CN109485368A - 一种高含水率软土固化剂及其应用 - Google Patents

一种高含水率软土固化剂及其应用 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种高含水率软土固化剂及其应用，该固化剂包含膨胀组分和胶凝组分，膨胀性组分包括硫铝酸盐水泥熟料、石膏和石灰，胶凝组分为普通硅酸盐水泥；其中膨胀组分与胶凝组分的质量比为0～100∶100～0，膨胀组分中的硫铝酸盐水泥熟料、石膏、石灰的质量比为40～60∶32～48∶8～12；该固化剂可应用于固化含水率为50％～150％的高含水率淤泥质土、砂质土或粉土，软土固化的施工工艺采用双液浆注浆系统的深层搅拌桩、高压旋喷桩等施工方法。本发明解决了固化剂中钙矾石与C‑S‑H凝胶的生成量、生成速度的协调性；充分利用了膨胀组分吸水、钙矾石填充孔隙和挤密软土以及C‑S‑H凝胶胶结性能的作用。

Description

一种高含水率软土固化剂及其应用
技术领域
本发明属于建筑材料技术领域，涉及一种软土固化剂，尤其涉及一种高含水率软土固化剂及其应用。
背景技术
软土一般是指在静水或缓慢水流环境中沉积的饱和软弱粘性土，常见的软土类型有淤泥、淤泥质土、软粘性土、泥炭、泥炭质土等。软土具有高含水率、大孔隙比、低强度、高压缩性、低渗透系数、高灵敏度、结构性、高盐分、高有机质等工程特性，常处于流塑或者软塑状态。
高含水率软土的含水率大于液限且孔隙比大于等于1.0，绝大部分水分以自由水形式存在于土壤颗粒之间，使土壤颗粒间的摩擦力维持在较低水平，因此软土的工程性能很差。软土固化剂可与软土中的自由水发生水化反应，使软土中部分自由水转化为化学结合水，同时水化产物能直接胶结在软土中土壤颗粒表面，将土壤颗粒凝结成整体、坚实、稳定、持久的板块结构，大大增加软土的承载力。
软土固化剂按其主要成分可分为钙基固化剂(水泥、石灰、粉煤灰、矿渣等)和非钙基固化剂(离子型固化剂、酶类固化剂、聚合物固化剂等)。目前国内应用较多的软土固化剂主要有水泥、石灰、粉煤灰等。但对于高含水率软土，普通软土固化剂需要很高掺量时才能胶结土壤，或强度很低，或根本无法凝固。从已有的专利固化剂成分来看，提高钙基固化效果的措施主要有以下几种方式：措施一是对固化剂成分进行物理粉磨提高其水化活性；措施二是通过碱激发提高其水化活性；措施三是成分中含有能生成膨胀性钙矾石的含活性硫组分和含活性铝组分。其中措施一和措施二相对较成熟，也得到了行业内的一致认可；而措施三在行业内存在较大的争议，如何充分有效利用钙矾石对固化土的膨胀性能，成为措施三的关键。
钙矾石类固化剂的最典型的特征是水化反应能吸收大量自由水且生成的膨胀性钙矾石可以起到填充孔隙和挤密软土的作用，进而提高固化土的强度。但固化剂的设计和使用不当可能会出现以下两个问题：其一是软土含水率较低时，自由水相对较少，早期钙矾石水化反应开始后，固化土强度明显提高和压缩性能明显降低，后期生成的钙矾石的膨胀应力不仅没有起到填充孔隙和挤密软土的作用反而会导致先期已固化的土体开裂，强度下降，说明纯钙矾石类固化剂并不适用于低含水率软土；其二是水化产物既含有钙矾石和C-S-H凝胶时，后期生成的膨胀性钙矾石可能破坏先期生成的C-S-H凝胶，导致已经固化的土体膨胀开裂，强度下降，说明钙矾石与C-S-H凝胶的生成量、生成速度的协调性很重要。
发明内容
本发明的目的之一是提供一种高含水率软土固化剂，可以固化高含水率软土，解决固化剂中钙矾石与C-S-H凝胶的生成量、生成速度的协调性问题，充分利用膨胀组分吸水、钙矾石填充孔隙和挤密软土以及C-S-H凝胶胶结性能的作用。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：
一种高含水率软土固化剂，包含膨胀组分和胶凝组分，所述膨胀性组分包括硫铝酸盐水泥熟料、石膏和石灰，所述胶凝组分为普通硅酸盐水泥；其中，膨胀组分与胶凝组分的质量比为0～100∶100～0，膨胀组分中的硫铝酸盐水泥熟料、石膏、石灰的质量比为40～60∶32～48∶8～12。
所述膨胀组分与胶凝组分的质量比优选为0～50∶100～50。当软土含水率偏低时自由水偏少，则固化剂中膨胀组分所占比重相对较少而胶凝组分所占比重相对较多；随着软土含水率的提高，更多的自由水需要被固化并转化为结晶水，进而提高固化土的摩擦力，则固化剂中膨胀组分所占比重将越来越大而胶凝组分所占比重将越来越小。该质量比解决了固化剂中钙矾石与C-S-H凝胶生成量的协调性，充分利用了膨胀组分吸水、钙矾石填充孔隙和挤密软土以及C-S-H凝胶胶结性能的作用。
优选的，所述膨胀组分中的硫铝酸盐水泥熟料、石膏、石灰的质量比为50∶40∶10。
优选的，所述硫铝酸盐水泥熟料的主要矿物成分为硫铝酸四钙(3CaO·3Al2O3·CaSO4)、硅酸二钙(2CaO·SiO2)和铁铝酸四钙(4CaO·Al2O3·Fe2O3)，主要化学成分按质量百分比计分别为40.76％CaO、33.66％Al2O3、7.41％SiO2、9％SO3、2.43％Fe2O3，比表面积≥400m2/kg。
优选的，所述石膏的主要矿物成分为二水石膏(CaSO4·2H2O)，主要化学成分按质量百分比计分别为36.33％CaO、45.48％SO3，比表面积≥300m2/kg。
优选的，所述石灰的主要矿物成分为生石灰(CaO)，主要化学成分按质量百分比计为97.69％CaO，比表面积≥300m2/kg。
优选的，所述普通硅酸盐水泥的等级为PO42.5，其主要矿物成分为硅酸三钙(3CaO·SiO2)、硅酸二钙(2CaO·SiO2)、铝酸三钙(3CaO·Al2O3)、铁铝酸四钙(4CaO·Al2O3·Fe2O3)、硫酸钙(CaSO4)。
本发明中固化剂的固化机理如下：
1、膨胀组分中硫铝酸盐水泥熟料、石膏、石灰将会发生如下水解和水化反应：
3CaO·3Al2O3·CaSO4+2(CaSO4·2H2O)+34H2O→3CaO·Al2O3·3CaSO4·32H2O(AFt)+2(Al2O3·3H2O)
2(2CaO·SiO2)+4H2O→3CaO·2SiO2·3H2O(C-S-H)+Ca(OH)2
4CaO·Al2O3·Fe2O3+2Ca(OH)2+10H2O→3CaO·Al2O3·6H2O(C-A-H)+3CaO·Fe2O3·6H2O
3(CaSO4·2H2O)+Al2O3·3H2O+3Ca(OH)2+20H2O→3CaO·Al2O3·3CaSO4·32H2O(AFt)
3(CaSO4·2H2O)+3CaO·Al2O3·6H2O(C-A-H)+20H2O→3CaO·Al2O3·3CaSO4·32H2O(AFt)
根据以上水解和水化反应方程式、原材料的活性和大量试验研究，为了使硫铝酸盐水泥熟料、石膏、石灰全部充分发生反应生成大量钙矾石(AFt)、少量C-S-H凝胶和C-A-H凝胶等，且无多余成分和不足成分，所得试块的抗压强度最高，则获得三种组分的优选配比为硫铝酸盐水泥熟料∶石膏∶石灰＝50∶40∶10。
2、胶凝组分中普通硅酸盐水泥发生如下水解和水化反应：
2(3CaO·SiO2)+6H2O→3CaO·2SiO2·3H2O(C-S-H)+3Ca(OH)2
2(2CaO·SiO2)+4H2O→3CaO·2SiO2·3H2O(C-S-H)+Ca(OH)2
3CaO·Al2O3+6H2O→3CaO·Al2O3·6H2O(C-A-H)
4CaO·Al2O3·Fe2O3+2Ca(OH)2+10H2O→3CaO·Al2O3·6H2O(C-A-H)+3CaO·Fe2O3·6H2O
3CaSO4+3CaO·Al2O3+32H2O→3CaO·Al2O3·3CaSO4·32H2O(AFt)
根据以上水解和水化反应方程式可知，普通硅酸盐水泥发生水解和水化反应后生成大量的C-S-H凝胶、少量的C-A-H凝胶和钙矾石(AFt)。
另外，生成的Ca(OH)2还可与粘土颗粒发生如下作用：
(1)离子交换和团粒化作用：水泥水化生成的氢氧化钙中的钙离子与土颗粒表面的钠离子或钾离子进行当量吸附交换，使较小的土颗粒形成较大的土团粒，从而使土体强度提高。
(2)硬凝反应(火山灰反应)：在碱性环境中，能使组成粘土矿物的二氧化硅及三氧化二铝的一部分或大部分与钙离子进行化学反应，逐渐生成不溶于水的C-S-H凝胶，增大了水泥土的强度，其反应如下：
2SiO2+3Ca(OH)2→3CaO·2SiO2·3H2O(C-S-H)
Al2O3+3Ca(OH)2+3H2O→3CaO·Al2O3·6H2O(C-A-H)
(3)碳酸化作用：游离的氢氧化钙能吸收水中和空气中的二氧化碳，发生碳酸化反应，生成不溶于水的碳酸钙，其反应如下：
Ca(OH)2+CO2→CaCO3↓+H2O
本发明的目的之二是提供上述软土固化剂，可适用于固化含水率为50％～150％的高含水率淤泥质土、砂质土或粉土等。
当应用在固化高含水率的淤泥质土、砂质土或粉土时，软土固化剂的用量为加固土体质量的8～25％。
本发明中软土固化的施工工艺采用深层搅拌桩、高压旋喷桩等施工方法，注浆系统采用通用的双液浆注浆系统。两个搅拌桶对膨胀组分浆液(硫铝酸盐水泥熟料、石膏、石灰、水)和胶凝组分浆液(普通硅酸盐水泥、水)分别按配比进行搅拌，然后分别送入各自的搅拌式贮浆桶内备用；当需注浆时，启动注浆泵，通过2台注浆泵2条管路同时接上Y型接头，从孔口混合(或通过双液注浆泵)注入待加固土体中，注浆泵可按配比控制两种浆液的流量和压力；两种浆液搅拌和注浆泵混合注浆应同时进行，以免贮浆桶内浆液不足或浆液积存过多。
由于采用双液浆注浆系统，两个搅拌桶对膨胀组分浆液和胶凝组分浆液分别按配比进行搅拌，让两种浆液各自预先发生独立的水解和水化反应，然后通过注浆泵两种浆液按比例混合注入待加固土体中，不同水化反应速度和膨胀特性的两种浆液在固化土中产生不同的作用。膨胀组分浆液中硫铝酸盐水泥熟料、石膏、石灰和水的反应速度非常快，在早期就快速生成膨胀性的钙矾石填充孔隙和挤密软土，并吸收了软土中的大量自由水，形成填充土颗粒孔隙的针状或网状骨架，进而提高固化土的强度；而胶凝组分浆液中普通硅酸盐水泥和水的反应速度相对较慢，后生成的C-S-H凝胶胶结土颗粒和膨胀组分早期生成的钙矾石针状或网状骨架，进而形成致密的固化土体，进一步提高了固化土的强度。该施工工艺解决了固化剂中钙矾石与C-S-H凝胶生成速度的协调性，充分利用了膨胀组分吸水、钙矾石填充孔隙和挤密软土以及C-S-H凝胶胶结性能的作用。
与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：
(1)对含水率为50％～150％的高含水率软土固化效果非常理想；
(2)解决了固化剂中钙矾石与C-S-H凝胶的生成量、生成速度的协调性问题；
(3)充分利用了膨胀组分吸水、钙矾石填充孔隙和挤密软土以及C-S-H凝胶胶结性能的作用。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明作进一步详细说明。
以下实施例中，所述的硫铝酸盐水泥熟料的主要矿物成分为硫铝酸四钙(3CaO·3Al2O3·CaSO4)、硅酸二钙(2CaO·SiO2)和铁铝酸四钙(4CaO·Al2O3·Fe2O3)，主要化学成分按质量百分比计分别为40.76％CaO、33.66％Al2O3、7.41％SiO2、9％SO3、2.43％Fe2O3，比表面积≥400m2/kg。
所述的石膏主要矿物成分为二水石膏(CaSO4·2H2O)，主要化学成分按质量百分比计分别为36.33％CaO、45.48％SO3，比表面积≥300m2/kg。
所述的石灰主要矿物成分为生石灰(CaO)，主要化学成分按质量百分比计为97.69％CaO，比表面积≥300m2/kg。
所述普通硅酸盐水泥的等级为PO42.5，其主要矿物成分为硅酸三钙(3CaO·SiO2)、硅酸二钙(2CaO·SiO2)、铝酸三钙(3CaO·Al2O3)、铁铝酸四钙(4CaO·Al2O3·Fe2O3)、硫酸钙(CaSO4)。
以下实施列中，拟固化软土均取自中国矿业大学南湖校区大学生创新训练中心工地基坑的软粘土(液限44.2、塑性24.1、有机质含量2％)。
试验过程和方法：
(1)试验用土准备：把拟固化软土土样风干碾碎并过2mm筛，装入密封袋备用，使用时测得风干土含水率。
(2)试块的制作：按照配比设计计算各组分及所需水的质量，对风干土粉末、硫铝酸盐水泥熟料、石膏、石灰和普通硅酸盐水泥各组分称量，膨胀组分浆液(硫铝酸盐水泥熟料、石膏、石灰、水)、胶凝组分浆液(普通硅酸盐水泥、水)和湿润土(风干土粉末、水)分别按配比进行搅拌，然后再把膨胀组分浆液、胶凝组分浆液、湿润土混合搅拌均匀，筑入70.7×70.7×70.7mm3立方体试模中，振捣密实，抹平后盖上塑料薄膜并编号，每组3块。
(3)试块的脱模和养护：制作好的试块放入标准养护室中养护48小时脱模，脱模试样装入撒水润湿后的塑料保鲜袋中，标准养护至预定龄期加载。
(4)无侧限抗压强度加载试验：采用微机控制电子万能试验机测试，按照1mm/min的速度加载，获得试块的无侧限抗压强度，取同组3块试块强度的平均值作为该组强度。
实施例1～实施例5：
一种高含水率软土固化剂，包含膨胀组分和胶凝组分，所述膨胀性组分包括硫铝酸盐水泥熟料、石膏和石灰，所述胶凝组分为普通硅酸盐水泥；其中，膨胀组分与胶凝组分的质量比为0∶100、25∶75、50∶50、75∶25和100∶0，膨胀组分中的硫铝酸盐水泥熟料、石膏、石灰的质量比为50∶40∶10。
按上述配比配制的固化剂在固化剂掺量取16％，含水率取50％、100％和150％，养护龄期取3天和28天时，各分组固化土试块的平均无侧限抗压强度值详见下表1。
表1不同含水率、不同配比的固化土强度值(kPa)
从表1中可以看出，随着龄期的增加，膨胀组分与胶凝组分的质量比越大时后期固化土强度增长的幅度越小，说明钙矾石的生成速度快于C-S-H凝胶，即早期钙矾石的生成量大于C-S-H凝胶，而后期C-S-H凝胶生成的量大于钙矾石；随着含水率的增加，膨胀组分与胶凝组分的质量比越大时固化土强度降低的幅度越小，说明膨胀组分生成的钙矾石具有吸水、填充孔隙和挤密软土的作用，而胶凝组分生成的C-S-H凝胶在高含水率的情况下凝固效果不好，则随着软土含水率的提高，要求固化剂中膨胀组分所占比重越来越大而胶凝组分所占比重越来越小；膨胀组分与胶凝组分的质量比为0～50∶100～50时，28天龄期的强度相对较高。
实施例6：
一种高含水率软土固化剂，包含膨胀组分和胶凝组分，所述膨胀性组分包括硫铝酸盐水泥熟料、石膏和石灰，所述胶凝组分为普通硅酸盐水泥；其中，膨胀组分与胶凝组分的质量比为25∶75，膨胀组分中的硫铝酸盐水泥熟料、石膏、石灰的质量比为40∶48∶12。
按上述配比配制的固化剂，在固化剂掺量取8％、含水率取100％时，固化土试块3天的平均无侧限抗压强度为254kPa，28天的平均无侧限抗压强度为485kPa。
实施例7：
一种高含水率软土固化剂，包含膨胀组分和胶凝组分，所述膨胀性组分包括硫铝酸盐水泥熟料、石膏和石灰，所述胶凝组分为普通硅酸盐水泥；其中，膨胀组分与胶凝组分的质量比为25∶75，膨胀组分中的硫铝酸盐水泥熟料、石膏、石灰的质量比为60∶32∶8。
按上述配比配制的固化剂，在固化剂掺量取25％、含水率取100％时，固化土试块3天的平均无侧限抗压强度为2648kPa，28天的平均无侧限抗压强度为4216kPa。
根据实施例中各组分的作用还可以采用其它类似组分或工业废渣相应替代，但须经过物理粉磨提高其活性，且其配比须根据替代材料的相应化学成分含量及其活性对上述配比进行相应微调。其中硫铝酸盐水泥熟料可以用其它一种或多种组合的含活性铝组分材料代替；石膏可以用其它一种或多种组合的含活性硫组分材料代替；石灰可以用其它一种或多种组合的碱性含钙组分材料代替；普通硅酸盐水泥可以用其它一种或多种组合的含活性硅的钙基材料代替。
如拟固化土的某一或几种化学性质(矿物成分、含盐成分及含盐率、PH值、有机质含量等)的变化对固化效果有影响时，应对相关组分及其配比进行相应微调。
以上本实施方式只用于对本发明进行进一步说明，而不是对本发明保护范围的限制，任何根据本发明的内容进行的一些非本质的等同替换、简单修改和改进等都属于本发明要求保护的范围。

Claims (10)

1.一种高含水率软土固化剂，包含膨胀组分和胶凝组分，其特征在于，所述膨胀性组分包括硫铝酸盐水泥熟料、石膏和石灰，所述胶凝组分为普通硅酸盐水泥；其中，膨胀组分与胶凝组分的质量比为0～100∶100～0，膨胀组分中的硫铝酸盐水泥熟料、石膏、石灰的质量比为40～60∶32～48∶8～12。
2.根据权利要求1所述的一种高含水率软土固化剂，其特征在于，所述膨胀组分与胶凝组分的质量比为0～50∶100～50，随着软土含水率的提高，固化剂中膨胀组分所占比重逐渐变大，胶凝组分所占比重逐渐变小。
3.根据权利要求1所述的一种高含水率软土固化剂，其特征在于，所述膨胀组分中的硫铝酸盐水泥熟料、石膏、石灰的质量比为50∶40∶10。
4.根据权利要求1至3任一项所述的一种高含水率软土固化剂，其特征在于，所述硫铝酸盐水泥熟料的主要矿物成分为硫铝酸四钙、硅酸二钙和铁铝酸四钙，主要化学成分按质量百分比计分别为40.76％CaO、33.66％Al2O3、7.41％SiO2、9％SO3、2.43％Fe2O3，比表面积≥400m2/kg。
5.根据权利要求1至3任一项所述的一种高含水率软土固化剂，其特征在于，所述石膏的主要矿物成分为二水石膏，主要化学成分按质量百分比计分别为36.33％CaO、45.48％SO3，比表面积≥300m2/kg。
6.根据权利要求1至3任一项所述的一种高含水率软土固化剂，其特征在于，所述石灰的主要矿物成分为生石灰，主要化学成分按质量百分比计为97.69％CaO，比表面积≥300m2/kg。
7.根据权利要求1至3任一项所述的一种高含水率软土固化剂，其特征在于，所述普通硅酸盐水泥的等级为PO42.5，其主要矿物成分为硅酸三钙、硅酸二钙、铝酸三钙、铁铝酸四钙、硫酸钙。
8.权利要求1至3任一项所述的高含水率软土固化剂在加固含水率为50％～150％的高含水率淤泥质土、砂质土或粉土中的应用。
9.根据权利要求8所述的应用，其特征在于，软土固化剂的用量为固化土体质量的8～25％。
10.根据权利要求8所述的应用，其特征在于，软土固化的施工方法采用双液浆注浆系统的深层搅拌桩或高压旋喷桩。
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