膠結細化巖土的性能研究*

郝建英 李憲軍

膠結土廣泛用于公路、鐵路、工業(yè)民用建筑、橋梁以及水利工程等,無論用于何種結構,膠結土都必須具有足夠的強度即具有承受各種荷載作用的能力,這種荷載來自外界作用的力和結構自身的重量,因此強度是膠結土性能的一個重要指標。抗壓強度是抵抗結構中的壓力作用,抗折強度是抵抗受載荷作用而彎曲的性能。膠結土的抗?jié)B性是巖土抵抗壓力水滲透的能力,是膠結土耐久性的重要指標。抗?jié)B性差的巖土,水分容易進入巖土內部引起侵蝕、水凍等破壞作用,有的甚至產(chǎn)生表面開裂和剝落。抗?jié)B性越不好,有害物質的侵蝕速度越快,侵蝕深度越深,耐久性越差。因此,抗?jié)B性能的優(yōu)劣直接影響到工程建設的安全。早在20世紀50年代初期,國內外已有人對如何固土固砂進行了研究,但都因粘結強度低、成本較高及施工工藝復雜,甚至在環(huán)保方面還達不到要求而難以廣泛應用。進入80年代,人們開始使用全無機材料進行土壤膠粘劑的研究,但是因固化條件、成本、性能以及環(huán)保等因素滿足不了施工要求而放棄。因此研制一種低成本、強度較高、耐久性好、施工工藝簡單且符合環(huán)保要求的新型土壤膠粘劑就非常必要。根據(jù)工程需求,并在前期研究工作的基礎上,研制出一種高性能新型無機土壤膠粘劑。采用該膠粘劑與磨細的巖土按一定比例混合均勻,其抗壓、抗折強度和抗?jié)B性能均大幅度提高,而且施工工藝簡單、成本低廉、無毒無污染,符合環(huán)保要求。解決了傳統(tǒng)膠結劑的一系列缺點和不足,為各項工程的應用和沙漠治理提供了技術保障,并對其膠結機理進行了研究。

1 試驗部分

1.1 試驗原材料

1)膠粘劑:膠粘各種土樣所使用的膠粘劑為硅酸鹽型無機膠粘劑[1],它的配制原料主要有三種:水溶性硅酸鈉(Na2O·n SiO2),氟硅酸鈉(Na2SiF6),磷酸(H3PO4)。其中,硅酸鈉為基料,氟硅酸鈉和磷酸為改性劑,另加少量添加劑。2)黏土:任選土樣,其細度磨成0.08 mm,與水泥同一細度,其化學成分質量分數(shù)分析見表1[2]。前期試驗土樣的粒度是0.355 mm～0.9 mm。

表1 化學成分質量分數(shù)分析 %

1.2 試樣制備

將所選土樣磨成粒度為0.08 mm的顆粒,然后加入配制好的膠粘劑,混合攪拌均勻后放入模型中,待初凝后(一般 2 h～8 h)取出,自然養(yǎng)護3 d以上,制成試塊:測試抗壓強度的試塊為70 mm×70 mm×70 mm的立方體;測試抗折強度的試塊為40 mm×40 mm×160mm的棱形;測試抗?jié)B性能的試塊為小端直徑175 mm,大端直徑185 mm,高 150 mm的圓臺形。在 MTS810 Teststar材料試驗機上測試抗壓強度,在抗折試驗機上測試抗折強度,在HS-40 W數(shù)顯抗?jié)B儀上測試抗?jié)B性能,用相對滲透系數(shù)表示。

2 測試結果與分析

2.1 性能測試結果

試驗各制備了4組,每組6個試樣,其各測試結果分別見表2～表4。

表2 抗壓強度測試值 MPa

表3 抗折強度測試值 MPa

表4 相對滲透系數(shù) 10-7 cm/s

2.2 結果分析

1)從表2可以看出,細化后的巖土與配好的膠粘劑混合后,其抗壓強度比未細化的膠結土的抗壓強度[2]提高了65%,說明細化顆粒可以極大地提高膠結土的抗壓強度。未細化的巖土顆粒粒徑為0.355 mm～0.9 mm,細化為0.08 mm時,巖土的比表面積增大,與無機膠的接觸比較完好,反應更充分,所以固結效果更好。2)從表3可以看出,細化后的膠結土的抗折強度已基本達到425,525水泥3 d,7 d的抗折強度值,已經(jīng)接近于28 d的抗折強度值[3]。在大多數(shù)的工程建設中,機械強度一般以抗壓強度為主要指標,抗折強度僅次于抗壓強度。由前面分析可知,巖土膠粘劑可以滿足一些工程施工中的抗壓強度要求,進行對各種工程的修復。抗折強度也基本達到要求,如果通過研究,進一步提高它的抗壓強度、抗折強度,它的應用范圍將更廣泛。3)從表4可以看出,細化后的膠結土的相對滲透系數(shù)偏小,說明滲水量較少,抗?jié)B性能較好。這是因為細化后的巖土與無機膠混合更均勻,形成氣孔率很低的凝膠,致密度比較高,所以抗?jié)B性能好。

3 膠結機理研究

巖土膠粘劑的膠結機理實質上是硅酸鈉與氟硅酸鈉反應產(chǎn)生的二氧化硅溶膠變成二氧化硅凝膠的過程。硅酸在水中的溶解度很小,但水溶性硅酸鈉中的 m SiO2是硅酸多分子的聚合體構成的膠態(tài)微粒。由于水合作用,膠體帶有相當?shù)年庪姾?而周圍是等量的H+,堿金屬離子的作用在于保持平衡穩(wěn)定。當硅酸鈉與土壤脫水反應或形成氫鍵時,從溶液中析出SiO2膠體,新形成的SiO2具有極大的活性,將周圍的土牢牢地膠結在一起。氟硅酸鈉的加入是因為它的水解,增加了SiO2膠體的濃度,同時中和了硅酸鈉水解生成的NaOH,減少對SiO2溶膠的作用。

反應后產(chǎn)生的SiO2,包括土中的SiO2分子,總是傾向于形成[SiO4]四面體,或者說得更明確些,4價的硅離子要求4個氧離子將它包圍才能起到“屏蔽”的作用,而2個氧離子是不夠的。由于[SiO4]四面體通過共角互相連接,則每個四面體的四角共有4個氧離子,按共角連接可形成一個空間網(wǎng)絡。兩種網(wǎng)狀結構間相互作用,并將周圍的土牢牢的固結在一起,使膠化后的土具有一定的抗壓強度。隨著氟硅酸鈉加入量的增加,產(chǎn)生的SiO2分子增多,使得兩種網(wǎng)狀結構間相互作用的效果更好,空間網(wǎng)絡更密,抗壓強度也會隨著增大。

4 結語

1)細化后的巖土與無機膠混合后,其抗壓強度遠遠高于粗顆粒的膠結巖土的抗壓強度,說明顆粒相對越細,抗壓強度相對越高。

2)膠結細化巖土的抗折強度已達到了常用水泥的3 d和7 d的抗折強度,也基本上接近于常用水泥的28 d的抗折強度。

3)細化后的膠結土的相對滲透系數(shù)偏小,抗?jié)B性能較好。

4)巖土膠粘劑的膠結機理實質上是硅酸鈉與氟硅酸鈉反應產(chǎn)生的二氧化硅溶膠變成二氧化硅凝膠的過程。

[1]趙希英,賀英濱,燕 魁,等.正交試驗優(yōu)化硅酸鹽土壤膠粘劑配制的研究[J].化學與粘合,2002(5):201-203.

[2]趙希英,賀孝先,王時越,等.硅酸鹽無機膠粘劑與膠結土壤抗壓強度關系的研究[J].昆明理工大學學報,2001,26(3):114-118.

[3]郝建英.新型巖土無機膠粘劑及其抗壓強度性能研究[D].昆明:昆明理工大學碩士學位論文,2003:37-38.