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岩土研究院

水泥系深层搅拌法加固地基的一般要求

343 2022-05-31 15:16:06

(一)水泥系深层搅拌法的加固机理

1.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,是基于水泥加固土(简称水泥土)的物理化学反应。在水泥加固土中,由于水泥的掺量很少(仅占被加固土重的7%~15%),水泥的水解和水化反应完全是在具有一定活性的介质的土的围绕下进行的。所以硬化速度缓慢且作用复杂,因此水泥加固土强度增长的过程也比混凝土慢。


(1)水泥的水解和水化反应

普通硅酸盐水泥主要是由氧化钙、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。氢氧化钙、含水硅酸钙能迅速溶于水中,使水泥表面重新暴露出来,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,水分子虽然继续深入颗粒内部,但新生成物已不能再溶解,只能以细分散状态的胶体析出,悬浮于溶液中,形成胶体。硫酸钙与铝酸三钙一起与水发生反应,生成一种被称为"水泥杆菌"的化合物,这种反应迅速,反应结果把大量的自由水以结晶水的形式固定下来,并具有膨胀作用,这对于高含水量的软粘土的强度增长有特殊意义。


(2)离子交换和团粒化作用

软土中的胶体颗粒表面带有钠离子Na+或钾离子K+,它们能和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。具有强烈的吸附活性,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。也就是使水泥土的强度大大提高。


(3)硬凝反应

随水泥水化反应的深人,溶液中析出大量的钙离子,当其数量超过上述离子交换的需要量后,则在碱性的环境下,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。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,水分不易浸入,从而使水泥土具有足够的水稳定性。


(4)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。


2.水泥土的物理力学性质

软土地基深层搅拌加固法是基于水泥对软土的加固作用,经过一系列的室内试验,选用不同品种的水泥及外掺剂,得出以下结论∶


(1)水泥土的物理性质

①重度

由于拌入软土中的水泥浆的重度与软土的重度相近,所以水泥土的重度与天然软土的重度相近。重度试验结果表明∶尽管水泥掺入比为25%,水泥土的重度也仅比天然软土增加3%。因此采用深层搅拌加固厚层软土地基时,其加固部分对于下部未加固部分不致产生过大的附加荷重,也不会发生较大的附加沉降。


②相对密度

由于水泥的相对密度(3.1)比一般软土(2.65~2.75)大,故水泥土的相对密度也比天然土稍大。当水泥掺入比为15%~20%时,水泥土的相对密度比软土约增加4%。


(2)水泥土的力学性质

①无侧限抗压强度及其影响因素

水泥土的无侧限抗压强度一般为300~4000kPa,即比天然软土大几十倍至数百倍。其变形特征随强度不同而介于跪性体与弹塑性体之间。水泥土受力开始阶段,应力与应变关系基本上符合虎克定律。当外力达到极限强度的70%~80%时,试块的应力和应变关系不再继续保持直线关系。当外力达到极限强度时,对于强度大于2000kPa的水泥土很快出现脆性破坏,破坏后残余强度很小,此时的轴向应变约为0.8%~1.2%;对于强度小于2000kPa的水泥土则表现为塑性破坏。


影响水泥土抗压强度的因素很多,主要有∶


A.水泥掺入比am水泥土的强度随着水泥掺入比的增加而增大,当掺入比小于5%时,由于水泥与土的反应过弱,水泥土固化程度低,强度离散性也较大,故在深层搅拌法的施工中,选用的水泥掺入比以大于5%为宜,一般为10%~25%。


B.龄期对强度的影响

水泥土强度随着龄期的增长而增大,一般在龄期超过28天后仍有明显增加当水泥掺入比为7%时,120天的强度为28天的2.03倍;当am=12%时,180天强度为28天强度的1.83倍。当龄期超过三个月后,水泥土的强度增长才减缓。据电子显微镜观察,水泥和土的硬凝反应约需三个月才能充分完成。因此选用三个月龄期强度作为水泥土的标准强度较为适宜。


C.水泥标号对强度的影响

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