固化机理研究

1.3　固化机理研究

目前对固化机理的研究一般主要采用以下3种：扫描电镜、X－射线衍射以及孔隙水溶液化学成分分析。

李俊才^［38］通过扫描电镜对水泥土的微观结构进行研究，发现水泥水化生成的纤维状胶凝物质为胶结材料把土骨架颗粒牢牢地联结在一起，构成了“粒状·镶嵌·胶结”的空间结构。另外掺入水泥后钙离子虽然可以把分散的黏土聚在一起形成团粒体，但这种团粒内部的黏土仍处于相互分隔状态，所以团粒体的刚性很差，说明土的结构类型对固化后的强度影响很大。如果在掺加水泥固化的同时加入部分粗颗粒材料（细粉砂或粉煤灰）来改善土的物质组成可以相对地减少黏粒含量，改善颗粒级配，使得原来是“黏土·基质”结构向“粒状·骨架”结构转变。王星华^［39］对黏土浆液的固化过程采用SEM进行微观分析，指出黏土固化浆液的水化固结过程基本上与水泥水化过程相似，但是又有一些不相似的地方：黏土固化浆液固结过程分两阶段：第一阶段是水泥的水化反应，吸收体系中大量的自由水，生成不定型胶体，并在黏土颗粒的表面沉积下来；第二阶段是水化产物不稳定阶段，逐步转变为晶体，晶体长大，相互穿插，充填于黏土颗粒的空隙之间，使结石体强度不断增长。

Diamond S^［40］、黄新^［41］、ChenYmi^［42］从分析孔隙水化学成分的角度入手，对固化机理进行了揭示，认为孔隙水中的Ca（OH）₂的溶度积控制着水化反应进行的程度。在固化过程中产生的Ca（OH）₂和CSH等水化物，Ca（OH）₂随即被土质吸收。如果孔隙水仍处于Ca（OH）₂过饱和状态，则CSH等水化物将不受周围土质的影响而正常生成，且由于有充裕的Ca（OH）₂存在，土中活性物质和替代水泥而加入的活性材料便得以与Ca（OH）₂进行充分的硬凝反应，生成C－S－H等水化物。在这种情况下，可得到较高的强度。如若孔隙水已不再为Ca（OH）₂所饱和，则土质将继续吸收生成CSH所需的Ca^2＋以及OH^－，使水泥水化生成的CSH量大大减少。且土中的活性物质及被加入的活性材料也因得不到足够的Ca（OH）₂，而不能发生硬凝反应导致强度低下^［43］。

从定量的角度对土体固化后力学性质改善机理的研究尚不多见，王清^［44］对水泥土扫描电镜的结果进行图像处理，对土的结构单元体或孔隙的大小、形状、分布以及定向性进行定量的研究发现水泥胶结的现象十分明显，添加剂在土中随着时间的延长而不断的结晶，起到了胶结物的作用，使土颗粒之间的联结类型从接触联结转变为胶结联结，胶结联结使土颗粒之间的联结强度增强，使土的结构强度呈现不断增长的线性趋势。

S.Saitoh^［45］提出了水泥固化土结构模型，认为土样与水泥搅拌后，土团粒被水泥浆液包裹，水泥水化生成的胶凝性物质逐渐形成水泥硬化体，同时水化产生的Ca（OH）₂与黏土矿物成分发生硬凝反应，使黏土颗粒与硬凝反应生成物形成土硬化体，固化土的强度即依赖于这两种硬化体的强度。宁建国^［46］指出S.Saitoh的固化土结构模型存在着不完全性，没有涉及土的孔隙率对固化土抗压强度的影响。宁建国根据固化土实际固化过程提出一个新的固化土结构模型，即固化土结构形成主要由固化剂胶结土颗粒和填充孔隙两部分构成。范昭平^［47］采用三轴试验，从强度参数c和φ入手对固化机理进行了宏观解释，凝聚力c在一定程度上代表了固化处理中的胶结作用；而内摩擦角φ则表示了充填作用。在固化材料掺加量较少时，水化产物的胶结作用和填充作用都比较显著，c和φ都出现较明显的增加趋势，而随着水泥掺加量的增加，水泥水化产物的胶结作用继续保持增长，而填充作用不再增长。则此时c继续增加，而φ则停止增加。