土壤固化剂是以外加剂的形式添加到土壤中,从广义上讲,所有能提高土壤技术性能的材料都是土壤固化剂的范畴,水泥、石灰等可以说是最常用的土壤固化剂。
本文介绍的土壤固化剂属于液态有机高分子固化剂,液态固化剂的主要剂是高分子合成的聚合物,添加剂一般为硫酸镁或碳酸钙等无机盐。 作用于土体后,一方面使土颗粒通过聚合物链交织交叉,最终使加筋土形成坚实的空间骨架,从而提高土体颗粒的完整性,达到加固土体的效果。 土体加固的各种过程复杂多样,根据土体性质的不同和反应性质的不同,可分为化学过程、理化过程和理机过程三种。
化学过程一般可分为三种情况:固化剂材料本身的化学反应,固化剂材料与土壤颗粒的化学反应,以及土壤颗粒本身的化学反应,以及高分子化合物的聚合和缩聚属于固化剂本身的反应。 理化过程一般是土壤颗粒对不同粘结剂的吸附过程,主要分为物理吸附、理化吸附和化学吸附。 物理吸附是土壤颗粒在分子力的作用下吸附粘结剂在其表面,从而降低表面自由能的过程。 理化吸附是粘结剂中某些组分阳离子交换与土壤颗粒表面吸附的过程。 化学吸附是吸附剂与吸附物质发生化学反应,生成新的不溶性物质,吸附剂与吸附物质之间形成化学键的反应过程。 物理机械过程主要包括土体破碎、搅拌和工艺。
土壤固化剂对土壤的固化过程是上述三个过程的综合表现,当固化剂与固化的土壤混合物混合时,其自身与固化土混合物中的粘土矿物之间发生两种反应:一是土壤固化剂与粘土成分之间发生化学反应, 这样才能形成强度较高的化学键,从而加强土体的完整性,土体起到了一定的加固作用,同时还有酸性化合物对粘土矿物的化学侵蚀过程,其次,土壤固化剂中的有机高分子物质也会对粘土成分产生物理缠绕和吸附的双重作用。粘土矿物的表面被固化剂中的成分侵蚀,使其表面更加粗糙,增强了其对异性成分的吸附,这也有利于聚合物与粘土矿物之间的缠绕和吸附。
然而,仅靠土壤固化剂与粘土矿物之间的反应不足以形成稳定的空间网格结构。 通常土壤养护剂与水泥等无机碱性养护剂共同作用,水泥的水化水解反应、离子交换、团聚、硬凝反应、碳化结晶等反应与土壤固化剂在土壤固化的同时进行,并能起到相互促进的作用, 土壤固化剂对混合物中粘土矿物的化学侵蚀,使粘土矿物的晶体表面存在一定量的晶格缺陷。这促进了水泥水化的各种产物与各种具有晶格缺陷的粘土物质的进一步反应。其产品粘附在原晶表面并不断生长,吸收原晶的成分,与原晶形成共同边界。 共享边界随着化学反应和吸附缠绕而逐渐增大,进而形成网格骨架结构。 在碱性材料与土壤固化剂自引发剂的共同反应下,土壤固化剂中的有机单体物质聚合成高分子分子链,吸附在粘土矿物晶体表面或缠绕在晶体周围。 被侵蚀的粗糙粘土状矿物的表面也更容易被吸附和缠绕。 在土壤固化剂与水泥的共固化作用下,混合物可形成致密稳定的网架骨架结构。
对固化剂进行了室内试验研究,将无侧限抗压强度的变化规律与石灰%和固化剂用量10000相结合,试验结果表明,无侧限抗压强度随着石灰含量和固化剂含量的增加而增加, 在石灰含量不变的条件下,加入小剂量的固化剂可以大大提高固化土的强度。
研究了固化剂固化土的强度和冻融试验,石灰含量为6%,固化剂含量为15 10000,试验结果表明,固化剂固化土的7 d无侧限抗压强度可达191MPa,冻融循环后,冻稳系数为076。
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