有機酸對水泥土強度影響的試驗研究

巴 瀟 賈景超 林維地 陳志濤

(1.華北水利水電大學(xué)地球科學(xué)與工程學(xué)院 河南鄭州 450011；2.中建七局交通建筑有限責(zé)任公司 河南鄭州 450011；3.中建中原建筑設(shè)計院有限公司 河南鄭州 450011)

0 引言

水泥土是采用深層攪拌法等將礦料、水泥、水和外加劑按照比例拌和養(yǎng)護而成的一種高密度堅硬材料[1]，造價低且施工方便，被廣泛應(yīng)用于修筑水泥土護坡、水泥土攪拌樁加固地基和夯土及鋪墊材料等。水泥土攪拌樁是指將水泥等材料作為固化劑，與軟土進行強制攪拌，發(fā)生水化、硬化反應(yīng)進而加固軟土的一種方法[2]。水泥土攪拌樁常用于處理PH值小于4或有機質(zhì)含量較高的酸性土，且需要通過試驗確定適用性[3]。

腐殖酸是自然界廣泛存在的天然有機高分子化合物，由于軟土地基大多處于腐殖質(zhì)含量較高的環(huán)境，水泥土樁易受到腐殖酸等有機酸的影響，因此探討不同的有機酸對水泥土強度的影響規(guī)律更有利于解決人們在應(yīng)用水泥土樁時遇到的問題。劉叔灼等[4]通過分析兩種典型珠三角軟土，得到有機質(zhì)含量對水泥土早期強度的形成起抑制作用，且隨著腐殖酸鈉含量的增加，水泥土試塊由脆性破壞轉(zhuǎn)為塑性破壞。曹凈等[5]對比了在富里酸環(huán)境中純水泥土與摻粉煤灰的水泥土的腐蝕變化情況，認為粉煤灰會加速富里酸環(huán)境下水泥土的劣化。韓鵬舉等[6]認為水泥土試塊表面腐蝕程度與腐蝕環(huán)境介質(zhì)質(zhì)量濃度、腐蝕時間成正比，水泥土無側(cè)限抗壓強度與硫酸濃度成反比，硫酸根離子濃度隨腐蝕時間增長而降低。邵玉芳等[7]通過分析腐植酸質(zhì)量分數(shù)、水泥摻入比、水灰比和齡期等單因子對水泥土抗壓強度的影響，認為腐殖酸對水泥土無側(cè)限抗壓強度有抑制作用，且胡敏酸對水泥強度的影響大于富里酸。張樹彬等[8]通過紅外光譜(IR)試驗，研究不同地域軟土中腐殖酸組分對水泥土固化效果的影響及作用機理，認為富里酸對水泥土的無側(cè)限抗壓強度的影響效果較胡敏酸強。

綜上，對于在腐殖酸環(huán)境下水泥摻量對水泥土無側(cè)限抗壓強度的影響，前人進行了大量的研究。然而，針對富里酸和胡敏酸對水泥土無側(cè)限抗壓強度的影響，不同的學(xué)者得出的結(jié)論不盡相同。因此，本文選取不同含量的醋酸、胡敏酸和富里酸，探究有機酸對水泥土強度的影響。

1 試驗方案

1.1 水泥土試樣制備

本次試驗水泥土中的土選用河北滄州濱海地區(qū)軟土，該土為粉質(zhì)粘土，液限32.8%，塑限18.3%。水泥選用強度等級為P.O42.5的普通硅酸鹽水泥。

試樣制備時，首先稱取一定量的軟土，由于現(xiàn)場施工時，水泥土樁位于地下水位之下，處于過飽和狀態(tài)，因此需再向土中添加軟土質(zhì)量13%的水以使土接近現(xiàn)場狀態(tài)。根據(jù)新添加水的體積，按10 g/L、20 g/L、30 g/L、40 g/L稱取所需的醋酸，按干土重的1%、2%、3%、5%稱取所需富里酸，按干土重的5%、8%、12%、15%稱取所需胡敏酸，將酸溶解于待添加的水中，并倒入土中與軟土攪拌均勻。水泥摻量為20%，水灰比為0.6，根據(jù)土水總質(zhì)量計算，稱量所需水泥及水泥中需要加入的水，將水泥和水?dāng)嚢杈鶆蚝蟮谷胲浲林小嚢杈鶆蚝蟮乃嗤恋谷敫邽?00mm、直徑為50 mm的圓柱形模具，在振動臺上充分振搗后，抹平試樣表面、用塑料薄膜封口并設(shè)置編號；放置48h后拆模，并在養(yǎng)護箱中分別養(yǎng)護7d、15d、28d、60d。

1.2 無側(cè)限抗壓強度試驗

本試驗選用微機控制電液伺服壓力試驗機，該儀器最大荷載為2000kN。分別取養(yǎng)護7d、15d、28d和60d后的水泥土試塊進行無側(cè)限抗壓強度試驗，加載速率設(shè)置為1 mm/min。每3個平行試樣為一組，試樣的無側(cè)限抗壓強度值取三者的算術(shù)平均值。試樣的實測值與組內(nèi)平均值之差不可超過平均值的±15%；若超出則剔除該試樣,取余下試樣的實測值的平均值作為該組的無側(cè)限抗壓強度值。如剔除后組內(nèi)試樣不足兩個,則該組試驗結(jié)果無效。

2 試驗結(jié)果及分析

2.1 醋酸對水泥土強度影響

如圖1(a)所示，對同一齡期的水泥土試樣，抗壓強度隨著醋酸濃度的增大先減小后增大。在濃度為30 g/L時，抗壓強度達到最小值。

如圖1(b)所示，對同一醋酸濃度的水泥土試樣，抗壓強度隨著養(yǎng)護齡期的增長而逐漸增大，且養(yǎng)護齡期越長增長幅度越大。

(a)

(b)

醋酸對水泥土強度影響的主要原因是：水泥顆粒進入土中，粒子表面發(fā)生水化硬化作用，生成大量3CaO·2SiO2·3H2O(水化硅酸鈣)、Ca(OH)2及含水鐵酸鈣等水化產(chǎn)物，形成蜂窩狀水泥土骨架，強度增加。在弱酸性環(huán)境下，水泥初期水化反應(yīng)被抑制，水化速度降低，導(dǎo)致水泥土早期無側(cè)限抗壓強度較低且增長緩慢。水化產(chǎn)物中Ca(OH)2為強堿性物質(zhì)，率先與H+發(fā)生反應(yīng)，生成游離的乙酸根離子、Ca2+和H2O。由于Ca(OH)2被消耗，火山灰反應(yīng)被抑制，C-S-H(水化硅酸鈣)和C-A-H(水化鋁酸鈣)含量降低，因此，在一定濃度范圍內(nèi)，醋酸濃度增大將導(dǎo)致水泥土抗壓強度降低。

水泥土中，Ca(OH)2決定水泥土強度，C-S-H決定水泥土的后期強度。醋酸是一元有機酸，其水溶液呈弱酸性。當(dāng)醋酸濃度較大時，H+率先與Ca(OH)2反應(yīng)，后期Ca(OH)2的消耗促進了水化反應(yīng)，C-S-H含量增多導(dǎo)致水泥土強度增大。醋酸濃度越小，養(yǎng)護齡期越長，H+大量被消耗，水泥土中剩余游離的Ca(OH)2與SiO2和Al2O3發(fā)生火山灰反應(yīng)，水泥土無側(cè)限抗壓強度增大。

2.2 富里酸對水泥土強度影響

由于富里酸含量達到3%和5%時，水泥土試樣未發(fā)生硬化，因此僅分析富里酸含量為1%、2%時對水泥土強度的影響。

如圖2(a)所示，對于同一齡期的水泥土試樣，其抗壓強度隨富里酸含量增大而減小，且不同養(yǎng)護齡期的下降幅度不同，隨齡期增長，下降幅度不斷減小。齡期為7d時，含2%富里酸的試塊強度較含1%富里酸的試塊下降17.4%；齡期為15d時，含2%富里酸的試塊強度較含1%富里酸的試塊下降10.8%；齡期為28d時，含2%富里酸的試塊強度較含1%富里酸的試塊下降6.2%；齡期為60d時，含2%富里酸的試塊強度較含1%富里酸的試塊下降6.1%。

如圖2(b)所示，對含1%富里酸的水泥土試塊，養(yǎng)護齡期為7～15d、28～60d時，強度隨齡期的增長而不斷增大，28d時，試塊強度相比于15d略有下降。含2%富里酸的水泥土試塊，其強度隨著齡期的增長而不斷增大。

富里酸是腐殖酸的一種，可溶于酸，以水溶液形式存在，與離子反應(yīng)生成可溶性鹽，還原能力強，富里酸表面有大量羧基等官能團，吸附能力強，在水泥固化過程中，吸附在水泥礦物表面，延緩水化硬化作用，阻礙硅酸膠體微粒形成，導(dǎo)致水泥土強度降低。富里酸具有特殊的分解作用，在富里酸環(huán)境中，水泥土水化產(chǎn)物中的C-A-H和C-A-S-H晶體被分解為可溶性鈣鹽流失，使得水泥土內(nèi)部孔隙率增大，抗壓強度快速下降。另一方面，富里酸中的H+率先與水化產(chǎn)物中的Ca(OH)2發(fā)生反應(yīng)，阻止了Ca(OH)2與水泥土中的SiO2和Al2O3發(fā)生凝硬反應(yīng)，水泥土整體性被破壞，強度降低。因此，工程中需特別注意富里酸的含量，該酸含量較高時會導(dǎo)致水泥土硬化程度低甚至不硬化。

(a)

(b)

2.3 胡敏酸對水泥土強度影響

如圖3(a)所示，對于齡期分別為15d、28d、60d的水泥土試樣，當(dāng)胡敏酸含量為5%～12%時，強度隨含量的增大先下降，到達8%時隨之增大；當(dāng)胡敏酸含量為12%～15%時，齡期為28d和60d的水泥土試樣強度持續(xù)增長，齡期為15d的試樣強度略有下降。對齡期為7d的水泥土試樣，當(dāng)胡敏酸含量為5%～12%時，強度隨胡敏酸含量的增大而增大，隨后略有下降。整體來看，試樣強度隨著胡敏酸含量的增長先降低而后增大，整體呈上升趨勢。

如圖3(b)所示，對于胡敏酸含量為8%和12% 的水泥土試樣，齡期為7～15d、28～60d時，其強度隨養(yǎng)護齡期的增長而不斷上升；齡期為15～28d時，強度變化呈下降趨勢。對胡敏酸含量為5%和15%的試樣，齡期為7～28d時，強度隨養(yǎng)護齡期的增長而不斷增長；齡期為28～60d時，胡敏酸含量為5%的水泥土試樣強度略微下降。整體強度變化曲線呈上升態(tài)。

胡敏酸是一種不溶于酸的有機弱酸，胡敏酸對Ca2+敏感，會與Ca2+、Al3+反應(yīng)生成難溶或不溶的鹽。在水泥土環(huán)境中，胡敏酸率先與水化生成的Ca2+形成沉淀，在一定含量范圍內(nèi)，含量越高水泥土強度越高。

(a)

(b)

3 結(jié)論

本研究選取醋酸、富里酸、胡敏酸，以不同含量摻入土中配置水泥土，研究了摻入含量與齡期對水泥土無側(cè)限抗壓強度的影響，結(jié)果表明：富里酸含量對水泥土強度影響最為明顯。相較于富里酸隨含量增大導(dǎo)致水泥土強度顯著下降，醋酸與胡敏酸含量達到一定程度后水泥土強度有所增長；隨齡期的增長，3種酸對水泥土強度的增長整體起促進作用，與含醋酸的水泥土試樣隨齡期穩(wěn)定增長不同，含富里酸和胡敏酸的試樣強度在隨齡期增長過程中略有下降，整體增長趨勢不變。

(1)水泥土強度隨著醋酸濃度的增大呈現(xiàn)先減小后增大的趨勢，在濃度為30 g/L時強度達到最低值。

(2)富里酸吸附性及還原能力強，可分解水泥土中的C-A-H和C-A-S-H晶體，使水泥土無法成型，對水泥土強度影響顯著。

(3)含胡敏酸的水泥土中，水化反應(yīng)占據(jù)主導(dǎo)，胡敏酸性質(zhì)穩(wěn)定，對水泥土水化硬化作用影響較小，水泥土強度隨著胡敏酸含量增大整體呈增大趨勢。