外摻劑

外摻劑可以通過提高固化土CH 飽和度提高固化土強度。水泥與軟土拌合後水泥水化形成的氫氧化鈣（CH）可能會被土樣吸收而導致固化土中CH 濃度欠飽和，使得形成水化矽酸鈣（C-S-H）的Ca2+和OH-減少，導致C-S-H 生成量降低，阻礙水泥固化土強度增長。

基本介紹

• 中文名：外摻劑
• 外文名：The additive agent
• 學科：土木工程
• 領域：建築
• 指標：強度
• 作用：增加固化土強度

簡介

將水泥與軟土均勻拌和使之硬化成具有足夠強度的固化土是套用最廣的軟土加固技術之一。對於某些軟土採用水泥固化的效果很差，採用同量水泥加固物理性質相近的土樣固化土強度可相差很大。由於土樣中pH 值和陽離子交換容量（CEC）等因素的作用，土樣對水泥水化產生的氫氧化鈣（CH）的吸收可能會使固化土中CH 濃度處於不飽和狀態；在此情況下，土對CH 的進一步吸收將消耗本套用於產生水化矽酸鈣凝膠（C-S-H）的Ca2+、OH-，從而降低了固化土中C-S-H 的生成量，導致固化土強度降低；提高固化土中CH 飽和度，可提高C-S-H 生成量，進而提高固化土強度。基於上述觀點，本研究依據水泥化學和無機化學知識選擇理論上可提高固化土中CH飽和度（SI）的部分外摻劑，研究其對固化土強度的影響。

試驗材料與方法

採用粒徑為0.1～0.074 mm 的粉砂土（FT）、北京化工二廠生產的高嶺土（GT）和Na 質蒙脫土（NT）按表1 所示的比例配製成物理性質相近而CEC不同的NT 系列土樣NT1～NT5，在GT 中分別摻加7.5 mol/kg 和9 mol/kg的分析純硝酸及25，30，45 mol/kg 的分析純氨水，攪拌均勻，成為pH值不同的GT系列土樣 GT1～GT6，沒有摻加化學試劑的純高嶺土（GT）稱為土樣GT4， 4 種天然土樣取自北京（BT）、天津(TT1 和TT2)、武漢（WT），其中土樣BT 與TT2、土樣WT 與 TT1 的物理性質較為接近，但它們的CEC、pH 值等影響固化土SI 的因素各不相同。

固化劑為北京水泥廠產京都牌32.5普通矽酸鹽水泥；外摻劑為北京益利精細化學用品有限公司產分析純NaOH（NH）、Mg(OH)2(MH)、Ca(OH)2(CH) 、Na2CO3(NC)、K2CO3(KC)。固化土製備及養護方法如下：

①將定量土樣放入攪拌鍋中，用SJ-160 靜漿攪拌機低速攪拌1 min 後停止；

②按試驗設計放入定量固化劑和外摻劑及適量水（固化土水灰比為0.5），低速攪拌30 s 後高速攪拌1min；

③將鍋壁內側土樣刮入鍋內，高速攪拌1 min；

④將攪拌好的試樣等分3 層放入50 mm×50 mm×50mm 試模中，每層皆需振搗密實（由每層的質量和體積控制試塊密實度）；

⑤試件成型1 d 後拆模，拆模試樣放入標準養護箱（20℃，濕度為95%）中養護。按公路土工試驗規程（JTJ051—93）測定固化土強度；按土工試驗方法標準(GB/T50123—1999)測土樣物理化學指標。

試驗方案

用適量水泥分別與pH 值不同的GT 系列土樣和CEC 值不同的NT 系列土樣製備成SI 不同的固化土試樣；在這些固化土試樣中摻加不同的外摻劑，考察外摻劑對固化土抗壓強度的作用。並採用天然土樣BT與TT2、土樣TT1 與WT 進行驗證。

固化土中CH 飽和度SI=log（Q/Ksp），Ksp 為CH 的溶度積常數，Q=[Ca2+]×[OH-]2[10]，為CH 的反應商，表明了CH 濃度的變化情況，由溶度積規則可知：當Q≥Ksp 時，CH 達到飽和，SI≥0；Q<Ksp 時，CH 未飽和，SI<0。

外摻劑NH，CH，MH 作為強及中強鹼，可直接增加固化土中OH-及Ca2+濃度；強鹼弱酸鹽NC 和KC水解後可使OH-濃度增加；這都可使Q 增加，進而增大SI。

在GT 系列土樣中均摻加12%的水泥摻量、並分別摻加0～8%的CH、KC、NH、NC、MH 等外摻劑（令外摻劑摻量為CW，為土樣的質量百分比。外摻劑以1%摻量依次遞增，下同），令形成的固化土為GS1～GS6；在土樣NT1～NT5 中均摻加15%的水泥摻量、並分別摻加0～7%的CH、 NH、MH、NC 等外摻劑，令形成的固化土為NS1～NS5；天然土樣BT 與TT2、WT 與TT1 同時摻加水泥和外摻劑CH、NH、NC形成的固化土為BS 和TS1、WS 和TS2。考察GS 和NS 系列固化土的30 d 齡期抗壓強度(qu)；BS、TS1、WS 和TS2 的90 d 齡期qu 及部分固化土試件的SI。

試驗結果與分析

在同樣水泥摻量下，pH 值為7.2 的GT3 的固化土的SI=-0.09，表明GS3 尚處於CH 不飽和狀態，而pH 值為8.9 的GT4 的固化土的SI=0.06，表明GS4 中CH 已飽和；顯然土樣原始pH 值低於GT3的土樣GT1、GT2 的固化土中也都處於CH 不飽和狀態；且土樣的pH 值越低，固化土SI 也越低。而土樣原始pH 值高於GT4 的土樣GT5、GT6 的固化土中也都處於CH 飽和狀態。qu 隨土樣pH 值（即隨固化土SI）的提高而提高，但當固化土CH 飽和之後，qu 則不再隨土樣pH 值（即固化土SI）的提高而增長。

對於CH 已經飽和的GS4～GS6，增加CH 並不能提高qu；而對CH 尚未飽和的GS1～GS3，隨著CH 摻量的增加，qu 相應提高，但當CH摻量提高到一定程度後，進一步增加CH 摻量，qu 不再提高，且最終各固化土強度基本一致；土樣pH 值越低，達到qu 不再提高的CH 摻量相應越高。qu 不再隨CH摻量增加所對應CH摻量應該就是使固化土CH達到飽和的摻量。

土與水泥拌合後，水泥水化生成CH 和C-S-H，前者對固化土強度沒有直接影響，而後者是固化土強度的主要貢獻者，C-S-H按下式生成[2]：Ca2+ (aq.) + xHSiO− (aq.) + OH− (aq.)↔2 2 xCaO⋅SiO ⋅H O，顯然 Ca2+，OH-離子濃度決定了C-S-H 生成量。當固化土中CH 不飽和時，土樣對CH的進一步吸收將消耗本套用於生成C-S-H 的Ca2+和OH-，導致C-S-H 生成量減少。

上述試驗現象表明：土樣pH 值影響固化土CH 飽和度，進而影響固化土強度。固化土中CH 不飽和時，固化土中CH 飽和度決定C-S-H 的生成量，進而決定固化土強度；固化土CH 飽和後C-S-H可以足量生成，而CH 本身對固化土強度沒有直接貢獻，因此，進一步增加CH、進一步提高固化土CH飽和度，並不能增加固化土強度。

與摻加CH 的結果類似：對於CH已經飽和的GS4～GS6，增加KC、NH、MH、NC，並不能進一步提高qu；而對於CH 尚未飽和的GS1～GS3，隨著KC、NH、MH、NC 摻量的增加，qu 相應提高，但KC、NH、MH、NC 摻量提高到一定程度後，進一步增加其摻量qu 不再提高；土樣pH 值越低，達到qu 不再提高的外摻劑摻量相應越高。在CH 和不同外摻劑作用下得到的固化土最終強度基本一致。根據這些試驗現象可以推斷：NH、CH、NC、KC、MH 可以提高固化土SI，通過提高SI 來增加C-S-H 生成量，進而提高qu。

對於NT 系列土樣，由CEC 最小的土樣NT5 製成的固化土強度最高，隨著土樣CEC 的增加，相應的固化土強度隨之降低；除NS5 中CH 已飽和外，其它各試件中均未達到CH 飽和狀態，且隨著土樣CEC 的增加相應的固化土中SI 下降。可見：NS 系列固化土中，NT5 在摻加15%水泥後再摻加CH，qu 基本沒有變化；而其它各土樣在摻加15%水泥的基礎上，隨著CH 摻量的增加，qu 相應提高，但當CH 摻量達到某一值後，進一步加入CH，qu 則不再提高；且最終各固化土強度基本一致。隨著土樣CEC 的增加，使qu 不再增加的CH 摻量也相應增加。

上述試驗結果說明：土樣CEC 的增加降低了固化土的SI，進而降低C-S-H 生成量，導致qu 降低。如前所述：隨著CH 的加入，固化土中SI 提高，水泥水化產生的C-S-H 生成量相應提高，導致qu 提高；當固化土中達到CH 飽和後，水泥水化產生的C-S-H 可以足量生成，qu 達到最大值；由於CH 對qu 沒有直接貢獻，此後，進一步增加CH，qu 不再增高；土樣CEC越高，導致固化土SI 越低，因此，抵消CEC 作用需要的CH 也越高。

與摻加CH 的結果類似：對於CH尚未飽和的NS1～NS4，隨著NH、MH、NC 摻量的增加，qu 相應提高，但摻量提高到一定程度後，進一步增加NH、MH、NC 的摻量，qu 不再提高，且最終各固化土強度基本一致；土樣CEC 值越大，達到qu 不再提高的外摻劑摻量相應越高。這些試驗現象說明：CH、NH、MH、NC 可以提高固化土的SI，通過提高SI 來提高C-S-H 生成量，進而提高qu。

上述對人工配製的土樣的試驗研究，分別討論了因pH 或CEC 造成的固化土CH 不飽和時，外摻劑對qu 的增強作用。天然土中的實際情況較為複雜，天然土樣中同時存在pH 和CEC 以及其它因素的共同影響。

在10%水泥摻量下，BS 和TS2 都沒有達到CH 飽和狀態，TS2 的SI 比BS 的更低，相應的TS2 的qu 也比BS 的低；與之類似，在12%水泥摻量下，WS 和TS1 也都沒有達到CH 飽和狀態；TS1的SI 比WS 的更低，相應的TS1 的qu 也比WS 的低。

隨著CH、NH、NC等摻量的增加，qu 相應提高，但摻量提高到一定程度後，進一步增加摻量，qu 不再提高；土樣SI 越低，達到qu 不再提高的外摻劑摻量相應越高。這些試驗現象說明：對於天然土中的各種原因造成的固化土CH 不飽和，摻加CH、NH、NC 都可以提高固化土的SI，進而提高qu。

總結

當水泥摻量一定時，固化土CH 可能不飽和，在情況下，水泥水化不能產生足量的C-S-H，導致固化土強度降低。本研究結果表明：無論是因為土樣的pH 還是CEC 或是pH、CEC 等多種因素造成的固化土中CH 不飽和，採用CH、NH、MH、NC、KC 作為外摻劑，可以提高固化土CH 飽和度，進而提高C-S-H 生成量、提高固化土強度。