一种新型无熟料胶凝材料的土体加固剂
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一种新型无熟料胶凝材料的土体加固剂
刘诚斌 倪 文 岳 涛
(北京科技大学土木与环境工程学院金属矿山高效开采与安全教育部重点实验室 北京 100083)
摘 要 通过化学分析、SEM电镜分析、无侧限抗压强度等实验,研究了无熟料胶凝材料
固结土的微观结构及其强度特征。结果表明,加固剂的掺入,使土体易于压实,空隙体积减小,
密实度提高,从而提高土的强度。加固土的水稳定性好,强度可以满足工程应用要求,具有广阔
的应用前景。
关键词 无熟料胶凝材料 加固土 微观结构 强度
加固土指采用一定的物理、化学方法及其相应
的技术措施而使土的物理力学性能适应工程技术的
需要。加固土的方法很多,目前国内外使用较多的是石灰稳定土和二灰稳定土,但是它们在工程应用
中有一些明显的缺点[1]～[3]:
(1)早期强度不高,整体性差,形成一定强
度一般需要7d以上;
(2)它们的水稳性和冻稳性严重不足;
(3)从工程成本来讲,大量地使用水泥熟料
会增加固土的成本。
本课题系统研究了固化剂加固土的路用性能,
一方面摸索提高加固土早期强度及稳定性的方法,
另一方面期望大量地利用工业废渣(水淬渣),以
减少环境污染,变废为宝[4]。
1 原材料及试验方法
111 原材料
(1)主体:矿渣微粉。北京首钢资源综合利
用开发公司生产,密度2197g/cm3,比表面积为
500m2/kg,各种组成成分如表1。
表1 矿渣粉的化学组成表%
SiO2Al2O3Fe2O3MgOCaOFeOMnOSTiO2P2O5
3414613100312181643810001380129016801840150
(2)配体:苛性白云石,石灰,石膏和可溶
性中性盐(NSC)。
为了与水泥进行比较,还要用到3215级普通
硅酸盐水泥。
(3)试验用土为北京地区的砂质低液限粉土,
其中含有的可溶性盐及土的基本物理力学性质如表
2和表3。
表2 土样中可溶盐类成分、离子含量表
K+Na+Ca2+Mg2+HCO3-Cl-离子
总量总硬度(以
CaCO3计)pH
20641309656077169510700812
注:表中各项的单位除pH外均为mg/kg。表3 低液限粉土土料基本性质表
天然
含水量
wM/%液限
wL/%塑限
wP/%塑性
指数
IP比重
Gs/(g・cm-3)最大干
密度γd/(g・cm-3)最优
含水量
w/%pH
19116451128121619216311751216812
112 试样制备
试样制备时,先按照一定的配合比配制出固化
剂,将此固化剂与土充分拌匀,在拌和后1小时内
按照最佳含水量和最大干密度采用静压法成型尺寸
为<5cm×5cm的圆柱体试件。试件在标准养生箱
(湿度95%,温度(25±2)℃)中保温养生。
113 试验方法
(1)无侧限抗压强度试验。将较好配合比下
的试样养生到一定龄期,测定无侧限抗压强度。
(2)SEM扫描电镜实验。在养生到一定龄期
的圆柱体试件中心部分取出分析样品,自然风干。
用双面胶将样品固定在样品台上,然后喷金,并将
处理后的样品保存于干燥箱中。测试时将样品置于
SEM扫描电子显微镜中,分别放大2000倍和5000
倍进行观察,拍摄有代表性的土样结构形貌,了解
土体的结构特征。
2 实验结果与分析
211 实验配比及其强度特征
(1)从大量的胶凝材料的配比实验中,选出
两种比较好的配方(见表4),并将其与水泥做
比较。
表4 胶凝材料用料配比每100g各组成成分含量表 g
编号苛性白云石NSC石灰石膏高炉矿渣
18315074
28371571574
(2)将配比编号1与2土壤加固剂采用内掺
法掺入土中,每组加固剂的掺入量为6%和10%
两种,并相应地将加固土试样编号为1-1,1-2,・241・全国中文核心期刊 路基工程 2006年第6期(总第129期)2-1,2-2。为了与水泥比较,水泥也按照同样的
方法掺入土中,将其编号为3-1,3-2。
(3)试验成模在养护箱中经过7天后,可以
进行强度测定,这组数据还包括经过第6天浸水的
试块,结果如表5所示。
表5 加固土7天后的强度表MPa
试样编号浸水未浸水
1-12180871770
1-2517241113582-13104881880
2-261156111280
3-11173461678
3-23183481400
结果显示,无侧限抗压强度随掺量的增加而得
到大幅度增长,可见,固化剂的掺入对土的无侧限
抗压强度产生了较大影响,可有效提高土体强度。
另外,与水泥做比较,显然这种加固剂的加固效果
要比水泥好得多,同掺量条件下,试验所做固结土
的强度要比水泥的强度高6016%。更为重要的是,
一级高速公路的路基要求7d浸水强度达到310
MPa以上,实验室所做出的强度值应该予以折减,
折减系数为0135～0150[5],也就是说,实验室做
出的强度值至少在610MPa以上,结果显示,此类
加固剂可以满足这一要求。
212 加固剂对土的微观结构的影响
为了研究加固土的加固机理,对上述配比实验
固结土进行了电镜分析,选择试样编号1-1,2-
2,3-2来分析,(电镜略)。
由于在1-1的试块的配方中加入了大量的
CaO,所以在分别放大了2000倍和5000倍的电镜
图中,可以明显看到含有片状晶体即为Ca(OH)2晶体,当然还有一些无规则结晶形状的海绵状C-
S-H凝胶体;2-2试块8天加固土的电镜分析
中,可以看见海绵状胶体,当土结构被放大5000
倍后,还能清晰地看见针棒状的萌芽状的形状在图
中,而当经过28天后,2-2试块的电镜分析图中
就能看见非常清晰的海绵状C-S-H胶体和针棒
状晶体,这明显是钙钒石;在3-2试块的电镜图
中,无论在放大了2000倍还是5000倍的电镜图中
都可看见絮状胶体和针状晶体的萌芽状态,显然说
明3-2试块是水泥水化产物,其针状晶体主要为
钙钒石。归纳言之,新型加固剂从微观结构看有以
下特点。
(1)与水泥相比,1号土壤加固剂中含有较大
量的游离CaO,它更有利于与土颗粒中的钠离子和钾离子进行离子交换和团粒化作用。而析出的钠离
子和钾离子可以与矿渣中活性的SiO2和Al2O3生
成一种新型的聚合物[6]、[7],这样就降低了土颗粒
的溶解度,使其水稳性好,土体浸水强度较高。
(2)2号土壤加固剂除了有上述的优点之外,
它掺入了比水泥含量多的石膏,这样就形成了较多
的钙矾石。在钙矾石的形成过程中,固相体积将增
长120%左右,它的膨胀性,更有利于土体结构密
实,空隙量减少。当然,过多的掺入石膏也会导致
土体的胀裂。
(3)大量的海绵状C-S-H凝胶、片状晶体
和针棒状晶体充填在土粒之间的空隙之内,并使土
粒之间相互联接,胶体和晶体的生长使土的结构变
得更加均匀、致密,在外力作用下不易产生相对运
动,空隙不易被压实,有效地加固和改善了土的工
程性质,提高了土的强度和变形能力。对于要求地
基土水稳性好,在短期内得到加固土的工程具有很
重要的推广和应用价值。
3 结论
(1)可行性,固化剂的掺入,使土体易于压
实,空隙体积减小,密实度提高,从而提高土的
强度。
(2)实用性,从固结土强度本身来看,7d就
可以获得610MPa以上的强度,可以满足一级高速
公路路基要求,加固效果也比水泥好得多。
(3)经济性,固化剂中的主要成分是高炉矿
渣,掺量已经在70%以上,不但节约了水泥熟料,
降低了材料的成本,更重要的是利用了工业废渣,
减少了环境污染。
参考文献
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AnnualSAMPESymposiumandExhibition[C].Covina,1991.1939～1949.收稿日期:2005-10-20・341・刘诚斌等:一种新型无熟料胶凝材料的土体加固剂
