强硫酸盐盐渍土固化研究

戴 蕾，黄 新

(1.北京航空航天大学 土木工程系，北京 100191;2.北京建筑材料科学研究总院有限公司，北京 100041)

我国的盐渍土面积约为36.67万 km2[1]，在盐渍土地区进行筑路等基础设施建设时，如是软土地基则须先进行地基处理。因为盐渍土中的硫酸盐会在水泥、石灰等物质存在的条件下产生钙矾石AFt，导致土体膨胀破坏，因此，在非盐渍土地区常用的土与水泥、石灰等固化剂混合均匀制成固化土的方法，难以在盐渍土中应用。

近年来国内外学者针对硫酸盐盐渍土的固化材料进行了大量的研究，Wang[2]认为矿渣、粉煤灰、硅灰等活性混合材取代部分水泥固化硫酸盐盐渍土能降低固化剂中氢氧化钙含量，可导致钙矾石 AFt生成量减少并改变AFt的形貌，从而减缓固化土膨胀;清华大学研究表明[3]，以水泥及矿渣为主要成分的固化剂能有效固化含盐量约为4%的青海原生盐渍土，固化剂中碱性成分及铝相与土中易溶盐共同作用激活矿渣等活性材料，降低易溶盐含量，减少固化土膨胀;Wild[4]用矿渣取代60%～80%的石灰可减小硫酸盐含量为3.73%的盐渍土膨胀问题。

上述研究对普通硫酸盐盐渍土有一定效果，如硫酸盐盐渍土中含有大量活性铝盐[5]，活性铝盐与固化剂中的氢氧化钙(CH)迅速反应生成AFt而导致固化土膨胀破坏。这类特殊的盐渍土在现在的研究中涉及不多，而且目前研究的盐渍土以硫酸盐含量<5%的居多，但在实际应用中，硫酸盐含盐量≥5%的盐渍土的固化也是迫切需要解决的问题。

1 盐渍土化学固化试验

1.1 研究思路与方案

目前含铝强硫酸盐盐渍土固化的难点是如果使用现有的固化剂模式固化含铝盐渍土，固化土中将大量生成AFt，与此同时，含有水泥的固化剂可使C-S-H凝胶在早期固化土中大量形成，与AFt的膨胀形成冲突，C-S-H胶结形成的结构将被AFt膨胀所破坏，从而导致固化失效。即使固化剂中无水泥，由于土中含铝，只要存在氢氧化钙(CH)等碱性物质，早期固化土中仍会生成AFt，虽然固化剂中因不含水泥使得早期固化土中C-S-H凝胶生成量较少，但生成 AFt带来的膨胀会增大固化土孔隙率，使固化土强度降低。

研究表明[6]，只要固化土中 C-S-H凝胶在 AFt形成后大量生成，就可以减轻AFt对C-S-H胶结结构的破坏性。赵永生[7]研究发现，以矿渣等活性材料完全或部分替代水泥作为固化剂主要成分，可降低固化剂中的活性铝含量，减少AFt的生成，还能延缓早期固化土中C-S-H凝胶的生成速度，使后期固化土中大量生成C-S-H凝胶能形成紧密的空间网络结构，同时修复AFt膨胀对早期C-S-H胶结结构的破坏。AFt的形成会引起膨胀，增大固化土孔隙率，影响固化土性能，但可在固化土碾压成型后，AFt膨胀基本结束时，对固化土进行二次加压处理，以降低孔隙率，消除AFt早期膨胀的影响。

考虑用固化材料与固化工艺相结合的方式固化含铝硫酸盐盐渍土。固化剂以矿渣为主，旨在减少 AFt形成，特别是后期AFt的生成，同时减缓C-S-H凝胶的生成速率，以便后期大量生成的C-S-H凝胶形成稳定的固化结构;在固化工艺上通过施加二次压力的方式来减少由早期AFt膨胀带来的孔隙，提高固化土性能。通过抗压强度测试验证固化土的力学性能，因固化土会长期面临硫酸盐等腐蚀介质的侵蚀，对固化土进行了12周的耐久性测试(浸泡于5%的 Na2SO4溶液中模拟强硫酸盐侵蚀环境[8])。表1是具体试验配比，每个配比分别进行一次、二次加压试验。

表1 含铝硫酸盐盐渍土固化试验配比

1.2 试验材料与方法

1.2.1 试验材料

本试验所用含铝强硫酸盐盐渍土，按强盐渍土分类标准[9]以北京天然土样掺加5%分析纯 Na2SO4试剂，5.6%分析纯 Al(OH)3试剂配制密封待用(Al(OH)3的加入模拟盐渍土中的含铝量)，冀东水泥厂生产的S32.5普通硅酸盐水泥(P.O)、比表面积为400 m2/kg的首钢高炉矿渣(GGBS)。北京土样物理性指标及 GGBS化学组成见表2和表3。

表2 北京土样物理性指标

表3 固化剂组分化学成分 %

1.2.2 试验方法

1)固化土制备

①加入定量土样，用SJ-160静浆搅拌机低速搅拌1 min后停止;②按表1称量固化剂放入搅拌锅内，开动机器，低速搅拌30 s后高速搅拌1 min;③将锅壁内侧土样刮入锅内，高速搅拌1 min;④将搅拌好的土样调制土样最佳含水量，分三层放入50 mm×50 mm×50 mm试模中，通过每层的质量与体积控制试块密实度;⑤为模拟实际施工中固化土拌合后的多次碾压成型，一次加压试块在首次加压成型后1 d拆模(曾尝试成型后0.5 d拆模，但试块膨胀量过大而崩解)，拆模后二次加压试块每隔0.5 d测量一次试块尺寸，待尺寸不变时，重新加压模具，0.5 d后拆模;⑥试件脱模后放入标准养护箱中养护至30 d龄期，养护温度为20℃，湿度为95%。

2)强度及耐久性测试

①试块养护至30 d按公路土工试验规程(JTJ051—93)进行无侧限抗压强度试验;②目前没有专门评价固化土抗硫酸盐侵蚀能力的标准，本研究借鉴GB/T749—2001和ASTM CA52—95，通过测量试块在硫酸盐溶液中重量的改变(每周)来表征其抗硫酸盐侵蚀能力，试块重量改变越大，抗硫酸侵蚀能力越差。

1.3 试验结果与分析

图1显示了二次加压试块在脱模1.5 d内的尺寸变化。由图1可知，试块的膨胀率在1.0 d内达到最大，表明此时土中AFt基本膨胀完毕，可对其施加二次压力，加压时间为 0.5 d。S4，S5，S9及 S10是两种固化剂掺量试验中膨胀量较高的试块。

图2表明了一次、二次加压试块(30 d龄期)的抗压强度及差别。二次加压试块强度是一次加压的16倍左右，掺加水泥的试块(S9、S10)强度低于不含水泥的试块(S6、S7及 S8)，其中S7的强度为最高。

图3显示了二次加压试块浸泡在Na2SO4溶液中12周内的重量变化(一次加压试块在不足1周的浸泡时间里已完全破坏)。总的来说，不含水泥且抗压强度高的试块，在盐溶液中重量改变就小。在浸泡的第12周，S6、S7及 S8平均重量增幅为0.86%;含水泥试块(S4、S5、S9及S10)重量改变较大，其中重量增幅最高的是S9(2.2%)。

本研究认为减少固化剂中的水泥含量，就能减少固化土中AFt的生成量。由图1可知，不含水泥的试块膨胀量小于含水泥的，且水泥含量越多膨胀量越大，即生成AFt越多。图3试验数据表明，含有水泥的试块重量变化较大，这是因为水泥加入增加了固化土中的活性铝含量，这类物质会在碱性条件下与后期引入的硫酸盐作用(Na2SO4溶液浸泡)产生 AFt，这时生成的AFt会增大固化土孔隙使得盐溶液进入固化土孔隙，从而导致试块重量增加较多。因此，由图1，图3试验数据可以证实固化剂中水泥含量将左右固化土中AFt的生成量，水泥量越少，生成的AFt就越少。

图1 二次加压试块尺寸变化

图2 一次及二次加压试块30 d抗压强度

图3 二次加压试块在盐溶液(5%Na2SO4)中不同龄期的重量改变

C-S-H凝胶在后期大量生成可能有利于固化试块获得稳定结构。图2表明，不含水泥的 S6、S7及 S8的强度大于掺加水泥的S9和 S10，且S7强度最高。这是因为 S6，S7及 S8中早期 C-S-H凝胶生成量少，AFt膨胀对C-S-H结构的破坏相对较小，而后期大量生成的C-S-H凝胶可包裹土颗粒，修复早期AFt膨胀对固化土结构的破坏，矿渣含量越高，后期生成C-S-H凝胶就越多，固化土强度相对就越高。耐久性试验(图3)表明，未加水泥的S6、S7及 S8重量改变为最小。未加水泥试块早期少量的C-S-H胶结结构受同期AFt膨胀影响较小，而后期大量生成的C-S-H凝胶包裹土颗粒，修复早期AFt膨胀带来的裂隙，使固化土比较密实。

本文对固化土施加二次碾压工艺，期望能密实早期AFt膨胀给固化土带来的裂隙，降低固化土孔隙率。图2数据表明，二次加压固化土的平均强度是一次加压的16倍左右;二次加压试块在12周的耐久性试验中S9最高重量增幅仅为2.2%，S6等不含水泥的试块平均重量增幅为0.86%，而一次加压试块在1周的浸泡中就已经完全崩解。综上可知，二次加压减少了AFt膨胀给固化土带来的孔隙，降低固化土孔隙率，对固化土强度和耐久性有益。

2 结论

通过上述试验可以认为，减少固化剂中水泥含量可减少AFt膨胀，同时使早期C-S-H凝胶少量生成，避免了AFt长期膨胀对C-S-H胶结结构的破坏。当C-SH凝胶后期大量生成可胶结土颗粒时，修复早期 AFt膨胀对固化土结构的破坏，使固化土形成稳定的结构。试验结果证明了在AFt早期膨胀结束后进行二次加压，能够消除早期AFt膨胀造成的裂隙，提高固化土强度和抗硫酸盐侵蚀能力。

[1] 张文，张彬，慎乃齐.盐渍土岩土工程特性研究现状与进展［J］.勘察科学技术，2008(3):7-11.

[2] WANG L.Cementitious stabilization of soils in the presence of sulfate［D］.Agricultural＆ Mechanical College，Louisiana State University，BatonRouge，Louisiana，USA，2002.

[3] 周永祥.高含盐量盐渍土固化体在青藏地区的耐久性能研究［D］.北京:清华大学土木工程系工学博士学位论文，2007.

[4] WILD S，KINUTHIA J M，JONES G I，et al.Suppression of swelling associated with ettringite formation in lime stabilized sulphate bearing clay soils by partial substitution of lime with ground granulated blast furnace slag［J］.Engineering Geology，1999(51):257-277.

[5] OUHADI V R，YONG R N.Ettringite formation and behaviour in clay soil［J］.Applied Clay Science，2008(42):258-265.

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[7] 赵永生.利用工业废渣配制软土固化剂的原理和方法［D］.北京:北京航空航天大学土木工程系工学硕士论文，2007.

[8] 曹楚南.中国材料的自然环境腐蚀［M］.北京:化学工业出版社，2005.

[9] 交通部第二公路勘探设计院主编.公路设计手册(路基)(第二版)［M］.北京:人民交通出版社，1996.