为什么水泥土搅拌桩在软土中“不像样”

软土地区水泥土搅拌桩“不像样”，是一个难题，也是大家担忧其施工质量的一个主要原因。我想，“不像样”主要是由于材料（固化剂）和工艺（机械、现场操作）所导致的。

（1）水泥土搅拌法的微观作用机理

水泥土搅拌法是将水泥固化剂通过搅拌机械在地基深处就地将其与软土强制搅拌，通过的一系列物理-化学反应，作用机理分解为：一是水泥的水解和水化反应。即水泥颗粒表面的钙化物和水发生水解和水化反应，生成的Ca(OH)2、CaSiO4等迅速溶于水中，水溶液达到饱和后新生成物以细分散状态的胶体析出并悬浮于溶液中形成胶体；另外，水泥中占比很小的（约3%）的硫酸钙，可与铝酸三钙一起与水反应，生成一种被称为“水泥杆菌”的化合物，可迅速反应并把大量的自由水以结晶水的形式固定下来，这对于含水量高的软土的强度增长很有意义，但硫酸钙的掺量不能太多，否则这种水泥杆菌针状结晶会使水泥发生膨胀而遭到破坏；二是土颗粒与水泥水化物的作用。有的水化物继续硬化形成水泥石骨架，有的则与其周围活性粘土颗粒发生离子交换团粒化作用和硬凝反应，胶体的凝胶粒子比表面积约比水泥颗粒大1000倍，产生很强的表面能，有强烈的吸附活性，能使较大的土团粒进一步结合形成水泥土的团粒结构，并封闭各土团的空隙，形成坚固的联结，从宏观来看也就使水泥土的强度得到较大提高；而随着水泥水化反应的深入，溶液中析出大量Ca2+，当其数量超过离子交换的需求量后，在碱性环境下，能与组成黏土矿物的的SiO2、Al2O3的一部分或大部分进行化学反应，逐渐生成不溶于水的稳定结晶化合物，增大水泥土的强度；据微观观察，拌入水泥7d后土颗粒周围充满水泥凝胶体，并有少量水泥水化物结晶的萌芽，一个月后水泥土中生成大量纤维状结晶，并不断延伸充填到颗粒间的空隙中，形成网状构造，到五个月时，纤维状结晶辐射向外伸展，产生分叉，并相互连接形成空间网状结构，水泥的形状和土颗粒的形状已不能分辨出来；三是碳酸化作用。水化物中游离的Ca(OH)2能吸收水和空气中的CO2发生碳酸化反应，生成不溶于水的碳酸钙，从而增加水泥土强度，但增长的速度较慢，幅度也较小。

上述反应使软土硬结成具有整体性、水稳定性和一定强度的水泥加固土，从而提高地基强度、增大变形模量和降低渗透系数。由于搅拌机械的切削搅拌作用实际上不可避免地会留下未被粉碎的大小土团，在拌入水泥后将出现水泥浆包裹土团的现象，而土团间的大孔隙基本上已被水泥颗粒填满，会形成水泥较多的微区和无水泥的大小土团。经过很长时间后，土团内的土颗粒在水泥水解产物渗透作用下，逐渐改变其性质。因此，在水泥土中会产生强度较大和水稳定性较好的水泥石区和强度较低的土块区，两者在空间上相互交替，从而形成一种独特的水泥土结构。可见，搅拌越充分，土块被粉碎得越小，水泥分布到土中越均匀，则水泥土结构强度的离散性越小，其宏观的总体强度也越高。

综上，水泥土强度增长的基本原理是基于水泥和软土间的物理-化学反应，不仅存在水泥的水化硬化，而且伴随着土体与水泥水化物的相互作用。水泥土强度的构成主要为土的固有结构、物理改良、水泥硬化、硬凝反应。其中水泥硬化对强度的贡献最大。有研究认为，水泥与粘土拌和后，水化产生Ca(OH)2和CSH等水化物，Ca(OH)2随即被土质吸收。如果水泥土孔隙水仍处于Ca(OH)2过饱和状态，则CSH等水泥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人的活性材料便得以与进行充分的硬凝反应，生成CSH等水化物。在这种情况下，水泥土可得到较高的强度。如若水泥土孔隙水已不再为Ca(OH)2所饱和，则土质将继续吸收生成CSH所需的Ca2+、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，因此导致水泥土强度低下。

（2）软土固化剂的应用

软土固化技术，如深层搅拌法、旋喷法、粉喷法等，是基本建设工程中应用极其广泛、经济效益和社会效益很高的一类软土处理技术。目前广泛使用的固化剂是水泥，水泥的水化物中有70%左右的水化硅酸钙、20%左右的氢氧化钙以及少量的其他成分。作为混凝土的胶凝材料用于胶结密实、惰性的石子和砂子，水泥无疑是理想的胶凝材料。但是，对于软土固化，由于软土的材料特性、固化土的水化硬化环境等情况与混凝土相差很远，水泥并不是理想的固化剂。事实上，水泥的水化物组成对于软土固化而言是不充分的，使用水泥固化软土难以形成密实坚固的固化土结构。因此，有必要研究将松散多孔的软土结构转化为密实坚硬的固化土结构所需要的水化物组成、数量和组合，需要构筑用于软土固化的胶凝材料的水化物体系。

使用等量的水泥，不论使用哪里的砂石都可以制备出基本相同强度的混凝土。与制备混凝土不同，采用等量的水泥加固不同场地的软土，即使拟加固土的物理力学性质相似，固化土强度可相差几倍，在有些土中，单用水泥作为固化剂，则得不到满意的强度或失去了其技术经济效益。因此，有必要建立根据拟加固土的性质、对固化土的功能要求、设计制备固化剂的方法。

使用水泥加固黏性土，水泥水化生成的胶凝性水化物主要起胶结土颗(团)粒和填充土颗(团)粒间孔隙的作用，不能有效地填充土团粒内部的孔隙，有碍固化土抗压强度的进一步增长。如果在固化剂中含有部分膨胀组分，膨胀组分水化生成的膨胀性水化物能挤压、填充黏土团粒内部孔隙，使得固化土整体的密实程度提高，可有效的提高固化土抗压强度。

此外，很多种类的工业废渣都有可能用于软土固化，利用工业废渣制备固化剂不仅仅是可以降低固化剂的成本、有利于环境保护，在很多场合可以取得比单纯用水泥更好的技术效果。在混凝土中，原来利用粉煤灰、矿渣等工业废渣仅仅是为了降低造价，当人们对混凝土强度增长的原理有了进一步的认识、对这些废渣的性质有了深入的了解之后，这些废渣便成为了制备高性能混凝土不可缺少的重要资源。

研究表明，用水泥加废石膏作为固化剂，废石膏与水泥水化生成的水化铝酸钙(CAH)反应生成膨胀性水化物钙矾石。采用这种固化剂加固某些软土，可以显著地提高固化土抗压强度，然而，加固另一些软土，其强度反而比水泥加固时低。其原因尚不清楚，这影响含膨胀组分的固化剂的应用。

黏性土固化土结构的形成是通过胶结性水化物包裹胶结土团粒、胶结性水化物或膨胀性水化物填充土团粒间孔隙、膨胀性水化物挤压填充土团粒内孔隙而形成。此外，硬凝反应可提高土团粒内黏土颗粒间的连接强度对固化土强度也有相当的贡献。因此，加固黏性土的固化剂的水化物则应该含有胶结性水化物、膨胀性水化物，同时应该提供足够碱度以保证胶结性水化物CSH的正常生成和硬凝反应顺利进行所必须的固化土Ca(OH)₂饱和环境。

然而，不同场地的拟加固土的物理性质和化学性质指标可相差很远，固化剂的应用效果也有很大差异。例如，用水泥加废石膏作为固化剂，废石膏与水泥水化生成的水化铝酸钙(CAH)反应生成膨胀性水化物钙矾石。采用这种固化剂加固某些软土，可以显著地提高固化土抗压强度，然而，加固另一些软土，其强度反而比水泥加固时低。因此，为了获得最佳的固化效果，固化剂的组成也要相应的调整。为了便于工程应用，有必要建立根据工程中常用的土的物理性质和化学性质指标进行固化剂组成设计的方法。

（3）搅拌工艺

自国外引进的水泥土搅拌桩以来，搅拌技术大都是采用单向搅拌，存在冒浆、搅拌不均匀、水泥土强度低的顽疾，且桩身芯样采取率离散性大，桩身质量可靠性低。

2004年，刘松玉等人研究出双向水泥土搅拌桩成桩技术，通过钻杆上正反向旋转的叶片搅拌土体的同时进行喷浆使水泥浆能够与土体充分结合，从而提高水泥土桩的质量。水泥土搅拌桩发展史和双向搅拌工艺

（4）总结

各要素与水泥土强度（抗渗性）的相关性汇总如下：

#	构成要素	相关性	备注
微观作用机理	固有结构	正相关	水泥硬化作用对强度的提高的贡献最大；硬凝作用持续时间长，且需要一个好的碱性环境；水泥土强度有一个很大的增长时间和空间。
	物理改良	正相关
	水泥硬化	正相关
	硬凝反应	正相关
固化剂		复杂	对于软土固化，由于软土的材料特性、固化土的水化硬化环境等情况与混凝土相差很远，水泥并不是理想的固化剂。事实上，水泥的水化物组成对于软土固化而言是不充分的，使用水泥固化软土难以形成密实坚固的固化土结构。
水泥掺入比		正相关	掺量＜5%时，作用很小；一般要求大于7%。试验表明，当外力达到极限强度时，对于强度大于2MPa的水泥土很快出现脆性破坏，破坏后残余强度很小，此时的轴向应变约为（0.8～1.2）%；对强度小于2MPa的水泥土则表现为塑性破坏。
龄期		正相关	目前，对于承受竖向荷载的，采用90d龄期强度，对于基坑等支挡构件，采用28d龄期强度。一般情况下，28d龄期强度为90d龄期强度的60%~70%。对于普通硅酸盐水泥，5年后强度为90d龄期强度的1.3倍。
土样含水量		负相关
水泥标号		正相关
土样中有机质含量		负相关
外掺剂		复杂	跟掺量、加固土性质等有关。
拟加固土类		正相关
养护方法		影响较小
提升速度与旋转速度	搅拌时间（次数）	复杂	开始，随着搅拌时间（次数）的增加，水泥土强度提交较快，但到一定程度后，随着搅拌时间（次数）的增加，水泥土强度增加变缓，甚至出现强度降低的情况。一般情况，每米桩的搅拌时间应控制在1 min左右，搅拌次数应控制为50～100次/min。
搅拌方式	钻头叶片布置、喷浆口位置、喷浆形式等	复杂	大都优于传统单向搅拌，提高了水泥土搅拌桩成桩质量。
施工质量		正相关，人为因素影响大	施工质量是水泥土桩强度折减系数的重要考虑因素。