适用于Na+离子污染吹泥冲填土的治理与固化水泥新配方的制作方法

本发明涉及土木工程技术领域，具体涉及一种适用于Na+离子污染吹泥冲填土的治理与固化水泥新配方。

背景技术：

近几年，我国沿海地区从天津到珠海，海涂围垦工作轰轰烈烈，如浙江沿海地区的宁波、舟山、温州也正在开展沿海海涂围垦工作。沿海产业带开发已成为沿海当地政府的重点内容，目前各地的沿海产业带工作主要是海涂围垦与围垦后土地的利用。我国东南沿海海涂围垦地基处理方法较多，较为实用的是排水固结法，由于海涂面标高低而且海涂土承载力很低，为使海涂围垦而成的土地能用于工程建设，必须新造较厚的表层土，制造方法常用“吹砂法+排水固结法”，该法加固效果较好，但在东南滨海饱和软粘土地区(如浙江温州)，由于缺少砂料，吹砂法成本高，而改用“吹泥法+真空预压+塑料排水板”，该法已在实践中取得成功。但这些围垦冲填土因紧靠大海，而且所吹的泥均来自大海表层冲填淤泥，含有一定量的Na⁺离子，Na⁺离子的污染直接影响冲填土的化学结构成分，在常规的水泥土加固中抗压强度与抗剪强度明显比一般温州淤泥土差，而且Na⁺离子污染对建筑物底层混凝土质量有一定的侵蚀影响，从而导致建设工程事故不断发生，例如道路下沉及道路管线下沉，水泥土强度难以提高以及梁柱混凝土受侵蚀等现象；以及实际工程中常规的水泥土加固造价不断上升，而且效果较差。

目前,国内外还未见针对这类吹泥造成的Na⁺离子污染冲填土的水泥土加固新配方。

技术实现要素：

针对现有技术存在的不足，本发明的目的在于提供一种不但明显提高受Na⁺离子污染的冲填土水泥土的抗压强度及抗压早期强度，而且较大幅度地提高水泥土的抗剪强度及抗剪早期强度，通过有效提高水泥土体的抗剪性能，确保施工地区的土体的稳定性的适用于Na+离子污染吹泥冲填土的治理与固化水泥新配方。

为实现上述目的，本发明提供了如下技术方案：一种适用于Na+离子污染吹泥冲填土的治理与固化水泥新配方，包括以下组分，按质量分数计：

所述复合外掺剂包括以下组分，按质量分数计：

其中，矾料包括明矾和绿矾，矾料采用明矾和绿矾3：1的质量比混配而成。

本发明进一步设置为：所述生石膏粉为白色干粉，其中SO₃含量为42.5％，比表面积3500cm²/g。

本发明还进一步设置为：所述氯化钙为无水氯化钙，分子量110.99，白色粒状物，含量≥96.0％；所述氯化镁为六水合氯化镁，白色结晶体，含量≥98.0％；所述氯化铝为三氯化铝，分子量133.34，无色透明晶体，含量≥98.0％；明矾，无色透明结晶体，含量≥99.2％；绿矾，透明、淡绿色结晶体，含量≥97％。

本发明还进一步设置为：所述水泥为普通硅酸盐水泥，水泥强度等级为R32.5或以上等级，且水泥的3d、7d、28d抗压强度分别为21.9MPa、34.2MPa、48.8MPa或以上。

本发明的优点是：与现有技术相比，本发明采用多种化学材料混合搭配，不但明显提高受Na⁺离子污染的冲填土水泥土的抗压强度及抗压早期强度，而且较大幅度地提高水泥土的抗剪强度及抗剪早期强度，通过有效提高水泥土体的抗剪性能，确保施工地区的土体的稳定性。

下面结合说明书附图和具体实施例对本发明作进一步说明。

附图说明

图1为本发明实施例Na⁺离子污染的水泥土抗压强度试验分析示意图；

图2为本发明实施例水泥固化Na+离子污染温州冲填土新配方抗压强度图；

图3a为本发明实施例水泥固化Na+离子污染温州冲填土新配方(直剪)抗剪强度图一；

图3b为本发明实施例水泥固化Na⁺离子污染温州冲填土新配方(直剪)抗剪强度图二。

具体实施方式

本发明公开的一种适用于Na+离子污染吹泥冲填土的治理与固化水泥新配方，包括以下组分，按质量分数计：

所述复合外掺剂包括以下组分，按质量分数计：

其中，矾料包括明矾和绿矾，矾料采用明矾和绿矾3：1的质量比混配而成。

作为优选的：所述生石膏粉为白色干粉，其中SO₃含量为42.5％，比表面积3500cm²/g。

作为优选的：所述氯化钙为无水氯化钙，分子量110.99，白色粒状物，含量≥96.0％；所述氯化镁为六水合氯化镁，白色结晶体，含量≥98.0％；

所述氯化铝为三氯化铝，分子量133.34，无色透明晶体，含量≥98.0％；明矾，无色透明结晶体，含量≥99.2％；绿矾，透明、淡绿色结晶体，含量≥97％。

作为优选的：所述水泥为普通硅酸盐水泥，水泥强度等级为R32.5或以上等级，且水泥的3d、7d、28d抗压强度分别为21.9MPa、34.2MPa、48.8MPa或以上。

目前，水泥固化法在固化处理地基方面应用较为广泛，但针对于水泥固化处理污染土的相关研究及技术较少，特别是针对于水泥固化处理受Na⁺离子污染的以吹泥为主的冲填土地基的水泥土加固技术更少。本发明配方就是针对现有技术的空白，在确保抗压强度、抗剪强度较大幅度提高的前提下，用少量本专利的复合外加剂代替水泥量的较大增加，从而达到高强而又经济的目的。

采用这种水泥土新配方进行加固，针对富水临海受Na⁺离子污染的吹泥冲填土地区土性特点，在室内进行过多次实验，确定合理节材时最佳配合比为：Na⁺离子污染干土粉100份+水泥10份+生石膏粉0.5份+氯化钙0.15份+氯化镁0.225份+氯化铝0.225份+矾料0.225份(该矾料以明矾：绿矾＝3：1的质量比混配而成)。该新配方不但明显提高受Na⁺离子污染的冲填土水泥土的抗压强度及抗压早期强度，而且较大幅度地提高水泥土的抗剪强度及抗剪早期强度，通过有效提高水泥土体的抗剪性能，确保施工地区的土体的稳定性。

本发明工艺所加固的软粘土是吹泥法冲填土淤泥，天然含水率为71.35％，液限为58.6％，塑限为26.1％，；水泥浆水灰比为0.55。

采用多种化学材料混合搭配，在充分分析了它们增强机理后采用室内12组对比试验，以得出最佳配方。该配方在抗剪强度、抗压强度方面做出了努力，能较大幅度的提高临海吹泥法冲填土被Na+离子污染的工程土地基的稳定性。

本发明是针对高含水量受Na+离子污染的吹泥法冲填土地区地基加固处理中的关键技术展开，本发明的实施将使临海受Na+离子污染的冲填土在工程建设时得到更好更经济的加固处理。

下面通过实施例对本发明进行具体的描述：

土样取自温州洞头县某临海吹填土地区工地，并取埋深3.5-4.2m处的淤泥土样，该土样Na⁺离子污染含量为2.05％，与氯化钙、氯化镁、氯化铝、矾料(明矾、绿矾)等组合而成复合外加剂加入一定量的水、生石膏粉与干土重的8％、12％、15％的水泥(水灰比0.55)混合，即与Na⁺离子污染的湿土(干土粉+水+NaCl溶液)混合，充分搅拌后测试其抗压强度与抗剪强度。

本实验采用人工击实法制样，分三层击实制成高为10cm、直径为5cm的柱状无侧限试样，采用自制液压式静压仪以及制样模具制作直接剪切试验用的环刀试样，脱模、称重、放入密封的塑料袋中，在标准养护条件(温度为20±3℃，相对湿度95％)，养护至设计龄期(3,7,14d)。无侧限抗压强度试验采用YSH-2型，控制轴向应变速度为1mm/min。

表1

(1)Na⁺离子对水泥土抗压强度的影响实验结果与分析

Na⁺离子污染的水泥土抗压强度试验结果见表1及图1，表1中每试样编号均有3个试块做正交试验，其中数据为3个试块平均值。由实验结果可知：吹填工程土随着Na⁺离子含量的提高,水泥土抗压强度有较明显的下降,而要达到设计强度,必须更多地提高水泥用量,从而明显地提高了造价，表明本发明的研究更有经济与工程意义。

表2

表2中：①12％水泥指的是湿土重的12％，基本组与对比组的水灰比均为0.55；

②基本组与对比组均掺5％生石膏粉，5％生石膏粉指的是水泥重的5％。

③复合外掺剂为氯化钙1.5％，氯化镁2.25％，氯化铝2.25％，矾料2.25％，1.5％(2.25％)均指的是水泥重的1.5％(2.25％)，该复合外掺剂的配比是经5种不同配比正交试验获得的最佳配合比组合。

3d、7d和14d分别表示3天、7天和14天。

(2)抗压强度对比实验结果与分析

抗压试验实验结果见表2及图2。表中每试样编号均有3个试块做正交试验，其中数值为3个试块的平均值。图2中：F是指加了复合外掺剂的新配方正交组试验数据。

由实验结果可知：

A、第2组，3d、7d、14d抗压强度与第1组(8％水泥)相比，平均强度提高了9.27％、7.33％、2.83％，这表明水泥掺量的增加对提高强度有一定的作用；同时，以第2组(12％水泥)为基准值，第3组水泥增加到15％后，3d-14d抗压强度比第2组分别提高了4.55％、14.63％、12.84％；这表明随着水泥掺量的提高，强度也相应提高；但第3组较第2组强度增加更为明显，因此，从强度增加来看，水泥掺量越大，强度增加越快。表明在临海吹泥冲填土中水泥固化的水泥掺量比普通淤泥土要大的多，也就是固化造价更大。

B、实验对比组为以下水泥加复合外掺剂组合而成：

水泥10份+水5.5份+生石膏粉0.5份+氯化钙0.15份+氯化镁0.225份+氯化铝0.225份+矾料0.225份(该矾料以明矾：绿矾＝3：1的质量比混配而成)。

从表2及图2可知其抗压强度呈现一个明显的提高，具体说明如下：

第5组(12％水泥+复合外掺剂)抗压强度与第4组(8％水泥+复合外掺剂)相比，其3d-14d抗压强度分别提高了7.41％、5.00％、17.24％；而第6组(15％水泥+复合外掺剂)与第5组相比，其3d-14d抗压强度分别提高的数值为18.39％、20.00％、13.24％；这表明随着水泥掺量的提高，强度也相应提高；同样可以看出第6组(15％水泥+复合外掺剂)强度提高最有效。

第4组的3d、7d抗压强度与14d相比，强度分别达到了69.83％、86.21％；而第1组的3d、7d抗压强度与14d相比，强度分别仅达到56.98％、72.08％，这说明第4组加入复合外掺剂后的早强效果明显提高。

从表2可知对比组强度提高较为明显，如第4组比第1组，3d-14d抗压强度分别提高了4.44％、3.43％、2.06％，而且龄期较短时增强更快；再如第6组比第3组，3d-14d抗压强度分别提高了4.33％、2.85％、2.04％，都说明了复合外掺剂的加入有效的提高了其早期强度。

因此，从以上抗压强度对比试验结果综合分析可知第4组、第5组是抗压强度比较好的增强节材新配方组，第4组比第1组3d-14d抗压强度分别提高了4.44％、3.43％、2.06％，而且龄期较短时增强更快，但考虑到第4组整体强度太低，选用第5组对富水临海受Na⁺离子污染的冲填土地基的全面性加固处理更具有实用意义,适用于场地道路加固或场地土全面加固；而对作为多层建筑物的基础处理与加固则可以采用水泥掺量较高的第6组新配方，这样更有利于建筑物基础变形与更好的稳定性。

表3

(3)抗剪强度对比实验结果与分析

对抗剪强度试验，由于本次研究是对比性研究，采用适用于大批量试件的直接剪切试验。抗剪强度试件采用面积为30cm²的环刀试样。直接剪切抗剪强度实验结果见表3及图3a和图3b.表3中每个试样编号均由3个试块做正交试验，其中，数值为3个试块的平均值。

由试验结果可知：

A、第2组，3d、7d、14d抗剪强度指标c值(Φ值)与第1组(8％水泥)相比，分别提高了13.10％(21.59％)、12.17％(18.95)、18.14(6.61)；这表明随水泥掺量的增加，对提高抗剪强度也有一定的作用；同时以第2组(12％水泥)为基准值，第3组水泥增加到15％后，3d-14d抗剪强度指标c值(Φ值)比第2组分别提高了14.55％(21.30％)、14.16％(16.57％)、10.58％(12.23％)；这表明随着水泥掺量的提高，抗剪强度也相应提高；但第3组较第2组强度增加更为明显，因此从抗剪强度增加来看，水泥掺量越大，抗剪强度增加也越快。这与普通淤泥土的水泥固化有所不同，而与前面的抗压强度试验结果相似，这更表明临海吹泥冲填土水泥固化时造价更高，此时复合外加剂的研发更有必要。

B、抗剪强度实验对比组由以下水泥加复合外掺剂组合而成：

水泥10份+水5.5份+生石膏粉0.5份+氯化钙0.15份+氯化镁0.225份+氯化铝0.225份+矾料0.225份(该矾料以明矾：绿矾＝3：1的质量比混配而成)。

从表3及图3a和图3b可知其抗剪呈强度现一个明显的提高，具体说明如下：

第5组(12％水泥+复合外掺剂)抗剪强度与第4组(8％水泥+复合外掺剂)相比，其3d-14d抗剪强度指标c值(Φ值)分别提高了15.40％(22.56％)、23.11％(20.44％)、38.05％(7.23％)；而第6组(15％水泥+复合外掺剂)与第5组相比，其3d-14d c值(Φ值)分别提高的数值为20.25％(16.74％)、10.28％(8.61％)、15.34％(5.15％)；这表明随着水泥掺量的提高，抗剪强度c值(Φ值)也相应提高；同样可以看出第5组(12％水泥+复合外掺剂)强度提高最有效。

从表3及图3a和图3b可知对比组抗剪强度提高较为明显，如第4组比第1组，3d-14d抗剪强度指标c值(Φ值)分别提高了2.11％(21.28％)、2.04％(19.24％)、1.95％(18.26％)，而且龄期较短时增强更快；再如第5组比第2组，3d-14d抗剪强度指标c值(Φ值)分别提高了4.19％(22.24％)、11.99％(20.73％)、19.14％(18.96％)，都说明了复合外掺剂的加入有效的提高了其抗剪强度，第5组的c值(Φ值)均有较大的提高。

因此，从表3抗剪强度对比试验结果综合分析可知第5组、第6组是抗压强度比较好的增强节材新配方组，第5组比第2组，3d-14d抗剪强度指标c值(Φ值)分别提高了4.19％(22.24％)、11.99％(20.73％)、19.14％(18.96％)，第6组比第3组，3d-14d抗剪强度指标c值(Φ值)分别提高了9.37％(17.65％)、8.19％(12.49％)、24.27％(11.45％)，显然第5组中复合外掺剂的加入对抗剪强度的提高最有效，且早期抗剪强度非常好。抗剪强度指标的提高具有重大意义，因为对于临海高含水量受Na⁺离子污染的吹填土而言，提高抗剪强度指标比较困难，另外，第5组相比第6组更加经济高效，所以，选用第5组对富水临海受NaCl侵蚀的冲填土地基的全面加固处理更具有实用意义，但作为该地区的多层建筑物基础处理还是建议采用第6组新配方,更有利于减少变形与提高建筑物抗剪稳定性。

综合抗压强度与抗剪强度试验，最佳配合比(第5组)综合强度提高最为显著，本工程与常规水泥固化处理方法(水泥掺量15％+5％生石膏粉)可节约造价约6％，提高强度约16％，所以该配方更加经济且高效，而且较好的解决了吹泥吹填土土质的Na⁺污染问题。

以上第5组的配方适用于临海受Na⁺离子污染的吹泥吹填土地基的大面积加固(特别是道路加固)，加固的施工方法可以是水泥搅拌桩工艺或注浆工艺。

但对该地区如作为多层建筑物的基础处理与加固，考虑到建筑物的变形与稳定性要求，建议采用第6组新配方固化处理，它与本工程建筑物下常规水泥固化处理方法(水泥掺量18％+5％生石膏粉)相比，可节约造价约5％，提高强度约14％，所以该配方也经济高效。而且很好的解决了Na⁺离子对建筑物地坪上下1m左右的混凝土侵蚀，很好解决了建筑物的地基变形与抗剪稳定性。

因此，结合以上两方面室内正交试验结果，找到了一种固化处理对临海地区受Na⁺离子污染的吹泥吹填土工程土的治理与固化水泥土加固最佳增强节材新配方是：

①第5组(12％水泥(水灰比0.55)+水泥重5％生石膏粉+水泥重8.25％复合外掺剂)；

此配方适用于Na+污染的吹泥吹填土地基的大面积加固(特别是道路加固)。

②第6组(15％水泥(水灰比0.55)+水泥重5％生石膏粉+水泥重8.25％复合外掺剂)；

此配方适用于Na⁺污染吹泥吹填土多层建筑物的基础处理与加固。

所述复合外掺剂包括以下组成，具体为：

氯化钙为水泥重的1.5％，

氯化镁为水泥重的2.25％，

氯化铝为水泥重的2.25％，

矾料为水泥重的2.25％，

(该矾料以明矾：绿矾＝3：1的质量比混配而成)。

本发明通过Na⁺离子污染的温州吹泥冲填土化学成分分析，发现其Ca²⁺、Mg²⁺、Al³⁺离子，比普通温州淤泥还要少(而普通温州淤泥中这3种离子的含量比萧山土、南京土、上海土都少得多)。现通过大量的室内试验，研究采用水泥固化吹泥冲填土增强节材新配方，解决吹泥法滨海围垦区已碰到(或将要碰到)的地基处理及加固难题，特别是对Na⁺离子污染的治理与水泥固化加固难题。

由于Na⁺侵蚀环境将会改变水泥冲填土的矿物成分以及微细观结构，使其力学性能劣化，耐久性降低，故研究水泥土在Na⁺离子侵蚀环境作用下的力学特性对评价水泥土加固复合地基的承载耐久性和长期安全性具有重要意义。本发明采用不同的水泥土配合比，对高含水量、高压缩性、高含盐量的临海吹填土在添加本发明的复合外掺剂配合比后其抗压强度性状与抗剪强度性状的变化规律，找到了合理且经济条件下Na⁺离子污染的冲填土地区的治理与固化水泥加固新配方，采用该新配方进行水泥土加固可以高效提高受Na⁺离子污染的冲填土的水泥土的抗剪强度、抗压强度，有效提高土体的变形与抗剪稳定性；而且高强节材，该新配方的产生使得水泥固化加固法在以Na⁺离子污染为主的冲填土地区也能很好的使用。

目前，对东南滨海饱和软粘土地区的吹泥法滨海围垦区被Na⁺离子污染的冲填土的新配方研究还是空白，本专利对建设单位的区内大面积加固及建筑物基础处理与加固具有很重要的实际与实用的意义，同时对东南沿海产业带吹泥法滨海围垦区土地的大面积利用具有非常积极的作用。

本发明适用于东南沿海吹泥冲填土被Na⁺离子污染的工程土的水泥固化治理新配方，在以淤泥质冲填土为主的东南沿海软土的Na⁺离子污染的水泥土中掺入多种复合外掺剂，可以较好的改善Na⁺离子污染的冲填土水泥土的抗压、抗剪性能。这对沿海地区受Na⁺离子污染的冲填土地基的处理与工程建设具有重要意义。采用这种新配方进行水泥土加固，能有效改良被Na⁺离子污染的冲填土层的地质条件及化学结构，为沿海Na⁺离子污染后的冲填土地区的工程土治理和工程建设活动提供安全、经济、可靠的保证。

上述实施例对本发明的具体描述，只用于对本发明进行进一步说明，不能理解为对本发明保护范围的限定，本领域的技术工程师根据上述发明的内容对本发明作出一些非本质的改进和调整均落入本发明的保护范围之内。