利用熟石灰改善水泥固化土早期強(qiáng)度的試驗(yàn)研究

解國梁，解恒燕，鄭鑫

（黑龍江八一農(nóng)墾大學(xué)工程學(xué)院，大慶 163319）

水泥土添加劑相對(duì)于其他提高水泥土性能的方法，具有很多突出的優(yōu)點(diǎn)，其適用范圍廣，施工工期短，費(fèi)用低，效果明顯。因此，得到了廣泛關(guān)注，具有良好的發(fā)展前景。正因?yàn)樗嗤撂砑觿┑闹T多優(yōu)點(diǎn)，國內(nèi)外專家學(xué)者在水泥土添加劑方面作了大量的工作并取得了很多有益成果。如龔曉南、童小東先后在水泥土中加入多種礦物添加劑、生石膏、氫氧化鋁、多種液態(tài)復(fù)合外加劑等，通過水泥土各類強(qiáng)度試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，所添加添加劑能夠顯著地提高水泥土的強(qiáng)度，并給出了各添加劑的最佳摻入量，為以上添加劑的工程運(yùn)用提供了試驗(yàn)依據(jù)。葉觀寶、陳望春等對(duì)不同齡期的摻有SN.Ⅱ的水泥土進(jìn)行了無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)，獲得不同齡期外加劑對(duì)水泥土強(qiáng)度的影響規(guī)律。上述成果對(duì)水泥土的廣泛應(yīng)用提供了理論依據(jù)和實(shí)踐參考。但將熟石灰作為添加劑，對(duì)水泥加固土早期強(qiáng)度的試驗(yàn)研究較少，有必要開展進(jìn)一步試驗(yàn)研究。

內(nèi)蒙古河套灌區(qū)粉質(zhì)粘土分布廣泛，其內(nèi)部富含有機(jī)質(zhì)[1]，針對(duì)這類土體，添加不同摻量的熟石灰進(jìn)行無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)，研究熟石灰摻量、齡期對(duì)水泥土早期強(qiáng)度發(fā)展規(guī)律及熟石灰改善水泥土的固化機(jī)理，以期為該地區(qū)水泥土的進(jìn)一步開發(fā)和應(yīng)用提供科學(xué)依據(jù)。

1 試驗(yàn)材料與試驗(yàn)方案

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)用粉質(zhì)粘土土樣取自內(nèi)蒙古巴彥淖爾盟河套平原，其性物理指標(biāo)及顆粒組成見表1、表2，顆粒分布曲線見圖1。試驗(yàn)采用的水泥為冀東牌普通硅酸鹽水泥土P·O.42.5 見表3[2]。熟石灰為Ca（OH）2分析純，水為普通自來水。

1.2 試驗(yàn)方案

無側(cè)限抗壓強(qiáng)度是水泥土最重要的力學(xué)性質(zhì)，通過無側(cè)限抗壓強(qiáng)度反映外界和內(nèi)部因素對(duì)水泥土的影響較為可靠合理。根據(jù)以往經(jīng)驗(yàn)按如下方案安排試驗(yàn)：試件尺寸為Φ50 mm×H50 mm，水泥摻量為固定值15%，單摻熟石灰含量分別為0%、1.5%、4.5%和7.5%，測(cè)試齡期分別為1、3、9、14、28 和90 d。試件在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)箱內(nèi)養(yǎng)護(hù)到設(shè)計(jì)齡期，通過WYH-300型微機(jī)控制萬能試驗(yàn)機(jī)測(cè)試件的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度。

表1 粉質(zhì)粘土的物理指標(biāo)Table 1 Physical index of silty clay

表2 粉質(zhì)粘土的顆粒組成Table 2 Particle composition of silty clay

表3 冀東P·O.42.5 水泥性能指標(biāo)Table 3 P·O.42.5 portland cement performance

圖1 土樣的顆粒分布曲線Fig.1 Grain distribution curve of soil

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 試驗(yàn)結(jié)果

不同熟石灰摻量下，不同齡期的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度測(cè)試結(jié)果見下表4 和圖2。

表4 熟石灰增強(qiáng)水泥土早期強(qiáng)度試驗(yàn)數(shù)據(jù)/MPaTable 4 Measured data of unconfined compressive strength of cemented soil

2.2 熟石灰摻量及齡期對(duì)無側(cè)限抗壓強(qiáng)度的影響

從表4 和圖2 可知各齡期下水泥土強(qiáng)度都隨熟石灰摻量的增加略有增長，但是增長幅度都不大。當(dāng)熟石灰摻量超過4.5%時(shí)，隨著熟石灰摻量的增加水泥土強(qiáng)度基本保持不變，水泥土強(qiáng)度與試件自身?xiàng)l件顯著性增強(qiáng)。說明水泥摻量為15%時(shí)，熟石灰摻量超過4.5%后，水泥土強(qiáng)度不發(fā)生變化，熟石灰的作用 已經(jīng)發(fā)揮到極限水平。

圖2 無側(cè)限抗壓強(qiáng)度與齡期、熟石灰摻量的關(guān)系Fig.2 Relationships of strength，curing age and slaked lime dosage

2.3 熟石灰水泥土固化機(jī)理淺析

水泥土的強(qiáng)度增長主要依靠水泥土中化學(xué)加固作用和物理填充作用。東南大學(xué)李迎春[3]，同濟(jì)大學(xué)張雄[4]等的研究表明在水泥土中水泥水化作用、離子交換作用、火山灰作用和碳酸化作用是對(duì)水泥土強(qiáng)度影響較大的四種化學(xué)作用，除水泥水化作用外其他三種化學(xué)作用都需要熟石灰的直接參與。水泥的水化作用一般在28 d 內(nèi)基本完成，對(duì)水泥土早期強(qiáng)度影響較大，水泥水化作用生成的氫氧化鈣達(dá)到飽和后，將保證水泥土中水化生成物結(jié)晶的穩(wěn)定性；火山灰作用進(jìn)程緩慢，對(duì)水泥土后期強(qiáng)度增長的貢獻(xiàn)較大。李堅(jiān)利等[5]的研究表明氫氧化鈣濃度低于2 mol·L-1時(shí)，水泥水化生成物主要為硅酸凝膠，氫氧化鈣濃度高于2 mol·L-1時(shí)，水泥水化主要生成水化硅酸鈣。蘇勝等[6]的試驗(yàn)研究指出氫氧化鈣為混凝土提供堿性環(huán)境，一旦混凝土中氫氧化鈣大量流失，混凝土液相pH 值下降到一定程度時(shí)，水化硅酸鈣開始分解。黃新[8]等對(duì)比了不同氫氧化鈣濃度下的水泥土強(qiáng)度特性，證明水泥土缺少氫氧化鈣會(huì)嚴(yán)重降低水泥土強(qiáng)度。由于水泥土密實(shí)度較混凝土小得多，其結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性差對(duì)環(huán)境侵蝕更加敏感，與混凝土相比水化硅酸鈣更易分解，所以水泥土中更需要大量氫氧化鈣保護(hù)水化硅酸鈣等水化生成物的穩(wěn)定性。不僅如此，水泥土中離子交換作用和火山灰作用消耗掉大量的氫氧化鈣，使得水泥土中的氫氧化鈣有可能達(dá)不到飽和，嚴(yán)重影響水泥土的穩(wěn)定性[7]。綜上所述，水泥土中加入熟石灰是必要的，熟石灰是水泥土長期穩(wěn)定的維護(hù)者和重要參與者。

土質(zhì)對(duì)水泥土反應(yīng)機(jī)理影響較大。對(duì)于不同的土質(zhì)，水化作用、離子交換作用、火山灰作用和碳酸化作用發(fā)揮的程度有所不同。對(duì)于一般粘性土，其主要組成物質(zhì)為硅質(zhì)物質(zhì)和鋁質(zhì)物質(zhì)，粘土顆粒粒徑一般較小，其中存在游離硅、鋁化合物[7]。Diamond 和Kinter[9]發(fā)現(xiàn)粘土顆粒表面能夠吸收自身重量3%的熟石灰，并且隨著齡期的增長熟石灰消耗量會(huì)大于3%。我們知道混凝土中水泥石成分包含70%左右的水化硅酸鈣、20%左右的熟石灰以及其他水化產(chǎn)物。由此可見水泥土中水泥摻量為15%時(shí)，水泥土中熟石灰的生成量正好為水泥土總質(zhì)量的3%左右[10]。雖然各種粘土土質(zhì)變化較大，但是從上述分析中依然能夠得出水泥土中熟石灰消耗完全是有可能發(fā)生的。根據(jù)北京航空航天大學(xué)黃新[8]等論斷，一旦熟石灰完全消耗掉，水泥水化生成硅酸凝膠，對(duì)水泥土強(qiáng)度幾乎沒有增強(qiáng)作用，因此加入一定量熟石灰是必要的。表4 和圖2 表明熟石灰摻量在4.5%以下時(shí)，除個(gè)別組強(qiáng)度變化沒有規(guī)律外，水泥土強(qiáng)度總體上隨熟石灰摻量增加而增加。當(dāng)熟石灰摻量超過4.5%時(shí)，隨著熟石灰摻量的增加水泥土強(qiáng)度基本保持不變。試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)一步證明了以上文獻(xiàn)的結(jié)論，既存在熟石灰最優(yōu)摻量，試驗(yàn)中熟石灰摻量超過4.5%時(shí)，基本上滿足了各種作用的消耗量，從而有后面熟石灰摻量為7.5%時(shí)的水泥土強(qiáng)度基本上沒有太大變化[7]。

從表2 知水泥土使用的粘土小于0.005 mm 的顆粒占粘土中質(zhì)量的16.84%，從圖1 可以估計(jì)出使用的粘土粒徑小于0.002 mm 的顆粒約占7%。一般將小于0.002 mm 的粘土顆粒認(rèn)作粘土礦物[11]，可見使用的粘土包含一定數(shù)量的粘土礦物。粘土礦物的一部分具有一定的活性，能和熟石灰發(fā)生離子交換作用和火山灰作用，可見使用的粉質(zhì)粘土中粘土礦物含量較少，一定程度上解釋表4 和圖2 中水泥土隨熟石灰摻量增加強(qiáng)度增長緩慢的現(xiàn)象[7]。在水泥土里添加熟石灰，雖然熟石灰的添加量較高，但是水泥土強(qiáng)度增長卻較低。可見熟石灰對(duì)配制的水泥土強(qiáng)度貢獻(xiàn)有限。熟石灰是離子交換作用和火山灰作用中的重要參與者，但是同時(shí)也表明離子交換作用和火山灰作用對(duì)水泥土強(qiáng)度貢獻(xiàn)有限，從而得出水泥土中水化作用仍然是水泥土強(qiáng)度的最重要來源，對(duì)水泥土較為重要的離子交換作用和火山灰作用雖然能夠提高水泥土強(qiáng)度，但是提高幅度非常有限[10]。

3 結(jié)論

（1）熟石灰影響著水化作用，在水泥土中熟石灰摻量不足時(shí)會(huì)導(dǎo)致水泥土強(qiáng)度下降；摻加過量的熟石灰對(duì)水泥土強(qiáng)度基本上沒有影響，試驗(yàn)中當(dāng)熟石灰摻量超過4.5%時(shí)，對(duì)水泥土強(qiáng)度貢獻(xiàn)已不顯著。

（2）從水泥土固化機(jī)理分析可知，粘土中粘土礦物可以和熟石灰發(fā)生火山灰作用和離子交換作用，從而增強(qiáng)了水泥土強(qiáng)度，但是使用的粘土中粘土礦物含量較少，火山灰效應(yīng)和離子交換作用不顯著，所以當(dāng)熟石灰摻量達(dá)到一定程度時(shí)，水泥土強(qiáng)度基本上不增長。

（3）在水泥土中摻入過量的熟石灰加固粉質(zhì)粘土效果不理想，試驗(yàn)表明水化作用是水泥土強(qiáng)度增長最主要的來源。

［1］ 解國梁，陶傳遷，申向東.硅粉對(duì)中低摻量水泥土早期強(qiáng)度的影響［J］.混凝土，2012（5）：88-90.

［2］ 解國梁，申向東，鄭鑫.聚丙烯纖維粉煤灰混凝土抗壓強(qiáng)度的試驗(yàn)研究［J］. 黑龍江八一農(nóng)墾大學(xué)學(xué)報(bào)，2011，23（2）：16-19.

［3］ 李迎春，錢春香，劉松玉，等.粉土固化穩(wěn)定機(jī)理研究［J］.巖土工程學(xué)報(bào)，2004，26（2）：268-271.

［4］ 張雄，吳科如，韓繼紅.高性能混凝土礦渣復(fù)合摻合料生產(chǎn)工藝、特性與工程應(yīng)用［J］.混凝土，1998（1）：10-14.

［5］ 李堅(jiān)利，周惠群.水泥生產(chǎn)工藝［M］.武漢理工大學(xué)出版社，2008.

［6］ 蘇勝，張利.土木工程材料［M］.北京：煤炭工業(yè)出版社，2007.

［7］ 賈尚華. 石灰水泥復(fù)合土固化機(jī)理及力學(xué)性能的試驗(yàn)研究［D］.內(nèi)蒙古：內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)，2011.

［8］ 黃新，寧建國，許晟，等.固化土孔隙液Ca（OH）2飽和度對(duì)強(qiáng)度的影響［J］.工業(yè)建筑，2006，36（7）：19-24.

［9］ Diamond S， Kinter M. Mechaniems of Soil -Lime Stabilization，an interpretative review ［J］.Public Roads，1966，33（12）：260-265.

［10］ Xie G L，Shen X D. Mechanical behaviors of cementedsoil with Ca（OH）2［A］.2011 International Conference on Electric Technology and Civil Engineering［C］.Lushan：Computer Society，2011.

［11］ 趙杏媛，張有瑜.粘土礦物與粘土礦物分析［M］.北京：海洋出版社，1990.