石灰土和水泥土的减水剂改性效果【山东建筑材料网络社区】

摘要：

测试了萘系高效减水剂对软土无侧限抗压强度、抗剪强度、压缩性和水稳定性的改性效果，研究了减水剂作为添加剂对石灰改良软土（石灰土）和水泥改良软土（水泥土）无侧限抗压强度的影响，并采用扫描电镜观测了软土改性前后的微观结构。结果表明：萘系高效减水剂能改善软土的力学性能和水稳定性，进一步提高石灰土的无侧限抗压强度；减水剂掺入顺序对水泥土无侧限抗压强度影响很大，先在软土中掺入水泥，闷料6h后再掺入减水剂的顺序能提高水泥土的无侧限抗压强度，特别是其早期强度提高显著；经萘系高效减水剂改性后，软土呈相互交错的不规则结构，石灰土和水泥土中水化产物变得更丰富且分布更均匀。

软土具有强度低、透水性差、压缩量大等不良工程性质，工程中常用石灰、水泥等无机胶凝材料对其进行处治。但单独使用石灰或水泥来改良软土存在一些问题，如易干缩开裂，早期强度不高等。为此，有学者采用减水剂作为添加剂（或作为复合添加剂中的一种助剂）对水泥土进行改性。麻志刚等用减水剂来改性水泥土，发现减水剂能显著增加水泥土的凝结时间及和易性，但对其强度基本没有影响；燕仲彧等研究表明减水剂能显著提高水泥土的无侧限抗压强度。因此，减水剂对水泥土的改性效果及机理仍需进一步研究。另外，关于采用减水剂来处治软土、减水剂与石灰复合来处治软土的研究鲜有报道。

本文选用萘系高效减水剂，测试了其对软土无侧限抗压强度、抗剪强度、压缩性和水稳定性的改性效果，研究了以减水剂作为添加剂对石灰改良软土（石灰土）和水泥土强度的影响，并采用扫描电镜观测了改性前后软土的微观结构，分析了减水剂的改性机理，以期为减水剂用于软土改性提供研究参考。

1、试验

研究采用的软土取自河道岸边，表1为其化学组成（本文所涉及的组成、掺量等均为质量分数）；水泥为普通硅酸盐水泥；石灰为分析纯熟石灰；减水剂为point-400萘系高效减水剂。将减水剂与水搅拌均匀后加入土样（软土或石灰土、水泥土）中拌和，制备成不同减水剂掺量（减水剂质量占土样质量的百分比）的改性软土试件。试验用水量为击实试验确定的最佳含水量。

（1）依据JTGE40—2007《公路土工试验规程》，对所制备的改性软土试件进行无侧限抗压强度试验和直接剪切试验。

（2）测试水稳定性时，将改性软土试件养护28d，然后放入侧面密封、底面和顶面上分别放有1块透水石的装置里，再将整个装置浸泡在水中；测试不同浸水时间（0，1，2，3，7，12ｄ）下试件的无侧限抗压强度和吸水量，对比分析其强度损失率。

2、试验结果与分析

图1是减水剂改性软土的力学性能试验结果。由图1可知，减水剂能提高软土各龄期的无侧限抗压强度，特别是对其早期强度的提高更为显著。减水剂掺量（wn）为2.0%时，对软土的无侧限抗压强度改性效果最好；减水剂改性后的软土抗剪强度增加明显，且当wn为2.0%时改性效果最好，与未掺减水剂时相比，其增长幅度在20%左右。

减水剂对软土黏聚力fc和内摩擦角φ的影响如表2所示。由表2可知，减水剂的最优掺量为2.0%，此时软土的黏聚力和内摩擦角均增大明显；当减水剂掺量偏高或偏低时，软土黏聚力和内摩擦角中只有1个指标明显增大。

萘系高效减水剂是离子型表面活性剂，具有很好的分散作用，有利于土颗粒的均匀分布，经过压实后的土体更加均匀和致密，从而使其强度提高。

试验中，改性软土的力学性能随减水剂掺量的变化而变化，原因可能是减水剂掺量过少导致其分散作用未能完全体现，而减水剂掺量过大时，会使包裹土颗粒表面的润滑膜过厚，抵消一部分压实功，使得土体未被充分压实。所以存在一个适宜掺量使得土体力学性能的改性效果最佳。

进行无侧限抗压强度试验时，土样破坏时的轴向应变可以在一定程度上反映减水剂对软土压缩变形的影响。软土轴向应变试验结果见图2。水稳定性试验结果见图3。

由图2可知，1.0%掺量的萘系高效减水剂不会对软土轴向应变产生不利影响，而减水剂掺量为3.0%时，在各龄期下的软土轴向应变都将增大；总体来看，减水剂掺量为2.0%时会对软土前期（3，7d）的轴向应变产生一定的不利影响，当龄期达到28ｄ以后，这种不利影响将得到很大的改善，甚至能在一定程度上减小软土的轴向应变。

由图3可知，浸水1d后，减水剂改性软土试件的无侧限抗压强度即逐渐稳定，强度降低趋势逐渐平缓，而未掺减水剂的对照组试件直到浸水7d之后其强度降低趋势才趋于缓慢。浸水12d时，对照组试件的强度损失率高达60.90%，而减水剂改性软土试件的强度损失率为40.66%，即减水剂改性软土试件的强度损失率显著减小。说明萘系高效减水剂能降低软土浸水后的强度损失率，且缩短软土受水后强度损失的时间。

先将6%的石灰与软土拌和均匀，随即掺入用萘系高效减水剂配成的溶液，拌和均匀后成型试件，进行无侧限抗压强度试验和水稳定性试验，结果见图4。由图4（a）可知，减水剂能提高石灰土的无侧限抗压强度，且能显著增加其早期强度增长速率。当减水剂掺量为2.0%时，对石灰土无侧限抗压强度的改善效果最佳，其7，28d无侧限抗压强度的提高幅度在20%左右。由图4（b）可知，随着浸水时间的增加，石灰土无侧限抗压强度逐渐降低，浸水12d时，其强度损失率为35.45%；掺入萘系高效减水剂后，浸水12d时，其强度损失率为29.22%。总体来看，萘系高效减水剂能略微改善石灰土的水稳定性，不会对其造成负面影响。

先将6%的水泥与软土拌和均匀，随即掺入用萘系高效减水剂配成的溶液，拌和均匀后成型试件，进行无侧限抗压强度试验，结果见图5。由图5可知，萘系高效减水剂对水泥土无侧限抗压强度有降低作用，且其掺量较大时的降低作用更为明显。

对试验过程和结果进行分析之后，发现其间忽略了泥土对减水剂的吸附作用。国内外大量学者研究发现，不同矿物组成会对不同成分的减水剂产生吸附效果。当减水剂和水泥同时加入时，部分泥土会先吸收减水剂，从而减少了水泥与土颗粒的接触机会，阻碍了水泥与土发生反应，进而减少了水化产物的生成。另一方面，减水剂的分散作用正是通过其被水泥颗粒及其水化产物表面的吸附来实现的，所以泥土和水泥颗粒可能对减水剂存在一定的竞争吸附，从而影响了减水剂的分散效果。

基于以上试验结果和分析，重新调整了试验方案：A组试件为对照组，只用6%的水泥与软土拌和；B组试件同时用6%水泥和1.0%减水剂与软土拌和；B组试件先在软土中掺入1.0%减水剂，闷料6h后再掺入6%水泥；D组试件先在软土中掺入6%水泥，闷料6h后再掺入1.0%减水剂。各组试件的无侧限抗压强度试验结果如图6所示。

由图6可知，减水剂掺入与否以及掺入顺序均会对试件的无侧限抗压强度产生显著影响。各组试件无侧限抗压强度从高到低的排序为：先掺水泥并闷料后再掺减水剂的D组试件＞只掺水泥的A组试件＞减水剂与水泥同时掺入的B组试件＞先掺减水剂并闷料后再掺水泥的C组试件。与对照组（A组试件）相比，先掺减水剂并闷料后再掺水泥的C组试件强度降低十分明显，降幅在50%左右；先掺水泥并闷料后再掺减水剂的D组试件3，7，28d无侧限抗压强度增幅分别为28.66%，15.28%，17.89%，说明先掺水泥并闷料后再掺入减水剂能提高水泥土的无侧限抗压强度，且对其早期强度的改性效果十分显著。

分析其原因，先掺入水泥并闷料后再掺入减水剂时，在闷料阶段即有部分水泥与软土颗粒接触并发生了反应。当掺入减水剂后，因其有分散性，能使软土颗粒和水泥颗粒更均匀地分布和更充分地接触，不仅进一步促进了反应的进行，还能使土体压实时达到更好的压实效果，从而提高其无侧限抗压强度。当减水剂与水泥同时掺入或先掺入时，会不同程度地影响水泥颗粒与软土颗粒的接触，不利于水化反应的进行和强度的形成。

3、萘系高效减水剂对软土微观结构的影响

萘系高效减水剂对软土、石灰土和水泥土微观结构的影响见图7。由图7（a），（b）可见，未改性的软土呈松散规则的片状堆叠结构，减水剂改性后的软土则是相互交错的不规则结构，而这种结构利于软土性能的改善；由图7（c），（d）可见，未掺入减水剂时，石灰土颗粒表面有水化产物生成，但土颗粒结团现象严重；掺入萘系高效减水剂后，水化产物更为丰富，分布也更均匀，土颗粒结团现象明显减少；由图7（e），（f）可见，与未掺减水剂时相比，掺入减水剂后水泥土中的水化产物变得更加丰富，且分散得更加均匀。

4、结论

（1）萘系高效减水剂能改善软土力学性能，降低软土浸水后的强度损失率，且能缩短软土受水后的强度损失时间。

（2）萘系高效减水剂能明显提高石灰土的无侧限抗压强度；减水剂的掺入顺序对水泥土无侧限抗压强度影响很大，先在软土中掺入水泥，闷料6h后再掺入减水剂的顺序能提高水泥土的无侧限抗压强度，特别是对其早期强度提高显著，这与泥土吸附减水剂有关。

（3）经萘系高效减水剂改性后，软土不再呈片状堆叠结构，而是呈相互交错的不规则结构；石灰土和水泥土中水化产物变得更加丰富且分布更加均匀。

作者：余帆，黄煜镔，孙大权，如涉及作品内容、版权和其它问题，请及时联系，我们将尽快处理。