超細(xì)水泥對(duì)固化軟土早期抗壓強(qiáng)度影響的試驗(yàn)研究*

征西遙 劉秀秀 吳 俊 董 毅

（①上海工程技術(shù)大學(xué)，城市軌道交通學(xué)院，上海201620，中國(guó)）

（②浙江省地礦勘察院（上海分院），上海200090，中國(guó)）

（③中國(guó)科學(xué)院武漢巖土力學(xué)研究所，武漢430000，中國(guó)）

0 引 言

我國(guó)沿海城市軟土分布廣泛，且都具有含水率高、抗剪強(qiáng)度低和高壓縮性等特點(diǎn)。這些不良特性會(huì)對(duì)基坑工程、道路工程及地下空間的施工建設(shè)造成極大困難，因此在工程上往往需要對(duì)軟土地基進(jìn)行加固，其中由于水泥原料易得和施工方便等優(yōu)點(diǎn)使之成為一種常用的土壤固化劑材料（楊?lèi)?ài)武等，2013；盧玉華等，2015；陳峰等，2016）?？紤]到水泥細(xì)度是影響水化產(chǎn)物的主要因素之一，近年來(lái)也有學(xué)者將納米硅、納米鋁等納米級(jí)材料作為外摻劑加入水泥土中進(jìn)行試驗(yàn)研究（張志敏，2015；Bahmani et al.，2016），發(fā)現(xiàn)固化土的強(qiáng)度能快速提高。但納米材料的成本相對(duì)較高，不適合大范圍使用。同為工業(yè)化產(chǎn)物的超細(xì)水泥具有比表面積大和高活性等特點(diǎn)。因而將超細(xì)水泥用于地基加固將有利于提高固化土的強(qiáng)度，進(jìn)一步提高工程質(zhì)量，確保施工安全。郭文琦等（2020）研究超細(xì)水泥對(duì)土體的改良效果，結(jié)果表明當(dāng)摻入超細(xì)水泥量為400ikg·m－3時(shí)，其對(duì)土體的改良效果最顯著，使改良土體的黏聚力增加至7.6～9.4ikPa，內(nèi)摩擦角提高至1.45°～2.82°。郭東明等（2017）對(duì)超細(xì)水泥漿液的最優(yōu)配比及注漿效果進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)水灰比為1.4:1，且細(xì)度為1250目時(shí)，超細(xì)水泥漿液的各項(xiàng)力學(xué)性能最佳。但由于超細(xì)水泥成本較高，在地基處理中完全采用超細(xì)水泥用于固化軟土在經(jīng)濟(jì)上并不可行，因此，有必要研究不同超細(xì)水泥含量對(duì)固化軟土的力學(xué)性能的影響，從而在經(jīng)濟(jì)和固化效果兩方面達(dá)到平衡。

實(shí)際工程中，加固區(qū)域的土體會(huì)承受上部及周?chē)恋膲毫?，從而使加固土體在初始水化的時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生有效固結(jié)應(yīng)力，進(jìn)而對(duì)加固土層的強(qiáng)度產(chǎn)生影響。但一些學(xué)者的經(jīng)驗(yàn)公式中并沒(méi)有考慮到這種固結(jié)應(yīng)力的作用（Horpibulsuk et al.，2003；Ahnberg，2007），現(xiàn)有的室內(nèi)試驗(yàn)并不能較好地模擬現(xiàn)場(chǎng)土體的應(yīng)力狀態(tài)，即現(xiàn)場(chǎng)土體中孔隙水壓力的消散和膠凝產(chǎn)物的膠結(jié)作用是同時(shí)發(fā)生的，而室內(nèi)試驗(yàn)則通常是對(duì)土體進(jìn)行無(wú)圍壓養(yǎng)護(hù)后再測(cè)試其力學(xué)性能，因而無(wú)法真實(shí)反應(yīng)實(shí)際工程中固化軟土抗壓強(qiáng)度的增長(zhǎng)，因此本文將重點(diǎn)考慮養(yǎng)護(hù)圍壓對(duì)不同超細(xì)水泥含量的固化軟土力學(xué)性能的影響，采用無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度儀（UCS）、低核磁共振孔隙測(cè)試（NMR）、X射線(xiàn)衍射儀（XRD）和電鏡掃描儀（SEM）等試驗(yàn)手段，分析超細(xì)水泥摻量、含水率和養(yǎng)護(hù)圍壓等因素對(duì)固化軟土抗壓強(qiáng)度的影響規(guī)律，揭示不同超細(xì)水泥摻量的水泥固化劑對(duì)不同含水率軟土的固化機(jī)理，以期對(duì)工程實(shí)踐提供一定的理論基礎(chǔ)。

1 試驗(yàn)材料及方法

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)中土樣為上海典型④層淤泥質(zhì)黏土，取自上海市浦東新區(qū)某工程場(chǎng)地。土樣的主要物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)見(jiàn)表1。按土工試驗(yàn)規(guī)范（中華人民共和國(guó)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)編寫(xiě)組，1999）配制重塑土。試驗(yàn)采用超細(xì)水泥部分或完全代替普通水泥組成復(fù)合固化劑，分析復(fù)合固化劑對(duì)不同含水率的固化軟土的力學(xué)性能的影響。已有研究表明（Chew et al.，2004），當(dāng)水泥固化劑摻入量為干土質(zhì)量的20%～30%時(shí)，其固化效果較好?？紤]到經(jīng)濟(jì)性，本次試驗(yàn)采用20%的固化劑摻入量，并以5%增量的超細(xì)水泥逐漸代替普通水泥固化劑，以研究超細(xì)水泥摻量變化對(duì)固化土抗壓強(qiáng)度的影響。因此，試驗(yàn)中超細(xì)水泥摻量分別為0、5%、10%和20%（百分比表示超細(xì)水泥占干土質(zhì)量的百分比，下文簡(jiǎn)稱(chēng)為OPC、CAUO5、CAUO10和UFC）。使用X熒光光譜儀（XRF）和激光粒度儀對(duì)不同系列的復(fù)合固化劑進(jìn)行成分和粒度分析，各系列固化劑的XRF化學(xué)成分及粒徑分布情況如表2和圖1所示。從表2中可以看出，各系列固化劑的主要成分為CaO、SiO2和Al2O3，隨著超細(xì)水泥摻量的提高，CaO的含量不斷減少，而SiO2和Al2O3的含量不斷提高。由水泥水化機(jī)理可知（Taylor，1997），水泥進(jìn)行水化反應(yīng)的主要成分為SiO2和Al2O3，其在堿性CaOH激發(fā)作用下形成C-S-（A）-H凝膠。從表2可看出隨著超細(xì)水泥摻量的增加，活性SiO2和Al2O3所占比例增加?；诹椒植祭碚摚˙inici et al.，2007），粒徑小于25iμm（含25iμm）顆粒主要提供早期強(qiáng)度（至28id），可定義為活性水化粒徑區(qū)間；大于60iμm的部分主要是粗顆粒，活性較低，主要發(fā)揮填充作用，可定義為惰性填充粒徑區(qū)間；25～60iμm部分介于中間部分，主要提供后期強(qiáng)度，該部分可定義為過(guò)渡粒徑區(qū)間。因此，固化劑中隨著超細(xì)水泥摻量的增加，其活性顆粒所占比例逐漸增加。

表1 土樣的主要物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)Table 1 The physical and mechanical properties of soil samples

圖1 復(fù)合固化劑的顆粒分布曲線(xiàn)Fig.1 Particle distribution curve of compound curing agent

表2 各系列固化劑的化學(xué)成分Table 2 Chemical composition of various cement binders

試驗(yàn)中采用的固化劑總摻入量為干土質(zhì)量的20%，考慮到現(xiàn)場(chǎng)施工中漿料攪拌的和易性，取水灰比為0.5（水質(zhì)量與固化劑質(zhì)量之比）。軟土高含水率將對(duì)固化效果產(chǎn)生較大影響，故本次試驗(yàn)中基于土樣天然含水率，對(duì)于重塑土的含水率分別取50%和65%。具體試驗(yàn)方案參見(jiàn)表3，對(duì)于試樣編號(hào)，第1個(gè)數(shù)字代表含水率變化，第2個(gè)數(shù)字代表超細(xì)水泥含量的百分比，短橫線(xiàn)后的數(shù)字表示試驗(yàn)中所施加的軸向壓力值。需要注意的是，本文后續(xù)對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的表述，均采用軸向壓力變化值表示不同圍壓養(yǎng)護(hù)條件，軸向壓力施加范圍可見(jiàn)表4。

1.2 試驗(yàn)儀器

本試驗(yàn)采用自制圍壓養(yǎng)護(hù)裝置對(duì)試樣進(jìn)行圍壓養(yǎng)護(hù)（圖2），通過(guò)對(duì)試樣頂部施加軸向荷載使其周?chē)a(chǎn)生K0狀態(tài)的圍壓。同時(shí)在試件圍壓養(yǎng)護(hù)過(guò)程中，養(yǎng)護(hù)模具需要確保密封性和不透水性，以實(shí)現(xiàn)圍壓養(yǎng)護(hù)的不排水條件。

1.3 試驗(yàn)過(guò)程

1.3.1 試樣制備和養(yǎng)護(hù)

本試驗(yàn)制備高80imm、直徑為39.1imm的圓柱體試樣。按表3將干土、復(fù)合水泥固化劑與水混合，并使用攪拌機(jī)充分?jǐn)嚢杈鶆?。按照?guī)范（中華人民共和國(guó)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)編寫(xiě)組，1999）將固化土樣分多次填充到養(yǎng)護(hù)模具中，對(duì)50%和65%含水率的試樣分別采用擊實(shí)儀和搗棒振搗，每組試驗(yàn)制備3～5組平行試驗(yàn)，取少量剩余固化軟土測(cè)其含水率（裝模時(shí)間控制在45imin內(nèi)）。試樣裝模后，將模具放置于支架上，調(diào)節(jié)儀器至規(guī)定的軸壓值進(jìn)行齡期養(yǎng)護(hù)（Tan et al.，2002；Bian et al.，2017），無(wú)圍壓養(yǎng)護(hù)試樣密封放入水箱內(nèi)養(yǎng)護(hù)至規(guī)定的齡期。

表3 試驗(yàn)方案Table 3 Test scheme

表4 第④層土的圍壓取值Table 4 Values of confining pressure of No.4 soil layer

圖2 圍壓養(yǎng)護(hù)裝置（單位：mm）Fig.2 The curing equipment（unit：mm）a.圍壓養(yǎng)護(hù)裝置圖；b.氣壓加載氣缸裝置圖

1.3.2 性能測(cè)試和微觀(guān)分析試驗(yàn)

將達(dá)到養(yǎng)護(hù)齡期的試樣推出，然后對(duì)試樣進(jìn)行預(yù)處理，使其符合試驗(yàn)尺寸要求。按照規(guī)范（ASTM，2017）以軸向速率為0.4imm·min－1進(jìn)行單軸壓縮試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)束后取小量破壞后土樣進(jìn)行含水率測(cè)定、XRD和SEM測(cè)試，取完整試樣進(jìn)行NMR試驗(yàn)?；谙嚓P(guān)學(xué)者的研究表明（Xiao，2009；Jongpradist et al.，2011），水泥土在7id已能達(dá)到固結(jié)狀態(tài)，超過(guò)7id后，固結(jié)作用不明顯。故本文重點(diǎn)分析7id內(nèi)固化軟土的抗壓強(qiáng)度和模量變化，并研究其固化機(jī)理。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 固化軟土含水率

圖3為含水率分別為50%和65%的試樣在不同軸向壓力下含水率隨齡期變化的曲線(xiàn)?？梢钥闯觯S著齡期增加，固化軟土的含水率逐漸降低，且在1id之內(nèi)的降低幅度較大。此外，50%含水率的試樣1～7id含水率減小量低于65%含水率的試樣，說(shuō)明對(duì)于50%含水率的試樣，隨著齡期的增加其水化反應(yīng)逐步減緩，這可能是由于隨齡期的增加，水化產(chǎn)物將土顆粒膠結(jié)，使孔隙變小，孔隙水的擴(kuò)散受阻降低固化劑水化速率。而對(duì)于65%含水率的試樣，試樣自身含水量較多，水化反應(yīng)空間相對(duì)較充足。同時(shí)也可發(fā)現(xiàn)，隨著軸壓增加，同一超細(xì)水泥摻量的試樣含水率變化量（減少量）逐漸增加，說(shuō)明隨著豎向軸力增加，固化軟土內(nèi)更多的水分被擠出致使固化軟土內(nèi)含水量下降；隨著超細(xì)水泥摻量的增加，相同軸壓的試樣含水率變化量（減少量）逐漸增加，說(shuō)明隨著固化劑中超細(xì)水泥摻量的增加，固化軟土中的含水率逐漸降低。由水泥固化機(jī)理可知（Taylor，1997），水泥與水發(fā)生水解反應(yīng)，如富鈣相與富硅相在水中水化形成硅酸鈣，而超細(xì)水泥相比較普通水泥而言，通過(guò)物理方法增加熟料的比表面積，使得富鈣相與富硅相接觸面積增大，因此水化反應(yīng)加快并且更加充分，故會(huì)消耗更多的水。

圖3 試樣含水率隨時(shí)間變化曲線(xiàn)Fig.3 Time history of samples with different water contents

2.2 固化軟土無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度

圖4 固化軟土的抗壓強(qiáng)度隨超細(xì)水泥摻量增加的變化曲線(xiàn)Fig.4 Changing of compressive strength of the stabilized soft soil with different ultra-fine contents

圖4為不同養(yǎng)護(hù)齡期下，針對(duì)不同軸壓和含水率的試樣，其抗壓強(qiáng)度隨超細(xì)水泥摻量增加的變化曲線(xiàn)。由圖4a可以看出，不同含水率的試樣在軸壓不變的條件下，其3id的抗壓強(qiáng)度隨著超細(xì)水泥摻量的增加而增加，其中采用UFC固化劑的試樣抗壓強(qiáng)度最大，主要是因?yàn)閁FC固化劑中細(xì)顆粒占較大比例，活性高，水化反應(yīng)快，能生成大量膠凝產(chǎn)物以黏結(jié)土顆粒和填充孔隙。而隨著超細(xì)水泥摻量進(jìn)一步的增加，固化劑活性顆粒增加，水化反應(yīng)需要的水增加，因此，隨著超細(xì)水泥參量進(jìn)一步的增加，水化反應(yīng)相對(duì)不充分，未反應(yīng)的固化劑顆粒僅僅發(fā)揮填充作用。固化土抗壓強(qiáng)度增加緩慢。同一超細(xì)水泥摻量下，試樣的抗壓強(qiáng)度隨軸向壓力的增加而增加，軸壓作用使試樣內(nèi)部水分?jǐn)D出，試樣密實(shí)度高；剩余水與固化劑發(fā)生水化反應(yīng)生成膠凝產(chǎn)物，膠結(jié)土顆粒和填充固化土空隙，而隨著含水率的提高，固化軟土的抗壓強(qiáng)度逐漸降低。由圖4b可以看出，固化軟土7id的抗壓強(qiáng)度變化與3id齡期的變化趨勢(shì)類(lèi)似，即固化軟土的抗壓強(qiáng)度隨著超細(xì)水泥摻量的增加而增加，隨軸向壓力的增加而提高。

表5給出了含水率為50%時(shí)，相同軸向壓力作用下，不同超細(xì)水泥摻量的固化軟土強(qiáng)度對(duì)比OPC固化軟土強(qiáng)度在7id養(yǎng)護(hù)齡期的增長(zhǎng)值。由表5可知，相同軸向壓力作用下，隨著超細(xì)水泥摻量增加，各試樣的抗壓強(qiáng)度均有提高，主要是由于隨著超細(xì)水泥摻量增加，固化劑的細(xì)顆粒百分比增加、固化劑的比表面積增大，水化反應(yīng)越充分、水化產(chǎn)物越多，固化軟土強(qiáng)度提高越明顯。同時(shí)也可看出，隨著軸向壓力的提高，含有超細(xì)水泥的試樣強(qiáng)度提高率有所減小，這可能是由于隨著軸向壓力的提高，軟土中越多的自由水被擠出造成一些固化劑顆粒未發(fā)生水化反應(yīng)。而對(duì)于CAUO10試樣來(lái)說(shuō)，復(fù)合固化劑中具有惰性和活性顆粒，活性顆粒可以參與水化反應(yīng)，而粗顆?？梢杂糜谔畛湫Ч试?id時(shí)強(qiáng)度也可以達(dá)到較理想的值，從而對(duì)于含水率為50%的軟土，CAUO10固化劑具有較高的經(jīng)濟(jì)性。表6也給出了含水率為65%時(shí)，相同軸向壓力作用下，不同超細(xì)水泥摻量的固化軟土強(qiáng)度對(duì)比OPC固化軟土強(qiáng)度的增長(zhǎng)值。與50%的試樣類(lèi)似，相同軸向壓力作用下，隨著超細(xì)水泥摻量增加，各試樣的抗壓強(qiáng)度提高。隨著軸向壓力的提高，CAUO系列固化軟土在7id的強(qiáng)度增長(zhǎng)率均有所增加，而UFC固化軟土的抗壓強(qiáng)度增長(zhǎng)率相對(duì)減少，可能是軸向壓力增加使軟土中自由水減少，從而參與水化反應(yīng)顆粒減少。因此可知，固化軟土的強(qiáng)度受含水率、超細(xì)水泥摻量及養(yǎng)護(hù)圍壓等因素的影響，考慮超細(xì)水泥成本問(wèn)題，本文以采用復(fù)合固化劑軟土的抗壓強(qiáng)度增長(zhǎng)率與UFC固化劑軟土的抗壓強(qiáng)度增加率比值在40%～50%左右為成本控制依據(jù)，可知當(dāng)超細(xì)水泥摻量為10%（即CAUO10固化劑）可滿(mǎn)足要求。

表5 50%含水率條件下不同超細(xì)水泥摻量固化軟土對(duì)比OPC固化軟土抗壓強(qiáng)度增長(zhǎng)率Table 5 Comparison of the compressive strength growth rate between samples under different curing stress and OPC without curing stress in 50%water content

本文擬對(duì)上述試驗(yàn)結(jié)果采用數(shù)學(xué)方法進(jìn)行7id固化軟土的抗壓強(qiáng)度的預(yù)測(cè)。圖5為各個(gè)參數(shù)對(duì)固化土抗壓強(qiáng)度的擬合曲線(xiàn)，由圖5可知超細(xì)水泥摻量、含水率和軸向壓力等多個(gè)參數(shù)共同影響固化土的抗壓強(qiáng)度，因此屬于多元回歸問(wèn)題。本文以超細(xì)水泥摻量x1、含水率x2和軸向壓力x3為自變量，固化土抗壓強(qiáng)度y為因變量，采用多元線(xiàn)性回歸方法，得到線(xiàn)性回歸分析結(jié)果見(jiàn)表7和回歸方程1。從回歸方程的判定系數(shù)R2可以看出，基于多元線(xiàn)性回歸的固化土抗壓強(qiáng)度大于0.90，線(xiàn)性回歸高度顯著。

表6 65%含水率條件下不同超細(xì)水泥摻量固化軟土對(duì)比OPC固化軟土抗壓強(qiáng)度增長(zhǎng)率Table 6 Comparison of the compressive strength growth rate between samples under different curing stress and OPC without curing stress in 65%water content

圖5 各個(gè)參數(shù)與固化土抗壓強(qiáng)度的擬合曲線(xiàn)Fig.5 Fitting curves for the compressive strength of the stabilized soft soil

表7 線(xiàn)性回歸分析結(jié)果Table 7 Results of linear regression analysis

圖6為預(yù)測(cè)公式（1）求解的抗壓強(qiáng)度值與實(shí)測(cè)值對(duì)比圖。由圖6可見(jiàn)公式（1）得到的預(yù)測(cè)結(jié)果是可以接受的。同時(shí)該預(yù)測(cè)公式較為簡(jiǎn)單，可為實(shí)際工程提供參考。

圖6 公式1的預(yù)測(cè)值與實(shí)測(cè)值比較Fig.6 Comparison between predicted value and measured value

2.3 固化軟土彈性模量

取試樣抗壓應(yīng)力－應(yīng)變曲線(xiàn)中峰值應(yīng)力20%所對(duì)應(yīng)的割線(xiàn)作為試樣初始彈性模量。圖7a，圖7b依次為含水率為50%和65%條件下，固化軟土7id的彈性模量隨超細(xì)水泥摻量增加的變化曲線(xiàn)。由圖7a可知，含水率50%條件下，隨著超細(xì)水泥摻量的增加，固化軟土的彈性模量逐漸增加。這主要是由于隨著超細(xì)水泥摻量的增加，固化劑中活性細(xì)顆粒含量增加，水化反應(yīng)加快，產(chǎn)生的膠凝產(chǎn)物增加，從而能更好地膠結(jié)軟土顆粒。同時(shí)可以看出隨著軸向壓力的增加，固化軟土的彈性模量逐漸增大，固化軟土在軸向壓力的作用下密實(shí)性增強(qiáng)，從而提高了彈性模量。由圖7b可知，在含水率65%條件下，彈性模量隨著超細(xì)水泥摻量的增加而提高。同時(shí)隨著軸向壓力的增加，固化軟土的彈性模量逐漸增大，變化趨勢(shì)與含水率50%條件下一致，彈性模量隨著超細(xì)水泥含量和軸向壓力的提高而增加。通過(guò)對(duì)比圖7a和圖7b可以發(fā)現(xiàn)，對(duì)于50%含水率，固化軟土彈性模量在摻入超細(xì)水泥后，提高幅度較大，但隨著超細(xì)水泥摻量增多，其彈性模量變化較緩慢。而對(duì)于65%含水率的固化軟土，超細(xì)水泥摻量提高引起固化軟土彈性模量線(xiàn)性增長(zhǎng)，說(shuō)明含水率對(duì)彈性模量變化具有較大影響。這可能是由于當(dāng)含水率為50%時(shí)，由于含水率較少而造成含有超細(xì)水泥固化劑中活性顆粒二次水化反應(yīng)不充分，參與水化反應(yīng)的顆粒有限。而對(duì)于65%含水率，含水率較充分，參與反應(yīng)的固化劑顆粒逐漸增多。在軸向壓力作用下，雖然有部分水被擠出，但包裹在土顆粒內(nèi)部的水無(wú)法完全流出試件外，從而使土顆粒內(nèi)部的水泥活性成分與水可以繼續(xù)水化。但值得注意的是，隨著含水率的提高，7id時(shí)試樣的彈性模量逐漸減低，這可能是由于隨著含水率的提高，固化土體內(nèi)的大孔隙較多，水化膠凝產(chǎn)物不足以完全填充孔隙，造成固化土彈性模量變小。

圖7 不同含水率固化軟土的彈性模量隨超細(xì)水泥摻量增加的變化曲線(xiàn)Fig.7 Curve of elastic modulus of the stabilized soft soil with different ultra-fine cement content at varied water contents

2.4 固化軟土孔隙分布

孔隙結(jié)構(gòu)特征影響固化軟土的物理和力學(xué)性質(zhì)，本文采用低場(chǎng)核磁共振法（NMR）對(duì)7id的試樣進(jìn)行孔徑分析。選擇達(dá)到養(yǎng)護(hù)齡期的試樣進(jìn)行抽氣真空飽和，抽氣時(shí)間為4ih，使飽和度達(dá)到97%以上，不滿(mǎn)足的仍需繼續(xù)飽和。待試樣充分飽和后，進(jìn)行核磁共振試驗(yàn)。低場(chǎng)核磁共振技術(shù)可以得到試樣的弛豫時(shí)間T2分布，T2本質(zhì)是表征試樣內(nèi)水的氫質(zhì)子的分子運(yùn)動(dòng)性（Baranowska et al.，2008），而T2正比于孔隙半徑。弛豫時(shí)間T2在0.1～1ims、10ims左右和70ims以上分別對(duì)應(yīng)著微小孔、中孔和大孔及裂隙（任會(huì)康等，2017；譚龍等，2017），故固化軟土試樣內(nèi)孔隙含量百分比可由峰值所代表的相應(yīng)孔徑區(qū)間求出。

表8和表9依次給出了含水率50%和65%條件下各個(gè)試樣在7id的孔隙含量百分比。由表8可以看出，對(duì)于含水率50%的試樣，微小孔占據(jù)較大百分比，即固化軟土主要以微小孔發(fā)育為主。隨著軸向壓力的增加，固化軟土的大孔及裂隙含量相對(duì)減少，說(shuō)明固化軟土的密實(shí)性增強(qiáng)，從而提高了抗壓強(qiáng)度，這也與前述結(jié)論相一致；對(duì)于OPC試樣，其大孔隙含量相對(duì)較多，表明試樣密實(shí)度不佳，但隨著超細(xì)水泥摻量的增加，固化軟土的大孔隙含量逐漸減少，微小孔的比例增加，說(shuō)明水化產(chǎn)物較多，使試樣密實(shí)進(jìn)而提高了試樣的抗壓強(qiáng)度。根據(jù)表9也得出上述相關(guān)結(jié)論，即隨著超細(xì)水泥摻量的增加，固化軟土試樣中的微小孔及中孔百分比相對(duì)提高，從而使試樣具有較高的抗壓強(qiáng)度；隨著軸向壓力的增加，固化軟土的孔隙壓密效果明顯。對(duì)比表8和表9，對(duì)于OPC和UFC試樣，可以看出其在50%含水率條件下的大孔隙含量少于其在含水率65%的條件，說(shuō)明含水率大，試樣的密實(shí)度并不佳，雖然超細(xì)水泥加入促進(jìn)水化物生成，但較多的初始含水率將使試樣仍然具有較多的大孔隙。但在軸壓條件下，UFC試樣微小孔隙相對(duì)發(fā)育，說(shuō)明軸向壓力促進(jìn)了水化反應(yīng)，同時(shí)也提高了固化土的密實(shí)度，從而使其具有較高的抗壓強(qiáng)度。

表8 含水率50%條件下各試樣孔隙分布比例Table 8 Pore distribution of the stabilized soil at 50%water content

表9 含水率65%條件下各試樣孔隙分布比例Table 9 Pore distribution of the stabilized soil at 65%water content

2.5 XRD礦物成分

固化劑與水、土顆粒主要發(fā)生離子交換和水化反應(yīng)等，反應(yīng)產(chǎn)物的類(lèi)型和數(shù)量會(huì)顯著影響固化軟土的抗壓強(qiáng)度。固化劑水化生成Ca（OH）2和膠凝產(chǎn)物CSH（水化硅酸鈣）、CAH（水化鋁酸鈣）、CASH（水化硅鋁酸鈣）和Aft（鈣礬石）等，一部分Ca（OH）2形成晶體結(jié)構(gòu)，一部分溶解于土體的孔隙水中形成堿性環(huán)境，與土體中礦物質(zhì)繼續(xù)發(fā)生水解反應(yīng)生成膠凝產(chǎn)物。軟土中參與化學(xué)反應(yīng)的主要代表性礦物為高嶺石（K，2-Theta＝25.0°、60.5°）和石英（Q，2-Theta＝20.8°、50.1°）。

圖8為軸向壓力為270ikPa時(shí)，不同含水率的固化土的XRD的衍射圖譜。圖8a為含水率50%的固化軟土XRD圖譜，由圖可知，隨著超細(xì)水泥摻量的增加，XRD圖譜中Q、K的衍射峰強(qiáng)度逐漸降低，CSH衍射峰的強(qiáng)度基本逐漸增大，表明水化產(chǎn)物逐漸增多，同時(shí)有鈣礬石生成，共同促進(jìn)固化土抗壓強(qiáng)度的提高。圖8b為含水率65%的固化軟土的XRD衍射結(jié)果，與圖8a類(lèi)似，不同的是含水率65%的固化軟土中K、Q衍射峰強(qiáng)度低于含水率50%的固化軟土，表明在含水量相對(duì)充足時(shí)，水化反應(yīng)能消耗大量土體礦物質(zhì)，因此含水率65%的固化軟土水化較含水率50%的固化軟土水化充分。

圖8 不同含水率的固化軟土成分表對(duì)比圖Fig.8 XRD patterns of the stabilized soft soil with different water contents

圖9為不同軸壓下，65%含水率CAUO10固化軟土的XRD的衍射圖譜。由圖可見(jiàn)，不同軸壓下固化土的XRD衍射峰的變化趨勢(shì)基本類(lèi)似，65%含水率CAUO10固化軟土主要物質(zhì)的XRD的衍射峰的變化情況如表10所示，對(duì)比2-Theta＝20.8°處Q的衍射峰強(qiáng)度可以發(fā)現(xiàn)該值由1017變化至1143和1232，2-Theta＝50.1°處Q衍射峰強(qiáng)度由1467變化至1507和1944，2-Theta＝60.5°處K衍射峰強(qiáng)度由1021變化至1127和1415，表明隨著軸向壓力的增加，固化軟土內(nèi)水化反應(yīng)仍持續(xù)進(jìn)行。由上述分析可知，固化軟土強(qiáng)度的提高不僅來(lái)源于孔隙壓密，還有水化產(chǎn)物對(duì)土顆粒的黏結(jié)和填充孔隙，同時(shí)隨著軸向壓力的提高，固化軟土骨架致密性進(jìn)一步提高。

2.6 SEM微觀(guān)結(jié)構(gòu)

圖10是養(yǎng)護(hù)齡期7id時(shí)不同軸向壓力下W50CAUO10系列試樣的SEM圖像。由圖可見(jiàn)，隨著軸向壓力的增加，固化軟土的孔隙逐漸減少，密實(shí)性增強(qiáng)。同時(shí)，水化膠凝產(chǎn)物形成的骨架結(jié)構(gòu)相比低軸壓作用時(shí)顯得更加緊密。這主要是由于隨著固化劑水化反應(yīng)的進(jìn)行，生成大量膠凝產(chǎn)物，膠凝產(chǎn)物能將土顆粒包裹，膠凝產(chǎn)物、鈣礬石等逐步向外生長(zhǎng)最終互相搭接形成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，同時(shí)固化軟土在軸向壓力下部分水被擠出使固化土顆粒變得更加緊湊，軸向壓力越大（即養(yǎng)護(hù)圍壓越大），孔隙相對(duì)越小，試樣更密實(shí)。

圖9 含水率65%條件下不同軸向壓力的CAUO10固化土成分對(duì)比圖Fig.9 The XRD patterns of the CAUO10istabilized soil under different confining stress at 65%water content

表10 65%含水率CAUO10固化軟土主要物質(zhì)的XRD衍射峰值Table 10 The XRD diffraction of main materials with 65%water content at the CAUO10 stabilized soil

圖10 含水率50%條件下不同軸向壓力的CAUO10固化軟土的SEM圖像（放大至50iμm）Fig.10 SEM images of the CAUO10istabilized soil under different confining stress at 50%water content（enlarged to 50iμm）

圖11 65ikPa下含水率65%的不同超細(xì)水泥摻量固化軟土的SEM圖像（放大至10iμm）Fig.11 SEM image of the stabilized soft soil with 65%water content at 165ikPa and different ultrafine cement contents（enlarged to 10iμm）

圖11為165ikPa下含水率65%的固化軟土隨超細(xì)水泥摻量變化的SEM分析結(jié)果。隨著超細(xì)水泥摻量的增加，固化軟土中膠凝產(chǎn)物增加，從針狀、絮狀生長(zhǎng)逐漸向片狀、塊狀發(fā)展，超細(xì)水泥摻量達(dá)到10%～20%時(shí)，膠凝產(chǎn)物的互相搭接而形成的網(wǎng)狀骨架結(jié)構(gòu)明顯好于OPC固化軟土，同時(shí)隨著超細(xì)水泥摻量的增加，固化軟土中的孔隙逐漸減少，因而固化軟土強(qiáng)度隨超細(xì)水泥摻量的增加提高。

3 復(fù)合固化劑的固化機(jī)理分析

針對(duì)上述試驗(yàn)結(jié)果，本文擬提出圍壓作用下采用復(fù)合固化劑固化軟土的水化模型（圖12）。該模型主要假設(shè)如下：（1）主要針對(duì)軟土顆粒（Horpibulsuk et al.，2004），當(dāng)土顆粒與復(fù)合水泥固化劑混合后，顆?？膳c超細(xì)水泥中未反應(yīng)的活性成分形成土團(tuán)粒（圖12a），加入水后（圖12b），固化劑的水化物在外部擠壓土團(tuán)粒或填充土團(tuán)粒間的孔隙，同時(shí)土團(tuán)粒內(nèi)部間活性成分可與自由水反應(yīng)生成水化物，填充土團(tuán)粒內(nèi)部；（2）圍壓有兩方面的作用（Ahnberg，2007；譚龍等，2017），第1是壓縮作用，即隨著圍壓的增加，軟土中孔隙水越容易被擠出，造成軟土的有效孔隙率減少，從而使固化軟土更密實(shí)。第2是骨架預(yù)應(yīng)力作用。圍壓對(duì)試樣產(chǎn)生有效應(yīng)力，同時(shí)復(fù)合固化劑中的活性顆粒發(fā)生水化反應(yīng)生成大量膠凝產(chǎn)物以膠結(jié)土顆粒和填充孔隙，未反應(yīng)顆粒和固化劑中的惰性顆?？捎糜谔畛淇紫叮▓D12c）。隨齡期的增加，固化軟土的骨架結(jié)構(gòu)逐步形成，在有效應(yīng)力作用下，軟土的骨架結(jié)構(gòu)更加密實(shí)，固化土抗壓強(qiáng)度提高（圖12d），移除圍壓后，該應(yīng)力不會(huì)消失而是存在于固化軟土內(nèi)。

上述模型中，由于復(fù)合固化劑中超細(xì)水泥的比表面積要大于普通水泥，因此超細(xì)水泥的反應(yīng)速率及反應(yīng)的充分程度要優(yōu)于普通水泥。隨著復(fù)合固化劑中超細(xì)水泥摻量的增加，超細(xì)水泥中的活性成分SiO2和Al2O3與電離出來(lái)的Ca2＋反應(yīng)更加充分，反應(yīng)生成更多的膠凝物質(zhì)CSH（水化硅酸鈣）、CAH（水化鋁酸鈣）、CASH（水化硅鋁酸鈣）等，這一類(lèi)膠凝產(chǎn)物在土顆粒與土顆粒之間起到黏結(jié)作用，提升固化軟土的抗壓強(qiáng)度。其次，圍壓作用對(duì)固化軟土的強(qiáng)度提高也產(chǎn)生影響，對(duì)于本文中當(dāng)含水率較少時(shí)的試樣（50%），圍壓作用使軟土中的自由水被擠出，而固化劑中部分細(xì)顆粒由于比表面積較大，先期水化反應(yīng)較充分，但土團(tuán)顆粒內(nèi)部由于孔隙水不易移動(dòng)，使內(nèi)部水化反應(yīng)在后期較緩慢，故固化軟土的強(qiáng)度提高主要來(lái)源于膠凝產(chǎn)物形成的固化軟土骨架，及惰性顆粒的填充作用。當(dāng)含水率較充分時(shí)（65%），圍壓作用雖然擠出了軟土孔隙中的自由水，但孔隙內(nèi)的含水量仍多于含水率50%的試樣。在圍壓作用下，土團(tuán)顆粒附著的活性細(xì)顆?？梢暂^多地參與水化反應(yīng)，固化軟土的強(qiáng)度的提高主要依靠膠凝產(chǎn)物黏結(jié)土顆粒形成土骨架。隨著圍壓的提高，土骨架越致密，而惰性粗顆粒雖有填充土團(tuán)顆粒內(nèi)部孔隙的作用，但效果小于骨架預(yù)應(yīng)力的作用，從而表現(xiàn)為UFC試樣7id的抗壓強(qiáng)度絕對(duì)值較CAUO系列試樣高，可以認(rèn)為養(yǎng)護(hù)圍壓對(duì)含有超細(xì)水泥固化軟土具有較積極的作用。同時(shí)，隨著含水率的提高，試樣初始孔隙率提高，從而降低了固化軟土的抗壓強(qiáng)度。

圖12 圍壓養(yǎng)護(hù)下固化軟土結(jié)構(gòu)形成模型Fig.12 Structure formation model of the stabilized soft soil under confining pressure curing

4 結(jié) 論

本文主要研究超細(xì)水泥對(duì)固化軟土力學(xué)性能的影響。在普通水泥中加入不同比例的超細(xì)水泥組成復(fù)合水泥固化劑。采用自制圍壓養(yǎng)護(hù)裝置，通過(guò)施加軸向壓力的方式對(duì)復(fù)合水泥固化軟土進(jìn)行圍壓養(yǎng)護(hù)，研究不同養(yǎng)護(hù)圍壓下超細(xì)水泥含量，含水率及養(yǎng)護(hù)齡期對(duì)復(fù)合水泥固化軟土抗壓強(qiáng)度的影響，采用微觀(guān)分析方法獲得不同超細(xì)水泥摻量下微觀(guān)結(jié)構(gòu)發(fā)展的規(guī)律，并揭示其固化機(jī)理。并建立固化軟土強(qiáng)度預(yù)測(cè)公式，提出圍壓條件下復(fù)合水泥固化軟土生成模型，本文可得到以下結(jié)論：

（1）固化軟土含水率、養(yǎng)護(hù)圍壓不變的條件下，隨著超細(xì)水泥摻量的增加，固化劑細(xì)顆粒含量增加，水化反應(yīng)越充分，生成大量的膠凝產(chǎn)物以更好地膠結(jié)土顆粒和填充孔隙，從而提高固化軟土抗壓強(qiáng)度和彈性模量。固化軟土的微小孔和中孔含量隨超細(xì)水泥摻量的增加而增加，表明固化軟土隨著超細(xì)水泥摻量增加而增強(qiáng)了微觀(guān)結(jié)構(gòu)的密實(shí)性。

（2）在超細(xì)水泥摻量、養(yǎng)護(hù)圍壓不變的條件下，固化軟土的抗壓強(qiáng)度和彈性模量隨著含水率的提高而降低。隨著含水率的提高，土顆粒間距增大，孔隙增多，需要的填充物質(zhì)增多，從而使水化反應(yīng)能生成的膠凝產(chǎn)物仍舊不能完全將孔隙填充。含水率高的試樣中孔含量隨含水率的提高而增加，表明固化軟土的密實(shí)性隨含水率的提高而降低。

（3）固化軟土的抗壓強(qiáng)度、剛度隨著養(yǎng)護(hù)圍壓的提高而提高。在養(yǎng)護(hù)圍壓的作用下，固化劑中活性細(xì)顆粒發(fā)生水化反應(yīng)，水化產(chǎn)物能較好地黏聚土顆粒和填充土團(tuán)顆粒間的孔隙，粗顆粒填充土顆粒間孔隙。隨著圍壓的增加，壓縮作用和預(yù)骨架應(yīng)力作用增強(qiáng)，結(jié)構(gòu)越致密，從而提高了固化軟土的抗壓強(qiáng)度。隨著含水率的提高固化軟土的中孔相對(duì)發(fā)育，微小孔相對(duì)不發(fā)育，固化軟土的抗壓強(qiáng)度逐漸降低，固化軟土的抗壓強(qiáng)度隨著齡期的增加而提高。從經(jīng)濟(jì)角度分析，考慮圍壓作用時(shí)，對(duì)于含水率為50%和65%的軟土，采用10%超細(xì)水泥摻量對(duì)提高軟土的早期抗壓強(qiáng)度具有一定經(jīng)濟(jì)性。

（4）基于實(shí)驗(yàn)結(jié)果，采用多元線(xiàn)性回歸分析理論，建立圍壓養(yǎng)護(hù)條件下不同含水率及超細(xì)水泥摻量的復(fù)合水泥固化軟土早期抗壓強(qiáng)度預(yù)測(cè)模型，計(jì)算模型的回歸系數(shù)大于0.9，表明預(yù)測(cè)結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果較吻合，具有適用性。