利用熟石灰改善水泥固化土早期强度的试验研究

解国梁，解恒燕，郑鑫

（黑龙江八一农垦大学工程学院，大庆 163319）

水泥土添加剂相对于其他提高水泥土性能的方法，具有很多突出的优点，其适用范围广，施工工期短，费用低，效果明显。因此，得到了广泛关注，具有良好的发展前景。正因为水泥土添加剂的诸多优点，国内外专家学者在水泥土添加剂方面作了大量的工作并取得了很多有益成果。如龚晓南、童小东先后在水泥土中加入多种矿物添加剂、生石膏、氢氧化铝、多种液态复合外加剂等，通过水泥土各类强度试验发现，所添加添加剂能够显著地提高水泥土的强度，并给出了各添加剂的最佳掺入量，为以上添加剂的工程运用提供了试验依据。叶观宝、陈望春等对不同龄期的掺有SN.Ⅱ的水泥土进行了无侧限抗压强度试验，获得不同龄期外加剂对水泥土强度的影响规律。上述成果对水泥土的广泛应用提供了理论依据和实践参考。但将熟石灰作为添加剂，对水泥加固土早期强度的试验研究较少，有必要开展进一步试验研究。

内蒙古河套灌区粉质粘土分布广泛，其内部富含有机质[1]，针对这类土体，添加不同掺量的熟石灰进行无侧限抗压强度试验，研究熟石灰掺量、龄期对水泥土早期强度发展规律及熟石灰改善水泥土的固化机理，以期为该地区水泥土的进一步开发和应用提供科学依据。

1 试验材料与试验方案

1.1 试验材料

试验用粉质粘土土样取自内蒙古巴彦淖尔盟河套平原，其性物理指标及颗粒组成见表1、表2，颗粒分布曲线见图1。试验采用的水泥为冀东牌普通硅酸盐水泥土P·O.42.5 见表3[2]。熟石灰为Ca（OH）2分析纯，水为普通自来水。

1.2 试验方案

无侧限抗压强度是水泥土最重要的力学性质，通过无侧限抗压强度反映外界和内部因素对水泥土的影响较为可靠合理。根据以往经验按如下方案安排试验：试件尺寸为Φ50 mm×H50 mm，水泥掺量为固定值15%，单掺熟石灰含量分别为0%、1.5%、4.5%和7.5%，测试龄期分别为1、3、9、14、28 和90 d。试件在标准养护箱内养护到设计龄期，通过WYH-300型微机控制万能试验机测试件的无侧限抗压强度。

表1 粉质粘土的物理指标Table 1 Physical index of silty clay

表2 粉质粘土的颗粒组成Table 2 Particle composition of silty clay

表3 冀东P·O.42.5 水泥性能指标Table 3 P·O.42.5 portland cement performance

图1 土样的颗粒分布曲线Fig.1 Grain distribution curve of soil

2 试验结果及分析

2.1 试验结果

不同熟石灰掺量下，不同龄期的无侧限抗压强度测试结果见下表4 和图2。

表4 熟石灰增强水泥土早期强度试验数据/MPaTable 4 Measured data of unconfined compressive strength of cemented soil

2.2 熟石灰掺量及龄期对无侧限抗压强度的影响

从表4 和图2 可知各龄期下水泥土强度都随熟石灰掺量的增加略有增长，但是增长幅度都不大。当熟石灰掺量超过4.5%时，随着熟石灰掺量的增加水泥土强度基本保持不变，水泥土强度与试件自身条件显著性增强。说明水泥掺量为15%时，熟石灰掺量超过4.5%后，水泥土强度不发生变化，熟石灰的作用 已经发挥到极限水平。

图2 无侧限抗压强度与龄期、熟石灰掺量的关系Fig.2 Relationships of strength，curing age and slaked lime dosage

2.3 熟石灰水泥土固化机理浅析

水泥土的强度增长主要依靠水泥土中化学加固作用和物理填充作用。东南大学李迎春[3]，同济大学张雄[4]等的研究表明在水泥土中水泥水化作用、离子交换作用、火山灰作用和碳酸化作用是对水泥土强度影响较大的四种化学作用，除水泥水化作用外其他三种化学作用都需要熟石灰的直接参与。水泥的水化作用一般在28 d 内基本完成，对水泥土早期强度影响较大，水泥水化作用生成的氢氧化钙达到饱和后，将保证水泥土中水化生成物结晶的稳定性；火山灰作用进程缓慢，对水泥土后期强度增长的贡献较大。李坚利等[5]的研究表明氢氧化钙浓度低于2 mol·L-1时，水泥水化生成物主要为硅酸凝胶，氢氧化钙浓度高于2 mol·L-1时，水泥水化主要生成水化硅酸钙。苏胜等[6]的试验研究指出氢氧化钙为混凝土提供碱性环境，一旦混凝土中氢氧化钙大量流失，混凝土液相pH 值下降到一定程度时，水化硅酸钙开始分解。黄新[8]等对比了不同氢氧化钙浓度下的水泥土强度特性，证明水泥土缺少氢氧化钙会严重降低水泥土强度。由于水泥土密实度较混凝土小得多，其结构稳定性差对环境侵蚀更加敏感，与混凝土相比水化硅酸钙更易分解，所以水泥土中更需要大量氢氧化钙保护水化硅酸钙等水化生成物的稳定性。不仅如此，水泥土中离子交换作用和火山灰作用消耗掉大量的氢氧化钙，使得水泥土中的氢氧化钙有可能达不到饱和，严重影响水泥土的稳定性[7]。综上所述，水泥土中加入熟石灰是必要的，熟石灰是水泥土长期稳定的维护者和重要参与者。

土质对水泥土反应机理影响较大。对于不同的土质，水化作用、离子交换作用、火山灰作用和碳酸化作用发挥的程度有所不同。对于一般粘性土，其主要组成物质为硅质物质和铝质物质，粘土颗粒粒径一般较小，其中存在游离硅、铝化合物[7]。Diamond 和Kinter[9]发现粘土颗粒表面能够吸收自身重量3%的熟石灰，并且随着龄期的增长熟石灰消耗量会大于3%。我们知道混凝土中水泥石成分包含70%左右的水化硅酸钙、20%左右的熟石灰以及其他水化产物。由此可见水泥土中水泥掺量为15%时，水泥土中熟石灰的生成量正好为水泥土总质量的3%左右[10]。虽然各种粘土土质变化较大，但是从上述分析中依然能够得出水泥土中熟石灰消耗完全是有可能发生的。根据北京航空航天大学黄新[8]等论断，一旦熟石灰完全消耗掉，水泥水化生成硅酸凝胶，对水泥土强度几乎没有增强作用，因此加入一定量熟石灰是必要的。表4 和图2 表明熟石灰掺量在4.5%以下时，除个别组强度变化没有规律外，水泥土强度总体上随熟石灰掺量增加而增加。当熟石灰掺量超过4.5%时，随着熟石灰掺量的增加水泥土强度基本保持不变。试验结果进一步证明了以上文献的结论，既存在熟石灰最优掺量，试验中熟石灰掺量超过4.5%时，基本上满足了各种作用的消耗量，从而有后面熟石灰掺量为7.5%时的水泥土强度基本上没有太大变化[7]。

从表2 知水泥土使用的粘土小于0.005 mm 的颗粒占粘土中质量的16.84%，从图1 可以估计出使用的粘土粒径小于0.002 mm 的颗粒约占7%。一般将小于0.002 mm 的粘土颗粒认作粘土矿物[11]，可见使用的粘土包含一定数量的粘土矿物。粘土矿物的一部分具有一定的活性，能和熟石灰发生离子交换作用和火山灰作用，可见使用的粉质粘土中粘土矿物含量较少，一定程度上解释表4 和图2 中水泥土随熟石灰掺量增加强度增长缓慢的现象[7]。在水泥土里添加熟石灰，虽然熟石灰的添加量较高，但是水泥土强度增长却较低。可见熟石灰对配制的水泥土强度贡献有限。熟石灰是离子交换作用和火山灰作用中的重要参与者，但是同时也表明离子交换作用和火山灰作用对水泥土强度贡献有限，从而得出水泥土中水化作用仍然是水泥土强度的最重要来源，对水泥土较为重要的离子交换作用和火山灰作用虽然能够提高水泥土强度，但是提高幅度非常有限[10]。

3 结论

（1）熟石灰影响着水化作用，在水泥土中熟石灰掺量不足时会导致水泥土强度下降；掺加过量的熟石灰对水泥土强度基本上没有影响，试验中当熟石灰掺量超过4.5%时，对水泥土强度贡献已不显著。

（2）从水泥土固化机理分析可知，粘土中粘土矿物可以和熟石灰发生火山灰作用和离子交换作用，从而增强了水泥土强度，但是使用的粘土中粘土矿物含量较少，火山灰效应和离子交换作用不显著，所以当熟石灰掺量达到一定程度时，水泥土强度基本上不增长。

（3）在水泥土中掺入过量的熟石灰加固粉质粘土效果不理想，试验表明水化作用是水泥土强度增长最主要的来源。

［1］ 解国梁，陶传迁，申向东.硅粉对中低掺量水泥土早期强度的影响［J］.混凝土，2012（5）：88-90.

［2］ 解国梁，申向东，郑鑫.聚丙烯纤维粉煤灰混凝土抗压强度的试验研究［J］. 黑龙江八一农垦大学学报，2011，23（2）：16-19.

［3］ 李迎春，钱春香，刘松玉，等.粉土固化稳定机理研究［J］.岩土工程学报，2004，26（2）：268-271.

［4］ 张雄，吴科如，韩继红.高性能混凝土矿渣复合掺合料生产工艺、特性与工程应用［J］.混凝土，1998（1）：10-14.

［5］ 李坚利，周惠群.水泥生产工艺［M］.武汉理工大学出版社，2008.

［6］ 苏胜，张利.土木工程材料［M］.北京：煤炭工业出版社，2007.

［7］ 贾尚华. 石灰水泥复合土固化机理及力学性能的试验研究［D］.内蒙古：内蒙古农业大学，2011.

［8］ 黄新，宁建国，许晟，等.固化土孔隙液Ca（OH）2饱和度对强度的影响［J］.工业建筑，2006，36（7）：19-24.

［9］ Diamond S， Kinter M. Mechaniems of Soil -Lime Stabilization，an interpretative review ［J］.Public Roads，1966，33（12）：260-265.

［10］ Xie G L，Shen X D. Mechanical behaviors of cementedsoil with Ca（OH）2［A］.2011 International Conference on Electric Technology and Civil Engineering［C］.Lushan：Computer Society，2011.

［11］ 赵杏媛，张有瑜.粘土矿物与粘土矿物分析［M］.北京：海洋出版社，1990.