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岩土研究院

水泥与土的固化原理

633 2022-03-14 14:39:28

高压喷射所采用的硬化剂,我国目前主要为水泥浆,并添加防止沉淀或加速凝结的外加剂。当地基为砂质土时,则用水泥浆与砂混合显然可以得到较高的强度,这在理论和实践上均早已得到证实。但当土质为软弱粘性土时,水泥浆与土混合后强度形成的特性则有所不同。

一、旋喷固结体的网状结构分析

旋喷固结体是一种特殊的水泥土网络结构。水泥土的水化反应比纯水泥浆反应复杂得多。

由于水泥土是一种空间不均匀材料,在高压旋喷搅拌过程中,水泥和土被混合在一起,首先是土体被粉碎,随着压力的增加,土被打碎成各种粒径的颗粒,在颗粒间被水泥浆所填满。水泥水化后,在土颗粒的周围形成了各种水化物结晶,它们不断的生长、伸延,特别是钙矾石的针状结晶很快地生长交织在一起,形成空间的网状结构、土体被分割包围在这些水泥的骨架中间, 水泥土的强度和结构形成过程的趋向。

二、水泥与土的固化

水泥与水拌合后,首先产生的是铝酸三钙水化物和氢氧化钙,它们可溶于水中,但溶解度不高,很快就达到饱和,这种化学反应连续不断地进行,析出一种胶质物体。这种胶质物体有一部分混在水中悬浮,后来就包围在水泥微粒的表面,形成一层胶凝薄膜,所生成的硅酸二钙水化物几乎不溶于水,只能以无定形体的胶质包围在水泥微粒的表层,一部分渗入水中。

由水泥各种成分所生成的胶凝膜,逐渐发展联接起来成为胶凝体,此时表面为水泥的初凝状态,开始有胶粘的性质,此后.水泥各成分在不缺水不干涸的情况下,继续不断地按照上述水化程序发展、增强和扩大,就产生下列现象∶

(1)胶凝体增大并吸收水分,使凝固加速,结合更密;

(2)由于微晶(结晶核)的产生进而生出结晶体,结晶体与胶凝体相互包围渗透并达到一种稳定状态,这就是硬化的开始;

(3)水化作用继续深入到水泥微粒内部,使未水化部分再来参加以上的化学反应,直到水分完全没有以及胶质凝固和结晶充盈为止。

但无论水化时间持续多久,很难将水泥微粒内核全部水化完,所以水化过程是一个长久的过程,在这个过程中,固结体的强度将不断提高。

从图10.2.16阜阳工程(曲线①)为代表可见,强度增长系数(与 28d龄期强度之比),3个月为1.11,6个月为1.25,1年为1.33,10年<实际是9年10个月)约为1.50。

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三、水泥与土体间的物理化学反应

土和水泥水化物之间的物理化学反应是以物理吸附和化学附着的相互作用的形式产生的,并且不可逆地吸收水泥水解作用的个别产物。首先是与水泥熟料矿物水解时所分解出的氢氧化钙发生物理化学作用。其化学反应式如下;

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但这些反应过程是比较缓慢的,当土中含有大量粗砂颗粒时,在很长的过程中,石英砂粒表面才能与水泥水化产物发生作用。一般条件下,粘砂土和粉细砂就与 Ca(OH),起强烈化学作用,并在水泥石和矿物颗粒之间的接触表面上形成含水化合物,随着结晶的长大与土颗粒相搭接,形成空间网络结构,这就增加了水泥的强度。

四、耐久性

旋喷固结体就其化学性质而言是稳定的。冻融、于湿循环试验结果表明,一般在-20℃条件下,固结体是抗冻和抗干湿循环作用的。

有资料表明,对在自然条件下,任其日晒雨淋和霜冻十年的淤泥、细砂和砾砂等土质固结体的测定,抗压强度仍在增长,在外表上,除了旋喷后不久就受冻的样品有一点裂纹外,一般都完好无损。

因此,在符合浇筑混凝土的环境条件下,冻结温度不低于-20℃的土层旋喷固结体是耐久的,可以用在永久性工程中。