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岩土研究院

搅拌法的桩身材料

357 2022-03-11 10:24:23

如图9.2.I所示,桩体加固材料主要为固化剂、外加剂和水组成的混合料,固化剂主要为水泥、水泥系固化材料以及石灰。水泥和水泥系固化材料对砂性土混合强度影响不大,但对粘性土特别是腐殖土则表现出不同的效果。

关于水泥系固化材料的解释,日本学者认为,水泥加火山灰质材料和无机化合物时称水泥系固化材料(火山灰质材料包括粉煤灰、火山灰等,无机化合物包括硫酸钙、氯化钙等)。

我国把水泥与废石膏和活性废渣按不同比例配制的各种固化剂称为水泥系固化剂。

一、水泥

1.水泥品种的选择

水泥或水泥系固化剂中水泥均为主固化剂。针对某些软粘土地区地下水中存在大量的硫酸盐,硫酸盐和水泥发生反应,对混合料具有结晶性侵蚀作用,为探讨各种不同水泥品种,不同强度等级的水泥加固这类土体的特性,有学者做了 200 余组水泥土试块的抗硫酸盐侵蚀试验,使用各种水泥制成水泥土试块浸泡在浓度为1.5%的硫酸钠溶液中,观察结果表明;

用强度等级为 32.5级和 42.5级的矿渣水泥制成的各种水泥掺人比的试块在盐液中浸泡28~50d,全部开裂膨松,崩坏;

用 42.5级大坝水泥和 42.5级抗硫酸盐水泥制作的各种水泥掺人比的试块在盐液中浸泡360d均未发现任何破坏。

这种试验表明,若在有硫酸盐的区域采用搅拌法加固,不宜选用矿渣硅酸盐水泥。选用合适的水泥品种,水泥掺入比,如抗硫酸盐水泥等,加入一定量的粉煤灰等外加剂,均有助干提高水泥的抗侵蚀性能。

目前在选用水泥品种时应注意。普通硅酸盐水泥拌制的水泥土受硫酸盐溶液浸泡侵蚀会出现结晶性的开裂、崩坏而丧失强度。如选用抗硫酸盐水泥,使水泥土中产生的结晶膨胀物质控制在一定数量范围内,则可大大提高水泥的抗侵蚀能力。

2.水泥强度等级的选择

选用水泥时,除了考虑其抗侵蚀性选用水泥品种以外,还需考虑水泥的强度等级和种类能否满足适应水泥土桩体强度的要求,是否适用于场地的土质。

一般情况下,当水泥土搅拌桩的桩体强度要求大于1.5MPa时,可选用42.5级以上的水泥;桩体强度要求小于1.5MPa时,可选用32.5级水泥;当需要水泥土搅拌桩体有较高的早期强度时,宜选用普通硅酸盐水泥和波特兰水泥。

不同种类和强度等级的水泥用于同一类土中,效果不同;同一种类和强度等级的水泥用于不同种类的地基土中,加固效果亦不相同。

一般情况下,无论何种土质、何种水泥,水泥土强度均随水泥强度等级的提高而增大,只是增大的规律有差别。通常水泥强度等级每提高 10级,在同一掺入比时,水泥土强度增大20%~30%。如要求达到相同强度,水泥强度等级提高10级,可降低水泥掺人比 2%~3%。

水泥种类需与被加固土质相适应,在砂类土中不同种类同一强度等级的水泥其混合体强度变化不大;粘性土中,情况则较为复杂。

水泥出厂日期不得超过3个月,并在使用前重新测定其强度等级。

核工业部第四勘察院与同济大学在同一种淤泥质粉质粘土(rw=36.4%,e=1.03)中选用同一水泥掺人比(21%),对 32.5级矿渣水泥、32.5级钢渣水泥、42.5级普通硅酸盐水泥、52.5 级波特兰水泥作为对比试验,如图9.3.1。

结果是 32.5级矿渣水泥和钢渣水泥的水泥土无侧限抗压强度 f。要大于后两者,其原因可能是水泥中的矿渣、钢渣和粘粒水化反应的缘故。

有机质含量较多的土如淤泥等,用上述水泥加固效果不佳;选特种水泥,可以改善加固效果。当使用特种水泥时,因受有机质对土的物理化学性质的影响,其强度发展不同,所以应进行配合比试验以确定采用何种特种水泥及其掺入量。

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冶金部建筑研究总院进行了掺加磷石膏的试验和工程实践,认为水泥磷石膏固化剂之所以比纯水泥固化剂效果好,是因为水泥磷石膏除了有与水泥相同的胶凝作用外,还能与水泥水化物反应产生大量的钙矾石,这些钙矾石一方面因固相体积膨胀填充水泥土部分孔隙降低了混合体的孔隙量,另一方面由于其针状或柱状晶体在孔隙中相互交叉,和水泥硅酸钙等一起形成空间结构,因而提高了加固土的强度。

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其他掺加剂如起减水作用的木质素磺酸钙(日本的 AE 木质素磺酸钙同时具有减水和缓凝两种作用),对水泥土强度的影响不大;三乙醇胺可促凝早强等。为了实现施工中桩体的搭接,使用缓凝剂十分必要。

三.水泥浆液和粉体的选择

在浆液和粉体两种搅拌的对比中,常出现一些不同的看法,现仅就浆液和粉体搅拌对水泥土力学性能在某些方面的影响做一介绍。

图9.3.3表示的日本琦玉县行田粘土加固时的试验结果,其水泥掺人量为300kg/m³(即每立方米湿土中掺入 300kg水泥),材龄21d,水泥浆的水灰比1∶1。

从图9.3.3可以看出,水泥材料中粉体比浆液的加固强度大,随着拌合时间的延长,水泥材料(浆液和粉体)的加固强度有提高倾向,而石灰材料则与拌合时间几乎没有关系,始终为同一强度。

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以上试验说明,水泥加水后的浆液即为水泥浆,搅拌法中所用的水泥浆其水灰比大多采用50%左右,软土本身又具有较高的含水量,因此,除水泥固化时所必需的水分外,还会有多余的水分,水灰比增大,强度降低。所以,在满足施工要求的前提下,使用粉状水泥可望得到较高的强度,且可以加速固化进程。含水量高的土中应用粉而不应用浆。

但是,国内的粉喷机在搅拌粘性土时,由于叶片的构造,水泥土往往呈水平层状,其抗渗及抵抗水平力的性能以及搅拌均匀度均不如浆液搅拌。因此,用于挡土隔渗的工程,粉喷效果不理想。

四、水泥、水泥系固化材料的应用范围

根据土质情况,水泥、水泥系固化材料及生石灰的应用范围,用图9.3.4加以概括,可供应用中参考。

五、混合材料

混合材料是水泥土混合体的骨干材料,占水泥土总重的 80%以上。

深层搅拌水泥土桩的混合材料主要是原位土,,和混凝土的混合料不同,其不仅具有骨干和填充的作用,除砂类土外,还能和固化剂产生化学反应,使桩体固化。为提高桩体强度,只能改变固化剂种类或增加固化剂的掺入量。

当采用的水泥系固化材料中火山灰质材料掺量很大时,这些火山灰质材料(如粉煤灰),一方面起固化材料的作用,另一方面起充填材料的作用。

在施工工艺许可条件下,各种土均可作为混合材料,但其效果不同。具体情况在桩体无侧限抗压强度的讨论中阐述。

混合材料还包括土中水和水泥浆的拌合用水。水泥浆液拌合用水可以用淡水,也可以用海水。当水中含酸、碱、盐的浓度过大时,应通过试验确定能否采用。

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