水泥砂浆固化土在酸性条件下物理特性的研究现状

孙 楠

四川农业大学水利水电学院（625014）

1 水泥土研究背景与意义

水泥土是由水泥、土等成分按适当比例混合、硬化而成的一种材料。因为其材料来源较为广泛，价格较低且其物理力学性能较原土大大提升，因此广泛应用于软土地基、基坑支护、防渗工程及复合地基加固等方面，取得了良好的经济效益。

然而，由于水泥土还存在着诸多问题，如强度不够高、形成的复合地基存在承载力不足及后期变形较大等诸多问题。目前国内提高水泥土强度的方法主要是加入不同的外加剂和掺合料，或改变水泥土的含砂量，相对其它添加剂和掺合料，砂具有价格低廉和来源广泛的优点[1-2]。

随着我国国民经济持续增长，工业化水平不断提升，城市发展致使大气污染突出表现为排放连片、传输叠加和相互影响的区域污染特征,其中酸雨污染是重要的区域大气环境问题之一[3]。酸雨是指酸性大气降水，包括降水、雪、雾、露等，通常指pH值小于5.6的降水。由于酸雨对生态系统的严重危害，酸雨已成为严重威胁世界环境的十大问题之一。我国已成为世界第三大酸雨区，仅次于北美和欧洲[4]。中国的酸雨区面积约62万Km2，占国土面积的6.4%。其中，较重酸雨区面积占国土面积的0.9%。酸雨污染主要分布在长江以南—云贵高原以东地区。酸雨（年平均降水pH值低于5.6）、较重酸雨（年平均降水pH值低于5.0）和重酸雨（年平均降水pH值低于4.5）的比例分别为18.8%、6.7%和0.4%。酸雨中主要阳离子为钙离子和铵离子，分别占总离子当量的25.9%和15.2%。主要阴离子为硫酸盐，占总离子当量的21.1%。硝酸盐占总离子当量的9.0%，酸雨类型总体仍为硫酸型[5]，酸雨对水泥土存在侵蚀作用。

2 水泥砂浆固化土物理力学性质国内外研究现状

水泥深层固化或喷射注浆是软土地基处理的常用方法之一，水泥土在经过了内部的化学反应之后，形成了各项强度大幅度提升和遇水稳定性加强的加筋土。为了研究水泥土的物理力学性质，许多人对水泥土搅拌强度进行了室内试验，得出了水泥土强度、水泥配合比、原状土含水量、龄期等因素的一些规律[6]。

廖建春[6]针对软土中常有砂的现象，观察了实际生产中砂含量变化对水泥土及施工的影响，研究水泥土强度和含砂量的关系。结果显示，含砂量对水泥土的各项强度，如抗压强度、抗剪强度、抗拉强度等都有很大影响。在软土含砂量的增加的条件下，水泥土的各种强度都得到了较大的增加。在水泥土水灰比、养护时间等外界条件大致相同时，含砂量是影响水泥土强度的主要内部因素之一。兰凯和印长俊[7-8]也发现将砂作为骨料掺入软土中时，得到了强度更高的水泥土。

3 酸性溶液侵蚀下水泥土变化的国内外研究现状

水泥土的各种性质作为国内外专家研究的热点，其抗渗性被用作建造运河、河床和池塘的材料。通过在桩基上应用专用机械，生产出深层搅拌桩、硬水泥土搅拌桩、地下连续墙等

Da Chen等[9]通过一系列试验，将水泥土分别置于地下水和蒸馏水中，测量被完全浸润之后得到的水泥土强度。研究发现，当水泥土置于地下水中浸润后，水泥土的无侧限抗压强度更高。

Yu Pei Zhang等[10]进行了PAM对水泥土强度影响的试验研究，结果表明，在外部条件不变时，加入适量PAM的水泥土强度更高。

Hyug-Moon等[11]进行了土壤分级压缩处理后水泥土的性能影响试验研究。

白晓红[12]等人通过模拟试验，将水泥土浸泡在5种浓度的硫酸、氢氧化钠和氯化钠溶液中，研究不同龄期水泥土的外部特征和主要力学特性的变化规律。研究表明，硫酸溶液对水泥土表面侵蚀的影响最大，硫酸浓度越高，侵蚀作用越严重。

赵轶[13]等通过室内模拟研究水泥土强度变化规律与硫酸溶液浓度的关系，得出以下结论：1）水泥土被侵蚀时的内部断裂过程与混凝土在同样条件下的断裂十分相似。2）水泥固化污染土的强度增长形式与普通水泥土一致。3）水泥固化不同污染土壤时，不同固化土壤的强度也有显著差异。

乔俊义[14]通过室内模拟试验，研究水泥土的表观特征及强度变化规律在不同溶液浸泡下的变化。结果显示，成分中含有硫酸的水泥土，各项强度随着固化时间的增长而增强。硫酸浓度从1.5 g/kg到22.5 g/kg不等，并且水泥土抗压强度在硫酸浓度9 g/kg时达到峰值。

宁建国[15]以高岭土为原料加入适当的硝酸溶液和氨水，得到不同pH值的原料土，再加入水泥进行固化得到水泥土，以此来研究酸碱度对水泥土强度的影响规律。结果显示，pH值对水泥土抗压强度的影响曲线是先陡峭再平缓，在一定pH值之前，水泥土的强度随着pH值的增加而增强，超过一定pH值之后，水泥土强度变化不大。研究显示，pH值对水泥土强度影响的内因是pH值的变化引起水泥土内部钙离子和氢氧根离子的浓度变化，从而影响水泥土的固化过程中的物理化学反应和引起水泥土的强度变化。

宁宝宽[16]将水泥土浸润在三种不同pH值的溶液中进行养护，以此研究水泥土在不同侵蚀条件下强度的变化规律。结果显示，水泥土的强度与浸润溶液的pH值及浸润溶液的浓度有关，在浸润溶液浓度一定时，水泥土强度随pH值增加而增强；对于一种溶液而言，水泥土强度随该溶液浓度增加而减小。

宁宝宽[17]通过试验，将水泥土浸泡于不同种类的腐蚀溶液中，根据其强度变化规律绘制P-Δ曲线。结果显示，水泥土试件的破坏形式类似混凝土破坏形式分为弹性变形阶段和弹塑性破坏阶段，且水泥土内部破坏过程与腐蚀溶液的浓度关系不大，pH值是影响水泥土强度的主要因素。

综上所述，国内外学者从无添加剂的水泥土抗压强度、养护条件、腐蚀环境等方面对水泥土力学性能进行大量试验研究，并在宏观力学性能测试的基础上对水泥土的微观结构及物质组成进行了进一步研究，分析复杂环境对水泥土性能影响的作用机理。

4 研究前景

影响水泥固化土强度的影响因素很多，包括材料、外掺剂、施工工艺。材料方面，掺砂率是影响抗压强度的主要因素，建议在施工中，要根据原状土的含水量、腐殖质等，做试样，测明抗压强度，找出最优掺砂率;外掺剂方面，要求能够提高 CH离子的饱和度，促进水化硅酸钙凝胶的形成，可以根据原状土的物理性质、pH、含盐量等先做试验，找出最合适的外掺剂。施工工艺方面，主要涉及固化剂的配制、存放及提前测试。

目前国内对水泥砂浆固化土的研究已经比较成熟，但对各影响因素直接的耦合作用 研究涉及者较少。