黑色泥炭質(zhì)水泥加固土室內(nèi)無側(cè)限抗壓強度試驗研究

黑色泥炭質(zhì)水泥加固土室內(nèi)無側(cè)限抗壓強度試驗研究

0水土工室內(nèi)配比試驗在虛弱的土壤中，粘土是一種特殊的土壤，具有較大的空隙比、較高的含水量、較高的壓縮性和較高的有機質(zhì)含量。試驗表明,泥炭質(zhì)土中只摻入水泥制成的水泥固化土,其強度即便在摻入比較高(30%)時,也很難滿足設(shè)計要求達(dá)到的強度。因此,設(shè)計前應(yīng)進(jìn)行水泥土的室內(nèi)配比試驗,針對此軟土的性質(zhì),選擇合適的固化劑和外摻料,確定其摻量,為設(shè)計提供各種齡期、各種配比的強度參數(shù)。為此,本次試驗以水泥為主要固化劑,采用一種國產(chǎn)的生物蛋白酶和熟石膏粉作為外摻料加入到泥炭質(zhì)土中,設(shè)計了一組水泥土的無側(cè)限抗壓強度的正交試驗和輔助試驗,對8個不同配比的水泥土進(jìn)行了7d,28d和90d三個不同齡期下的無側(cè)限抗壓強度測試,得到了一些試驗數(shù)據(jù),并對數(shù)據(jù)進(jìn)行了分析。另外,考慮到這類土常位于河、湖、海邊,可能受到硫酸鹽侵蝕,還進(jìn)行了試塊在硫酸鈉溶液中浸泡的試驗。1試驗土、硬化劑和陰離子材料的選擇1.1結(jié)構(gòu)及腐殖酸對水泥固化的作用本次試驗采用的土是昆明滇池度假區(qū)某新開發(fā)居住小區(qū)的地基開挖土,開挖深度約2m某處的黑土。土工試驗報告表明,該土有機質(zhì)含量平均為38%,為泥炭質(zhì)土,各項物理性質(zhì)指標(biāo)平均值為:含水量324%,土粒比重1.87,孔隙比6.01,濕密度1.10g/cm3,液限268%,塑限132%,塑性指數(shù)136,液性指數(shù)1.41,壓縮系數(shù)3.9MPa-1。昆明滇池周邊泥炭、泥炭質(zhì)土的主要形成物質(zhì)是植物殘體(也可能存有少量動物殘體),其有機質(zhì)含量較高(一般為10%～80%),其性質(zhì)與淤泥、淤泥質(zhì)土有本質(zhì)的差別。一些淤泥或淤泥質(zhì)土的水泥加固土,在適當(dāng)?shù)呐浔认?其強度可達(dá)到設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)。有機質(zhì)的大量存在,使土的加固變得更困難,有機質(zhì)含量越高的加固土,強度越難達(dá)到設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)。研究表明,土壤有機質(zhì)腐化后形成的腐殖酸對土壤固化有較大的影響,主要是由于阻礙了固化過程中膠凝物質(zhì)的生成以及通過阻止土壤中硅和鋁的溶解而妨礙火山灰反應(yīng)的進(jìn)行,而火山灰反應(yīng)對固化土強度增長有很大的貢獻(xiàn)。腐殖酸的兩種主要成分是胡敏酸和富里酸,胡敏酸和富里酸均有對礦物的分解作用,但作用有很大差別。胡敏酸與鈣、鎂、鋁等形成2,3價鹽類,難溶于水或不溶于水,其有被鈣離子沉淀的特別能力,當(dāng)加固土中存在大量鈣離子而胡敏酸含量有限時,其對水泥水化產(chǎn)物的影響也就很有限了。富里酸特別容易與含鋁多的礦物質(zhì)顆粒進(jìn)行結(jié)合,由于含鋁礦物晶格的層次排列,結(jié)合反應(yīng)造成晶格層狀排列的重分布而分解,礦物分解的程度取決于它所含有鋁的多少。1.2改土固土研究試驗中采用了昆明水泥廠生產(chǎn)的“石林牌”42.5級普通硅酸鹽水泥(42.5P·O)作為主要固化劑,外摻料中選用了云南紅河石膏廠生產(chǎn)的純度較高(CaSO4·1/2H2O含量為89%)的熟石膏粉,還加入了一種國產(chǎn)的生物蛋白酶。單純用水泥一種固化材料對軟土進(jìn)行固化,其主要的水化產(chǎn)物為具有較強膠結(jié)作用的水化硅酸鈣(CSH),雖然水化硅酸鈣(CSH)可以將松散的土體膠結(jié)為整體,在一定程度上提高了固化土的強度,但是,CSH填充孔隙的效率很低,并不能彌補土體中存在的大量孔隙造成的強度損失,因此,限制了固化土強度進(jìn)一步的增長。當(dāng)在以水泥為主材的固化材料中添加石膏時,石膏與水泥中的鋁酸鈣反應(yīng)生成鈣礬石,鈣礬石含32個結(jié)晶水,在其形成過程中,固相體積將增長120%左右。由于其體積膨脹、填充孔隙,使固化土結(jié)構(gòu)密實,孔隙量減少;除自身膨脹作用外,其針柱狀結(jié)晶相互交叉,與CSH一起形成獨特的空間網(wǎng)狀結(jié)構(gòu),在孔隙中形成了很好的支架結(jié)構(gòu),使孔隙細(xì)化。在泥炭質(zhì)土這樣一種大孔隙比的土中,鈣礬石的這種填充和支撐孔隙的作用彌補了CSH的不足,摻加石膏還可使水化物增多、土粒間生長的鈣礬石針柱狀晶體限制土粒的移動,也有利于固化土的強度增長。以往泥炭質(zhì)土的加固采用水泥和工業(yè)廢石膏取得一定效果,但對高有機質(zhì)的泥炭質(zhì)土的加固仍然是難題,因而,又嘗試加入一種非常規(guī)的外加劑——生物酶來進(jìn)行加固試驗。運用生物酶作為外加劑來加固土,目前主要是采用美國的技術(shù)產(chǎn)品,如派酶—11Χ土壤固化酶和UBIX10DuraRoad兩類產(chǎn)品。其中派酶—11Χ產(chǎn)品在國內(nèi)許多省份的道路工程中已經(jīng)有不少運用。派酶產(chǎn)品介紹中,稱其主要適用于細(xì)粘性土、含有一定有機質(zhì)的土壤。使用酶制品的優(yōu)點是該制品無毒、無污染,符合環(huán)保要求,比傳統(tǒng)道路所采用的混合土料造價低,而強度高、抗?jié)B性好,道路較能保持干燥,維護(hù)費用低。目前,國內(nèi)企業(yè)尚不能生產(chǎn)土壤固化酶,國內(nèi)學(xué)者對土壤固化酶的穩(wěn)定作用機理的研究文獻(xiàn)也較少。國外學(xué)者對土壤固化酶的穩(wěn)定作用機理的研究工作,有少量文獻(xiàn)報道。Raul等在明尼蘇達(dá)大學(xué)土木工程系2005年提供的有關(guān)酶溶液作為土壤固化劑的初步試驗研究報告中,闡述了酶在土體結(jié)構(gòu)中作用的初步研究結(jié)果。文中認(rèn)為,酶的作用主要表現(xiàn)在:使土顆粒周圍的結(jié)合水膜破壞,減小表面張力,使土壤粒子表面產(chǎn)生明顯的pH值梯度,有助于改變土壤原有結(jié)構(gòu)而使抗?jié)B透性增加。由于每個土中微粒表面存在吸附水膜(土顆粒表面的強、弱結(jié)合水膜),水膜對土的物理力學(xué)性質(zhì)有很大的影響,這種水膜幾乎控制了土中膠狀成分的膨脹和收縮,只用機械力的作用很難消除它。一般土顆粒表面最細(xì)小的膠狀粒子是陰性交換離子,吸附水膜中含有大量陽性交換離子,如鈉、鉀、鋁、鎂離子,這些陽性交換離子與膠狀陰性離子維持著電平衡。酶能使水分子分解為氫氧基OH-和H+粒子,氫氧基再分解為氫氣和氧氣,氫原子進(jìn)一步轉(zhuǎn)化為水合氫離子,水合氫離子能根據(jù)周圍條件接受或拒絕陰或陽離子交換,由于酶的這一分解水的作用,使得有足夠的負(fù)電荷能施加適當(dāng)?shù)膲毫υ谖剿ぶ械年栯x子上,結(jié)果使存在的靜電勢壘被破壞,當(dāng)這一反應(yīng)發(fā)生時,金屬離子遷移到自由水中,這樣,包裹在吸附水膜中的離子就減少,也使得水膜的表面張力減小。在Raul等對一種含蛋白類物質(zhì)較高的加固土用酶制品的標(biāo)準(zhǔn)活性測試中,測試了氨基肽酶、脂肪酶、葡萄糖苷酶三種酶的活性。結(jié)果表明,沒有顯示出這三種酶的活性,當(dāng)然不排除除此之外其他成千種酶可能具有的活性。但作者認(rèn)為,這是令人驚訝和意味深長的,可能這種酶制品對土的固化作用不是通過催化(即酶的活性)作用,而是通過類似表面活性劑的作用。試驗中,選擇了幾種國產(chǎn)酶制品做了一系列試驗,最終找到一種蛋白酶具有明顯的加固效果,其最佳摻入比為0.1%～0.2%。2混凝土養(yǎng)護(hù)試驗采用人工攪拌,振動臺上振密實(振動時間2min),制作試模尺寸為70.7mm×70.7mm×70.7mm的加固土試塊,總水灰比為0.53,制成后24h拆模,送混凝土標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室養(yǎng)護(hù)。分別在7d,28d和90d取出,測定試塊的無側(cè)限抗壓強度。每個配比每個齡期做6個試塊,同一組6個試塊的無側(cè)限抗壓強度(單位為MPa)中,若某數(shù)據(jù)高于或低于6個數(shù)據(jù)的平均值的20%,則剔除,然后重新計算平均值。試驗方案設(shè)計為三因素二水平正交試驗(Lnqp,n=4,q=2,p=3),編為1～4組;為驗證酶的效果,又補充了4組沒有加酶只加入水泥和熟石膏的輔助試驗方案,編為5～8組,第5,6,7,8組分別與4,3,2,1組的水泥和熟石膏的配比相同,見表1。3結(jié)果分析3.1試驗結(jié)果試驗結(jié)果見表2。3.2試驗結(jié)果的分析3.2.1有酶、無酶檢測對比從表2可以直接看出,7d和28d,90d的無側(cè)限抗壓試驗,最大力平均值最高的分別是2,1,3組。水泥和熟石膏配比相同的有酶與無酶對照的任意兩組,有酶的要比無酶的強度高。其中,酶摻入比為0.1%的兩個對照組,有酶的兩組與無酶的7組相比,7d強度提高50%,28d強度提高57%,90d強度提高了43%,強度提高最明顯;有酶的3組和無酶的6組相比,7d強度提高了30%,28d強度提高20.8%,90d強度提高44.3%,強度提高也較明顯。酶摻入比為0.2%的兩個對照組,有酶的4組和無酶的5組相比,7d強度提高36.8%,28d強度提高18.4%,90d強度提高7.4%,強度提高不大。有酶的1組與無酶的8組相比,7d強度提高15%,28d強度提高3.7%,90d強度提高2.95%,強度提高不明顯;可見,酶在0.1%的摻入比下,效果較好。3.2.2計算與分析(1)各因素作用的大小計算1～4組的正交試驗k值和極差R,見表3。k1是各因素1水平兩次試驗結(jié)果的平均值,k2是各因素2水平兩次試驗結(jié)果的平均值。極差R為各列的k1,k2兩數(shù)中大、小數(shù)之差。正交試驗分析中,極差大的因素通常是主要因素,而極差小的因素,往往是不重要的因素,可用極差R的大小來衡量試驗中各因素作用的大小。由表中可以看出,因素的主次順序,對7d強度影響較大的因素是水泥,也即產(chǎn)生強度差異的主要原因是水泥的摻量,其次是蛋白酶,最次是熟石膏,此時最佳組合是A1,B2,C2,即水泥∶熟石膏∶酶摻入比=25%∶6%∶0.1%;對28d強度影響較大的因素是熟石膏,其次是水泥,最次是蛋白酶,此時最佳組合是A1,B1,C2,即水泥∶熟石膏∶酶摻入比=25%∶12%∶0.1%;對90d強度影響較大的因素是熟石膏,其次是蛋白酶,最次是水泥,此時最佳組合與28d一樣是A1,B1,C2,即水泥∶熟石膏∶酶摻入比=25%∶12%∶0.1%。而本次正交試驗中,并無這樣的一組配比,有待進(jìn)一步試驗。(2)正交試驗的方差分析由于在正交試驗的直觀分析中,極差法沒有把由于因素水平的改變所引起的數(shù)據(jù)波動與試驗誤差引起的數(shù)據(jù)波動區(qū)別開來,因而,一般不能顧及試驗誤差的大小。這時,可采用統(tǒng)計學(xué)中正交試驗的方差分析來輔助判別,判斷所考察的因素作用是否顯著。以下,為90d正交重復(fù)試驗的方差分析(正交表行數(shù)n=4,重復(fù)試驗次數(shù)m=6)結(jié)果,見表4～6。給定顯著性水平α=0.1與0.05,查表得F0.9(1,23)=2.94,F0.95(1,23)=4.28,可見,三因子值FB=18.12>F0.95(1,23)=4.28,FA=1.27<F0.9(1,23)=2.94,FC=1.89<F0.9(1,23)=2.94,因子B即熟石膏較顯著,這一結(jié)果與極差分析的結(jié)果相吻合。4質(zhì)量增加速度本次試驗還進(jìn)行了前述8組試塊的抗硫酸鹽侵蝕試驗,將成型后7d的各組每一試塊用1.5%的硫酸鈉溶液循環(huán)浸泡至90d,結(jié)果浸泡后相比浸泡前質(zhì)量增長2.6%～4.6%,隨浸泡時間延長,質(zhì)量增加的速度下降,28d內(nèi)質(zhì)量增加速度最快,與28～60d,60～90d內(nèi)的質(zhì)量增加速度總體成等比下降趨勢,90d后,試塊未出現(xiàn)崩解現(xiàn)象,基本完好,說明這些試塊具有一定的抵抗硫酸鹽侵蝕的性能。與標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室中的同一組試塊相比,浸泡過硫酸鹽溶液的試塊其90d試塊無側(cè)限抗壓強度也有不同程度的提高,其中2組和7組(25%水泥、6%熟石膏的有酶與無酶組)強度提高最大,達(dá)35%～40%。浸泡過的有酶與無酶對照組中,90d強度1組比8組強度增長26.5%,2組比7組強度增長48.27%,3組比6組強度增長36.2%,4組比5組強度增長23.9%,顯示有酶組浸泡在硫酸鈉溶液中具有更好的提高強度的效果。5中、長齡期試塊的強度本次試驗可得出以下結(jié)論:對泥炭質(zhì)土中加入水泥、熟石膏、蛋白酶制成的水泥加固土試塊,酶在最佳摻入比(