有機質對水泥固化淤泥土的力學特性影響試驗研究

梁仕華，周錦程，羅 祺，林煥生

（廣東工業(yè)大學 土木與交通工程學院，廣東 廣州 510006）

廣州南沙區(qū)普遍存在著淤泥質黏土，這些淤泥土具有含水率高、壓縮性大等特點，在這樣的地基上進行工程建設時，必須先對軟土固化處理. 水泥攪拌樁是軟基處理的一種有效形式[1-3]，但在實際施工過程中發(fā)現，由于淤泥土中往往含有有機質[4]，當質量分數較高時，單獨使用水泥固化效果不理想，深部水泥土根本無法固結[5]，已有研究表明，淤泥土中的有機質是阻礙水泥固化土強度發(fā)展的主要原因[6].

目前，很多學者就淤泥土的固化展開了研究[7-12].郭麗敏等[13]發(fā)現水泥質量分數對有機質土的固化影響最為顯著；Tremblay等[14]發(fā)現在水泥固化土中摻加有機質會降低固化土的強度；范昭平[15]通過對不同有機質質量分數的淤泥土進行研究，發(fā)現固化土的強度隨有機質質量分數的增加而降低；劉叔灼等[16]在固化土中增加有機質的質量分數，發(fā)現破壞形式由脆性破壞轉變成塑性破壞，于是有了“有機質軟化含量”的說法. 吳軍等[17]在養(yǎng)護過程中發(fā)現淤泥里的腐殖酸質量分數增加，經過研究發(fā)現是有機質釋放的，而腐殖酸會導致土的強度降低；徐日慶等[18]通過人工配制有機質土進行室內試驗研究，提出了固化土無側限抗壓強度與有機質質量分數的擬合關系.

以上研究成果大部分是在水泥質量分數為15%的條件下研究不同有機質質量分數對水泥固化土強度的影響，或者在腐殖酸質量分數為5%條件下，添加不同質量分數的水泥至淤泥土中固化來研究二者對其強度的影響，不能得出水泥質量分數和有機質質量分數對軟土的固化效果的影響規(guī)律，不能為含有機質軟土地基處理提供全面的建議. 本文采用不同質量分數水泥對人工配制的不同有機質質量分數軟土進行固化，分析研究了水泥質量分數、有機質質量分數、齡期對固化土強度的影響規(guī)律，并結合SEM圖片對有機質影響水泥土強度的機理做了詳細分析和討論.

1 試驗材料和方法

1.1 試驗材料

本實驗用土為廣州市南沙區(qū)淤泥質黏土，取土深度在2～5 m，其表層覆蓋有回填土. 通過室內試驗，測得其水份的質量分數（含水率）為59.8%，比重為2.76，最大干密度為1.835 g/cm3，最優(yōu)含水率為13.69%，塑限為35.2%，液限為56%. 將取回來的黏土用烘箱烘干，溫度控制在105～110 ℃范圍內，時間不少于8 h，烘干后把黏土敲碎過2 mm篩，然后裝密封袋中備用.

本實驗通過在烘干碎土中添加不同質量分數的腐殖酸來配制不同有機質質量分數的淤泥土. 試驗所用腐殖酸為天津市光復精細化工研究所生產的腐殖酸CP500g分析純，其主要成分包括胡敏酸和富里酸.

水泥采用廣州石井牌P·O 42.5水泥.

1.2 試樣制備及養(yǎng)護

本試驗人工制備有機質淤泥土含水率為59.8%，考慮到制樣過程中水分的損失，為保證人工制備有機質淤泥土含水率與原狀土相同，經過多次預試驗獲得加入水的質量分數應為干重(干土與腐殖酸的總重)的61%. 按試驗設計方案將不同質量分數的腐殖酸摻入干土中，攪拌均勻后加入61%的水，再次攪拌均勻后裝入密封袋中燜料一天備用. 制樣時，按規(guī)定水灰比(0.5)，將計算好質量的水泥與水混合均勻，再稱取人工制備的有機質淤泥土，均勻攪拌. 使用的是三瓣模制樣模具(內徑為39.1 mm，內高為80 mm，

見圖1)，將攪拌好的土樣分3次倒入模具中，每倒入一次土樣都要搗實. 為了排出土樣中的氣體，需要將模具放置在振實臺上振動1 min. 使用密封袋裝好模具后，在標準條件下養(yǎng)護24 h，脫模后如果發(fā)現試樣破損則需重制. 最后再次將密封好的試樣重新于標準養(yǎng)護條件下分別放置6 d和27 d. 養(yǎng)護箱及試樣見圖1.

圖 1 制備模具、養(yǎng)護箱及試樣Fig.1 Preparation mould, maintenance box and samples

1.3 試驗方案及方法

本試驗采用南京土壤生產的TSZ30-2.0型應變控制式三軸儀采集固化土的抗壓強度，試驗時，將試樣置于無側限壓縮儀中，對試樣不施加圍壓σ3，僅垂直方向受壓，這樣試樣破壞時中應主力σ1的最大值就是固化土的無側限抗壓強度. 試驗結束后保留少量試樣土塊，留做電鏡掃描試驗. 試驗方案及結果見表1.

2 試驗結果及分析

2.1 有機質質量分數對固化土無側限抗壓強度的影響

圖2、圖3分別為養(yǎng)護7 d、28 d后固化土的無側限抗壓強度在不同有機質質量分數條件下的變化曲線. 可以看出，2個齡期下的固化土強度曲線變化規(guī)律基本一致，有機質質量分數對固化土強度的影響在一定范圍內十分顯著[19]，當它低于5%時，隨著有機質質量分數的增加，固化土的強度急劇降低，而當有機質質量分數超過5%后，隨著有機質質量分數繼續(xù)增加，對固化土強度的影響開始不明顯. 以養(yǎng)護7 d，水泥質量分數20%試驗組為例，當有機質質量分數為0%時，固化土的強度為0.71 MPa，但有機質質量分數增加到5%時，固化土的強度為0.3 9 M P a，減小了45.1%；有機質質量分數為20%時，強度為0.35 MPa，相比有機質質量分數為5%的固化土的強度僅減小了10.3%. 此外還可得到，對固化土強度產生明顯影響的敏感質量分數為0%～3%，與徐日慶等[18]的研究結果一致. 這主要可以從2個方面進行解釋：(1) 有機質中含有富里酸和胡敏酸，這使得水泥在有機質土中的水化反應環(huán)境呈酸性，不利于凝膠物質的生成；(2) 富里酸會分解已生成的水化產物，破壞了水泥土結構的形成，呈現化學風化的特征[20]，從而導致水泥固化土的強度降低，所以有機質質量分數越大，對固化土強度產生的影響越大. 而當其質量分數超過5%時，受有機質的不利影響降低，水泥水化產物生成量很少，固化土的強度不再源于水化產物凝膠物質的黏結作用，而是取決于摻加水泥量的多少，而每個試樣的水泥質量分數都是一定的，所以其對固化土的優(yōu)化作用有限，如圖3所示，有機質質量分數超過5%后曲線的變化不大[6].

表 1 無側限抗壓強度試驗(UCS)設計方案Table 1 Unconfined compressive strength test design details

圖 2 固化7 d的土樣無側限抗壓強度與有機質質量分數的關系曲線Fig.2 Relation curves between strength and organic matter content of soil samples cured for 7 d

圖 3 固化28 d的土樣無側限抗壓強度與有機質質量分數的關系曲線Fig.3 Relation curves between strength and organic matter content of soil samples cured for 28 d

2.2 水泥質量分數對固化土無側限抗壓強度的影響

圖4、圖5分別為養(yǎng)護7 d、28 d后在不同水泥質量分數條件下固化土的無側限抗壓強度的變化曲線.從圖中可以看出，2個齡期下，水泥質量分數對不同腐殖酸質量分數固化土的強度影響趨勢基本一致，總的來說，隨著水泥質量分數的增加，固化土強度呈現接近冪次方的增長趨勢. 這是因為隨著水泥質量分數的增加，固化土中能產生更多的凝膠物質，土顆粒間的膠結作用更強，并且由于凝膠物質的填充作用，固化土的孔隙率更小，所以固化土的強度隨著水泥質量分數的增加而增大；而在高有機質質量分數下( ≥5%)，當水泥質量分數較低時(＜15%)，有機質固化土強度均較低且增長速度較緩，水泥質量分數≥

15%時固化土強度隨水泥質量分數的增加出現較快增長. 并且發(fā)現齡期7 d的固化土在水泥質量分數≥

15%時增長較快，齡期28 d的固化土在水泥質量分數≥20%時強度增長明顯. 這說明要達到理想的改善效果，水泥質量分數必須大于某一個未知的值.

圖 4 固化7 d的土樣無側限抗壓強度與水泥質量分數的關系曲線Fig.4 Relation curves between strength and cement content of soil samples cured for 7 d

圖 5 固化28 d的土樣無側限抗壓強度與水泥質量分數的關系曲線Fig.5 Relation curves between strength and cement content of soil samples cured for 28 d

2.3 齡期對固化土無側限抗壓強度的影響

定義有機質固化土的強度為qu，非有機質固化土的強度為q0，那么不同條件下的固化土存在一個強度差為q0-qu.

圖6為固化土的強度差與有機質質量分數的關系曲線圖. 由圖可知，除個別異常點外，固化土的強度差隨有機質質量分數的增加呈遞增趨勢，這說明水泥的固化效率在下降. 而在相同水泥質量分數下，齡期28 d的強度差比齡期7 d的強度差大，這表示隨著養(yǎng)護時間的延長，有機質固化土的強度仍遠小于非有機質固化土的強度，說明有機質對水泥水化反應的不利影響并不會隨齡期的增加而減小，這主要是因為有機質中的富里酸會分解已生成的水化產物，這是一個不可逆的過程，不會隨著時間而消失.

2.4 SEM微觀對比分析

圖 6 固化土的強度差與有機質質量分數的關系曲線Fig.6 Relationship between the discrepancy of strength and content of organic matter of reinforced soil

圖7為齡期7 d、水泥質量分數15%條件下，有機質質量分數分別為0%、3%、5%、20%固化土試樣的SEM圖片，可以看出部分土顆粒被水泥水化反應生成的凝膠物質包裹著，土顆粒之間有凝膠物質連接，顆粒變大，表面變得光滑. 通過對比圖7(a)～7(d)可以看出隨著有機質質量分數的增加，片狀、針狀的土顆?？偭吭龆啵令w粒間的孔隙也增多. 這主要是由于有機質質量分數的增加，阻礙了水泥水化反應的進行，生成的凝膠物質減少，沒有足夠的凝膠物質包裹土顆粒并使空隙減少，宏觀上則表現為固化土的強度隨著有機質質量分數的增加而降低. 另外，對比圖7(c)與圖7(d)可以看到兩者的土顆粒形狀大小分布幾乎一樣，片狀、針狀的土顆粒偏多，較大的、緊密連接的土顆粒較少，這說明5%、20%的有機質質量分數對固化土水泥水化反應的不良影響程度幾乎一樣，這與固化土在有機質質量分數超過5%后強度降低不明顯的宏觀表現相符合.

圖 7 不同有機質質量分數的固化土微觀圖Fig.7 SEM photos of solidified soil with different organic content

圖8(a)與圖8(b)為有機質質量分數5%下，水泥質量分數15%固化組在齡期7 d、28 d的試樣微觀圖，圖8(c)與圖8(d)為有機質質量分數5%下，水泥質量分數20%固化組在齡期7 d、28 d的試樣微觀圖. 隨著養(yǎng)護時間的增長，水泥質量分數20%固化組的微觀圖變化更明顯，圖8(d)顯示的土顆粒比圖8(c)更致密，大部分土顆粒已聯(lián)結成片，而水泥質量分數15%固化組則幾乎沒有變化，這正是水泥質量分數20%固化組隨著養(yǎng)護時間的增長，試樣強度明顯增長，而水泥質量分數15%固化組的強度變化不大的原因.

圖 8 水泥質量分數為15%、20%的固化土在不同齡期微觀圖Fig.8 SEM photos of 15% and 20% cement content in solidified soil at different ages

3 結論

(1) 有機質的存在使得淤泥土的強度降低，并且對水泥的固化作用有不利影響，但是這種影響只在有機質質量分數為5%以內時較為明顯；當有機質質量分數在5%以內時，固化土的強度會隨著有機質質量分數增加而大幅降低；而當其質量分數超過5%，固化土強度的變化就不再明顯了.

(2) 水泥質量分數增加時，固化土的強度的增長十分顯著. 當水泥質量分數較小時(9%)，含腐殖酸與不含腐殖酸固化土強度均較低，說明在固化高含水率的軟土時，水泥有質量分數底線(15%)，水泥質量分數必須高于這個底線，否則就達不到理想的固化效果.

(3) 有機質對水泥土強度的影響不會隨齡期的增加而減小. 隨齡期的增長，含有機質水泥土的強度仍遠低于普通水泥土的強度.

(4) 本實驗中通過添加不同質量分數的有機質和水泥，得出了有機質對水泥固化的影響規(guī)律，對于南沙軟土的固化問題具有一定的參考價值，今后將繼續(xù)研究針對南沙淤泥土更實用有效的固化方式.