膨潤土對雙輪銑水泥土攪拌墻體強度和滲透特性的影響

陳宇航，唐昊陵，章定文

(1. 東南大學 交通學院；江蘇省城市地下工程與環(huán)境安全重點實驗室，南京 211189；2.南京城建隧橋經(jīng)營管理有限責任公司，南京 213000)

1 試驗

1.1 試驗材料

選取粉土和砂土作為研究對象，其中，粉土取自山東陽谷某建設場地地層2～3 m處，呈黃褐色，簡稱粉土樣；砂土土樣由商用河砂(過2 mm篩)、高嶺土按1∶1的比例配制而來，簡稱砂土樣。試驗中膨潤土選用商用鈣基膨潤土。水泥為P·O 42.5普通硅酸鹽水泥。上述試樣用土的基本物理特性如圖1和表1所示，膨潤土膨脹指數(shù)的測定方法參照ASTM D5890-11。

圖1 土體粒徑分布曲線Fig.1 Particle size distribution curves of soil sample

表1 土體物理特性指標Table 1 Physical properties of soil samples

1.2 試驗方案及測試方法

1.2.1 試驗方案 試驗配合比如表2所示。室內(nèi)試驗水泥摻入量(C)分別為20%、22%以及24%。大量地下墻體工程應用中，膨潤土摻入量常見范圍是4%～7%[14]。CSM工法制漿時的膨潤土摻入量通常為5%～8%，故膨潤土摻入量(B)的范圍為0～10%，分別取0、2.5%、5%、7.5%和10%。每種配合比制備3個平行樣，取平均值作為測試結果。

表2 試驗配合比Table 2 Test program of soil-cement mixtures

1.2.2 試驗步驟

1)用一定量的膨潤土和蒸餾水配制膨潤土漿液，攪拌均勻并密封放置24 h。將試驗所用土樣風干粉碎，過2 mm篩，加入相應比例的水泥，充分攪拌后加入膨潤土泥漿，繼續(xù)攪拌至均勻(攪拌約10 min)。

2)將攪拌均勻的混合土料灌入尺寸為高10 cm、直徑5 cm的PVC管模具，分層振搗后直接放入標準養(yǎng)護室(溫度20±2 ℃，相對濕度95%)，養(yǎng)護48 h后脫模，繼續(xù)養(yǎng)護至預定齡期后進行相應測試。

3)無側限抗壓強度試驗前測試試樣的質(zhì)量與體積，計算試樣密度。無側限抗壓強度的加載應變速率為1%/min。強度試驗后取碎料測試試樣養(yǎng)護后的含水率。

4)采用三軸柔性壁滲透儀進行滲透試驗。將試樣放入飽和缸真空飽和12 h，將飽和后的試樣裝入三軸柔性壁滲透儀中，反壓飽和48 h后進行試驗，具體方法參照《土工試驗規(guī)程》(SL 237—1999)。

5)將切成小塊的試樣放入凍干機中冷凍24 h，將試樣放入壓汞儀中開展壓汞試驗。

2 試驗結果

2.1 膨潤土對水泥土無側限抗壓強度的影響

圖2為養(yǎng)護齡期為28 d的兩種水泥土試樣無側限抗壓強度的變化規(guī)律。固化土無側限抗壓強度隨膨潤土摻入量的增加而增加；相比于未摻入膨潤土，當膨潤土摻入量為10%時，固化粉土樣強度提高了37.3%～58.9%，固化砂土強度提高了80.1%～97.6%。在膨潤土摻入量較小時，固化土強度增加率較大；當膨潤土摻入量大于5%時，固化粉土樣試樣強度增速變緩；當膨潤土摻入量大于7.5%后，固化砂土樣強度增幅變緩。

圖2 無側限抗壓強度與膨潤土摻入量的關系Fig.2 Relationship between UCS and bentonite content

無論是粉土樣或砂土試樣，不摻膨潤土的情況下，水泥摻入量越高，無側限抗壓強度越大。隨著膨潤土摻入量增加，不同水泥摻入量的試樣出現(xiàn)不同程度的增長。一般水泥摻入量越高，無側限抗壓強度增幅出現(xiàn)拐點越早。

從土的顆粒級配來看，砂土顆粒組成以粗顆粒中的細砂為主，而粉土屬細粒土，其粉粒含量占絕對優(yōu)勢。水泥土試樣在水泥摻入量、齡期等其他條件相同情況下，土顆粒越大，砂粒含量越大，試樣無側限抗壓強度越大。摻入膨潤土可使砂土試樣中的粗顆粒更好吸附在水泥骨架上，形成更高的膠結強度，導致膨潤土提高砂土試樣抗壓強度的幅度相比粉土試樣更高。

需注意的是，在固化砂土試樣C22B10和C24B10兩種工況下，無側限抗壓強度只提高了30 kPa左右。這是由于在水泥摻入量較為接近或增加幅度不大的情況下，高摻入量(此時為10%)膨潤土的填充作用對改善強度起到主要作用。

2.2 膨潤土對水泥土滲透系數(shù)的影響

圖3為兩種水泥土試樣滲透系數(shù)在養(yǎng)護齡期為28 d時的變化情況。由圖可見，水泥土試樣的滲透系數(shù)均隨著膨潤土摻入量的增加而降低。對比膨潤土摻入量為0 和10%時，固化粉土試樣滲透系數(shù)降低了91.5%～95.4%，固化砂土試樣滲透系數(shù)降幅在92.4%～95.1%之間。

圖3 滲透系數(shù)與膨潤土摻量的關系Fig.3 Relationship between permeability coefficient and bentonite content

對于兩種試樣，當膨潤土摻量較小(小于2.5%)時，試樣滲透系數(shù)的下降幅度明顯高于其他摻量下的下降幅度。固化粉土試樣曲線的拐點則在膨潤土摻入量為5%出現(xiàn)，而固化砂土試樣的拐點在膨潤土摻入量為2.5%處。

綜合無側限抗壓強度和滲透系數(shù)試驗，一味摻入膨潤土提升水泥土試樣性能的邊際效果在減弱。水泥土墻體的28 d無側限抗壓強度應大于0.5 MPa，滲透系數(shù)應降至10-7cm/s以下。忽略室內(nèi)試驗和現(xiàn)場施工不同的攪拌均勻程度問題。在兩種水泥土試樣的強度和滲透系數(shù)滿足工程要求情況下，對于粉土試樣，當膨潤土摻入量大于5%時，滲透系數(shù)趨于平緩的直線，抗壓強度的增幅也變緩。對于砂土試樣，滲透系數(shù)下降至平緩的拐點在2.5%～5%之間，此時的試樣強度也滿足要求。綜合無側限抗壓強度和滲透試驗結果，無論是粉土試樣或砂土試樣，摻入膨潤土可以顯著提高水泥土的抗壓強度和降低滲透系數(shù)，但膨潤土摻入量超過一定范圍后，改善水泥土試樣性能的效果不顯著，即膨潤土摻入量存在邊際效應。對于粉土試樣，膨潤土的摻入量應取5%，砂土試樣在2.5%～5%之間。

孔隙比是影響滲透系數(shù)的主要因素。未摻入膨潤土時，水泥水化反應的絮凝作用使原狀土顆粒粒徑變大，形成團粒，增加了水泥土試樣的孔隙，同時，火山灰反應的膠結產(chǎn)物充斥在土顆?；驁F粒間，使水泥土試樣孔隙變小。此時，水泥土試樣的孔隙是水泥水化反應和火山灰反應綜合的結果[5]。摻入膨潤土后，膨潤土水化后均能填充封閉土顆?；驁F粒間的小孔隙，降低水泥土試樣的滲透系數(shù)。對于兩種試樣，因填充作用帶來的孔隙比變化幅度較為相近，也導致兩種水泥土試樣滲透系數(shù)降幅也較為相近。

2.3 膨潤土對水泥土微觀孔隙結構的影響

選取試驗方案中C20B0與C20B10固化粉土試樣的壓汞試驗結果，其累計進汞曲線如圖4所示。從圖4可知，在粉土試樣中摻入膨潤土后，試樣的最終進汞量從0.367 mL/g下降至0.344mL/g。土中曲線呈現(xiàn)向“左”移動趨勢且趨于平滑，反映出微觀孔隙更加均勻、部分孔隙被填充的效果，與孔隙比和滲透系數(shù)等宏觀物理特性降低相一致。

圖4 試樣累積進汞量Fig.4 Mercury intrusion versus pore size curve

圖5所示為C20B0與C20B10的固化粉土試樣孔隙分布密度曲線圖。由圖中兩條曲線對比可知，孔徑分布密度曲線形態(tài)由單峰向多峰形態(tài)轉(zhuǎn)變，曲線趨于平緩；并且孔徑峰值位置左移，峰值處的孔徑大小由725 nm降低至77.2 nm，峰值由0.26 mL/g降低至0.23 mL/g。這反映出摻入膨潤土后，改變了水泥土試樣的顆粒級配，導致小孔徑增多，試樣更加密實。膨潤土具有很好的分散性，有利于填充孔隙，從而降低孔隙比。

圖5 孔徑分布密度Fig.5 Log differential intrusion versus pore size curve

3 結果分析與討論

3.1 膨潤土對水泥土孔隙比的影響

試樣在養(yǎng)護至相應齡期后的孔隙比按式(1)計算。

(1)

式中：Gs為水泥土顆粒的比重，按文獻[15]中對水泥土各組分按質(zhì)量比例加權平均的方法近似估計水泥土試樣的比重；ωt為試樣養(yǎng)護后的含水率，在無側限抗壓強度試驗完成后測得；γt為試樣容重，γω為水的容重，取1 g/cm3。

圖6所示為28 d齡期時兩種水泥土試樣孔隙比的變化規(guī)律。由圖6可見，在相同水泥摻入量情況下，固化粉土樣和固化砂土樣的孔隙比均隨著膨潤土摻入量的增加而降低。

圖6 孔隙比與膨潤土摻入量的關系Fig.6 Relationship between void ratio and content of bentonite

3.2 無側限抗壓強度與孔隙比的關系

孔隙比的降低與無側限抗壓強度的增長有很強的相關性。早期研究提出水灰比對固化土的強度特性起到控制作用。文獻[6]提出e/C代替水灰比表征水泥土試樣的無側限抗壓強度特性。文獻[16]提出n/(Civ)exponent參數(shù)(n為孔隙率，Civ為水泥體積摻入比)表征水泥土的無側限抗壓強度。

采用表征參數(shù)e/(C)exponent評價無側限抗壓強度，建立不同水泥摻量的無側限抗壓強度與孔隙比的關系，對e/(C)exponent和無側限抗壓強度之間的關系進行擬合，如圖7所示。擬合公式如式(2)、式(3)所示。

粉土樣：

qu=1.38×107[e/(C)0.5]-2.9,R2=0.85

(2)

砂土樣：

qu=2.2×1012[e/(C)0.35]-5.7,R2=0.90

(3)

圖7 無側限抗壓強度與孔隙比/水泥摻量指數(shù)比值關系Fig.7 Relationship between UCS and void ratio/cement content index ratio

孔隙比/水泥摻量的比值與無側限抗壓強度有很好的對應關系。這一經(jīng)驗公式表明：摻入膨潤土后水泥土試樣的無側限抗壓強度與孔隙比、水泥摻入量有關。

建立水泥土試樣摻入膨潤土后的孔隙變化公式如式(4)。

e=e0-B×a

(4)

式中：e0為不摻膨潤土時水泥土試樣的初始孔隙比；B為膨潤土摻入量；a為單位質(zhì)量的體積變化系數(shù)。建立孔隙比差值e0-e1與B×a的關系求解a，如圖8所示。

圖8 膨潤土摻入量與孔隙比變化量的關系Fig.8 Relationship between the amount of bentonite incorpor ation and the change of void ratio

3.3 滲透系數(shù)與孔隙比的關系

選取28 d齡期固化試樣的孔隙比和滲透系數(shù)，并建立e-ln(k)關系如圖9所示。水泥土試樣的e與ln(k)有較好的線性關系。摻入膨潤土減少孔隙比，可進一步降低滲透系數(shù)。

圖9 滲透系數(shù)與孔隙比的關系Fig.9 Relationship between permeability coefficient and void ratio

4 結論

通過室內(nèi)試驗分別研究了摻入膨潤土對固化粉土和砂土水泥土試樣強度，滲透系數(shù)的影響，通過壓汞試驗分析了水泥土試樣內(nèi)部孔隙變化，并量化摻入膨潤土后試樣孔隙變化過程，得出以下主要結論：

1)摻入膨潤土的分散性、膨脹性和化學反應可顯著提高水泥土的無側限抗壓強度和降低水泥土的滲透系數(shù)。水泥固化砂土試樣的無側限抗壓強度增幅較水泥固化粉土試樣更大。在粉土樣中，28 d強度平均提高51%，而在砂土樣中28 d強度可平均提高87%；滲透系數(shù)均最低可達到10-9cm/s數(shù)量級。

2)膨潤土能夠降低水泥土孔隙比，減小孔隙(尤其是大孔隙)數(shù)量，改善孔隙分布密度，既有物理填充作用，也有化學反應作用。經(jīng)計算，單位質(zhì)量的膨潤土體積變化系數(shù)為0.78。

3)可使用孔隙比與水泥摻入量的比值評價水泥土試樣的無側限抗壓強度。研究結果可作為現(xiàn)場摻入膨潤土的配合比試驗工作參考，指導現(xiàn)場設計施工。

4)適當摻量的膨潤土可提高強度和改善防滲性能，超過適量范圍的膨潤土摻入量改善水泥土試樣性能的效應減弱。綜合考慮強度和抗?jié)B性能，對于粉土試樣，膨潤土的摻入量應取5%，對于砂土試樣應在2.5%～5%之間。