水泥攪拌樁加固軟土原理探析

苗慶林 （福建省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)有限公司，福建 福州 350004）

0 前言

在我國(guó)廣闊的疆域上，分布有很多具有強(qiáng)度低、飽水性、孔隙大、沉降時(shí)間長(zhǎng)等特點(diǎn)軟土地層。在這類地基土上修建構(gòu)筑物，運(yùn)行一段時(shí)間后，往往會(huì)出現(xiàn)變形及沉降現(xiàn)象。變形及沉降量的大小隨著軟土深度、處理方法的不同而存在差異。如果處理不當(dāng)，在構(gòu)筑物建成后，會(huì)發(fā)生沉降開裂或滑移傾倒等嚴(yán)重后果。水泥作為固化主劑已在泉廈高速路、湄渝高速等高速公路上應(yīng)用，并取得很好的效果。在軟土地基施工時(shí)，機(jī)械攪拌入水泥后，即與土中的自由水及鋁-硅酸鹽晶體礦物發(fā)生反應(yīng)，使細(xì)小的土粒凝聚成大的土粒結(jié)構(gòu)。隨著時(shí)間的推移，其與粘土便形成一種強(qiáng)度和水穩(wěn)性較好的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的拌和樁體，與樁間土一起組成復(fù)合地基。

1 水泥的物理特性

水泥多呈深灰色或灰色，水泥性能好壞重要參數(shù)是指其細(xì)度、凝結(jié)時(shí)間、強(qiáng)度、標(biāo)準(zhǔn)稠度需水量等指標(biāo)，詳見表1。水泥顆粒細(xì)小、其比表面積就大、標(biāo)準(zhǔn)稠度需水量越小，水泥的水化程度越高。

高鈣粉煤灰的物理性質(zhì) 表1

2 水泥的化學(xué)特性

人造的水硬性材料——水泥。在和水?dāng)嚢杌旌虾螅瑫?huì)發(fā)生物理、化學(xué)反應(yīng)，生成堅(jiān)硬的水泥石結(jié)構(gòu)體。它是一種富含氧化鈣，由多種氧化物組成的混合材料。從性能和用途上分為通用水泥和專用水泥等。其中軟土處理時(shí)，一般我們用普通硅酸鹽水泥和硅酸鹽水泥，其礦物成分主要有四種，表2列出水泥的礦物成分及性能特點(diǎn)。水泥中除了四大礦物成分之外，還含有少量對(duì)水泥物理、力學(xué)性質(zhì)造成不利影響的化學(xué)物質(zhì)，這些物質(zhì)的含量也需要加以限制，具體如下。

①游離態(tài)SO3、MgO及堿等是水泥中的有害成分。水泥的堿集料反應(yīng)、體積安定性等受它們影響，如果含量較大，影響非常不利。②水泥中不溶解于濃硫酸的不溶物。主要為原料中的氧化硅和粘土未被充分煅燒、反應(yīng)不足，未能完全轉(zhuǎn)換為水泥熟料，影響水泥中的有效成分。③燒失量:在規(guī)定的950℃下加熱時(shí)，如果水泥煅燒不佳或受潮都會(huì)使水泥質(zhì)量損失。④水泥中含有少量的氯離子，氯離子的存在，使混凝土中鋼筋的銹蝕加快。⑤水泥是弱堿性材料，在堿性條件下，水泥的水化、凝結(jié)與硬化等反應(yīng)才會(huì)順利進(jìn)行。但是，在偏高的堿性環(huán)境下，水與活性碳酸鹽或活性硅酸鹽作用，也會(huì)產(chǎn)生堿集料反應(yīng)，造成混凝土結(jié)構(gòu)的破壞（理論上講堿含量以Na2O+0.658K2O計(jì)時(shí)≤0.6%計(jì)）。

水泥的礦物成分及性能特點(diǎn) 表2

3 水泥攪拌樁加固原理研究

軟土是軟弱粘性土的簡(jiǎn)稱，它廣泛分布于福建沿海地帶及山澗溝谷中，因此我們?cè)谛拗返染€路工程時(shí)，經(jīng)常會(huì)遇到軟土路段，而又無(wú)法繞避現(xiàn)象，不可避免地在這類地基上填筑路基等構(gòu)筑物。為了保證地基的穩(wěn)定及變形，在允許范圍內(nèi)，對(duì)軟土地基需要進(jìn)行處理。

軟土是由含水的鋁-硅酸鹽晶體礦物及少量的有機(jī)質(zhì)組成，而鋁-硅酸鹽晶體礦物主要由伊利石、蒙脫石和高嶺土三種礦物組成。水泥攪拌樁的形成過(guò)程也就是水泥與軟土中含水粘土礦物的水解、水化反應(yīng)過(guò)程。水泥作為主固劑加固軟土?xí)r，由于水泥摻入量?jī)H為加固土重的7%～20%，水泥與軟土拌和后的硬化反應(yīng)是在軟土的含水鋁-硅酸鹽晶體礦物周圍進(jìn)行，軟土的化學(xué)性質(zhì)對(duì)攪拌樁強(qiáng)度增加的影響及力學(xué)性質(zhì)對(duì)攪拌均勻性的影響均非常大，因此，攪拌樁體硬凝固結(jié)作用速度緩慢復(fù)雜，強(qiáng)度增長(zhǎng)緩慢。

3.1 水泥的水解及水化反應(yīng)

在軟土中拌入水泥后，水泥表面的活性硅酸鹽及鎂鋁酸鹽快速和軟土層中的自由水發(fā)生物理化學(xué)反應(yīng)，生成Ca(OH)2、3CaO·SiO2、CaCl2、3CaO·Fe2O3等等一系列溶于水化合物。其中3CaO·SiO2含量63～67%，加固土樁體的強(qiáng)度主要由它決定；2CaO·SiO2，含量21～24%，加固土樁體后期強(qiáng)度的增大由它決定；3CaO·Al2O3含量4～7%，它在飽和軟土中反應(yīng)速度最快，在前面7天的早凝時(shí)間起決定作用。4CaO·Al2O3·Fe2O3含量2～4%左右，決定早期強(qiáng)度。

在軟土中拌入水泥后，在軟土層中的自由水的參與下，水泥不斷發(fā)生水解及水化反應(yīng)，生成能溶解于水中的Ca(OH)2、3CaO·SiO2·3H2O 等化合物。當(dāng)溶液飽和后，水分子繼續(xù)進(jìn)入水泥樁體內(nèi)部，發(fā)生水解、水化反應(yīng)，這樣加固區(qū)周圍自由水不斷減少，已經(jīng)溶于水部分化合物及后續(xù)的生成化合物，因溶解液的減少而不能再溶解，只能以膠體的形態(tài)析出。水泥中還含有約3%硫酸鈣，它在飽和溶解液發(fā)生反應(yīng)，生成3CaO·Al2O3·3CaSO4·32H2O 的化合物，它被稱為“水泥桿菌”。在現(xiàn)場(chǎng)開挖攪拌樁體，將它置于顯微鏡下觀察發(fā)現(xiàn)，早期它在短時(shí)間內(nèi)以針狀結(jié)構(gòu)結(jié)晶體析出，其中樁體齡期的長(zhǎng)短及碳酸鈣摻入量的多少是決定其生成量的多少。據(jù)衍射試驗(yàn)分析，硫酸鈣、鋁酸鈣及自由水反應(yīng)迅速，以結(jié)晶水的形態(tài)把飽和水固定下來(lái)，從而增大了軟土的強(qiáng)度，這對(duì)樁間軟土硬度增長(zhǎng)意義非常。對(duì)于普通水泥，依據(jù)3CaO·Al2O3·3CaSO4·32H2O 化學(xué)式可知自由水的結(jié)合量約為生成水泥桿菌總量的45%左右。當(dāng)然，合適的硫酸鈣加入量是必需的，否則水泥桿菌結(jié)晶物會(huì)生成過(guò)多，體積增大，破壞水泥土樁體。所以只要硫酸鈣用量合適，反而會(huì)加大軟土地基加固效果。

3.2 粘土礦物顆粒與水化物的作用

當(dāng)水泥水解水化作用完成后，這些凝膠體溶液有的與四周活性硅酸鹽礦物顆粒發(fā)生反應(yīng)，吸收自由水，由于溶解液不斷減少，則會(huì)繼續(xù)析出膠體硬化，形成水泥石。

①離子交換及團(tuán)粒化作用：軟土作為一種由復(fù)合鋁-硅酸鹽晶體、結(jié)合水及自由水組成的多相體系，它具有粘塑性特征，例如由于軟土飽水，多數(shù)硅酸鹽晶體礦物以硅酸膠體顆粒形式存在，其表面多吸附Na+或K+，而水泥和土中自由水反應(yīng)時(shí)生成相當(dāng)多的Ca++，當(dāng)硅酸膠體顆粒遇到這些鈣離子時(shí)就會(huì)發(fā)生交換，這樣就把原來(lái)小的土粒聚集成大的團(tuán)粒，從而大大提高了軟土的強(qiáng)度。如下表為某軟土浸泡Ca(OH)2溶液中前后，Na+或K+就被Ca++所置換結(jié)果 (表3)，可見大顆粒組明顯增加。

土樣浸泡前后顆粒分析結(jié)果 表3

水泥和軟土中的自由水反應(yīng)生成以上4種凝膠粒子，其比表面積增大了一千倍左右，表面勢(shì)能非常強(qiáng)大，活性也增加得非常大，也就使較大的土粒繼續(xù)結(jié)合而變大，擠密土粒孔隙，增大土粒間聯(lián)結(jié)。這就是水泥土攪拌樁體強(qiáng)度大于樁間土體的原因之一。

②凝硬反應(yīng)：在軟土和水泥拌合后的凝期時(shí)間以后，這種反應(yīng)依然在進(jìn)行，不斷產(chǎn)生Ca(OH)2并溶解于水中，當(dāng)Ca(OH)2溶液趨于過(guò)飽和時(shí)，此時(shí)軟土層處于弱堿性環(huán)境中，組成軟土礦物的鋁-硅酸鹽晶體便與Ca(OH)2發(fā)生反應(yīng)，生成不溶于水的穩(wěn)定 CaO.SiO2·(n+1)H2O、CaO·Al2O2·(n+1)H2O 等結(jié)晶化合物。依據(jù)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)檢測(cè)可知這些結(jié)晶化合物大致為:CAH系的鋁酸鈣水化物；CSH系的硅酸鈣水化物；鈣黃長(zhǎng)石水化物等。這些結(jié)晶化合物硬化為水泥石，結(jié)構(gòu)硬實(shí)致密，又不溶解于自由水，這是水泥土攪拌樁體強(qiáng)度大于樁間土體的原因之一。

經(jīng)過(guò)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)檢測(cè)分析，軟土中的含水的鋁-硅酸鹽晶體礦物及少量的有機(jī)質(zhì)之間多通過(guò)弱結(jié)合水產(chǎn)生微弱聯(lián)系，且這種聯(lián)系很容易被打亂重置，且間距較大，因此其孔隙比多≥1。在拌入水泥7天后，水泥水解、水化物膠體替代軟土顆粒四周的飽和水，并有少量結(jié)晶物析出。28天后，隨著凝硬反應(yīng)的不斷繼續(xù)，大量結(jié)晶體析出硬化，使樁體及樁間土的孔隙不斷被晶體充填，形成形狀各異網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。5～6個(gè)月后，反應(yīng)仍然繼續(xù)，結(jié)晶體繼續(xù)延伸充填樁體及樁間土的孔隙，這樣水泥石及土顆粒相互交織硬化。這樣水泥土樁體強(qiáng)度及樁間土體強(qiáng)度都得到了提高。

3.3 碳酸化作用

軟土中的自由水在和水泥反應(yīng)時(shí)析出的Ca++也可吸收周圍的CO2，生成碳酸鈣，它不溶于水。析出硬化后，其強(qiáng)度一般，這樣水泥土樁體強(qiáng)度也得到了部分提高，不過(guò)其幅度小、速度慢。這就是水泥土樁體強(qiáng)度得以增大原因之一。在以上的分析中我們可以得出以下水泥土樁體硬化反應(yīng)的模式圖。

水泥土樁體硬化反應(yīng)模式示意圖

4 結(jié)束語(yǔ)

從以上原理分析可知，①采用水泥作為主固劑處理軟土，可形成較硬的水泥土樁體，它主要由水泥水化物硬化、水泥水化物伴生物與軟土含水鋁—硅酸鹽反應(yīng)的生成物硬化及密實(shí)的土團(tuán)顆粒組成，這些結(jié)晶硬化物具有遠(yuǎn)大于軟土的強(qiáng)度。②軟土的力學(xué)及化學(xué)性質(zhì)對(duì)水泥拌和的均勻性及樁體的強(qiáng)度影響也較大。在機(jī)械切削攪拌軟土?xí)r要多次攪拌，使水泥充分與軟土拌和，這樣反應(yīng)才會(huì)完全，樁體強(qiáng)度離散性就會(huì)小，復(fù)合地基的整體強(qiáng)度才會(huì)高。