胶结细化岩土的性能研究*

郝建英 李宪军

胶结土广泛用于公路、铁路、工业民用建筑、桥梁以及水利工程等,无论用于何种结构,胶结土都必须具有足够的强度即具有承受各种荷载作用的能力,这种荷载来自外界作用的力和结构自身的重量,因此强度是胶结土性能的一个重要指标。抗压强度是抵抗结构中的压力作用,抗折强度是抵抗受载荷作用而弯曲的性能。胶结土的抗渗性是岩土抵抗压力水渗透的能力,是胶结土耐久性的重要指标。抗渗性差的岩土,水分容易进入岩土内部引起侵蚀、水冻等破坏作用,有的甚至产生表面开裂和剥落。抗渗性越不好,有害物质的侵蚀速度越快,侵蚀深度越深,耐久性越差。因此,抗渗性能的优劣直接影响到工程建设的安全。早在20世纪50年代初期,国内外已有人对如何固土固砂进行了研究,但都因粘结强度低、成本较高及施工工艺复杂,甚至在环保方面还达不到要求而难以广泛应用。进入80年代,人们开始使用全无机材料进行土壤胶粘剂的研究,但是因固化条件、成本、性能以及环保等因素满足不了施工要求而放弃。因此研制一种低成本、强度较高、耐久性好、施工工艺简单且符合环保要求的新型土壤胶粘剂就非常必要。根据工程需求,并在前期研究工作的基础上,研制出一种高性能新型无机土壤胶粘剂。采用该胶粘剂与磨细的岩土按一定比例混合均匀,其抗压、抗折强度和抗渗性能均大幅度提高,而且施工工艺简单、成本低廉、无毒无污染,符合环保要求。解决了传统胶结剂的一系列缺点和不足,为各项工程的应用和沙漠治理提供了技术保障,并对其胶结机理进行了研究。

1 试验部分

1.1 试验原材料

1)胶粘剂:胶粘各种土样所使用的胶粘剂为硅酸盐型无机胶粘剂[1],它的配制原料主要有三种:水溶性硅酸钠(Na2O·n SiO2),氟硅酸钠(Na2SiF6),磷酸(H3PO4)。其中,硅酸钠为基料,氟硅酸钠和磷酸为改性剂,另加少量添加剂。2)黏土:任选土样,其细度磨成0.08 mm,与水泥同一细度,其化学成分质量分数分析见表1[2]。前期试验土样的粒度是0.355 mm～0.9 mm。

表1 化学成分质量分数分析 %

1.2 试样制备

将所选土样磨成粒度为0.08 mm的颗粒,然后加入配制好的胶粘剂,混合搅拌均匀后放入模型中,待初凝后(一般 2 h～8 h)取出,自然养护3 d以上,制成试块:测试抗压强度的试块为70 mm×70 mm×70 mm的立方体;测试抗折强度的试块为40 mm×40 mm×160mm的棱形;测试抗渗性能的试块为小端直径175 mm,大端直径185 mm,高 150 mm的圆台形。在 MTS810 Teststar材料试验机上测试抗压强度,在抗折试验机上测试抗折强度,在HS-40 W数显抗渗仪上测试抗渗性能,用相对渗透系数表示。

2 测试结果与分析

2.1 性能测试结果

试验各制备了4组,每组6个试样,其各测试结果分别见表2～表4。

表2 抗压强度测试值 MPa

表3 抗折强度测试值 MPa

表4 相对渗透系数 10-7 cm/s

2.2 结果分析

1)从表2可以看出,细化后的岩土与配好的胶粘剂混合后,其抗压强度比未细化的胶结土的抗压强度[2]提高了65%,说明细化颗粒可以极大地提高胶结土的抗压强度。未细化的岩土颗粒粒径为0.355 mm～0.9 mm,细化为0.08 mm时,岩土的比表面积增大,与无机胶的接触比较完好,反应更充分,所以固结效果更好。2)从表3可以看出,细化后的胶结土的抗折强度已基本达到425,525水泥3 d,7 d的抗折强度值,已经接近于28 d的抗折强度值[3]。在大多数的工程建设中,机械强度一般以抗压强度为主要指标,抗折强度仅次于抗压强度。由前面分析可知,岩土胶粘剂可以满足一些工程施工中的抗压强度要求,进行对各种工程的修复。抗折强度也基本达到要求,如果通过研究,进一步提高它的抗压强度、抗折强度,它的应用范围将更广泛。3)从表4可以看出,细化后的胶结土的相对渗透系数偏小,说明渗水量较少,抗渗性能较好。这是因为细化后的岩土与无机胶混合更均匀,形成气孔率很低的凝胶,致密度比较高,所以抗渗性能好。

3 胶结机理研究

岩土胶粘剂的胶结机理实质上是硅酸钠与氟硅酸钠反应产生的二氧化硅溶胶变成二氧化硅凝胶的过程。硅酸在水中的溶解度很小,但水溶性硅酸钠中的 m SiO2是硅酸多分子的聚合体构成的胶态微粒。由于水合作用,胶体带有相当的阴电荷,而周围是等量的H+,碱金属离子的作用在于保持平衡稳定。当硅酸钠与土壤脱水反应或形成氢键时,从溶液中析出SiO2胶体,新形成的SiO2具有极大的活性,将周围的土牢牢地胶结在一起。氟硅酸钠的加入是因为它的水解,增加了SiO2胶体的浓度,同时中和了硅酸钠水解生成的NaOH,减少对SiO2溶胶的作用。

反应后产生的SiO2,包括土中的SiO2分子,总是倾向于形成[SiO4]四面体,或者说得更明确些,4价的硅离子要求4个氧离子将它包围才能起到“屏蔽”的作用,而2个氧离子是不够的。由于[SiO4]四面体通过共角互相连接,则每个四面体的四角共有4个氧离子,按共角连接可形成一个空间网络。两种网状结构间相互作用,并将周围的土牢牢的固结在一起,使胶化后的土具有一定的抗压强度。随着氟硅酸钠加入量的增加,产生的SiO2分子增多,使得两种网状结构间相互作用的效果更好,空间网络更密,抗压强度也会随着增大。

4 结语

1)细化后的岩土与无机胶混合后,其抗压强度远远高于粗颗粒的胶结岩土的抗压强度,说明颗粒相对越细,抗压强度相对越高。

2)胶结细化岩土的抗折强度已达到了常用水泥的3 d和7 d的抗折强度,也基本上接近于常用水泥的28 d的抗折强度。

3)细化后的胶结土的相对渗透系数偏小,抗渗性能较好。

4)岩土胶粘剂的胶结机理实质上是硅酸钠与氟硅酸钠反应产生的二氧化硅溶胶变成二氧化硅凝胶的过程。

[1]赵希英,贺英滨,燕 魁,等.正交试验优化硅酸盐土壤胶粘剂配制的研究[J].化学与粘合,2002(5):201-203.

[2]赵希英,贺孝先,王时越,等.硅酸盐无机胶粘剂与胶结土壤抗压强度关系的研究[J].昆明理工大学学报,2001,26(3):114-118.

[3]郝建英.新型岩土无机胶粘剂及其抗压强度性能研究[D].昆明:昆明理工大学硕士学位论文,2003:37-38.