適用于Na+離子污染吹泥沖填土的治理與固化水泥新配方的制作方法

本發明涉及土木工程技術領域，具體涉及一種適用于Na+離子污染吹泥沖填土的治理與固化水泥新配方。

背景技術：

近幾年，我國沿海地區從天津到珠海，海涂圍墾工作轟轟烈烈，如浙江沿海地區的寧波、舟山、溫州也正在開展沿海海涂圍墾工作。沿海產業帶開發已成為沿海當地政府的重點內容，目前各地的沿海產業帶工作主要是海涂圍墾與圍墾后土地的利用。我國東南沿海海涂圍墾地基處理方法較多，較為實用的是排水固結法，由于海涂面標高低而且海涂土承載力很低，為使海涂圍墾而成的土地能用于工程建設，必須新造較厚的表層土，制造方法常用“吹砂法+排水固結法”，該法加固效果較好，但在東南濱海飽和軟粘土地區(如浙江溫州)，由于缺少砂料，吹砂法成本高，而改用“吹泥法+真空預壓+塑料排水板”，該法已在實踐中取得成功。但這些圍墾沖填土因緊靠大海，而且所吹的泥均來自大海表層沖填淤泥，含有一定量的Na⁺離子，Na⁺離子的污染直接影響沖填土的化學結構成分，在常規的水泥土加固中抗壓強度與抗剪強度明顯比一般溫州淤泥土差，而且Na⁺離子污染對建筑物底層混凝土質量有一定的侵蝕影響，從而導致建設工程事故不斷發生，例如道路下沉及道路管線下沉，水泥土強度難以提高以及梁柱混凝土受侵蝕等現象；以及實際工程中常規的水泥土加固造價不斷上升，而且效果較差。

目前,國內外還未見針對這類吹泥造成的Na⁺離子污染沖填土的水泥土加固新配方。

技術實現要素：

針對現有技術存在的不足，本發明的目的在于提供一種不但明顯提高受Na⁺離子污染的沖填土水泥土的抗壓強度及抗壓早期強度，而且較大幅度地提高水泥土的抗剪強度及抗剪早期強度，通過有效提高水泥土體的抗剪性能，確保施工地區的土體的穩定性的適用于Na+離子污染吹泥沖填土的治理與固化水泥新配方。

為實現上述目的，本發明提供了如下技術方案：一種適用于Na+離子污染吹泥沖填土的治理與固化水泥新配方，包括以下組分，按質量分數計：

所述復合外摻劑包括以下組分，按質量分數計：

其中，礬料包括明礬和綠礬，礬料采用明礬和綠礬3：1的質量比混配而成。

本發明進一步設置為：所述生石膏粉為白色干粉，其中SO₃含量為42.5％，比表面積3500cm²/g。

本發明還進一步設置為：所述氯化鈣為無水氯化鈣，分子量110.99，白色粒狀物，含量≥96.0％；所述氯化鎂為六水合氯化鎂，白色結晶體，含量≥98.0％；所述氯化鋁為三氯化鋁，分子量133.34，無色透明晶體，含量≥98.0％；明礬，無色透明結晶體，含量≥99.2％；綠礬，透明、淡綠色結晶體，含量≥97％。

本發明還進一步設置為：所述水泥為普通硅酸鹽水泥，水泥強度等級為R32.5或以上等級，且水泥的3d、7d、28d抗壓強度分別為21.9MPa、34.2MPa、48.8MPa或以上。

本發明的優點是：與現有技術相比，本發明采用多種化學材料混合搭配，不但明顯提高受Na⁺離子污染的沖填土水泥土的抗壓強度及抗壓早期強度，而且較大幅度地提高水泥土的抗剪強度及抗剪早期強度，通過有效提高水泥土體的抗剪性能，確保施工地區的土體的穩定性。

下面結合說明書附圖和具體實施例對本發明作進一步說明。

附圖說明

圖1為本發明實施例Na⁺離子污染的水泥土抗壓強度試驗分析示意圖；

圖2為本發明實施例水泥固化Na+離子污染溫州沖填土新配方抗壓強度圖；

圖3a為本發明實施例水泥固化Na+離子污染溫州沖填土新配方(直剪)抗剪強度圖一；

圖3b為本發明實施例水泥固化Na⁺離子污染溫州沖填土新配方(直剪)抗剪強度圖二。

具體實施方式

本發明公開的一種適用于Na+離子污染吹泥沖填土的治理與固化水泥新配方，包括以下組分，按質量分數計：

所述復合外摻劑包括以下組分，按質量分數計：

其中，礬料包括明礬和綠礬，礬料采用明礬和綠礬3：1的質量比混配而成。

作為優選的：所述生石膏粉為白色干粉，其中SO₃含量為42.5％，比表面積3500cm²/g。

作為優選的：所述氯化鈣為無水氯化鈣，分子量110.99，白色粒狀物，含量≥96.0％；所述氯化鎂為六水合氯化鎂，白色結晶體，含量≥98.0％；

所述氯化鋁為三氯化鋁，分子量133.34，無色透明晶體，含量≥98.0％；明礬，無色透明結晶體，含量≥99.2％；綠礬，透明、淡綠色結晶體，含量≥97％。

作為優選的：所述水泥為普通硅酸鹽水泥，水泥強度等級為R32.5或以上等級，且水泥的3d、7d、28d抗壓強度分別為21.9MPa、34.2MPa、48.8MPa或以上。

目前，水泥固化法在固化處理地基方面應用較為廣泛，但針對于水泥固化處理污染土的相關研究及技術較少，特別是針對于水泥固化處理受Na⁺離子污染的以吹泥為主的沖填土地基的水泥土加固技術更少。本發明配方就是針對現有技術的空白，在確保抗壓強度、抗剪強度較大幅度提高的前提下，用少量本專利的復合外加劑代替水泥量的較大增加，從而達到高強而又經濟的目的。

采用這種水泥土新配方進行加固，針對富水臨海受Na⁺離子污染的吹泥沖填土地區土性特點，在室內進行過多次實驗，確定合理節材時最佳配合比為：Na⁺離子污染干土粉100份+水泥10份+生石膏粉0.5份+氯化鈣0.15份+氯化鎂0.225份+氯化鋁0.225份+礬料0.225份(該礬料以明礬：綠礬＝3：1的質量比混配而成)。該新配方不但明顯提高受Na⁺離子污染的沖填土水泥土的抗壓強度及抗壓早期強度，而且較大幅度地提高水泥土的抗剪強度及抗剪早期強度，通過有效提高水泥土體的抗剪性能，確保施工地區的土體的穩定性。

本發明工藝所加固的軟粘土是吹泥法沖填土淤泥，天然含水率為71.35％，液限為58.6％，塑限為26.1％，；水泥漿水灰比為0.55。

采用多種化學材料混合搭配，在充分分析了它們增強機理后采用室內12組對比試驗，以得出最佳配方。該配方在抗剪強度、抗壓強度方面做出了努力，能較大幅度的提高臨海吹泥法沖填土被Na+離子污染的工程土地基的穩定性。

本發明是針對高含水量受Na+離子污染的吹泥法沖填土地區地基加固處理中的關鍵技術展開，本發明的實施將使臨海受Na+離子污染的沖填土在工程建設時得到更好更經濟的加固處理。

下面通過實施例對本發明進行具體的描述：

土樣取自溫州洞頭縣某臨海吹填土地區工地，并取埋深3.5-4.2m處的淤泥土樣，該土樣Na⁺離子污染含量為2.05％，與氯化鈣、氯化鎂、氯化鋁、礬料(明礬、綠礬)等組合而成復合外加劑加入一定量的水、生石膏粉與干土重的8％、12％、15％的水泥(水灰比0.55)混合，即與Na⁺離子污染的濕土(干土粉+水+NaCl溶液)混合，充分攪拌后測試其抗壓強度與抗剪強度。

本實驗采用人工擊實法制樣，分三層擊實制成高為10cm、直徑為5cm的柱狀無側限試樣，采用自制液壓式靜壓儀以及制樣模具制作直接剪切試驗用的環刀試樣，脫模、稱重、放入密封的塑料袋中，在標準養護條件(溫度為20±3℃，相對濕度95％)，養護至設計齡期(3,7,14d)。無側限抗壓強度試驗采用YSH-2型，控制軸向應變速度為1mm/min。

表1

(1)Na⁺離子對水泥土抗壓強度的影響實驗結果與分析

Na⁺離子污染的水泥土抗壓強度試驗結果見表1及圖1，表1中每試樣編號均有3個試塊做正交試驗，其中數據為3個試塊平均值。由實驗結果可知：吹填工程土隨著Na⁺離子含量的提高,水泥土抗壓強度有較明顯的下降,而要達到設計強度,必須更多地提高水泥用量,從而明顯地提高了造價，表明本發明的研究更有經濟與工程意義。

表2

表2中：①12％水泥指的是濕土重的12％，基本組與對比組的水灰比均為0.55；

②基本組與對比組均摻5％生石膏粉，5％生石膏粉指的是水泥重的5％。

③復合外摻劑為氯化鈣1.5％，氯化鎂2.25％，氯化鋁2.25％，礬料2.25％，1.5％(2.25％)均指的是水泥重的1.5％(2.25％)，該復合外摻劑的配比是經5種不同配比正交試驗獲得的最佳配合比組合。

3d、7d和14d分別表示3天、7天和14天。

(2)抗壓強度對比實驗結果與分析

抗壓試驗實驗結果見表2及圖2。表中每試樣編號均有3個試塊做正交試驗，其中數值為3個試塊的平均值。圖2中：F是指加了復合外摻劑的新配方正交組試驗數據。

由實驗結果可知：

A、第2組，3d、7d、14d抗壓強度與第1組(8％水泥)相比，平均強度提高了9.27％、7.33％、2.83％，這表明水泥摻量的增加對提高強度有一定的作用；同時，以第2組(12％水泥)為基準值，第3組水泥增加到15％后，3d-14d抗壓強度比第2組分別提高了4.55％、14.63％、12.84％；這表明隨著水泥摻量的提高，強度也相應提高；但第3組較第2組強度增加更為明顯，因此，從強度增加來看，水泥摻量越大，強度增加越快。表明在臨海吹泥沖填土中水泥固化的水泥摻量比普通淤泥土要大的多，也就是固化造價更大。

B、實驗對比組為以下水泥加復合外摻劑組合而成：

水泥10份+水5.5份+生石膏粉0.5份+氯化鈣0.15份+氯化鎂0.225份+氯化鋁0.225份+礬料0.225份(該礬料以明礬：綠礬＝3：1的質量比混配而成)。

從表2及圖2可知其抗壓強度呈現一個明顯的提高，具體說明如下：

第5組(12％水泥+復合外摻劑)抗壓強度與第4組(8％水泥+復合外摻劑)相比，其3d-14d抗壓強度分別提高了7.41％、5.00％、17.24％；而第6組(15％水泥+復合外摻劑)與第5組相比，其3d-14d抗壓強度分別提高的數值為18.39％、20.00％、13.24％；這表明隨著水泥摻量的提高，強度也相應提高；同樣可以看出第6組(15％水泥+復合外摻劑)強度提高最有效。

第4組的3d、7d抗壓強度與14d相比，強度分別達到了69.83％、86.21％；而第1組的3d、7d抗壓強度與14d相比，強度分別僅達到56.98％、72.08％，這說明第4組加入復合外摻劑后的早強效果明顯提高。

從表2可知對比組強度提高較為明顯，如第4組比第1組，3d-14d抗壓強度分別提高了4.44％、3.43％、2.06％，而且齡期較短時增強更快；再如第6組比第3組，3d-14d抗壓強度分別提高了4.33％、2.85％、2.04％，都說明了復合外摻劑的加入有效的提高了其早期強度。

因此，從以上抗壓強度對比試驗結果綜合分析可知第4組、第5組是抗壓強度比較好的增強節材新配方組，第4組比第1組3d-14d抗壓強度分別提高了4.44％、3.43％、2.06％，而且齡期較短時增強更快，但考慮到第4組整體強度太低，選用第5組對富水臨海受Na⁺離子污染的沖填土地基的全面性加固處理更具有實用意義,適用于場地道路加固或場地土全面加固；而對作為多層建筑物的基礎處理與加固則可以采用水泥摻量較高的第6組新配方，這樣更有利于建筑物基礎變形與更好的穩定性。

表3

(3)抗剪強度對比實驗結果與分析

對抗剪強度試驗，由于本次研究是對比性研究，采用適用于大批量試件的直接剪切試驗。抗剪強度試件采用面積為30cm²的環刀試樣。直接剪切抗剪強度實驗結果見表3及圖3a和圖3b.表3中每個試樣編號均由3個試塊做正交試驗，其中，數值為3個試塊的平均值。

由試驗結果可知：

A、第2組，3d、7d、14d抗剪強度指標c值(Φ值)與第1組(8％水泥)相比，分別提高了13.10％(21.59％)、12.17％(18.95)、18.14(6.61)；這表明隨水泥摻量的增加，對提高抗剪強度也有一定的作用；同時以第2組(12％水泥)為基準值，第3組水泥增加到15％后，3d-14d抗剪強度指標c值(Φ值)比第2組分別提高了14.55％(21.30％)、14.16％(16.57％)、10.58％(12.23％)；這表明隨著水泥摻量的提高，抗剪強度也相應提高；但第3組較第2組強度增加更為明顯，因此從抗剪強度增加來看，水泥摻量越大，抗剪強度增加也越快。這與普通淤泥土的水泥固化有所不同，而與前面的抗壓強度試驗結果相似，這更表明臨海吹泥沖填土水泥固化時造價更高，此時復合外加劑的研發更有必要。

B、抗剪強度實驗對比組由以下水泥加復合外摻劑組合而成：

水泥10份+水5.5份+生石膏粉0.5份+氯化鈣0.15份+氯化鎂0.225份+氯化鋁0.225份+礬料0.225份(該礬料以明礬：綠礬＝3：1的質量比混配而成)。

從表3及圖3a和圖3b可知其抗剪呈強度現一個明顯的提高，具體說明如下：

第5組(12％水泥+復合外摻劑)抗剪強度與第4組(8％水泥+復合外摻劑)相比，其3d-14d抗剪強度指標c值(Φ值)分別提高了15.40％(22.56％)、23.11％(20.44％)、38.05％(7.23％)；而第6組(15％水泥+復合外摻劑)與第5組相比，其3d-14d c值(Φ值)分別提高的數值為20.25％(16.74％)、10.28％(8.61％)、15.34％(5.15％)；這表明隨著水泥摻量的提高，抗剪強度c值(Φ值)也相應提高；同樣可以看出第5組(12％水泥+復合外摻劑)強度提高最有效。

從表3及圖3a和圖3b可知對比組抗剪強度提高較為明顯，如第4組比第1組，3d-14d抗剪強度指標c值(Φ值)分別提高了2.11％(21.28％)、2.04％(19.24％)、1.95％(18.26％)，而且齡期較短時增強更快；再如第5組比第2組，3d-14d抗剪強度指標c值(Φ值)分別提高了4.19％(22.24％)、11.99％(20.73％)、19.14％(18.96％)，都說明了復合外摻劑的加入有效的提高了其抗剪強度，第5組的c值(Φ值)均有較大的提高。

因此，從表3抗剪強度對比試驗結果綜合分析可知第5組、第6組是抗壓強度比較好的增強節材新配方組，第5組比第2組，3d-14d抗剪強度指標c值(Φ值)分別提高了4.19％(22.24％)、11.99％(20.73％)、19.14％(18.96％)，第6組比第3組，3d-14d抗剪強度指標c值(Φ值)分別提高了9.37％(17.65％)、8.19％(12.49％)、24.27％(11.45％)，顯然第5組中復合外摻劑的加入對抗剪強度的提高最有效，且早期抗剪強度非常好。抗剪強度指標的提高具有重大意義，因為對于臨海高含水量受Na⁺離子污染的吹填土而言，提高抗剪強度指標比較困難，另外，第5組相比第6組更加經濟高效，所以，選用第5組對富水臨海受NaCl侵蝕的沖填土地基的全面加固處理更具有實用意義，但作為該地區的多層建筑物基礎處理還是建議采用第6組新配方,更有利于減少變形與提高建筑物抗剪穩定性。

綜合抗壓強度與抗剪強度試驗，最佳配合比(第5組)綜合強度提高最為顯著，本工程與常規水泥固化處理方法(水泥摻量15％+5％生石膏粉)可節約造價約6％，提高強度約16％，所以該配方更加經濟且高效，而且較好的解決了吹泥吹填土土質的Na⁺污染問題。

以上第5組的配方適用于臨海受Na⁺離子污染的吹泥吹填土地基的大面積加固(特別是道路加固)，加固的施工方法可以是水泥攪拌樁工藝或注漿工藝。

但對該地區如作為多層建筑物的基礎處理與加固，考慮到建筑物的變形與穩定性要求，建議采用第6組新配方固化處理，它與本工程建筑物下常規水泥固化處理方法(水泥摻量18％+5％生石膏粉)相比，可節約造價約5％，提高強度約14％，所以該配方也經濟高效。而且很好的解決了Na⁺離子對建筑物地坪上下1m左右的混凝土侵蝕，很好解決了建筑物的地基變形與抗剪穩定性。

因此，結合以上兩方面室內正交試驗結果，找到了一種固化處理對臨海地區受Na⁺離子污染的吹泥吹填土工程土的治理與固化水泥土加固最佳增強節材新配方是：

①第5組(12％水泥(水灰比0.55)+水泥重5％生石膏粉+水泥重8.25％復合外摻劑)；

此配方適用于Na+污染的吹泥吹填土地基的大面積加固(特別是道路加固)。

②第6組(15％水泥(水灰比0.55)+水泥重5％生石膏粉+水泥重8.25％復合外摻劑)；

此配方適用于Na⁺污染吹泥吹填土多層建筑物的基礎處理與加固。

所述復合外摻劑包括以下組成，具體為：

氯化鈣為水泥重的1.5％，

氯化鎂為水泥重的2.25％，

氯化鋁為水泥重的2.25％，

礬料為水泥重的2.25％，

(該礬料以明礬：綠礬＝3：1的質量比混配而成)。

本發明通過Na⁺離子污染的溫州吹泥沖填土化學成分分析，發現其Ca²⁺、Mg²⁺、Al³⁺離子，比普通溫州淤泥還要少(而普通溫州淤泥中這3種離子的含量比蕭山土、南京土、上海土都少得多)。現通過大量的室內試驗，研究采用水泥固化吹泥沖填土增強節材新配方，解決吹泥法濱海圍墾區已碰到(或將要碰到)的地基處理及加固難題，特別是對Na⁺離子污染的治理與水泥固化加固難題。

由于Na⁺侵蝕環境將會改變水泥沖填土的礦物成分以及微細觀結構，使其力學性能劣化，耐久性降低，故研究水泥土在Na⁺離子侵蝕環境作用下的力學特性對評價水泥土加固復合地基的承載耐久性和長期安全性具有重要意義。本發明采用不同的水泥土配合比，對高含水量、高壓縮性、高含鹽量的臨海吹填土在添加本發明的復合外摻劑配合比后其抗壓強度性狀與抗剪強度性狀的變化規律，找到了合理且經濟條件下Na⁺離子污染的沖填土地區的治理與固化水泥加固新配方，采用該新配方進行水泥土加固可以高效提高受Na⁺離子污染的沖填土的水泥土的抗剪強度、抗壓強度，有效提高土體的變形與抗剪穩定性；而且高強節材，該新配方的產生使得水泥固化加固法在以Na⁺離子污染為主的沖填土地區也能很好的使用。

目前，對東南濱海飽和軟粘土地區的吹泥法濱海圍墾區被Na⁺離子污染的沖填土的新配方研究還是空白，本專利對建設單位的區內大面積加固及建筑物基礎處理與加固具有很重要的實際與實用的意義，同時對東南沿海產業帶吹泥法濱海圍墾區土地的大面積利用具有非常積極的作用。

本發明適用于東南沿海吹泥沖填土被Na⁺離子污染的工程土的水泥固化治理新配方，在以淤泥質沖填土為主的東南沿海軟土的Na⁺離子污染的水泥土中摻入多種復合外摻劑，可以較好的改善Na⁺離子污染的沖填土水泥土的抗壓、抗剪性能。這對沿海地區受Na⁺離子污染的沖填土地基的處理與工程建設具有重要意義。采用這種新配方進行水泥土加固，能有效改良被Na⁺離子污染的沖填土層的地質條件及化學結構，為沿海Na⁺離子污染后的沖填土地區的工程土治理和工程建設活動提供安全、經濟、可靠的保證。

上述實施例對本發明的具體描述，只用于對本發明進行進一步說明，不能理解為對本發明保護范圍的限定，本領域的技術工程師根據上述發明的內容對本發明作出一些非本質的改進和調整均落入本發明的保護范圍之內。