外掺剂

土木工程学术语

简介

将水泥与软土均匀拌和使之硬化成具有足够强度的固化土是应用最广的软土加固技术之一。对于某些软土采用水泥固化的效果很差，采用同量水泥加固物理性质相近的土样固化土强度可相差很大。由于土样中pH 值和阳离子交换容量（CEC）等因素的作用，土样对水泥水化产生的氢氧化钙（CH）的吸收可能会使固化土中CH 浓度处于不饱和状态；在此情况下，土对CH 的进一步吸收将消耗本应用于产生水化硅酸钙凝胶（C-S-H）的Ca2+、OH-，从而降低了固化土中C-S-H 的生成量，导致固化土强度降低；提高固化土中CH 饱和度，可提高C-S-H 生成量，进而提高固化土强度。基于上述观点，本研究依据水泥化学和无机化学知识选择理论上可提高固化土中CH饱和度（SI）的部分外掺剂，研究其对固化土强度的影响。

试验材料与方法

采用粒径为0.1～0.074 mm 的粉砂土（FT）、北京化工二厂生产的高岭土（GT）和Na 质蒙脱土（NT）按表1 所示的比例配制成物理性质相近而CEC不同的NT 系列土样NT1～NT5，在GT 中分别掺加7.5 mol/kg 和9 mol/kg的分析纯硝酸及25，30，45 mol/kg 的分析纯氨水，搅拌均匀，成为pH值不同的GT系列土样 GT1～GT6，没有掺加化学试剂的纯高岭土（GT）称为土样GT4， 4 种天然土样取自北京（BT）、天津(TT1 和TT2)、武汉（WT），其中土样BT 与TT2、土样WT 与 TT1 的物理性质较为接近，但它们的CEC、pH 值等影响固化土SI 的因素各不相同。

固化剂为北京水泥厂产京都牌32.5普通硅酸盐水泥；外掺剂为北京益利精细化学用品有限公司产分析纯NaOH（NH）、Mg(OH)2(MH)、Ca(OH)2(CH) 、Na2CO3(NC)、K2CO3(KC)。固化土制备及养护方法如下：

①将定量土样放入搅拌锅中，用SJ-160 静浆搅拌机低速搅拌1 min 后停止；

②按试验设计放入定量固化剂和外掺剂及适量水（固化土水灰比为0.5），低速搅拌30 s 后高速搅拌1min；

③将锅壁内侧土样刮入锅内，高速搅拌1 min；

④将搅拌好的试样等分3 层放入50 mm×50 mm×50mm 试模中，每层皆需振捣密实（由每层的质量和体积控制试块密实度）；

⑤试件成型1 d 后拆模，拆模试样放入标准养护箱（20℃，湿度为95%）中养护。按公路土工试验规程（JTJ051—93）测定固化土强度；按土工试验方法标准(GB/T50123—1999)测土样物理化学指标。

试验方案

用适量水泥分别与pH 值不同的GT 系列土样和CEC 值不同的NT 系列土样制备成SI 不同的固化土试样；在这些固化土试样中掺加不同的外掺剂，考察外掺剂对固化土抗压强度的作用。并采用天然土样BT与TT2、土样TT1 与WT 进行验证。

固化土中CH 饱和度SI=log（Q/Ksp），Ksp 为CH 的溶度积常数，Q=[Ca2+]×[OH-]2[10]，为CH 的反应商，表明了CH 浓度的变化情况，由溶度积规则可知：当Q≥Ksp 时，CH 达到饱和，SI≥0；Q

外掺剂NH，CH，MH 作为强及中强碱，可直接增加固化土中OH-及Ca2+浓度；强碱弱酸盐NC 和KC水解后可使OH-浓度增加；这都可使Q 增加，进而增大SI。

在GT 系列土样中均掺加12%的水泥掺量、并分别掺加0～8%的CH、KC、NH、NC、MH 等外掺剂（令外掺剂掺量为CW，为土样的质量百分比。外掺剂以1%掺量依次递增，下同），令形成的固化土为GS1～GS6；在土样NT1～NT5 中均掺加15%的水泥掺量、并分别掺加0～7%的CH、 NH、MH、NC 等外掺剂，令形成的固化土为NS1～NS5；天然土样BT 与TT2、WT 与TT1 同时掺加水泥和外掺剂CH、NH、NC形成的固化土为BS 和TS1、WS 和TS2。考察GS 和NS 系列固化土的30 d 龄期抗压强度(qu)；BS、TS1、WS 和TS2 的90 d 龄期qu 及部分固化土试件的SI。

试验结果与分析

在同样水泥掺量下，pH 值为7.2 的GT3 的固化土的SI=-0.09，表明GS3 尚处于CH 不饱和状态，而pH 值为8.9 的GT4 的固化土的SI=0.06，表明GS4 中CH 已饱和；显然土样原始pH 值低于GT3的土样GT1、GT2 的固化土中也都处于CH 不饱和状态；且土样的pH 值越低，固化土SI 也越低。而土样原始pH 值高于GT4 的土样GT5、GT6 的固化土中也都处于CH 饱和状态。qu 随土样pH 值（即随固化土SI）的提高而提高，但当固化土CH 饱和之后，qu 则不再随土样pH 值（即固化土SI）的提高而增长。

对于CH 已经饱和的GS4～GS6，增加CH 并不能提高qu；而对CH 尚未饱和的GS1～GS3，随着CH 掺量的增加，qu 相应提高，但当CH掺量提高到一定程度后，进一步增加CH 掺量，qu 不再提高，且最终各固化土强度基本一致；土样pH 值越低，达到qu 不再提高的CH 掺量相应越高。qu 不再随CH掺量增加所对应CH掺量应该就是使固化土CH达到饱和的掺量。

土与水泥拌合后，水泥水化生成CH 和C-S-H，前者对固化土强度没有直接影响，而后者是固化土强度的主要贡献者，C-S-H按下式生成[2]：Ca2+ (aq.) + xHSiO− (aq.) + OH− (aq.)↔2 2 xCaO⋅SiO ⋅H O，显然 Ca2+，OH-离子浓度决定了C-S-H 生成量。当固化土中CH 不饱和时，土样对CH的进一步吸收将消耗本应用于生成C-S-H 的Ca2+和OH-，导致C-S-H 生成量减少。

上述试验现象表明：土样pH 值影响固化土CH 饱和度，进而影响固化土强度。固化土中CH 不饱和时，固化土中CH 饱和度决定C-S-H 的生成量，进而决定固化土强度；固化土CH 饱和后C-S-H可以足量生成，而CH 本身对固化土强度没有直接贡献，因此，进一步增加CH、进一步提高固化土CH饱和度，并不能增加固化土强度。

与掺加CH 的结果类似：对于CH已经饱和的GS4～GS6，增加KC、NH、MH、NC，并不能进一步提高qu；而对于CH 尚未饱和的GS1～GS3，随着KC、NH、MH、NC 掺量的增加，qu 相应提高，但KC、NH、MH、NC 掺量提高到一定程度后，进一步增加其掺量qu 不再提高；土样pH 值越低，达到qu 不再提高的外掺剂掺量相应越高。在CH 和不同外掺剂作用下得到的固化土最终强度基本一致。根据这些试验现象可以推断：NH、CH、NC、KC、MH 可以提高固化土SI，通过提高SI 来增加C-S-H 生成量，进而提高qu。

对于NT 系列土样，由CEC 最小的土样NT5 制成的固化土强度最高，随着土样CEC 的增加，相应的固化土强度随之降低；除NS5 中CH 已饱和外，其它各试件中均未达到CH 饱和状态，且随着土样CEC 的增加相应的固化土中SI 下降。可见：NS 系列固化土中，NT5 在掺加15%水泥后再掺加CH，qu 基本没有变化；而其它各土样在掺加15%水泥的基础上，随着CH 掺量的增加，qu 相应提高，但当CH 掺量达到某一值后，进一步加入CH，qu 则不再提高；且最终各固化土强度基本一致。随着土样CEC 的增加，使qu 不再增加的CH 掺量也相应增加。

上述试验结果说明：土样CEC 的增加降低了固化土的SI，进而降低C-S-H 生成量，导致qu 降低。如前所述：随着CH 的加入，固化土中SI 提高，水泥水化产生的C-S-H 生成量相应提高，导致qu 提高；当固化土中达到CH 饱和后，水泥水化产生的C-S-H 可以足量生成，qu 达到最大值；由于CH 对qu 没有直接贡献，此后，进一步增加CH，qu 不再增高；土样CEC越高，导致固化土SI 越低，因此，抵消CEC 作用需要的CH 也越高。

与掺加CH 的结果类似：对于CH尚未饱和的NS1～NS4，随着NH、MH、NC 掺量的增加，qu 相应提高，但掺量提高到一定程度后，进一步增加NH、MH、NC 的掺量，qu 不再提高，且最终各固化土强度基本一致；土样CEC 值越大，达到qu 不再提高的外掺剂掺量相应越高。这些试验现象说明：CH、NH、MH、NC 可以提高固化土的SI，通过提高SI 来提高C-S-H 生成量，进而提高qu。

上述对人工配制的土样的试验研究，分别讨论了因pH 或CEC 造成的固化土CH 不饱和时，外掺剂对qu 的增强作用。天然土中的实际情况较为复杂，天然土样中同时存在pH 和CEC 以及其它因素的共同影响。

在10%水泥掺量下，BS 和TS2 都没有达到CH 饱和状态，TS2 的SI 比BS 的更低，相应的TS2 的qu 也比BS 的低；与之类似，在12%水泥掺量下，WS 和TS1 也都没有达到CH 饱和状态；TS1的SI 比WS 的更低，相应的TS1 的qu 也比WS 的低。

随着CH、NH、NC等掺量的增加，qu 相应提高，但掺量提高到一定程度后，进一步增加掺量，qu 不再提高；土样SI 越低，达到qu 不再提高的外掺剂掺量相应越高。这些试验现象说明：对于天然土中的各种原因造成的固化土CH 不饱和，掺加CH、NH、NC 都可以提高固化土的SI，进而提高qu。

总结

当水泥掺量一定时，固化土CH 可能不饱和，在情况下，水泥水化不能产生足量的C-S-H，导致固化土强度降低。本研究结果表明：无论是因为土样的pH 还是CEC 或是pH、CEC 等多种因素造成的固化土中CH 不饱和，采用CH、NH、MH、NC、KC 作为外掺剂，可以提高固化土CH 饱和度，进而提高C-S-H 生成量、提高固化土强度。

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