无机结合料强度形成原理解析

在土中掺入适量的石灰或水泥，在最佳含水量下拌和均匀并压实，使无机结合料与土发生一系列的物理、化学作用而逐渐形成强度。石灰与土之间的物理与化学作用大致可分为四个方面：离子交换作用、结晶作用、碳酸化作用和火山灰作用。水泥与土之间产生的物理与化学作用也可分为四个方面：硬凝作用、离子交换作用、化学激发作用、碳酸化作用。

1.石灰稳定土强度形成原理

（1）离子交换作用。土的微小颗粒具有一定的胶体性质，一般都带有负电荷，表面吸附着一定数量的钠、氢、钾等低价阳离子（Na+、H+、K+）。石灰是一种强电解质，在土中加入石灰和水后，石灰在溶液中电离出来的钙离子（Ca+）就与土中的钠、氢、钾离子产生离子交换作用，原来的钠（钾）土变成钙土，土颗粒表面所吸附的离子由一价变成二价，减小了土颗粒表面吸附水膜的厚度，使土粒相互之间更为接近，分子引力随着增加，单个土粒聚成小团粒，组成一个稳定结构。通过离子交换作用，使土粒凝聚而增强了黏聚力，提高了土的水稳性。它在初期发展迅速，使土的塑性降低，最佳含水量增加和最大密度减小。

（2）结晶作用。熟石灰掺入土中，由于水分较少，只有少部分离解与土进行离子交换作用，绝大部分饱和的Ca(OH)2在灰土中自行结晶。熟石灰与水作用生成熟石灰结晶网格，其化学反应式为

由于结晶作用，把土粒胶结成整体，使石灰土的整体强度得到提高。

（3）火山灰作用。熟石灰的游离Ca2＋与土中的活性氧化硅SiO2和氧化铝Al2O3作用生成含水的硅酸钙和含水的铝酸钙，它们在水分作用下能够逐渐硬结，其反应式为

上述所形成的熟石灰结晶网格和硅酸钙、含水的铝酸结晶都是胶凝物质，具有水硬性并能在固体和水两种环境下发生硬化反应。这些胶凝物质在土微粒团外围形成一层稳定保护膜，填充颗粒空隙，使颗粒间产生结合料，减少了颗粒间的空隙与透水性，同时提高密实度，这是石灰土获得强度和水稳定性的基本原因，但这种作用比较缓慢。

（4）碳酸化作用。灰土中的Ca(OH)2与空气中的CO2作用，生成CaO3结晶，其化学反应式为

CaCO3是坚硬的结晶体，它与其生成的复杂盐类把土粒胶结起来，从而大大提高了土的强度和整体性。结晶作用和碳酸化作用使石灰土的后期整体性、强度和稳定性得到提高。

由于石灰与土发生了一系列的相互作用，从而使土的性质发生根本的改变。在初期，主要表现为土的结团、塑性降低、最佳含水量增大和最大密实度减小等，后要表现为结晶结构的形成，从而提高其整体性、强度和稳定性。

2.水泥稳定土强度形成原理

在利用水泥来稳定土的过程中，水泥、土和水之间发生了多种非常复杂的作用，从而使土的性能发生了明显的变化。这些作用如下：

① 化学作用：如水泥颗粒的水化、硬化作用，有机物的聚合作用，以及水泥水化产物与黏土矿物之间的化学作用等。

② 物理化学作用：如黏土颗粒与水泥及水泥水化产生物之间的吸附作用，微粒的凝聚作用，水及水化产物的扩散、渗透作用，水化产物的溶解、结晶作用等。

③ 物理作用：如土块的机械粉碎作用，混合料的拌和、压实作用等。

现就其中的一些主要作用过程介绍如下：

（1）硬凝反应。

硬凝反应也是水泥的水化反应。在水泥稳定土中，首先发生的是水泥自身的水化反应，从而产生具有胶结能力的水化产物，这是水泥稳定土强度的主要来源。水泥的水化过程前面章节已详细讲述过了。(www.xing528.com)

水泥水化生成的水化产物，在土的孔隙中相互交织搭接，将土颗粒包覆连接起来，使土逐渐丧失了原有的塑性等性质，并且随着水化产物的增加，混合料也逐渐坚固起来。但水泥稳定土中水泥的水化与水泥混凝土中水泥的水化之间还有所不同。这是因为：

① 土具有非常高的比表面积和亲水性；

② 水泥稳定土中的水泥含量少；

③ 土对水泥的水化产物具有强烈的吸附性；

④ 在一些土中常存在酸性介质环境。

由于这些特点，在水泥稳定土中，水泥的水化硬化条件较混凝土中差得多。特别是由于黏土矿物对水化产物中的Ca(OH)2具有极强的吸附和吸收作用，使溶液中的碱度降低，从而影响了水泥水化产物的稳定性；水化硅酸钙中C/S会逐渐降低析出Ca(OH)2，从而使水化产物的结构和性能发生变化，进而影响到混合料的性能。因此在选用水泥时，在其他条件相同情况下，应优先选用硅酸盐水泥，必要时还应对水泥稳定土进行“补钙”，以提高混合料中的碱度。

（2）离子交换作用。

土中的黏土颗粒由于颗粒细小、比表面积大，因而具有较高的活性。当黏土颗粒与水接触时，黏土颗粒表面通常带有一定量的负电荷，在黏土颗粒周围形成一个电场，这层带负电荷的离子就称为电位离子。带负电的黏土颗粒表面，吸引周围溶液中的正离子，如K＋、Na＋等，而在颗粒表面形成了一个双电层结构，这些与电位离子电荷相反的离子就称为反离子。在双电层中电位离子形成了内层，反离子形成外层。靠近颗粒的反离子与颗粒表面结合较紧密，当黏土颗粒运动时，结合较紧密的反离子将随颗粒一起运动，而其他反离子将不产生运动。由此在运动与不运动的反离子之间便出现了一个滑移面。

由于在黏土颗粒表面存在着电场，因此也存在着电位，颗粒表面电位离子形成的电位称为热力学电位φ，滑动面上的电位称为电动电位ξ。由于反离子的存在，离开颗粒表面越远电位越低，经过一定的距离电位将降低为零，此距离称为双电层厚度。由于各个黏土颗粒表面都具有相同的双电层结构，因此黏土颗粒之间往往间隔着一定的距离。

在硅酸盐水泥中，硅酸三钙和硅酸二钙占主要部分，其水化后所生成的氢氧化钙所占的比例也较高，可达水化产物的25%。大量的氢氧化钙溶于水以后，在土中形成了一个富含Ca2+的碱性环境。当溶液中富含Ca2+时，因为Ca2+的电价高于Na+、K+等离子，因此与电位离子的吸引力较强，从而取代了Na+、K+，成为反离子；同时Ca2+的双电层电位的降低速度加快，因而使电动电位减小、双电层的厚度降低，使黏土颗粒之间的距离减小，相互靠拢，导致土的凝聚，从而改变土的塑性，使土具有一定的强度和稳定度。这种作用就称为离子交换作用。

（3）化学激发作用。

钙离子的存大不仅影响到了黏土颗粒表面双电层的结构，而且在这种碱性溶液环境下，土本身的化学性质也将发生变化。

土的矿物组成基本上都属于硅铝酸盐，其中含有大量的硅氧四面体和铝氧八面体。在通常情况下，这些矿物具有比较高的稳定性，但当黏土颗粒周围介质的pH增加到一定程度时，黏土矿物中的部分SiO2和Al2O3活性将被激发出来，与溶液中的Ca2＋进行反应，生成新的矿物，这些矿物主要是硅酸钙和铝酸钙系列。这些矿物的组成和结构与水泥的水化产物都有很多类似之外，并且同样具有胶凝能力。生成的这些胶结物质包裹着黏土颗粒表面，与水泥的水化产物一起，将黏土颗粒凝结成一个整体。因此，氢氧化钙对黏土矿物的激发作用，将进一步提高水泥稳定土的强度和水稳定性。

（4）碳酸化作用。

水泥水化生成的Ca(OH)2，除了可与黏土矿物发生化学反应外，还可进一步与空气中的CO2发生碳化反应并生成碳酸钙晶体。其反应式见式（8.5）。

碳酸钙生成过程中产生体积膨胀，也可以对土的基体起到填充和加固作用；只是这种作用相对来讲比较弱，并且反应过程缓慢。