膨潤(rùn)土對(duì)雙輪銑水泥土攪拌墻體強(qiáng)度和滲透特性的影響

陳宇航 唐昊陵 章定文

摘 要：膨潤(rùn)土漿液常作為地下工程雙輪銑水泥土攪拌墻（CSM）的銑削液來改善土體攪拌均勻性和維持槽壁穩(wěn)定。通過室內(nèi)試驗(yàn)研究膨潤(rùn)土水泥土試樣無側(cè)限抗壓強(qiáng)度和滲透系數(shù)等特性隨膨潤(rùn)土摻入量的變化情況，并結(jié)合壓汞試驗(yàn)分析摻入膨潤(rùn)土對(duì)水泥土微觀孔隙特征的影響，探討摻入膨潤(rùn)土后試樣孔隙比的變化與水泥土試樣無側(cè)限抗壓強(qiáng)度和滲透系數(shù)的內(nèi)在關(guān)聯(lián)。結(jié)果表明，摻入膨潤(rùn)土可顯著降低水泥固化砂土和粉土的滲透系數(shù);摻入膨潤(rùn)土還能提高無側(cè)限抗壓強(qiáng)度，砂土試樣的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度增幅較水泥固化粉土試樣更大;固化土無側(cè)限抗壓強(qiáng)度和孔隙比與水泥摻量的比值近似呈冪函數(shù)關(guān)系;膨潤(rùn)土能有效填充孔隙，同時(shí)與水泥水化產(chǎn)物發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，改變水泥土孔隙分布;摻入適量的膨潤(rùn)土可改善水泥土試樣承強(qiáng)防滲效果，在固化粉土和砂土試樣中膨潤(rùn)土的適宜摻入量分別為5%和2.5%～5%。

關(guān)鍵詞：雙輪銑水泥土攪拌墻;膨潤(rùn)土;抗壓強(qiáng)度;滲透系數(shù)

中圖分類號(hào)：TU525.9 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：2096-6717（2020）06-0031-07

Abstract： Soil-bentonite mixtures are often used to maintain the stability of the deep mixed pile method for the double round milling wall （Cutter Soil Mixing， CSM）. The effect of bentonite content on the unconfined compressive strength and permeability of soil-bentonite mixtures in CSM when the local soil was sand and silt. The properties including the unconfined compressive strength and permeability was measured， and microstructure was investigated using MIP. The relationship between the change of pore ratio and the unconfined compressive strength and permeability coefficient of cement soil samples was investigated. The results show that the expansion of the bentonite and chemical reaction with cement hydration products can change the pore distribution of soil-bentonite mixtures; The variation of bentonite content can significantly reduce the permeability coefficient and improve the unconfined compressive strength; The increase of unconfined compressive strength of sand samples is larger than that of silt samples;The ratio of compressive strength to porosity and cement content is approximately a power function relationship; Bentonite can effectively fill the pores， and at the same time， it reacts with cement hydration products to change the pore distribution in cement soil; A certain amount of bentonite is effective in improving the strength of the cement soil sample， but the marginal effect of improving the dosage is not obvious. The optimum content of bentonite in silt is 5% and in sand is 2.5%～5%.

Keywords：cutter soil mixing （CSM） wall; bentonite; compressive strength; permeability

膨潤(rùn)土常作為地下工程墻體施工的添加劑，如歐美國(guó)家規(guī)范采用水泥膨潤(rùn)土和土膨潤(rùn)土系豎向隔離墻作為城市工業(yè)污染場(chǎng)地的防污防滲墻[1-2]。在施工雙輪銑水泥土攪拌墻（Cutter Soil Mixing，簡(jiǎn)稱CSM）時(shí)，往往也需要注入以膨潤(rùn)土泥漿為主的銑削液來改善土體攪拌均勻性和維持槽壁穩(wěn)定[3]。

無側(cè)限抗壓強(qiáng)度和滲透系數(shù)是評(píng)價(jià)地下工程墻體工程性能的指標(biāo)?，F(xiàn)有水泥土攪拌墻技術(shù)規(guī)程中膨潤(rùn)土對(duì)水泥土攪拌墻強(qiáng)度和滲透系數(shù)的作用并不明確。水泥固化土顆粒的強(qiáng)化作用有硬凝反應(yīng)、團(tuán)粒化作用和結(jié)晶作用，水泥常作為提高軟黏土強(qiáng)度和剛度的添加劑[4-5]。Lorenzo等[6]提出水泥土孔隙率與水泥摻入量的比值表征水泥土的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度，然而摻入大量的水泥會(huì)增加工法成本。適量地?fù)饺肱驖?rùn)土對(duì)改善水泥土墻體滲透系數(shù)和強(qiáng)度有積極影響。Agus等[7]和秦冰等[8]研究鈣基膨潤(rùn)土與砂混合物的膨脹特性及膨脹量預(yù)測(cè)方法，通過建立不同豎向力和孔隙比的線性對(duì)應(yīng)關(guān)系，預(yù)測(cè)不同摻砂率的膨潤(rùn)土砂混合物在不同豎向應(yīng)力下由初始狀態(tài)至浸水飽和狀態(tài)產(chǎn)生的體變量和吸水量。Carreto等[9]研究膨潤(rùn)土水泥漿體的應(yīng)力應(yīng)變特性和滲透性，提出一種類纖維海綿介質(zhì)的微觀結(jié)構(gòu)模型解釋混合體的作用機(jī)理。Fan等[10]研究膨潤(rùn)土黏土混合體的工程特性，當(dāng)膨潤(rùn)土摻量為5%～15%時(shí)，固結(jié)體的滲透系數(shù)可降至10-7 cm/s。徐超等[11]認(rèn)為摻入膨潤(rùn)土可將水泥膨潤(rùn)土固結(jié)體的滲透系數(shù)在28 d齡期時(shí)降至10-7 cm/s以下。Opdyke等[12]研究礦渣水泥膨潤(rùn)土材料，表明混合體的滲透系數(shù)最低降至10-8 cm/s，且認(rèn)為水泥等膠凝材料是貢獻(xiàn)無側(cè)限抗壓強(qiáng)度的主要來源。朱偉等[13]認(rèn)為摻入膨潤(rùn)土極大地提高水泥固化含重金屬污泥的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度，當(dāng)水泥和膨潤(rùn)土的摻入量均為20%（相對(duì)于僅有的水泥摻入量為40%）時(shí)，強(qiáng)度可提高6倍多。

在砂土層和粉土層，摻入水泥膨潤(rùn)土漿液與地層原狀土固結(jié)漿體的性能研究較少，且對(duì)摻入量的討論較少。摻入膨潤(rùn)土對(duì)無側(cè)限抗壓強(qiáng)度和滲透系數(shù)的增長(zhǎng)規(guī)律多為定性分析，無法指導(dǎo)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)計(jì)和施工。筆者以粉土、砂土土樣摻入膨潤(rùn)土和水泥的混合料為研究對(duì)象，通過室內(nèi)試驗(yàn)研究水泥土固結(jié)體的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度和滲透系數(shù)隨膨潤(rùn)土摻入量的變化規(guī)律;研究孔隙比與水泥摻入量比值表征強(qiáng)度方法的適用性;結(jié)合壓汞試驗(yàn)分析膨潤(rùn)土對(duì)水泥土微觀孔隙的變化特征，探討膨潤(rùn)土摻入量與水泥土試樣孔隙變化量的關(guān)系，為CSM工法水泥土攪拌墻的施工提供理論依據(jù)。

1 試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)材料

選取粉土和砂土作為研究對(duì)象，其中，粉土取自山東陽谷某建設(shè)場(chǎng)地地層2～3 m處，呈黃褐色，簡(jiǎn)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(jiǎn)稱砂土樣。試驗(yàn)中膨潤(rùn)土選用商用鈣基膨潤(rùn)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(rùn)土膨脹指數(shù)的測(cè)定方法參照ASTM D5890-11。

1.2 試驗(yàn)方案及測(cè)試方法

1.2.1 試驗(yàn)方案

試驗(yàn)配合比如表2所示。室內(nèi)試驗(yàn)水泥摻入量（C）分別為20%、22%以及24%。大量地下墻體工程應(yīng)用中，膨潤(rùn)土摻入量常見范圍是4%～7%[14]。CSM工法制漿時(shí)的膨潤(rùn)土摻入量通常為5%～8%，故膨潤(rùn)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(gè)平行樣，取平均值作為測(cè)試結(jié)果。

1.2.2 試驗(yàn)步驟

1）用一定量的膨潤(rùn)土和蒸餾水配制膨潤(rùn)土漿液，攪拌均勻并密封放置24 h。將試驗(yàn)所用土樣風(fēng)干粉碎，過2 mm篩，加入相應(yīng)比例的水泥，充分?jǐn)嚢韬蠹尤肱驖?rùn)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(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室（溫度20±2 ℃，相對(duì)濕度95%），養(yǎng)護(hù)48 h后脫模，繼續(xù)養(yǎng)護(hù)至預(yù)定齡期后進(jìn)行相應(yīng)測(cè)試。

3）無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)前測(cè)試試樣的質(zhì)量與體積，計(jì)算試樣密度。無側(cè)限抗壓強(qiáng)度的加載應(yīng)變速率為1%/min。強(qiáng)度試驗(yàn)后取碎料測(cè)試試樣養(yǎng)護(hù)后的含水率。

4）采用三軸柔性壁滲透儀進(jìn)行滲透試驗(yàn)。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(jìn)行試驗(yàn)，具體方法參照《土工試驗(yàn)規(guī)程》（SL 237—1999）。

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

2 試驗(yàn)結(jié)果

2.1 膨潤(rùn)土對(duì)水泥土無側(cè)限抗壓強(qiáng)度的影響

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

無論是粉土樣或砂土試樣，不摻膨潤(rùn)土的情況下，水泥摻入量越高，無側(cè)限抗壓強(qiáng)度越大。隨著膨潤(rùn)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(zhǎng)。一般水泥摻入量越高，無側(cè)限抗壓強(qiáng)度增幅出現(xiàn)拐點(diǎn)越早。

從土的顆粒級(jí)配來看，砂土顆粒組成以粗顆粒中的細(xì)砂為主，而粉土屬細(xì)粒土，其粉粒含量占絕對(duì)優(yōu)勢(shì)。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(cè)限抗壓強(qiáng)度越大。摻入膨潤(rùn)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(jié)強(qiáng)度，導(dǎo)致膨潤(rùn)土提高砂土試樣抗壓強(qiáng)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(cè)限抗壓強(qiáng)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(shí)為10%）膨潤(rùn)土的填充作用對(duì)改善強(qiáng)度起到主要作用。

2.2 膨潤(rùn)土對(duì)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(hù)齡期為28 d時(shí)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(rùn)土摻入量的增加而降低。對(duì)比膨潤(rùn)土摻入量為0 和10%時(shí)，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。

對(duì)于兩種試樣，當(dāng)膨潤(rùn)土摻量較?。ㄐ∮?.5%）時(shí)，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(diǎn)則在膨潤(rùn)土摻入量為5%出現(xiàn)，而固化砂土試樣的拐點(diǎn)在膨潤(rùn)土摻入量為2.5%處。

綜合無側(cè)限抗壓強(qiáng)度和滲透系數(shù)試驗(yàn)，一味摻入膨潤(rùn)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(cè)限抗壓強(qiáng)度應(yīng)大于0.5 MPa，滲透系數(shù)應(yīng)降至10-7 cm/s以下。忽略室內(nèi)試驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)施工不同的攪拌均勻程度問題。在兩種水泥土試樣的強(qiáng)度和滲透系數(shù)滿足工程要求情況下，對(duì)于粉土試樣，當(dāng)膨潤(rùn)土摻入量大于5%時(shí)，滲透系數(shù)趨于平緩的直線，抗壓強(qiáng)度的增幅也變緩。對(duì)于砂土試樣，滲透系數(shù)下降至平緩的拐點(diǎn)在2.5%～5%之間，此時(shí)的試樣強(qiáng)度也滿足要求。綜合無側(cè)限抗壓強(qiáng)度和滲透試驗(yàn)結(jié)果，無論是粉土試樣或砂土試樣，摻入膨潤(rùn)土可以顯著提高水泥土的抗壓強(qiáng)度和降低滲透系數(shù)，但膨潤(rùn)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(rùn)土摻入量存在邊際效應(yīng)。對(duì)于粉土試樣，膨潤(rùn)土的摻入量應(yīng)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(rùn)土?xí)r，水泥水化反應(yīng)的絮凝作用使原狀土顆粒粒徑變大，形成團(tuán)粒，增加了水泥土試樣的孔隙，同時(shí)，火山灰反應(yīng)的膠結(jié)產(chǎn)物充斥在土顆?；驁F(tuán)粒間，使水泥土試樣孔隙變小。此時(shí)，水泥土試樣的孔隙是水泥水化反應(yīng)和火山灰反應(yīng)綜合的結(jié)果[5]。摻入膨潤(rùn)土后，膨潤(rùn)土水化后均能填充封閉土顆?；驁F(tuán)粒間的小孔隙，降低水泥土試樣的滲透系數(shù)。對(duì)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(dǎo)致兩種水泥土試樣滲透系數(shù)降幅也較為相近。

2.3 膨潤(rùn)土對(duì)水泥土微觀孔隙結(jié)構(gòu)的影響

選取試驗(yàn)方案中C20B0與C20B10固化粉土試樣的壓汞試驗(yàn)結(jié)果，其累計(jì)進(jìn)汞曲線如圖4所示。從圖4可知，在粉土試樣中摻入膨潤(rùn)土后，試樣的最終進(jìn)汞量從0.367 mL/g下降至0.344mL/g。土中曲線呈現(xiàn)向“左”移動(dòng)趨勢(shì)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(duì)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(rùn)土后，改變了水泥土試樣的顆粒級(jí)配，導(dǎo)致小孔徑增多，試樣更加密實(shí)。膨潤(rùn)土具有很好的分散性，有利于填充孔隙，從而降低孔隙比。

3 結(jié)果分析與討論

3.1 膨潤(rùn)土對(duì)水泥土孔隙比的影響

試樣在養(yǎng)護(hù)至相應(yīng)齡期后的孔隙比按式（1）計(jì)算。

3.2 無側(cè)限抗壓強(qiáng)度與孔隙比的關(guān)系

孔隙比的降低與無側(cè)限抗壓強(qiáng)度的增長(zhǎng)有很強(qiáng)的相關(guān)性。早期研究提出水灰比對(duì)固化土的強(qiáng)度特性起到控制作用。文獻(xiàn)[6]提出e/C代替水灰比表征水泥土試樣的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度特性。文獻(xiàn)[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(cè)限抗壓強(qiáng)度。

由圖8可知，單位質(zhì)量膨潤(rùn)土的體積變化系數(shù)a=0.78。單位質(zhì)量膨潤(rùn)土的體積變化系數(shù)a<1，可見，膨潤(rùn)土不僅起到填充的作用，同時(shí)參與化學(xué)反應(yīng)。膨潤(rùn)土是以蒙脫石為主的含水硅鋁酸鹽，可與水泥水化產(chǎn)物發(fā)生反應(yīng)，生成凝膠產(chǎn)物充斥在水泥原狀土骨架中，同時(shí)，蒙脫石層帶負(fù)電荷，相互排斥使得薄層之間的距離增大，引起膨脹，填充在水泥土孔隙，使得固結(jié)體更加密實(shí)。微觀試驗(yàn)結(jié)果證實(shí)膨潤(rùn)土可改善水泥土試樣的孔隙分布。因此得出膨潤(rùn)土對(duì)水泥土試樣無側(cè)限抗壓強(qiáng)度和滲透系數(shù)改善貢獻(xiàn)主要在其分散性、膨脹性和與水泥水化產(chǎn)物發(fā)生的化學(xué)反應(yīng)。

3.3 滲透系數(shù)與孔隙比的關(guān)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(guān)系如圖9所示。水泥土試樣的e與ln（k）有較好的線性關(guān)系。摻入膨潤(rùn)土減少孔隙比，可進(jìn)一步降低滲透系數(shù)。

4 結(jié)論

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

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

2）膨潤(rùn)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(xué)反應(yīng)作用。經(jīng)計(jì)算，單位質(zhì)量的膨潤(rùn)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(píng)價(jià)水泥土試樣的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度。研究結(jié)果可作為現(xiàn)場(chǎng)摻入膨潤(rùn)土的配合比試驗(yàn)工作參考，指導(dǎo)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)計(jì)施工。

4）適當(dāng)摻量的膨潤(rùn)土可提高強(qiáng)度和改善防滲性能，超過適量范圍的膨潤(rùn)土摻入量改善水泥土試樣性能的效應(yīng)減弱。綜合考慮強(qiáng)度和抗?jié)B性能，對(duì)于粉土試樣，膨潤(rùn)土的摻入量應(yīng)取5%，對(duì)于砂土試樣應(yīng)在2.5%～5%之間。參考文獻(xiàn)：

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（編輯 章潤(rùn)紅）