 d 的强度比A0分别提高80%和43%, 可见矿渣微粉对固化土早期强度的提高效果较为明显。这主要是由于加固软土在水泥水化产生的Ca(OH)2, 固化软土内部PH 值提高, 从而破坏矿渣体内键能较低的Ca-O 键, 使矿渣玻璃体内部结构遭到破坏[16]。同时
Ca(OH)2与矿渣中的活性SiO 2、Al 2O 3生成水化硅酸钙和水化铝酸钙, 使固化土强度提高。但当矿渣微粉掺量超过一定
量时, 矿渣水化生成过多的膨胀性水化物如钙矾石等, 钙矾石在填充孔隙同时产生膨胀, 使土体结构破
坏, 强度降低。因此, 对含水率较高的软土进行早期固化时, 替代水泥的矿渣微粉掺量可以取20%左右。
2.4 第3组试验
基于对照组第2组试验结果确定了石膏、矿渣微粉最佳含量, 但由于该最佳含量是基于石灰掺量为
5%的假设, 改变石灰掺量可能会改变两者的最佳值, 故需检验不同石灰掺量对固化软土早期强度的影响, 以期望获取固化剂中石灰最优掺量。 固化土中掺入不同含量的石灰后固化土抗压强度的变化曲线如图5所示。由图5可知, 随石灰掺量的增加, 固化软土7 d 强度减小, 而14 d 相反。这主要是由于石灰
是一种以氧化
钙为主要成分的气硬性无机胶凝材料。石灰水化生成Ca(OH)2,
为水溶液提供足够的碱, 促进水泥水化及胶凝化合物的生成, 进而提高固化土早期强度。同时, 在试验中发现, 试样D3和D4应力达到峰值时间较短, 且破坏后轴向位移计归0速度也
相当快, 表现出明显的脆性破坏, 该类破坏形态在基坑工程及隧道工程中应尽量避免。故当采用石灰代替部分水泥时, 石
灰在早强固化剂中的掺量可为5%。
2.5 第4组试验
基于超细水泥的良好性能, 第4组试验采用超细水泥作
为外加剂代替部分水泥, 探究超细水泥对高含水率软土早期
固化效果的影响, 并得出该组固化剂中超细水泥的最佳掺量。
固化土中掺入不同含量超细水泥后固化土抗压强度的变化曲线如图6所示。由图6可知, 随超细水泥掺
量的增加, 固
化土的抗压强度增大。主要是因为超细水泥具有比表面积大、高活性的优点, 化学活性较高, 有利于水泥中各物相间的反
应, 使水泥胶结物更致密, 强度提高的更快。但考虑到超细水
泥的经济性, 选择E2试样的配比较为合理。E2试样的7 d 和14 d 的强度分别比基准试样提高160%和108%。综合考虑强度要求和经济因素, 确定超细水泥最佳掺量为10%。
图4 第2组试验数据 A0C3
C4
柴火灶C5A00.1
0.20.30.6
0.4
0.50 1020 30 40 50矿渣掺量/%
无侧限抗压强度/M P a
C3 C5
7 d 14 d C1C2 C4 C2 C1D3
D4D3
D1 D2 D4D2
D1
图5 第3组试验数据0.20.3
0.40.7
0.5
0.6
01 3
5 7 9石灰掺量/%
无侧限抗压强度/M P a A0A07 d 14 d E3
E1
E2
E2
E1
A0A0
7 d
14 d
0.20.4
0.81.00.60 5 10 15
超细水泥掺量/% 无侧限抗压强度/M P a
图6 第4组试验数据
E3
第1期 刘秀秀, 等: 高含水率软土固化剂材料的性能研究 89
3 单掺超细水泥的实验结果与分析
由初步试验结果可知, 超细水泥对固化土的抗压强度影响最大具有重要作用, 因此, 本章节重点分析单掺超细水泥对土壤固化剂的影响。其中, 超细水泥掺量取0%, 5%和10%, 以组成不同颗粒粒径分布的水泥固化剂(Curing Agent with Ultra-fine Cement and Ordinary Cement, CAUO)，由于试验条件等问题, 本章试验土的相关性质如表5所示。含
水率取值为50%。具体试验方案参见表6, 表中
“OPC ”和“UFC ”代表固化剂为普通水泥(Cement)和超细水泥(Ultra-fine Cement), 而“CAUO5”和“CAUO10”代表固化剂中超细水泥含量分别为5%、10%, 本次单掺试验考虑到28 d 养护龄期。 重塑土含水率为50%条件下, 固化软土抗压强度随超细水
泥掺量增加的变化曲线如图7所示。由图7可知, 随着超细水泥掺量和龄期的增加, 试样抗压强度逐渐增大, 主要是由于固化剂中活性细颗粒(定义颗粒粒径小于25 μm)逐渐增加, 固化剂的比表面积逐渐增大, 水化反应逐渐加快, 生成的水化产物逐渐增加。7 d 、14 d 和28 d 时UFC 试样的抗压强度较OPC 试样依次增
加80%、
50%和25%, 抗压强度的增长逐渐减小, 可见随着龄期的增加, 水化速度减缓, 水泥土中的孔隙水不容易扩散,
因而二次水化反应较为缓慢, 反应产物相对较少, 强度提高速率不如前期。同时可以看出28 d 时CAUO10与UFC 强度
基本接近, 这是因为UFC 试样前期水化反应消耗大量自由水造成后期固化剂的二次水化反应不充分, UFC 试样抗压强度
的提高主要依靠胶凝产物的粘结作用和胶凝产物与未反应颗
粒对孔隙的填充作用。这说明在含水率50%条件下, 并不是固化剂颗粒越细越好, CAUO10固化剂中惰性填充颗粒(定义颗粒粒径大于60 μm)对孔隙的填充作用也能提高固化土的抗压强度。因此, 超细水泥
掺量对固化土抗压强度的提高有一定的阈值, 即过了阈值之后, 单调增加超细水泥含量并不能显著提高固化土的抗压
强度。
4 结论
本文采用石膏、矿渣、石灰和超细水泥等材料部分替代水泥对高含水率软土进行固化，通过分析比较各组试样的无侧限抗压强度对软土固化效果最佳的材料，并进一步对该材料深入研究分析，得到以下结论:
(1) 石膏、矿渣微粉和石灰对固化土强度的提高效果明显, 但是掺量过大会造成固化土抗压强度的降低, 其主要原因是钙矾石含量过多会造成胶凝结构的破坏, 因此辅剂的掺量控制在合理范围内, 充分发挥水化产物的胶结作用与钙矾石的填充作用;
(2) 超细水泥对固化土早期强度的提高具有重要作用, 随着超细水泥掺量的增加, 固化土抗压强度逐渐增加, 其中对于含水率50%的固化土, 由于固化剂二次水化反应不充分易造成抗压强度增长缓慢, 故超细水泥掺量存在阈值。
钢水温度参考文献:
[1] 郭晓琼. TG 土质固化剂固化土基层应用研究[D]. 天津: 河北工业大学, 2014.
[2] 任葳葳. 高分子材料改性淤泥质土及其机理研究[D]. 重庆: 重庆大学, 2015. (下转第94页) 表5 土体的基本物理性质 层号天然含水率/%重度 /kN ⋅m −3液限/ % 塑限/ % 无侧限抗压
强度/kPa 449.1 16.9 43.4 22.9 44
表6 含水率为50%的试验方案
试件编号
普通水泥 掺量/% 超细水泥掺量/%手机受话器
OPC 20 0
CAUO5 15 5 CAUO10 10 10 W50UFC 0 20 图7 50%含水率下固化土抗压强度随超细水泥掺量变化曲线
200.81.01.41.6
1.2
0 5 10 15 超细水泥掺量/%
无侧限抗压强度/M P a
28 d
14 d
7 d
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