水泥-硅微粉改良鹽漬土路基機(jī)理研究

□□ 石建軍，唐瑞兆2，趙旭東

(1.中鐵七局集團(tuán)第三工程有限公司，陜西 西安 710000；2.東北大學(xué) 資源與土木工程學(xué)院，遼寧 沈陽 110819)

引言

鹽漬土是一種較為特殊的土體，是指內(nèi)部含有的鹽分超過0.3%的土體[1]。鹽漬土在我國的許多省、市或地區(qū)都有分布，如甘肅、內(nèi)蒙古、青海、新疆、吉林等地。因?yàn)橥馏w內(nèi)鹽分的存在，導(dǎo)致含有鹽漬土的路基對水較為敏感，容易發(fā)生鹽脹、融陷、翻漿等病害[2-3]。

為了保證路基在使用過程中的穩(wěn)定性和耐久性，必須對含鹽漬土路基進(jìn)行改良。申曉明等[4]人通過在鹽漬土路基中摻入水泥和粉煤灰提高了鹽漬土路基的強(qiáng)度；于新等[5]對含氯鹽漬土路基進(jìn)行了研究，通過采用水泥、石灰對其進(jìn)行改良，發(fā)現(xiàn)固化后鹽漬土路基的強(qiáng)度提高；此外，還有人采用水泥/石灰[6]、改性水玻璃[7]、堿激發(fā)礦渣[8]等材料對鹽漬土路基進(jìn)行了改良，并取得了一定的效果。硅微粉是一種石英微粉，此次試驗(yàn)將水泥、硅微粉加入鹽漬土，對其作用機(jī)理進(jìn)行研究與分析，從而為其進(jìn)一步應(yīng)用奠定基礎(chǔ)。

1 水泥固化鹽漬土機(jī)理

水泥作為一種具有水硬性的無機(jī)膠凝材料，與水?dāng)嚢枳兂蓾{體，通過一系列反應(yīng)把砂、石等建筑材料牢固地膠結(jié)在一起。水泥硬化后強(qiáng)度很高，在建筑、水利及國防等領(lǐng)域都有很廣泛的應(yīng)用。水泥種類很多，具體以硅酸鹽水泥、鋁酸鹽水泥、硫鋁酸鹽水泥及鐵鋁酸鹽水泥等較為常見，硅酸鹽類水泥在工程試驗(yàn)和施工領(lǐng)域最為常用，主要原料為石灰石和黏土，經(jīng)過配比和磨細(xì)后形成生料，將生料經(jīng)過水泥窯煅燒形成熟料，后加入石膏、混合材料等制成水泥，CaO、SiO2、Fe2O3、Al2O3等為硅酸鹽類水泥的主要化學(xué)成分。

水泥與土混合的過程中，會在水泥、土和水之間發(fā)生一系列的化學(xué)反應(yīng)。水泥自身的凝結(jié)硬化作用、水泥水化產(chǎn)物與土之間的物理化學(xué)作用使土的性能發(fā)生了明顯變化。

1.1 水泥自身的凝結(jié)硬化

水泥中各主要礦物水化反應(yīng)如下：

(1)硅酸三鈣(3CaO·SiO2)：水泥中含量為40%～45%，生成對強(qiáng)度影響較大的3CaO·2SiO2·3H2O。其與水的反應(yīng)式為：

2(3CaO·SiO2)+6H2O→3CaO·2SiO2·3H2O+3Ca(OH)2

(2)硅酸二鈣(2CaO·SiO2)：水泥中含量為30%～35%，水化后也生成了3CaO·2SiO2·3H2O。其與水的反應(yīng)式為：

2(2CaO·SiO2)+4H2O→3CaO·2SiO2·3H2O+Ca(OH)2

(3)鋁酸三鈣(3CaO·Al2O3)：水泥中含量約6%，會使水化產(chǎn)物較快凝結(jié)。其與水的反應(yīng)式為：

3CaO·Al2O3+6H2O→3CaO·Al2O3·6H2O

(4)鐵鋁酸四鈣(4CaO·Al2O3·Fe2O3)：水泥中含量約10%，提升早期強(qiáng)度。其與水反應(yīng)式為：

4CaO·Al2O3·Fe2O3+2Ca(OH)2+10H2O→
3CaO·Al2O3·6H2O+3CaO·Fe2O3·6H2O

(5)硫酸鈣(CaSO4)：水泥中含量只有4%，但是與鋁酸三鈣發(fā)生反應(yīng)，生成水泥桿菌，化學(xué)反應(yīng)式為：

3CaSO4+3CaO·Al2O3+32H2O→
3CaO·Al2O3·3CaSO4·32H2O

使用水泥對土進(jìn)行改良時，一方面水泥摻量較少，另外土中水分較少，水泥的水化反應(yīng)、凝結(jié)速度都會較大幅度減慢。當(dāng)水泥摻量較少時，水泥水化產(chǎn)物較少，在土中分布較分散，水泥摻量增加時，水化產(chǎn)物逐漸增多，在土中均勻分布形成連續(xù)的骨架體系，從而使改良土的強(qiáng)度增大。

1.2 水泥水化產(chǎn)物與土的作用

水泥在土中生成水化產(chǎn)物之后，一部分水化產(chǎn)物硬化形成強(qiáng)度較高的水泥石。另一部分水化產(chǎn)物，如Ca(OH)2等，進(jìn)一步與土發(fā)生反應(yīng)，該反應(yīng)主要包括：

(1)離子交換及團(tuán)?；饔?/p>

水泥水化過程中產(chǎn)生大量的Ca2+，同時黏土顆粒表面雙電層有K+、Na+等，水化反應(yīng)時Ca2+與土中陽離子發(fā)生離子交換作用，導(dǎo)致黏土顆粒表面的雙電層厚度減小，從而減小了相鄰黏土顆粒的距離，黏土顆粒相互靠攏凝聚成團(tuán)，土的塑性進(jìn)一步改變，從而使土具有一定的強(qiáng)度和穩(wěn)定性。

水泥通過水化反應(yīng)生成大量比表面積很大的凝膠粒子，相對水泥顆粒增大了1 000倍，表面能很大，吸附性較強(qiáng)，土粒之間相互吸附凝結(jié)，顆粒之間形成團(tuán)聚體，團(tuán)聚體之間組成堅(jiān)固的骨架聯(lián)結(jié)結(jié)構(gòu)，從而較大幅度地增強(qiáng)了水泥土的整體強(qiáng)度。

(2)凝結(jié)硬化反應(yīng)

水泥在發(fā)生水化反應(yīng)的過程中，產(chǎn)生數(shù)量較多的Ca2+，一部分Ca2+用于離子交換反應(yīng)，由于水泥水化使整體環(huán)境堿性較強(qiáng)，在堿性環(huán)境下，其余的Ca2+與土中的SiO2和Al2O3發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，生成C-S、C-A等不溶于水的結(jié)晶化合物。隨著水泥摻量的增加，不溶于水的結(jié)晶化合物逐漸增多，水泥土整體強(qiáng)度逐漸增大，其化學(xué)反應(yīng)式為：

SiO2+Ca(OH)2+nH2O→CaO·SiO2·(n+1)H2O
Al2O3+Ca(OH)2+nH2O→CaO·Al2O3·(n+1)H2O

(3)碳化反應(yīng)

綜合上述情況，水泥土的初期強(qiáng)度主要依靠水泥的水化反應(yīng)生成的C-S-H、C-A等物質(zhì)，水化產(chǎn)物通過范德華力、氫鍵及表面能等粘結(jié)力，使土中的晶體和小顆粒粘聚在一起，由于普通土中主要存在的是范德華力，所以水泥土的強(qiáng)度高于鹽漬土。隨著水泥摻量的增加，水化產(chǎn)物增多，在土中均勻分布形成連續(xù)的骨架體系，使得整體改良土的強(qiáng)度增大。后期隨著反應(yīng)的進(jìn)行，離子交換反應(yīng)使顆粒之間粘結(jié)的愈發(fā)緊密，凝結(jié)硬化反應(yīng)與碳化反應(yīng)使骨架結(jié)構(gòu)中生成更多不溶于水的結(jié)晶化合物，形成更加堅(jiān)固的整體結(jié)構(gòu)，所以水泥改良鹽漬土的強(qiáng)度將不斷增大。

2 硅微粉固化土機(jī)理

硅微粉是由天然石英(SiO2)或熔融石英(高溫熔化后的天然石英、冷卻后的非晶態(tài)SiO2)加工制作而成的微粉。硅微粉是一種無機(jī)非金屬材料，無毒、無味、無污染。性能優(yōu)良，耐溫性好、耐酸堿腐蝕、膨脹低、化學(xué)性能穩(wěn)定、硬度大，廣泛應(yīng)用于化工、電子、建筑、國防等領(lǐng)域。隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的迅速發(fā)展，硅微粉也將被更多專家學(xué)者應(yīng)用到更多的領(lǐng)域。表1為硅微粉的主要成分及含量。

表1 硅微粉主要成分及含量

硅微粉顆粒極小，80%以上的顆粒<1 μm，平均粒徑在0.1～0.3 μm，比表面積為20～28 m2/g。與水泥相比，硅微粉比表面積增加了80～100倍，與粉煤灰相比，硅微粉比表面積增加了50～70倍。

硅微粉性質(zhì)非常特殊，是由于其在形成過程中發(fā)生相變時受到較大的表面張力，導(dǎo)致顆粒形態(tài)呈現(xiàn)為非結(jié)晶相無定形態(tài)的圓球狀，大部分顆粒表面非常圓潤光滑，有些則是多個圓球顆粒粘在一起的團(tuán)聚體。硅微粉具有較大的比表面積和較高的活性。由于硅微粉的特殊物理性質(zhì)，使其具有一定的“粉煤灰效應(yīng)”，即形態(tài)效應(yīng)、活性效應(yīng)和微集料效應(yīng)。

形態(tài)效應(yīng)即由于其具有粒形完整，表面光滑，質(zhì)地致密等特點(diǎn)，這些形態(tài)使其與混凝土等材料攪拌的時候，可以起到減水劑的作用，也能使混合土變得均質(zhì)和致密。硅微粉的加入還能促進(jìn)水泥水化反應(yīng)的進(jìn)行，對拌合物的初始結(jié)構(gòu)以及硬化對產(chǎn)生的結(jié)晶都有很大影響。在硅微粉對鹽漬土的固化作用中，這種效應(yīng)會對鹽漬土路基的改良加固起到至關(guān)重要的作用。

硅微粉具有活性效應(yīng)是由于其活性很高，也被稱作“火山灰效應(yīng)”，主要原因是硅微粉中含有大量的SiO2，與水泥水化產(chǎn)生的Ca(OH)2等堿性物質(zhì)在潮濕的情況下發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，產(chǎn)生C-S等膠凝類物質(zhì)。這類膠凝物質(zhì)在土中均勻分布，不斷地吸收土中的水分，逐漸硬化，由于其具有吸附性，土顆粒與膠凝物質(zhì)聯(lián)結(jié)起來，形成強(qiáng)度更大的結(jié)構(gòu)。由于膠凝類物質(zhì)與土顆粒聯(lián)結(jié)而成的膜狀孔隙率很低，所以改良土的水穩(wěn)定性也非常強(qiáng)。

微集料效應(yīng)主要與硅微粉粒徑大小有關(guān)。由于其粒徑非常細(xì)小，在水泥土中未參與反應(yīng)的微粒均勻地分布在水泥土中，填充在土體結(jié)構(gòu)的內(nèi)部孔隙，使改良土變的更加致密和均勻，較大幅度地增強(qiáng)了改良土的強(qiáng)度。

硅微粉的三種效應(yīng)中，形態(tài)效應(yīng)主要起物理作用，活性效應(yīng)主要起化學(xué)作用，而微集料效應(yīng)既起物理作用又起化學(xué)作用。三種效應(yīng)相互關(guān)聯(lián)，互為補(bǔ)充，共同提升固化土的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和耐久性。

3 結(jié)語

水泥的水化產(chǎn)物與路基中鹽漬土發(fā)生離子交換及團(tuán)?；饔?、凝結(jié)硬化反應(yīng)和碳化反應(yīng)，從而使改良后的鹽漬土強(qiáng)度得到提高。硅微粉具有“粉煤灰效應(yīng)”，在鹽漬土路基中可以發(fā)揮其形態(tài)效應(yīng)、活性效應(yīng)和微集料效應(yīng)。各效應(yīng)之間相互關(guān)聯(lián)，可共同提升固化土的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和耐久性。