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岩土研究院

深层搅拌法基本原理

388 2022-05-18 15:47:09

水泥加固土的原理

软土与水泥采用机械搅拌加固的基本原理,除了普通的水泥水解与水化反应外,还有以下物理化学反应过程。


1.粘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粘土颗粒发生反应。


(1)离子交换和团粒化作用

软土作为一个多相散布系,当它和水结合时就表现出一般的胶体特征,例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的钙离子 Ca**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。


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,形成坚固的联结。从宏观上来看也就是使水泥土的强度大大提高。


(2)凝硬反应

随水泥水化反应的深人.溶济中析出大量的钙离子.当其数量相过上述离子交换的需要量后,则在碱性的环境中,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。随着反应的深入,逐渐生成不溶于水的稳定的结晶化合物∶


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根据电子显微镜、X射线衍射和差热分析得知这些结晶物大致是;(1)属于铝酸钙水化物的CAH系;(2)属于硅酸钙水化物的CSH系;(3)钙黄长石水化物。

这些新生成的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。

2.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


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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。

从水泥加固土的机理分析可见,对软土地基深层搅拌加固技术来说,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。


3.水泥土搅拌加固的强度特性

搅拌加固体的水泥掺量可以用播合比表示。加固体强度有以下特性;


(1)在水泥掺量相同时,喷粉搅拌的加固体强度高于喷水泥浆搅拌的加固体强度。在喷粉搅拌后1~2h,加固体强度就明显增长,用铁锹已不易铲掘。室内试验和实际工程均表明,在加固体强度标准相同时,喷粉搅拌可比喷浆搅拌少用水泥 20~40kg/m³。


(2)土和水泥搅拌之后,含水量减少,抗剪强度增加,土体粘粒成分含量、塑性指数和含水量越高,加固体的抗剪强度增加愈少。

(3)加固体的强度随龄期而增加,一般需一年左右才趋于稳定。在一年之内强度的变化可用下式估算


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