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岩土研究院

搅拌法的加固机理

315 2022-03-11 09:41:46

如前所述,搅拌法是用固化剂水泥浆和石灰与外加剂(石膏、木质素磺酸钙)通过搅拌机输入到软土中并加以充分拌合,固化剂和软土之间产生一系列的物理化学反应,改变了原状土的结构,使之硬结成具有整体性、水稳性和一定强度的水泥土和石灰土。由于土质不同,其固化机理也有差别。用于砂性土时,水泥土的固化原理类同于建筑上常用的水泥砂浆.具有很高的强度,固化时间也相对较短。用于粘性土时,由于水泥掺量有限(7%~20%),且粘粒具有很大的比表面积并含有一定的活性物质,水泥或石灰的水解和水化反应完全处于粘土颗粒包围之下,硬化速度比较缓慢,固化机理比较复杂。

搅拌桩作成块体用来挡土隔水或直接用作建筑物的地基或基础时。主要考虑混合体本身的固化机理,作为复合地基处理时,尚要涉及桩间土力学性质的变化。

搅拌加固软土地基、目前在国内以水泥系搅拌和石灰系搅拌法为多见。加固材料如图9.2.1。

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水泥水化后生成的凝胶离子的比表面积约比原水泥颗粒大 1000倍,因而产生很大的表面能。有强烈的吸附活性,能使较大的土团粒进一步结合起来,形成水泥土的团粒结构,并封闭各土团之间的空隙,形成坚硬的联结。从宏观上来看,也就是水泥土的强度大大提高。

2.水泥的凝结与硬化

水泥的凝结与硬化是同一过程的不同阶段。凝结标志着水泥浆失去流动性而具有一定的塑性强度;硬化则表示水泥浆固化所建立的结构具有一定的机械强度的过程。

水泥的水化反应开始处在碱性的氢氧化钙、硫酸钙的饱和溶液环境中,随着水泥水化反应的深入,溶液中析出大量的钙离子。当其数量超过离子交换的需要量时,在碱性环境中,钙离子能使粘土矿物中的二氧化硅及三氧化二铝的一部分或大部分参与化学反应,并逐渐生成不溶于水的稳定的铝酸钙、硅酸钙及钙黄长石的结晶水化物。这些化合物在水中和空气中逐渐硬化,增大了水泥土的强度。而且由于其结构比较致密,水分不易侵入,从而使水泥土具有足够的水稳定性。

从扫描电子显微镜中观察可见,水泥拌入土中7d 龄期时,土颗粒周围充满了水泥凝胶体,并有少量水泥水化物结晶的萌芽;14d龄期后,水泥土生成大量的纤维状结晶,并不断延伸,充填土颗粒间的孔隙;1个月龄期后,土颗粒间孔隙被大量水.泥水化物所充填包络,形成蜂窝状结构;到5个月后,土颗粒表而的纤维状结晶辐射已向外伸展产生分叉,并互相连接成空间蜂窝状结构,此时水泥的形状和土颗粒的形状已难以分辨。

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图9.2.2和图9.2.3分别概括了水泥及水泥系固化材料的固化反应原理。

从水泥加固土的机理分析可见,对软土地基搅拌加固技术来说,由于机械的切削搅拌作用,实际上不可避免地会留下一些未被粉碎的大小土团,在拌入水泥后将出现水泥浆包裹土团的现象,而土团之间的大孔隙基本上已被水泥颗粒填满,所以加固后的水泥土中形成一些水泥较多的微区,而在大小团内部则没有水泥。只有经过较长的时间,土团内的土颗粒在水泥水解产物渗透作用下,才逐渐改变其性质。因此在水泥土中不可避免地会产生强度较大的和水稳定性较好的水泥石区和强度较低的土块区,两者在空间相互交替,从而形成一种独特的水泥土结构。因此可以得出定性的结论;水泥和土之间的强制搅拌越充分.土块被粉碎得越小.水泥分布到土中越均匀,则水泥土结构强度的离散性越小,其宏观的总体强度也越高。