水泥土攪拌法加固沖填土軟土地基的微觀試驗

黃 雨,周子舟,柏 炯,陳企奮

沖填土系由水力沖填泥砂形成的填土,在我國沿海地區(qū)常見;軟土一般指主要由細(xì)粒土組成的孔隙比大、天然含水量高、壓縮性高、強(qiáng)度低和具有靈敏結(jié)構(gòu)性的土層[1].土的微觀特性主要包括物質(zhì)成分與結(jié)構(gòu)特征兩個方面,前者是土的物質(zhì)基礎(chǔ),后者是土的存在形式,二者相結(jié)合,便能全面地描述土的特性.一些學(xué)者已經(jīng)從這兩個方面出發(fā),針對許多對象,包括粘土礦物、長石礦物、水泥等進(jìn)行了一系列細(xì)致的研究工作[2-4],重點集中在土體化學(xué)成分(礦物)組成的測定及其與宏觀力學(xué)性質(zhì)之間的關(guān)系上.土的物理微結(jié)構(gòu)研究工作自20 世紀(jì)80 年代中后期開始進(jìn)行,許多學(xué)者在這方面進(jìn)行了卓有成效的嘗試與探索[5-11],研究方法主要包括X 射線衍射(X-ray diffraction,XRD)、微觀結(jié)構(gòu)圖像處理以及分形理論等.

水泥土攪拌法一般是以水泥作為固化劑,利用水泥與軟土之間發(fā)生的一系列物理、物理化學(xué)、化學(xué)反應(yīng),使軟土硬結(jié)為具有一定強(qiáng)度和水穩(wěn)定性的水泥土的方法[12].水泥攪拌法加固土(簡稱加固土)的強(qiáng)度由水泥水化硬化的膠結(jié)作用、硬凝反應(yīng)、原狀土強(qiáng)度和土的物理改良等部分構(gòu)成.前兩者屬化學(xué)反應(yīng)的范疇,后兩者則為物理結(jié)構(gòu)的改變.這兩個方面的變化,使得加固土的微觀結(jié)構(gòu)與加固前原狀土相比有了本質(zhì)上的不同,致使加固土的物理力學(xué)特性相對原狀土有了極大的改變(主要表現(xiàn)在強(qiáng)度的提高和變形模量的增大).因此,從微觀角度探究水泥加固土的反應(yīng)機(jī)理及結(jié)構(gòu)特征是解釋其宏觀強(qiáng)度特性的有效方法和途徑.

迄今,國內(nèi)外學(xué)者在加固土的微觀結(jié)構(gòu)方面的研究比較有限.Tomac 等[6]主要運(yùn)用掃描電鏡(scanning electron microscope,SEM)方法,針對水泥土攪拌法處理的海邊自然沉積粘土宏觀強(qiáng)度的不同,根據(jù)其微觀結(jié)構(gòu)上的特征,解釋造成這種差異的原因;周積元、胡鳴嗥[13]通過SEM 分析了粉噴樁加固土物化反應(yīng)及其反應(yīng)產(chǎn)物的生成序列,簡要研究了加固土結(jié)構(gòu)與原狀土結(jié)構(gòu)的關(guān)系.然而,這些工作均以原狀土與加固土物理微觀結(jié)構(gòu)的改變?yōu)檠芯恐攸c,即使分析了土樣處理前后化學(xué)成分的不同,也局限于對某些元素含量差異的觀察.研究對象也較為單一,以粘土及其加固土為主.筆者以廣州龍穴地區(qū)某水泥土攪拌法沖填土軟基處理工程為依托,從土體微觀結(jié)構(gòu)的角度入手,結(jié)合XRD 和SEM 兩種分析手段,詳細(xì)對比了沖填土與自然軟土及二者水泥加固土在化學(xué)礦物成分及物理微觀結(jié)構(gòu)上的區(qū)別.以此為依據(jù),研究和評估了沖填土與自然軟土處理效果的不同,并對實際工程施工方法提出了優(yōu)化建議.

1 工程背景

本研究基于廣州龍穴地區(qū)某軟基處理工程,天然地基場地主要為魚塘,屬剝蝕殘山、河床、河口三角洲地貌類型.場地平整度不好,處理地基時先以淤泥沖填.沖填后表層土質(zhì)極軟,人員行走困難.所形成的沖填土質(zhì)以粘土為主,與其下層淤泥質(zhì)軟粘土均呈流塑-軟塑狀,含水量高、孔隙比大、滲透性差,為高壓縮性、低強(qiáng)度土,不易排水固結(jié),在自重作用下尚未固結(jié)穩(wěn)定,承載力極低,且工后沉降較大.

沖填處理后的軟基場地表層有平均厚度為5 m的沖填土層,其下是平均厚度為8 m 的自然沉積軟土層(淤泥質(zhì)粘土).綜合考慮該大型工程的實際情況,設(shè)計單位擬選用水泥土攪拌法作為加固方案,并進(jìn)行了相應(yīng)的現(xiàn)場小面積土體加固試驗.有關(guān)試驗結(jié)果發(fā)現(xiàn):在相同的水泥土攪拌法施工條件下,地基上部加固沖填土體的強(qiáng)度普遍低于下部加固土體,且加固沖填土較為松散、易破碎,對本地基處理工程的加固效果可能產(chǎn)生不利影響.因此,需要對水泥土攪拌法加固沖填土軟土地基的微觀機(jī)理進(jìn)行必要研究,解釋其強(qiáng)度差異的形成原因和機(jī)理,并據(jù)此對后續(xù)的大面積全面施工方案進(jìn)行必要的優(yōu)化調(diào)整.

微觀試驗的研究對象主要有兩個,一是原狀沖填土及其處理后所得水泥加固土(下文稱加固沖填土),二是原狀自然軟土及其處理后所得水泥加固土(下文稱加固軟土).所用水泥加固土土樣取自現(xiàn)場試驗區(qū)的攪拌樁體,水泥摻量(質(zhì)量分?jǐn)?shù),后同)為15%,水灰比為0.55,未添加外加劑.原狀土土樣取自臨近樁體且深度相近的天然地基.原狀沖填土和原狀自然軟土的基本物理力學(xué)性質(zhì)參見表1.

表1 沖填土與原狀軟土物理力學(xué)性質(zhì)Tab.1 Physical and mechanical properties of dredger fill and natural soft soil

為對比研究兩種土樣加固前后在化學(xué)成分和物理結(jié)構(gòu)兩方面微觀結(jié)構(gòu)的差異,共進(jìn)行了兩類微觀試驗:XRD和SEM.XRD是指通過對材料進(jìn)行X 射線衍射,分析其衍射圖譜,獲得材料的成分、材料內(nèi)部原子或分子的結(jié)構(gòu)或形態(tài)等信息的研究手段,目前已在許多領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用.SEM 是現(xiàn)代科學(xué)領(lǐng)域研究表面微觀世界的一種全能電子光學(xué)試驗方法,是目前研究土體微結(jié)構(gòu)形態(tài)最主要的手段.XRD儀器為Dmax-MSAL-12 kW 高功率粉末衍射儀,SEM 儀器為XL-30 ESEM 環(huán)境掃描電子顯微鏡, 配備EDAX 公司的phoenix 系列能譜儀.

2 XRD 試驗及結(jié)果分析

對沖填土及自然軟土的原狀和加固土土樣進(jìn)行了XRD 全礦物定量分析,分析結(jié)果見表2.下面從水泥的水解和水化反應(yīng)、粘土顆粒與水泥水化物的作用(包括離子交換和團(tuán)?；饔?、凝硬反應(yīng))和碳酸化作用幾個方面,對試驗結(jié)果進(jìn)行解讀.

2.1 水泥的水解和水化反應(yīng)

加固土中生成了原狀粘土中沒有的氫氧鈣石(Ca(OH)2).氫氧鈣石不僅是水泥水化產(chǎn)物,還會作為反應(yīng)物與加固土中其他化合物發(fā)生反應(yīng).它的出現(xiàn),表明加固土中已發(fā)生水泥的水解和水化反應(yīng)[13].另外可以觀察到,加固土中水鋁礦(Al(OH)3)、高嶺石等偏軟的礦物含量較原狀土大為降低,而較硬的石英(SiO 2)含量升高.這是因為原狀粘土中的水鋁礦、高嶺石(Al2Si2O5(OH)4)等在水泥水化反應(yīng)中,分解生成了水化產(chǎn)物中的Al2O3和SiO2等化合物.

表2 X RD 全礦物分析結(jié)果Tab.2 Results of XRD quantitative phase analysis%

2.2 離子交換和團(tuán)?；饔?/h3>

加固土中鈉長石、伊利石等礦物的含量較原狀土明顯降低.土中含量最多的SiO2遇水后,形成硅酸膠體微粒,其表面帶有鈉離子Na+或鉀離子K+,它們能和水泥水化生成的氫氧化鈣中的鈣離子Ca2+進(jìn)行當(dāng)量吸附交換,使較小的土顆粒形成較大的土團(tuán)粒,從而使土體強(qiáng)度提高.由此可知,加固土中的鈉長石、伊利石等礦物含量較原狀土降低,是因為其中所含有的Na+、K+等通過離子交換作用,與水泥水化后所生成的Ca(OH)2中的Ca2+發(fā)生了等當(dāng)量交換,從而形成水泥蜂窩狀的團(tuán)粒結(jié)構(gòu),使土體單元之間堅固緊密地聯(lián)結(jié)在一起.

2.3 碳酸化作用

表2 顯示,兩種加固土中都出現(xiàn)了大量原狀土中含量極少的方解石(CaCO3).這是因為水泥水化物中游離的氫氧化鈣吸收水中和空氣中的二氧化碳,發(fā)生碳酸化反應(yīng),生成了不溶于水的碳酸鈣,即所謂的碳酸化作用[13-14].方解石堅硬且不溶于水,可使軟土固化,從而進(jìn)一步提高了加固土的強(qiáng)度.

2.4 加固后沖填土與自然軟土成分對比

無論是沖填土還是軟土,加固后都生成了氫氧鈣石和方解石, 鈉長石、高嶺石等礦物含量都減少了.這說明加固過程中所發(fā)生化學(xué)反應(yīng)的類型是一致的.而加固軟土中氫氧鈣石和方解石的含量要高一些,說明加固軟土中的水泥水解和水化反應(yīng)更充分.但由于這種差異不明顯,不能據(jù)此就輕易推斷加固軟土強(qiáng)度一定優(yōu)于加固沖填土.

從化學(xué)礦物成分方面看,并未觀察到加固沖填土和加固軟土存在明顯不同.因此,要確定造成二者強(qiáng)度特征差異的機(jī)理,還需要依靠SEM 試驗研究其物理微結(jié)構(gòu)特性.

3 SEM 試驗及結(jié)果分析

土體微結(jié)構(gòu)是土體物理力學(xué)性質(zhì)的微觀基礎(chǔ),是沉積環(huán)境、土顆粒性質(zhì)、表面力,以及沉積后各種外力等多種因素綜合作用的最終產(chǎn)物.土的強(qiáng)度及變形在很大程度上取決于其結(jié)構(gòu).故對原狀沖填土和自然軟土及其加固土進(jìn)行SEM 試驗,以研究其物理微結(jié)構(gòu)特性,從而解釋其宏觀強(qiáng)度差異的機(jī)理.

3.1 自然軟土加固效果分析

首先分別觀察原狀土與加固土微結(jié)構(gòu)中基本單元體的接觸狀態(tài).圖1a,b 分別給出了粘土單元在水平和垂直兩個方向上的分布情況,即結(jié)構(gòu)形式.通過對比,可以發(fā)現(xiàn)這兩種結(jié)構(gòu)形式的特點.而圖2 中的加固土單元接觸情況在這兩個方向上并無太大差異,具有較為一致的分布特性.

從圖1a 可以看出,原狀自然軟土由疊聚體、粘土顆粒和粘土絮凝體等組成,大量的片狀體排列成基質(zhì)結(jié)構(gòu),少量粒狀體相對獨立,且互相接觸并不緊密,懸浮在土樣橫截面上.這種結(jié)構(gòu)體系的性質(zhì)取決于片狀基質(zhì)的性質(zhì).大量的低強(qiáng)度疊聚體相對松散地排列在一起,顆粒彼此之間呈堆積接觸狀態(tài),接觸面微小,在外力的作用下容易變形與錯動.從圖1b可以看出,軟土微結(jié)構(gòu)垂直方向上的片狀體成面—面接觸,相互之間沒有膠結(jié)物使其聯(lián)結(jié),同樣容易沿接觸面發(fā)生相對錯動.而圖2 所示的加固土中,顆粒表面及粒間普遍存在著不同程度的淺色硅酸鹽水化物,原本較為獨立和微小的粘土顆粒、疊聚體及絮凝體在這些纖維狀或針狀凝膠水泥水化物的包裹下,組成了大體積的團(tuán)狀凝聚體及網(wǎng)狀聯(lián)結(jié).這些由附著在顆粒表面的纖維狀凝膠物質(zhì),就是化學(xué)分析中描述的水化硅酸鈣、水化硫鋁酸鈣等.它們附著在粘土顆粒周圍,牢牢地把顆粒連結(jié)成為整體,形成極強(qiáng)的聯(lián)結(jié)結(jié)構(gòu).這種結(jié)構(gòu)具有很好的強(qiáng)度和很高的承載力,正如加固土的宏觀強(qiáng)度所展現(xiàn)的一樣.

再觀察原狀自然軟土和加固軟土微結(jié)構(gòu)中基本單元和孔隙的形狀和大小.圖3a,b 顯示,原狀軟土顆粒單元多呈片狀,而加固土顆粒單元多為塊狀且遠(yuǎn)大于原狀粘土顆粒單元.這是因為加固土顆粒由許多粘土顆粒膠結(jié)而成.原狀粘土顆粒之間孔隙僅有極少量膠結(jié)物填充,故而比較松散;而在加固土中,水泥水化后形成的硅酸鹽水化物填充了其包裹的粘土顆粒團(tuán)間孔隙,從而使加固土變得密實.隨著時間的推移,水泥水化愈加充分,水化物凝膠物質(zhì)還會逐漸不斷生成,進(jìn)一步增加加固土的密實度.

圖3 放大2 000 倍的軟土微結(jié)構(gòu)圖像Fig.3 Scanning electron micrograph of soft soil(2 000 times)

3.2 沖填土加固效果分析

從XRD 試驗結(jié)果來看,原狀沖填土及其加固土在化學(xué)物質(zhì)組成及含量比例上與下層原狀軟土及其加固土較為類似.但根據(jù)S EM 試驗結(jié)果,很容易發(fā)現(xiàn)加固沖填土在物理微觀結(jié)構(gòu)方面的特殊性.

圖4a,b 是原狀沖填土微結(jié)構(gòu)照片.同原狀自然軟土相比,原狀沖填土的單元接觸狀態(tài)和聯(lián)結(jié)形式更松散,片狀大體積單元顆粒較多,單元之間孔隙較大.此外無明顯差異.但是,加固沖填土微結(jié)構(gòu)特征與加固軟土明顯不同.圖5a,b 是加固沖填土微結(jié)構(gòu)照片.同加固自然軟土相比,加固沖填土中水泥水化形成的纖維狀或針狀凝膠物質(zhì)發(fā)育相對不完全.這主要表現(xiàn)在纖維或針狀結(jié)晶很細(xì),呈離散狀態(tài),分布較為稀少,裸露的沖填土單元零散地鑲嵌在稀疏難辨的纖維狀或針狀結(jié)晶中,彼此之間形成的有力聯(lián)結(jié)組織較少.由于水泥水化物未能夠大面積地將沖填土顆粒包裹成團(tuán),在其微結(jié)構(gòu)照片中仍然可以發(fā)現(xiàn)部分獨立的原狀沖填土單元顆粒.這種形式的物理微結(jié)構(gòu)造成加固沖填土的宏觀強(qiáng)度較加固軟土差.XRD 試驗結(jié)果顯示,加固沖填土中氫氧鈣石和碳酸鈣的含量較低,也說明其水泥水解水化反應(yīng)不如加固軟土徹底.因此,施工打設(shè)水泥土攪拌樁時,應(yīng)針對此情況采取一些措施,以求促進(jìn)沖填土層中水泥的水解水化反應(yīng),達(dá)到改善其微觀結(jié)構(gòu)、增加強(qiáng)度的目的.采用在地基表面沖填土層增加攪拌次數(shù)、增加輸漿次數(shù)的方式,能使沖填土層水泥水化反應(yīng)更加充分;在加固沖填土層時,針對沖填土特性加入適當(dāng)?shù)耐鈸絼?亦能夠增強(qiáng)沖填土加固土的強(qiáng)度.事實上,筆者也研究了水泥土攪拌樁添加石膏(質(zhì)量比為1%)的情況,發(fā)現(xiàn)加入適量的外加劑后,水泥加固土的微觀結(jié)構(gòu)得到改善,含石膏添加劑的水泥土攪拌樁強(qiáng)度較高.有關(guān)詳情可參見文獻(xiàn)[15] .

圖4 原狀沖填土微結(jié)構(gòu)放大圖像Fig.4 Scanning electron micrograph of dredger fill

圖5 加固沖填土微結(jié)構(gòu)放大圖像Fig.5 Scanning electron micrograph of cement-mixed dredger fill

4 結(jié)論

(1)XRD 試驗結(jié)果顯示,原狀沖填土和原狀自然軟土在水泥土攪拌法加固過程中的化學(xué)反應(yīng)類型和程度大致相似.從二者所得加固土中氫氧鈣石和碳酸鈣的含量上判斷,軟土比沖填土反應(yīng)更完全.

(2)SEM 試驗結(jié)果顯示,同加固自然軟土相比,加固沖填土的水泥水解水化反應(yīng)不徹底,形成的纖維狀和針狀凝膠物質(zhì)發(fā)育相對不完全,因而形成的物理微結(jié)構(gòu)遠(yuǎn)不如加固自然軟土密實.

(3)原狀沖填土和原狀自然軟土在化學(xué)反應(yīng)方面不存在明顯區(qū)別,但二者加固土的物理微結(jié)構(gòu)存在明顯不同,直接導(dǎo)致其在宏觀強(qiáng)度上的明顯差異.這說明,物理微結(jié)構(gòu)特性對水泥加固土的強(qiáng)度存在重要影響.在施工過程中,應(yīng)該采取一些措施以求促進(jìn)沖填土層中水泥的水解水化反應(yīng),達(dá)到改善其微觀結(jié)構(gòu)、提高強(qiáng)度的目的.

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