淺析噴粉樁加固軟土地基機理

導語：粉噴樁屬於深層攪拌法加固地基方法的一種形式，也叫加固土樁。深層攪拌法是加固飽和軟粘土地基的一種新穎方法，它是利用水泥、石灰等材料作為固化劑的主劑，通過特製的攪拌機械就地將軟土和固化劑(漿液狀和粉體狀)強制攪拌，利用固化劑和軟土之間所產生的一系列物理一化學反應，使軟土硬結成具有整體性、水穩性和一定強度的優質地基。粉噴樁就是採用粉體狀固化劑來進行軟基攪拌處理的方法。

　　1、前言

噴粉樁係一種用乾粉與飽和軟土進行深層攪拌的軟基加固方法。它是用粉體膠結材料作為固化主劑，通過深層攪拌機械，將固化劑和軟土強制攪拌，利用粉體膠結材料吸水，與土顆粒發生水解、水化反應並進行陽離子交換等物理化學作用，形成連續、水穩性的堅硬拌和樁體，從而使地基土工程性質得到局部改善，並與樁間土構成複合地基。目前，粉噴樁的粉體膠結材料主要使用水泥和生石灰，經過多年的試驗、研究和工程實踐，已取得較好的技術經濟效果，可廣泛用於淤泥質土、衝填土、軟粘土、粉細紗等軟基加固。

粉煤灰是燃煤電廠排出的主要工業廢料，價格便宜，屬於富含粘土礦物的硅質材料，由多種氧化物組成，具有一定的活性，在一般意義上，粉煤灰可分成兩種類型：低氧化鈣粉煤灰和高氧化鈣粉煤灰，高鈣型粉煤灰比低鈣型粉煤灰的活性大，水化初期能生成較多的鹼性膠體，後期再生成硅酸鹽或鋁酸鹽結晶物質。若能以粉煤灰作為噴粉樁的膠結材料，不僅為粉煤灰綜合利用找到一條新的途徑，而且為加快工業、民用與市政工程建設、降低成本提供了穩定的原材料來源。

　　2、試驗材料的基本性質

2.1淤泥的基本性質試驗用淤泥的天然含水量ω為44?郾7%，濕密度γω為170%，幹密度γd為1郾23%，比重γs為2郾73t/m3，孔隙比e為1郾26，塑性指數Iρ為20郾8，壓縮係數αV為0郾85MPa-1，壓縮模量Es為2郾45MPa.

2.2粉煤灰的基本性質

2.2.1粉煤灰的化學組成粉煤灰是燃煤電廠排出的一種工業廢料，呈灰色或灰白色。一般粉煤灰的化學成分主要為SiO2和Al2O3，這兩種成份的總含量在60%以上。如果原煤的'成份特殊或在燃煤中摻入一定量的石灰石，粉煤灰的化學成份有較大的改變，形成高鈣型粉煤灰。表1中列出了幾種粉煤灰的化學成份與含量，粉煤灰的化學組成及含量與煤質、石灰石摻入量、粉煤灰的熱歷史(爐温、煤粉細度、升温速度、冷卻條件及吸塵方式等)等有關。

2.2.2粉煤灰的物理性質粉煤灰的比重、容重、細度、比表面積、標準稠度需水量等是反映粉煤灰物理特性的指標，表2列出了我國電廠粉煤灰的物理特性。已有研究表明，粉煤灰的物理特性是反映其水化程度的一個重要參數。

2.2.3粉煤灰的活性粉煤灰的活性一般指它的火山灰活性，低鈣型粉煤灰在常温常壓潮濕環境下不能硬化，並不呈現水硬活性，但大量的研究表明其活性是“潛在”的，只有在外在條件的誘導下才得以激發。高鈣型粉煤灰在常温常壓潮濕環境下能夠逐漸硬化，就是這種活性發揮的結果。這是因為粉煤灰在水化初期能夠生成較多的鹼性膠體，後期再生成CSH或CAH系水化物，這兩種水化物都具有一定的強度。大量的研究表明，不同品質的粉煤灰，其CaO含量及玻璃體的含量愈高、含炭量愈低、標準稠度需水量愈小，粉煤灰的活性就愈大。活性大的粉煤灰在水化反應過程中，生成具有凝膠性能水化物的能力就強。

3、粉煤灰的加固機理噴粉樁軟基加固的原理是通過深層攪拌機械將軟土與膠結材料強制攪拌，使軟土與膠結材料發生一系列物理化學反應，形成堅硬的拌和樁體。由於粉煤灰的化學成份與巖相組成不同於其它膠結材料，故有必要對粉煤灰加固原理進行研究。

3.1　粉煤灰的水化過程粉煤灰與軟土拌和後，其中CaO遇水即發生反應生成Ca(OH)2：CaO+H2O→Ca(OH)2+15?郾6Kcal/mol在這一反應過程中，粉煤灰具有吸水、發熱的特性。在不斷產生Ca(OH)2的條件下，粉煤灰外層的水間層起到輸送Ca(OH)2的作用，使得Ca(OH)2不斷地擴散到玻璃體表面，發生化學吸附和侵蝕，併產生含水硅酸鈣和含水鋁酸鈣。

mCa(OH)2+SiO2+(n-m)H2O→2OmCa(OH)2+Al2O3+(n-m)H2O→2O所形成的水化硅酸鈣和水化鋁酸鈣膠體包裹在玻璃體顆粒表面，但隨着反應的不斷深入，凝膠層逐漸加厚，使玻璃體進一步水化受到抑制，反應速度減慢，導致粉煤灰顆粒水化需要很長的時間。

當上述反應有二水石膏存在時，水化反應結果還可產生水化硫鋁酸鈣。

2O+CaSO4.2H2O→4(n+2)H2O水化硅酸鈣、水化鋁酸鈣、水化硫鋁酸鈣都是水硬性化合物，可在粉煤灰顆粒表面形成膠質狀的結晶體。因此，可以初步認為Ca(OH)2和CaSO4在某種程度上能夠激發粉煤灰的活性，使粉煤灰的初期水化能力增強，呈現水硬活性。

由於粉煤灰中含有一定量的f-CaO、SO3、MgO等成份，它們在粉煤灰水化過程中體積產生膨脹，在噴粉樁深層攪拌這一特定條件下，可利用這一膨脹率來增加軟基加固效果。當然，這些成份含量不宜過高，否則會使樁基發生膨脹而遭致破壞。

3.2　離子交換與土微粒的凝聚作用粉煤灰與軟土拌和後，水化產生Ca(OH)2，Ca(OH)2也可以Ca2+、OH-的形式存在，並與土微粒表面帶有Na+、K+等陽離子進行當量吸附交換，使土粒間的結合力增強，較小的土顆粒形成較大的土團粒結構，從而改變了土的工程性質。

在粉煤灰加固土的形成過程中，粉煤灰的水化與土粒對Ca2+、OH-的吸附是同時進行的，由於離子交換，將降低粉煤灰土孔隙水Ca2+、OH-的濃度，使粉煤灰土孔隙中Ca(OH)2處於不飽和狀態，導致粉煤灰水化生成物凝膠體減少，即包裹粉煤灰玻璃體的凝膠層減薄，使粉煤灰玻璃體早期得已進一步水化。

粉煤灰加固土中對強度貢獻最大的是水化生成物CSH系或CAH系等，當土質對Ca2+、OH-的吸收量較大或粉煤灰摻入量較小時，粉煤灰土孔隙水中Ca(OH)2可能不飽和，由於粉煤灰中各種氧化物的含量是一定的，當土質對Ca2+、OH-的吸附能力較強時，將使CSH等水化生成物的量減少，進而導致粉煤灰加固土的強度降低。因此土質對Ca2+、OH-的吸收量或粉煤灰中CaO含量的不同，將使粉煤灰加固土中CSH等水化生成物量的不同，導致粉煤灰加固土強度產生差異。即不同品種的粉煤灰或土質的不同，將使粉煤灰加固土的強度不同。

3.3　固結反應上述離子吸附和交換後，隨着粉煤灰水化反應的不斷深入和齡期的增長，逐漸形成複雜的化合物，這些結晶體主要是硅酸鈣水化物CSH系，鋁酸鈣水化物CAS系及鈣鋁黃長石水化物等。這些新生成的化合物在水中或空氣中逐漸硬化，與土顆粒粘結在一起，結晶體與土顆粒交錯形成網狀結構，改善了土的物理性質，增加了粉煤灰的強度，發揮了固化劑的作用。由於粉煤灰加固土的結構比較緻密，水份不易侵入，從而使粉煤灰加固土具有良好的水穩性和連續性，形成具有一定強度的拌和樁體。

4、現場粉噴樁試驗試驗中粉噴樁設計樁徑0郾5m，樁長依次為7m、9m、11m，粉煤灰摻入量為26%，表3是單樁質量檢測成果，粉煤灰樁測試曲線規則，平均波速高，在2133～2900m/s之間，説明粉煤灰噴粉樁樁身相對均勻，樁身強度高。

對粉煤灰噴粉樁樁身不同土層鑽取芯樣20塊，樁身最大抗壓強度為13郾8MPa，最小為1郾46MPa，均值為7郾17MPa，均方差為3郾56MPa，離散係數為0郾50，樁長7m時，容許承載力為90KN，樁長11m時，容許承載力為125KN，容許荷載下沉降量均小於3mm。

5、結束語

通過以上對粉煤灰噴粉樁軟土地基加固機理的分析及現場試驗數據，證明利用粉煤灰進行噴粉樁軟土地基加固是切實可行的，對於變廢為利，降低工程成本等具有重要意義。