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固化土与砂浆/混凝土的差异性及工程启示

2021.07.01 阅读 1684

  通俗来说,水泥砂浆是水泥、沙子和水的混合物;普通混凝土是水泥、粗骨料(碎石或卵石)细骨料(砂)和水的混合物;而水泥土则可以视为水泥、土和水的混合物。一般认为沙子、粗细骨料为惰性介质,而土,尤其是软土,常常具有一定活性

水泥系化学加固法是软黏土地基的常用加固技术,其中水泥土是该方法的重要载体,目前国内外的主要理论分析及设计框架仍沿用了砂浆/混凝土材料。其中,水泥等级以ISO标准砂浆28d强度(若为早强水泥需考虑3d强度)进行判定,同时,为了保证其安定性和耐久性,往往对f-CaOMgOSO3Cl-含量设置了峰值阈值,从而将氧化物(f-CaOMgO)水化、钙矾石(AFt)生成引起的内力膨胀及Cl-对钢筋的锈蚀作用最小化。

但水泥土与砂浆/混凝土存在较大差别,主要表现在:(1水泥土里存在大量亲水性黏土矿物,而混凝土/砂浆为集料或原生矿物;(2软黏土为天然级配,而混凝土的集料则采用富勒或贝雷人工级配;(3水泥土的峰值微观孔径在300~1000 nm,而混凝土/砂浆峰值微观孔径在30 nm左右,水泥熟料中所限制膨胀性组分会一定程度填充固化土孔隙,对强度增长起贡献作用;(4水泥固化土中无钢筋的存在,不用考虑Cl-侵蚀问题。遗憾的是,当前水泥设计中并未考虑到软土的特殊性,从而造成水泥土具有强度低,性能变异大等不良性质。

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图1 水泥土强度构成解译

本质上,固化土是土颗粒与胶凝材料及其水化产物的相互作用的产物,其强度主要源于胶凝填充作用。笔者将水泥土这一复合材料体系划分为水化产物-黏粒-部分粉粒组成的胶黏体系、与砂粒组-部分粉粒组组成的骨架体系,率先提出了水泥土强度解译方法(图1)。认为胶黏体系中黏土矿物存在和非密实的骨架体系是导致固化土强度远低于砂浆、混凝土等其他水泥基材料的直接原因。率先将水泥土强度解构成为胶凝和密实控制强度两部分UCS=UCSD+UCSC),分别给出了零密度状态胶凝强度经验公式与密度相关的指数型关系。为水泥土独特分析框架的建立奠定了基础,并从提升密实性和胶凝性方面开展了系列研究。

1)参考混凝土骨料人工级配理念,笔者引入了铁矿(磷矿等)尾渣等大宗惰性固废物以调整软黏土级配,开展了级配调控后的固化软土的室内/现场试验和数值仿真,查明了软土级配曲线与水泥土强度间泛函关系。研究表明当粉砂粒组含量小于30%~40%时,对固化土强度贡献较小,强度由水化产物与黏粒组分的混合物控制,但是该夹杂在水泥土破坏过程中起应力集中和剪切带分化的作用;给出了有效粒径界定方法,明晰了水泥掺量的物理意义,对软土地基化学加固处理的固化剂掺量优先提供了重要支撑,为固化土级配调控奠定基础。

2)针对黏土矿物-水化产物-孔隙水这一胶凝体系与传统水泥基胶凝体系(水化产物-水)在微观结构与物质构成上显著不同,并基于水泥为砂浆/混凝土设计这一事实,以P.II.级水泥为基准胶凝材料,探究了黏土矿物与水化产物反应与效能,查明了胶凝体系微观孔径转换过程,揭示了膨胀性功能组分与胶凝强度关系。将次生钢渣、脱硫石膏、炉底渣、碱渣等大宗固体废弃物引入软黏土专用固化剂制备中,提出了成分增补与活性激发的理念,提升了固废的再利用效能。提出水泥率值(硅率、铝率和石灰饱和系数)和活性指数双参数控制胶凝强度,膨胀性功能组分控制密度这一思路,建立了软黏土矿物成分、固化剂功能组分与强度间关系,形成了基于黏土矿物和固废材料活性组分的固化剂成分调控框架。

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图2 固化土与砂浆/混凝土搅拌工艺对比

此外,正如周永祥博士在“二土”评论(四)中所言,水泥搅拌桩的质量,主要取决于两个:第一是设备与工艺,第二是固化材料。如图2所示,对比砂浆和混凝土,加固软土地基普遍存在着水泥土搅拌不均匀、桩身不连续、桩身强度低等问题,且施工过程中容易出现“沉桩”现象。因此,搅拌设备与工艺仍需深入研究,突破固化土搅拌均匀性难控的瓶颈。

 

注:文中所述为作者本人所持有的观点及原创性思想,本平台无倾向性立场

 

 

作者简介:

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邓永锋,东南大学教授、博士生导师,主要从事软土工程性质与地基加固等方面的研究工作。目前主持科技部重点研发课题1项,国家自然科学基金项目4项、其他省部级以上项目20余项。2010年获教育部科技进步奖、2021年浙江省科技进步奖、多次获得中国公路学会科技进步奖。以第一作者在Canadian Geotechnical JournalEngineering Geology等期刊上发表SCI论文40余篇,El论文80余篇。授权国家发明专利10余项,实用新型专利2项。

E-mail: noden@seu.edu.cn