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碱激发水泥固化软土的强度性能评价与微观机理研究

2025-03-02 71 上传者：管理员

摘要：文章通过探索碱激发水泥固化软土的强度特征，开展物理、力学和微观测试描，全面分析软土的固化规律和机理。结果表明：随着激发水泥掺量增加，固化软土最大干密度提高；当水泥掺量由0增至6%时，强度性能达到峰值；固化软土的孔隙在激发水泥作用下缩小，孔隙率且与强度值保持线性函数关系；水泥黏合作用使得软土微观结构发生重组，密实度提高，进而达到力学性能强化的效果。研究结果可为水电站地基处理的设计和施工提供科学参考。

关键词：
力学特性
微观特征
水利工程结构
碱激发水泥
软土地基
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软土地基的加固处理保障水利工程结构物安全建设和稳定运营的重要工作[1]｡采用水泥等胶凝剂对软土进行处理能有效地控制地表沉降､基地回弹和提高施工效率而受到广泛应用[2]｡固化软土的主要材料通常是由土料､胶凝剂､水和外加剂等材料按一定配比经搅拌､混合与养护形成的胶结体,其力学性能是保障桩基稳定性和支撑上部荷载的基础[3]｡随着我国水利工程的持续发展,软土地层在沿海､沿江等区域水工结构建设中遇到的频率也越来越高[4]｡软土因存在颗粒排列松散､渗透性高､孔隙比大､强度低且易翻浆冒泥等突出问题,使得固化技术成为这种特殊地基处理的常用方法[5]｡在交通荷载压力和复杂水文环境因素作用下,固化土地基的长期刚度､强度均发生衰减,易产生塑性变形,对水利工程建设的安全和稳定造成严重威胁｡

浙江苍南县龙插井水电站位于浙江省温州市苍南县境内,目前正在进行扩容工程,计划将水电站装机容量由1×500kw扩容为1×400kw+1×800kw｡水电站的地层中存在大量淤泥质软土,地质条件不稳定,对地基的施工建设造成重要危害[6]｡常规的淤泥质软土地基会频繁出现翻浆冒泥､不均匀沉降以及失稳坍塌等工程问题,对施工和运营均会带来较大的工程风险,采取合理的软基处理措格外重要[7]｡工程中常采用水泥､石灰等胶凝剂对软土进行加固以提高地基稳定性,但这种方法的“节能减碳”效果较差,环境污染问题显著[8]｡碱激发水泥是一种低碳型水泥,是以水泥和碱激发剂为原料制成的无机胶凝材料｡相比传统的无机胶凝剂,碱激发水泥的碳排放量可减少60%以上[9]｡然而,目前对碱激发水泥固化淤泥质软土物理力学特性的理论和试验研究还有待于深入,对细微观的固化机理尚须进一步讨论｡

本研究以龙插井水电站下覆地层中的淤泥质软土为研究对象,采用碱激发水泥固化后的土样进行物理､力学特性与微观结构的试验研究,从本质上揭示碱激发水泥对软土地层的加固机理｡

1、试验材料与方法

1.1试验材料

1.1.1软土

淤泥质软土取样深度在2.0~4.0m之间,天然密度为1.62g/cm3,含水率为14.6%,为高液限､大孔隙比､高液限的土样｡经X射线衍射图谱测定该土主要由石英(46.2%)､伊利石(17.6%)､蒙脱石(10.2%)､钠长石(11.5%)､高岭石(8.1%)和其它矿物(6.4)｡软土的颗粒级配以粉粒和黏粒为主,粒径较细｡

1.1.2碱激发水泥

采用水玻璃溶液和普通硅酸盐水泥(P.O42.5)制备胶凝剂｡激发剂采用NaOH与工业钠基水玻璃混合配置的水溶液,NaOH与水玻璃质量之比为2∶3,配置的SiO2/Na2O摩尔比为2.1,每1kg固体物料需配置150g碱激发剂｡

1.1.3水

采用自来水拌和碱激发水泥和软黏土颗粒,采用最优含水率作为目标含水率｡

1.2样品制备

采用5种不同碱激发水泥的掺量(质量含量),分别为0､2%､4%､6%和8%制备固化土｡首先,将黏土颗粒进行干燥､碾碎和过筛,用粒径小于2mm颗粒配置物料｡按照比例称量聚合物､黏土和水,混合后注入行星式料浆搅拌机中拌和均匀;再将泥浆注入不锈钢模具中成型｡养护3天后拆模进行恒温恒湿养护｡

1.3试验方法

1.3.1击实实验

击实实验参照GB/T50123—2019《土工试验方法标准》进行操作,采用轻型击实仪,分2层填筑土料后击实成圆柱样,主要用于了解土体的压实特性｡

1.3.2强度测试

参照国家标准GB/T17671—2021《水泥胶砂强度检验方法(ISO法)》的规范要求｡试验仪器为应变控制式土工压缩仪｡每组实验对3个试样的强度开展测试,取3个试样的均值作为测试值｡

1.3.3微观实验

使用AutoPoreIⅣ9500型全自动高性能压汞仪对固化软土进行孔径分析,压汞实验依靠外加进汞压力使汞克服表面张力进入孔隙,测定孔径和孔隙体积分布曲线｡使用Apreo-2型扫描电镜仪观察土样内部微观颗粒的形态与接触关系等特点｡

2、试验结果与分析

2.1压实特性

不同碱激发水泥掺量wt条件下试样的击实试验曲线,即干密度与含水率之间的关系曲线,如图1所示｡经过碱激发水泥改性后土样,其最大干密度(ρm)高于固化土,最优含水率(ωm)低于固化土｡普通软土的ρm值为1.64g/cm3,ωm值为17.6%｡经过碱激发水泥固化后,软土的ρm值分布在1.67~1.78g/cm3之间,ωm值的分布在16.5%~20.2%之间｡固化软土的ρm和ωm值随掺量wt的增加逐渐增大｡另外,固化后土体的压实曲线更为平坦｡究其原因,软土的土颗粒吸附水分子的能力大大弱于碱激发水泥,游离的水分子在和碱激发水泥接触后转化成结合水｡在相同击实功的条件下,为使得土样达到最大干密度,土颗粒间的孔隙被充分压实所需的自由水量增加,故土体的最优含水率随掺量提升而显著增加[7]｡

图1不同碱激发水泥掺量的土体压实曲线

2.2力学性能指标

采用试验获得了不同碱激发水泥掺量wt和养护时间条件下固化软土无侧限抗压强度Su,如图2所示｡根据强度曲线,发现随着聚合物掺量wt增加,Su主要呈增长趋势｡当掺量在6%之间时,Su值增幅最大;当wt大于8%时,Su值基本保持稳定｡在wt为6%条件下,养护28d后的固化软土Su值为1.88MPa,约为普通土的4.1倍,但继续增加掺量,强度不增反降｡这是由于碱激发水泥的絮凝结构具有较强的吸附性,发生化学反应生成了大量水化硅酸钙和水化铝酸钙凝胶,水化凝胶与软土颗粒结合形成一定胶结作用,有助于提升颗粒的黏合程度,进而增加土体强度,但水泥掺量过多不利于土颗粒的胶结｡此外,相比较养护7d的固化软土试样,养护28d的固化试样抗压强度提升幅度为25.6%~62.6%｡上述现象表明为满足软土分布地区水工结构物和泵站等建筑的地基处理安全性与经济性要求,碱激发水泥固化淤泥质软土的养护时间必须充分｡

2.3孔隙分布特征

为了研究碱激发水泥对淤泥质软土的固化机理,对试样开展压汞实验和扫描电子显微镜试验｡由无侧限压缩试验结果发现固化软土的强度指标随碱激发水泥掺量wt增加呈先增长后降低的变化趋势,由压汞实验结果计算固化软土的孔隙率ρ,当wt为0､2%､4%､6%和8%时,对应的ρ为28.2%､23.8%､20.3%､17.3%和17.9%｡为了分析强度增益效果与孔隙结构之间的相关性,建立孔隙率ρ与无侧限抗压强度指标的直角坐标系,并用数据拟合方法分析两者之间的数学关系,结果如图3所示,相关性指标为0.96,说明利用孔隙率可对固化软土的强度进行有效预测｡固化软土的力学指标与孔隙率保持了良好的相关性,体现了碱激发水泥固化效果对软土强度性能提升和孔隙闭合的影响程度具有显著的同步性｡

图2强度指标的测试结果

图3无侧限抗压强度与孔隙率关系曲线

2.4微观结构特征

4种掺量条件下的固化软土微观SEM图像如图4所示｡从图4(a)可以观察到普通软土中的微观结构存在大小､形态各异的裂隙,片状土颗粒的边界呈边-面接触特征｡图4(b)为掺量wt为2%的固化软土微观形态,土颗粒相互胶结形成团聚状的絮凝结构,颗粒间的裂隙数量明显减少,裂隙宽度降低;如图4(c)所示,wt=6%时的碱激发水泥固化软土微观结构致密程度明显增加,颗粒间孔隙被絮凝状胶凝物质填充,并与软土颗粒团聚体紧密黏结,孔隙尺寸缩小,大幅提高了试样内部的密实度｡如4(d)所示,当wt=8%时,固化软土内部的的颗粒孔隙尺寸和数量相比wt=6%时有所增加,絮凝状的胶凝数量减少｡微观图像表明淤泥质软土中孔隙结构在水化过程中发生变化,水泥胶结使得软土颗粒的组构和接触关系发生重塑｡随着掺量从0增加至6%,片状黏土颗粒排列的密实程度上升,提高了淤泥质软土强度指标｡由于碱激发水泥的化学活性较强,发生水化反应的火山灰效应显著提高[10]｡碱激发水泥化学改良使得淤泥质软土内部形成难溶于水的水化凝胶,增加了软土内部结构的黏结强度,增强了淤泥质软土的物理､力学特性,有利于提高水电站地基处理效果｡图4赤泥地聚物固化软土的微观形貌图

3、结语

(1)在碱激发水泥的固化改性作用下,淤泥质软土试样的最优含水率和最大干密度均明显增加,土体压实特性增强,说明软土地基的压实特性明显增强｡

(2)随着掺量增加,碱激发水泥固化软土的强度指标先升后降,掺量为6%时的强度增幅最大,掺量超过6%后强度小幅降低,养护28d后的最大强度值为1.38MPa,约为普通软土的4.1倍,说明延长养护时间和配置合适的固化剂有利于地基土力学性能的强化｡

(3)碱激发水泥固化作用使试样中的孔隙均匀化程度增加,土颗粒聚集成团粒结构,大孔隙发生收缩和闭合｡碱激发水泥提供的Ca2+参与阳离子交换和火山灰反应,在水化过程中生产大量凝胶产物,微观结构的变化使得固化软土试样的强度性能得以大幅提升｡

参考文献:

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