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岩土研究院

搅拌桩加固机理介绍

330 2021-04-19 15:18:17

搅拌桩法中应用最广、最具代表性的是水泥加固土法 (即水泥搅拌桩)。水泥加固土的物理化学反应过程与混凝十的硬化机理不同,混凝十的硬化主要是在粗填充料 (比表面不大、活性很弱的介质)中进行水解和水化作用,所以凝结速度较快。而在水泥加固土中,由于水泥掺量很小,水泥的水解和水化反应完全是在具有一定活性的介质——土的围绕下进行,所以水泥加固土的强度增长过程比混凝土为缓慢。

1.水泥的水解和水化反应

普通硅酸盐水泥主要是氧化钙、二氧化硅、三氧化二铝、三氧化二铁及三氧化硫等组成,由这些不同的氧化物分别组成了不同的水泥矿物;硅酸三钙、硅酸二钙、铝酸三钙、铁铝酸四钙、硫酸钙等,用水泥加固软土时,水泥颗粒表面的矿物很快与软土中的水发生水解和水化反应,生成氢氧化钙、含水硅酸钙、含水铝酸钙及含水铁酸钙等化合物。

所生成的氢氧化钙、含水硅酸钙能迅速溶于水中,使水泥颗粒表面重新暴露出来,再与水发生反应,这样周围的水溶液就逐渐达到饱和。当溶液达到饱和后,水分子虽继续深入颗粒内部。但新生成物已不能再溶解。只能以细分散状态的胶体析出,悬浮干溶液中。形成胶体。

2。土颗粒与水泥水化物的作用

当水泥的各种水化物生成后,有的自身继续硬化,形成水泥石骨架;有的则与其周围具有一定活性的黏土颗粒发生反应。

(1)离子交换和团粒化作用。黏土和水结合时就表现出—种胶体特征,如土中含量最多的二氧化硅遇水后,形成硅酸胶体微粒,其表面带有钠离子 Na+或钾离子 K+,它们能和水泥水化生成的氢氧化钙中钙离子进行当量吸附交换,使较小的十颗粒形成较大的十团粒,从而使土体强度提高。

水泥水化生成的凝胶粒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—步结合起来。形成水泥十的团粒结构,并封闭各土团的空隙,形成坚固的联结,从宏观上看也就使水泥土的强度大大提高。

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(2)硬凝反应。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后,在碱性环境中,能使组成黏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稳定结晶化合物,增大了水泥十的强度。从扫描电子显微镜观察中可见,拌入水泥 7d 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。—个月后水泥十中生成大量纤维状结晶,并不断延伸充填到颗粒间的孔隙中,形成网状构造。到五个月时,纤维状结晶辐射向外伸展,产生分叉,并相互联结形成空间网状结构,水泥的形状和土颗粒的形状已不能分辨出来。

3.碳酸化作用

水泥水化物中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,这种反应也能使水泥土增加强度,但增长的速度较慢,幅度也较小。

从水泥土的加固机理分析,由于搅拌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,而在大小土团内部则没有水泥。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和水稳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。可见,搅拌越充分, 十块被粉碎得越小,水泥分布到十中越均匀。则水泥土结构强度的离散性越小,其宏观的总体强度也最高。