□□ 石建军，唐瑞兆2，赵旭东

(1.中铁七局集团第三工程有限公司，陕西 西安 710000；2.东北大学 资源与土木工程学院，辽宁 沈阳 110819)

引言

盐渍土是一种较为特殊的土体，是指内部含有的盐分超过0.3%的土体[1]。盐渍土在我国的许多省、市或地区都有分布，如甘肃、内蒙古、青海、新疆、吉林等地。因为土体内盐分的存在，导致含有盐渍土的路基对水较为敏感，容易发生盐胀、融陷、翻浆等病害[2-3]。

为了保证路基在使用过程中的稳定性和耐久性，必须对含盐渍土路基进行改良。申晓明等[4]人通过在盐渍土路基中掺入水泥和粉煤灰提高了盐渍土路基的强度；于新等[5]对含氯盐渍土路基进行了研究，通过采用水泥、石灰对其进行改良，发现固化后盐渍土路基的强度提高；此外，还有人采用水泥/石灰[6]、改性水玻璃[7]、碱激发矿渣[8]等材料对盐渍土路基进行了改良，并取得了一定的效果。硅微粉是一种石英微粉，此次试验将水泥、硅微粉加入盐渍土，对其作用机理进行研究与分析，从而为其进一步应用奠定基础。

1 水泥固化盐渍土机理

水泥作为一种具有水硬性的无机胶凝材料，与水搅拌变成浆体，通过一系列反应把砂、石等建筑材料牢固地胶结在一起。水泥硬化后强度很高，在建筑、水利及国防等领域都有很广泛的应用。水泥种类很多，具体以硅酸盐水泥、铝酸盐水泥、硫铝酸盐水泥及铁铝酸盐水泥等较为常见，硅酸盐类水泥在工程试验和施工领域最为常用，主要原料为石灰石和黏土，经过配比和磨细后形成生料，将生料经过水泥窑煅烧形成熟料，后加入石膏、混合材料等制成水泥，CaO、SiO2、Fe2O3、Al2O3等为硅酸盐类水泥的主要化学成分。

水泥与土混合的过程中，会在水泥、土和水之间发生一系列的化学反应。水泥自身的凝结硬化作用、水泥水化产物与土之间的物理化学作用使土的性能发生了明显变化。

1.1 水泥自身的凝结硬化

水泥中各主要矿物水化反应如下：

(1)硅酸三钙(3CaO·SiO2)：水泥中含量为40%～45%，生成对强度影响较大的3CaO·2SiO2·3H2O。其与水的反应式为：

2(3CaO·SiO2)+6H2O→3CaO·2SiO2·3H2O+3Ca(OH)2

(2)硅酸二钙(2CaO·SiO2)：水泥中含量为30%～35%，水化后也生成了3CaO·2SiO2·3H2O。其与水的反应式为：

2(2CaO·SiO2)+4H2O→3CaO·2SiO2·3H2O+Ca(OH)2

(3)铝酸三钙(3CaO·Al2O3)：水泥中含量约6%，会使水化产物较快凝结。其与水的反应式为：

3CaO·Al2O3+6H2O→3CaO·Al2O3·6H2O

(4)铁铝酸四钙(4CaO·Al2O3·Fe2O3)：水泥中含量约10%，提升早期强度。其与水反应式为：

4CaO·Al2O3·Fe2O3+2Ca(OH)2+10H2O→
3CaO·Al2O3·6H2O+3CaO·Fe2O3·6H2O

(5)硫酸钙(CaSO4)：水泥中含量只有4%，但是与铝酸三钙发生反应，生成水泥杆菌，化学反应式为：

3CaSO4+3CaO·Al2O3+32H2O→
3CaO·Al2O3·3CaSO4·32H2O

使用水泥对土进行改良时，一方面水泥掺量较少，另外土中水分较少，水泥的水化反应、凝结速度都会较大幅度减慢。当水泥掺量较少时，水泥水化产物较少，在土中分布较分散，水泥掺量增加时，水化产物逐渐增多，在土中均匀分布形成连续的骨架体系，从而使改良土的强度增大。

1.2 水泥水化产物与土的作用

水泥在土中生成水化产物之后，一部分水化产物硬化形成强度较高的水泥石。另一部分水化产物，如Ca(OH)2等，进一步与土发生反应，该反应主要包括：

(1)离子交换及团粒化作用

水泥水化过程中产生大量的Ca2+，同时黏土颗粒表面双电层有K+、Na+等，水化反应时Ca2+与土中阳离子发生离子交换作用，导致黏土颗粒表面的双电层厚度减小，从而减小了相邻黏土颗粒的距离，黏土颗粒相互靠拢凝聚成团，土的塑性进一步改变，从而使土具有一定的强度和稳定性。

水泥通过水化反应生成大量比表面积很大的凝胶粒子，相对水泥颗粒增大了1 000倍，表面能很大，吸附性较强，土粒之间相互吸附凝结，颗粒之间形成团聚体，团聚体之间组成坚固的骨架联结结构，从而较大幅度地增强了水泥土的整体强度。

(2)凝结硬化反应

水泥在发生水化反应的过程中，产生数量较多的Ca2+，一部分Ca2+用于离子交换反应，由于水泥水化使整体环境碱性较强，在碱性环境下，其余的Ca2+与土中的SiO2和Al2O3发生化学反应，生成C-S、C-A等不溶于水的结晶化合物。随着水泥掺量的增加，不溶于水的结晶化合物逐渐增多，水泥土整体强度逐渐增大，其化学反应式为：

SiO2+Ca(OH)2+nH2O→CaO·SiO2·(n+1)H2O
Al2O3+Ca(OH)2+nH2O→CaO·Al2O3·(n+1)H2O

(3)碳化反应

综合上述情况，水泥土的初期强度主要依靠水泥的水化反应生成的C-S-H、C-A等物质，水化产物通过范德华力、氢键及表面能等粘结力，使土中的晶体和小颗粒粘聚在一起，由于普通土中主要存在的是范德华力，所以水泥土的强度高于盐渍土。随着水泥掺量的增加，水化产物增多，在土中均匀分布形成连续的骨架体系，使得整体改良土的强度增大。后期随着反应的进行，离子交换反应使颗粒之间粘结的愈发紧密，凝结硬化反应与碳化反应使骨架结构中生成更多不溶于水的结晶化合物，形成更加坚固的整体结构，所以水泥改良盐渍土的强度将不断增大。

2 硅微粉固化土机理

硅微粉是由天然石英(SiO2)或熔融石英(高温熔化后的天然石英、冷却后的非晶态SiO2)加工制作而成的微粉。硅微粉是一种无机非金属材料，无毒、无味、无污染。性能优良，耐温性好、耐酸碱腐蚀、膨胀低、化学性能稳定、硬度大，广泛应用于化工、电子、建筑、国防等领域。随着现代科学技术的迅速发展，硅微粉也将被更多专家学者应用到更多的领域。表1为硅微粉的主要成分及含量。

表1 硅微粉主要成分及含量

硅微粉颗粒极小，80%以上的颗粒<1 μm，平均粒径在0.1～0.3 μm，比表面积为20～28 m2/g。与水泥相比，硅微粉比表面积增加了80～100倍，与粉煤灰相比，硅微粉比表面积增加了50～70倍。

硅微粉性质非常特殊，是由于其在形成过程中发生相变时受到较大的表面张力，导致颗粒形态呈现为非结晶相无定形态的圆球状，大部分颗粒表面非常圆润光滑，有些则是多个圆球颗粒粘在一起的团聚体。硅微粉具有较大的比表面积和较高的活性。由于硅微粉的特殊物理性质，使其具有一定的“粉煤灰效应”，即形态效应、活性效应和微集料效应。

形态效应即由于其具有粒形完整，表面光滑，质地致密等特点，这些形态使其与混凝土等材料搅拌的时候，可以起到减水剂的作用，也能使混合土变得均质和致密。硅微粉的加入还能促进水泥水化反应的进行，对拌合物的初始结构以及硬化对产生的结晶都有很大影响。在硅微粉对盐渍土的固化作用中，这种效应会对盐渍土路基的改良加固起到至关重要的作用。

硅微粉具有活性效应是由于其活性很高，也被称作“火山灰效应”，主要原因是硅微粉中含有大量的SiO2，与水泥水化产生的Ca(OH)2等碱性物质在潮湿的情况下发生化学反应，产生C-S等胶凝类物质。这类胶凝物质在土中均匀分布，不断地吸收土中的水分，逐渐硬化，由于其具有吸附性，土颗粒与胶凝物质联结起来，形成强度更大的结构。由于胶凝类物质与土颗粒联结而成的膜状孔隙率很低，所以改良土的水稳定性也非常强。

微集料效应主要与硅微粉粒径大小有关。由于其粒径非常细小，在水泥土中未参与反应的微粒均匀地分布在水泥土中，填充在土体结构的内部孔隙，使改良土变的更加致密和均匀，较大幅度地增强了改良土的强度。

硅微粉的三种效应中，形态效应主要起物理作用，活性效应主要起化学作用，而微集料效应既起物理作用又起化学作用。三种效应相互关联，互为补充，共同提升固化土的结构强度和耐久性。

3 结语

水泥的水化产物与路基中盐渍土发生离子交换及团粒化作用、凝结硬化反应和碳化反应，从而使改良后的盐渍土强度得到提高。硅微粉具有“粉煤灰效应”，在盐渍土路基中可以发挥其形态效应、活性效应和微集料效应。各效应之间相互关联，可共同提升固化土的结构强度和耐久性。