人工制備結(jié)構(gòu)性土孔隙比精細化評價方法研究

王智超，朱棟煒，彭慧良，鄭軍星

人工制備結(jié)構(gòu)性土孔隙比精細化評價方法研究

王智超1, 2，朱棟煒2，彭慧良2，鄭軍星2

(1. 湘潭大學(xué) 巖土力學(xué)與工程安全湖南重點實驗室，湖南 湘潭 411105；2. 湘潭大學(xué) 土木工程與力學(xué)學(xué)院，湖南 湘潭 411105)

針對當(dāng)前人工制備結(jié)構(gòu)性土未考慮水泥水化對土樣孔隙比的影響，且未對人工制備試樣實際孔隙與目標(biāo)孔隙比的一致性比加以驗證的問題，重點研究人工制備大孔隙結(jié)構(gòu)性土的實際孔隙比演化特征。通過采用尿素作為形成大孔隙結(jié)構(gòu)性土的添加料，制備了2種不同孔隙比(1.5，1.7)和不同水泥含量(4%，6%)的結(jié)構(gòu)性土，細致分析水泥水化產(chǎn)物及水浴滲透作用對試樣實際孔隙比的影響，探討試樣在恒溫水浴7，10，15 和20 d時由滲透作用引起的實際孔隙比偏差變化規(guī)律，并給出了將人工制備結(jié)構(gòu)性土實際孔隙比控制在合理范圍的方案。研究結(jié)果表明：水浴時間為7 d時，試樣實際孔隙比低于設(shè)計孔隙比，孔隙比偏差最高達到4%，若忽略這種偏差，將導(dǎo)致夸大人工制備結(jié)構(gòu)性土的結(jié)構(gòu)性以及組構(gòu)的影響；通過合理控制人工制備結(jié)構(gòu)性土的水浴時間為10 d時，其孔隙比偏差在6‰內(nèi)，可作為孔隙比偏差合理范圍值。

結(jié)構(gòu)性土；人工制備；實際孔隙比；孔隙比偏差；水浴滲透作用

軟黏土在沿海、湖泊、內(nèi)河兩岸等地區(qū)分布廣泛，其結(jié)構(gòu)性研究已成為土力學(xué)研究的核心問題之一。結(jié)構(gòu)性土區(qū)分于重塑土的兩大基本特征是土顆粒之間的膠結(jié)作用和大孔隙骨架結(jié)構(gòu)，為了深入了解土體結(jié)構(gòu)性的機理及物理力學(xué)特征，眾多學(xué)者采用人工制備結(jié)構(gòu)性土的方式對其開展研究。在人工結(jié)構(gòu)性土制備過程中，常通過添加水泥的方式對結(jié)構(gòu)性土體顆粒間膠結(jié)作用進行表征，如凌道盛等[1?3]提出通過在黏土中加入水泥和食鹽進行結(jié)構(gòu)性土的制備；蔣明鏡等[4]提出采用將原料土、冰粒和水泥混合的方法制備人工結(jié)構(gòu)性土；Bharati等[5]將新加坡海積土和銅渣、水泥等混合制備得到人工結(jié)構(gòu)性土；鄭軍星[6]將淤泥原料土、高嶺土、水泥和尿素按一定比例混合進行人工結(jié)構(gòu)性土的制備。上述制備方法均較好地復(fù)現(xiàn)了土體的結(jié)構(gòu)性特征，并初步表明水泥化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)物可較好地使得土顆粒之間產(chǎn)生膠結(jié)。值的注意的是，在針對人工結(jié)構(gòu)性土試樣孔隙比進行計算時，其固體顆粒體積常認為由原料土顆粒體積、水泥顆粒體積以及其他不溶于水的外摻劑顆粒體積組成，而在制備過程中，水泥將產(chǎn)生顯著的化學(xué)反應(yīng)，最終所得到的結(jié)構(gòu)性土試樣中應(yīng)含有復(fù)雜的水泥化學(xué)反應(yīng)后產(chǎn)物而并非水泥。孔祥明等[7]認為水泥水化硅相反應(yīng)后生成C-S-H凝膠、氫氧化鈣晶體CH；Jansen等[8]認為水泥水化鋁相反應(yīng)具備溶解與沉淀過程最終形成鈣礬石、氫氧化鈣等晶體；錢覺時等[9]曾指出鈣礬石晶體(3CaO·Al2O3·3CaSO4·32H2O)是常用硅酸鹽水泥的重要水化產(chǎn)物，占水化產(chǎn)物總量的50%～60%，從分子式可以看出鈣礬石晶體含32水分子，表明水泥水化產(chǎn)物與水泥之間的物理性質(zhì)存在顯著差異。由以上論述可知，在人工結(jié)構(gòu)性土制備過程中，水泥經(jīng)復(fù)雜的化學(xué)反應(yīng)后最終轉(zhuǎn)變?yōu)樗嗷瘜W(xué)反應(yīng)產(chǎn)物，定量化表征該變化對所制備試樣孔隙比的影響，是保證人工制備土樣孔隙比可控的重要手段。目前，雖有許多學(xué)者通過添加水泥的方式成功制備了結(jié)構(gòu)性土試樣，但其均未針對試樣實際孔隙比與目標(biāo)孔隙比的一致性比加以驗證。對于結(jié)構(gòu)性土而言，其初始孔隙比與其物理力學(xué)行為密切相關(guān)，李建紅等[10]曾指出結(jié)構(gòu)性土的初始剪切模量與結(jié)構(gòu)性土的初始孔隙比有很大關(guān)系，孔隙比越小初始變形模量就越大；Leroueil等[11]認為初始孔隙比對結(jié)構(gòu)性土的力學(xué)特性有著及其重要的影響；劉維正[12]指出天然結(jié)構(gòu)性性軟黏土其動強度隨初始孔隙比的減小而增大；王麗琴等[13]指出結(jié)構(gòu)性黃土壓縮曲線具有被其初始孔隙比和壓縮屈服應(yīng)力歸一化的特性；根據(jù)結(jié)構(gòu)性土一維壓縮試驗曲線特征，LIU等[14?15]先后提出了以孔隙比變化Δe作為結(jié)構(gòu)性評價指標(biāo)的理想壓縮模型，這種方法已被廣泛應(yīng)用于結(jié)構(gòu)性土本構(gòu)模型。為進一步明晰人工制備結(jié)構(gòu)性土過程中水泥性質(zhì)的變化對試樣實際孔隙比的影響，本文基于前人所采用的通過添加水泥制備人工結(jié)構(gòu)性土的方法，重點研究了人工制備結(jié)構(gòu)性土試樣的孔隙比特征，并結(jié)合制備過程中水泥產(chǎn)生了顯著化學(xué)反應(yīng)的特點，定量化分析了設(shè)計孔隙比與實際孔隙比的差異，進一步結(jié)合滲透原理對試樣實際孔隙比與水浴時間的關(guān)聯(lián)性進行了深入探討。

1 結(jié)構(gòu)性土制備及孔隙比測定

1.1 大孔隙結(jié)構(gòu)性土制樣方法

本文采用的大孔隙結(jié)構(gòu)性土制備方法，重點關(guān)注膠結(jié)和孔隙比兩大基本特征，采用淤泥土、早強325R水泥、高嶺土和尿素材料混合制成以模擬天然結(jié)構(gòu)性土。在混合料中添加高嶺土主要為了增加人工土的黏性及細粒比例，水泥為了模擬顆粒之間的膠結(jié)作用，通過改變水泥的添加量，從而調(diào)節(jié)顆粒間膠結(jié)強度。尿素是一種易溶于水的無機鹽，所以尿素顆粒在水化后形成大孔隙結(jié)構(gòu)。制樣過程 如下：

1) 碾散過篩：將風(fēng)干的淤泥原料土、高嶺土和水泥碾碎過0.5 mm篩，為了模擬結(jié)構(gòu)土均勻大孔隙，尿素碾碎粒徑控制在1～2 mm之間。

2) 配料：根據(jù)設(shè)計孔隙比與膠結(jié)含量，將原料土、高嶺土、水泥和尿素按一定配合比混合均勻。

3) 制樣：根據(jù)土工規(guī)范，控制混合料水解前初始干密度(1.35 g/cm3)，在尺寸為76.2 mm×20 mm的環(huán)刀中用擊實器單層擊實成型。

4) 水浴養(yǎng)護：將擊實成型的土樣放入飽和真空桶內(nèi)抽真空2個小時，注水養(yǎng)護一天以后，將試樣轉(zhuǎn)放至恒溫水浴池中進行水浴養(yǎng)護。

1.2 不同設(shè)計孔隙比結(jié)構(gòu)性土配比方案

通過調(diào)節(jié)試樣各原材料摻量制備不同設(shè)計孔隙比的環(huán)刀試樣，環(huán)刀體積為91.2 cm3。本研究制備了2種不同孔隙比(1.5，1.7)和不同水泥含量(4%，6%)的結(jié)構(gòu)性土。在實施過程中控制混合料水解前初始干密度1.35 g/cm3。具體配比如表1所示。

表1 不同孔隙比及水泥含量配比方案

人工制備結(jié)構(gòu)性土的設(shè)計孔隙比0定義為

式中：1為環(huán)刀體積；1為各原材料所占體積，即

其中：1，2和3分別為淤泥土、高嶺土以及配比325 R水泥質(zhì)量；1，2和3分別為三者的比重，依次測得為2.715，2.621和3.130。

1.3 實際孔隙比測定方案

考慮到原料土和高嶺土與水不會發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，故水浴前后物理性質(zhì)不變，只有水泥水化反應(yīng)會發(fā)生性質(zhì)改變。為準(zhǔn)確測定人工制備結(jié)構(gòu)性土試樣孔隙比實際值，首先對相同孔隙比不同水泥含量的結(jié)構(gòu)性土試樣進行溫水水浴及烘干處理，研究水泥水化作用對其孔隙比的影響。試驗采用摻加不同水泥含量來模擬土體膠結(jié)元，在孔隙比1.5，1.7的前提下分別添加質(zhì)量分?jǐn)?shù)為4%，6%水泥制成膠結(jié)元含量不同的土樣。為測得土樣設(shè)計孔隙比與實際孔隙比的偏差，一方面將配置好的試樣進行抽真空處理及溫水水浴7，10，15和20 d在設(shè)置100 ℃的烘箱中烘干并稱重。另一方面稱取50 g水泥置于清水中讓其也水化7，10和15 d，期間保持對水泥進行間斷性攪拌避免水泥膠結(jié)成塊而影響水化程度，最后在100 ℃的條件下烘干，經(jīng)研磨過篩(0.5 mm)處理用比重瓶測其比重。通過精確測得原配方各物質(zhì)的含量和水泥水化后質(zhì)量的變化值以及水泥水化后的比重，從而計算獲得試樣實際孔隙比，具體方案如表2所示。

表2 試驗方案

考慮水泥水化效應(yīng)后，人工制備結(jié)構(gòu)性土的實際孔隙比計算公式如式(3)所示，孔隙比偏差公式如式(6)所示：

式中：1為試樣實際孔隙比；2為水浴后試樣各原材料所占體積；4為水泥水化產(chǎn)物質(zhì)量；0為試樣總質(zhì)量。

2 試驗結(jié)果分析及討論

2.1 實際孔隙比

將純水泥試樣水浴7，10和15 d時間后分別烘干并稱重，并測量其實際比重，試驗表明水浴7，10和15 d的水泥水化產(chǎn)物比重差距幾乎一致(相差為0.000 1)，說明水泥水浴時間為7 d以上時水浴時間不影響水化產(chǎn)物比重。取水浴7 d水泥水化產(chǎn)物比重試驗具體數(shù)據(jù)為參考，見表3，經(jīng)計算水泥水化產(chǎn)物的比重為2.384。

表3 水泥水化產(chǎn)物比重

與純水泥相比(比重3.13)，其水化產(chǎn)物比重值降低了0.746。試樣在水浴時間為7 d時水泥水化產(chǎn)物質(zhì)量大于配比時水泥含量，試樣烘干質(zhì)量等具體數(shù)據(jù)如表4所示，并利用式(3)和式(6)可分別獲得各試樣的實際孔隙比和孔隙比偏差。

表4 水浴時間7 d各配比試樣實際孔隙比及偏差

從表4可看出，實際孔隙比小于設(shè)計孔隙比且孔隙比偏差最高達到了?4%。以設(shè)計孔隙比=1.5水泥含量4%水浴時間7 d的結(jié)構(gòu)性土為例，當(dāng)以孔隙比設(shè)計值代替實際值時在一維壓縮試驗-曲線上的繪制如圖1所示，盡管二者變化趨勢一樣，但不能客觀表征結(jié)構(gòu)性土的結(jié)構(gòu)性特征，其偏差從某種程度上夸大了結(jié)構(gòu)性土的結(jié)構(gòu)性以及組構(gòu)的影響。

2.2 孔隙比偏差成因

水泥水化過程十分復(fù)雜，具有多種水化產(chǎn)物并結(jié)晶一部分水，產(chǎn)物一部分形成凝膠模擬土體中的膠結(jié)元，由化學(xué)反應(yīng)生產(chǎn)的另一部分產(chǎn)物如氫氧化鈣、鈣礬石等晶體在水浴過程中以懸浮的形式存在于土體內(nèi)部孔隙中。水化產(chǎn)物本身的物理性質(zhì)也伴隨著發(fā)生改變，最直接的表現(xiàn)為，與純水泥相比其水化產(chǎn)物比重值降低了0.746，其次為水泥水化過程會結(jié)合大量水分子則產(chǎn)物質(zhì)量增加，從而使得配比時所用水泥在試樣內(nèi)部所占的體積與養(yǎng)護后水泥水化產(chǎn)物在試樣內(nèi)部所占的體積不一致，導(dǎo)致孔隙比出現(xiàn)偏差。試驗中在水浴7 d前提下，水化產(chǎn)物所占體積大于配比時水泥所占體積，實際孔隙比小于設(shè)計孔隙比。

圖1 孔隙比偏差4%時e-p曲線

2.3 水浴時間對孔隙比偏差的影響

通過整理得到水浴10，15和20 d的試樣烘干質(zhì)量，可以得到水化產(chǎn)物質(zhì)量，進而能得到實際孔隙比，具體數(shù)據(jù)如表5所示，由于水浴20 d試樣經(jīng)烘干處理后其質(zhì)量與水浴15 d試樣烘干質(zhì)量幾乎一致，所以各項指標(biāo)可參考水浴15 d試樣。與水浴時間為7 d下的結(jié)構(gòu)性土對比，試樣中水化產(chǎn)物的變化趨勢呈現(xiàn)負增長，在7～10 d時水泥水化產(chǎn)物質(zhì)量下降較明顯，當(dāng)水浴時間到10 d以后其質(zhì)量變化不明顯，如圖2所示。

繪制孔隙比隨水浴時間的關(guān)系曲線如圖3所示。從圖3(a)中可以看出，孔隙比實際值整體呈現(xiàn)增長趨勢，且在7～10 d的增長幅度較明顯，到10 d以后增長幅度很小。隨著實際孔隙比的增長且接近設(shè)計孔隙比，孔隙比偏差(如圖3(b))也呈減小趨勢并接近于0值。這表明人工制備結(jié)構(gòu)性土在到達一定水浴時間后孔隙比偏差受時間的影響可以近似忽略。

表5 水浴時間10 d和15 d各配比試樣實際孔隙比及偏差

圖2 水泥水化產(chǎn)物質(zhì)量隨水浴時間的變化趨勢

進一步分析圖3(b)可以發(fā)現(xiàn)：當(dāng)水浴時間延長至15 d和20 d時各數(shù)據(jù)與水浴10 d各數(shù)據(jù)基本接近，兩者與水浴10 d時孔隙比偏差保持在1‰以內(nèi)，由此可知當(dāng)試樣養(yǎng)護到10 d以后試樣內(nèi)水化產(chǎn)物隨水浴時間的推移變化很小。若將水泥水化量與孔隙比偏差關(guān)系繪制成圖，如圖4所示。從圖4可以發(fā)現(xiàn)，合理調(diào)控水泥水化產(chǎn)物能減小人工制備結(jié)構(gòu)性土的實際孔隙比與設(shè)計孔隙比的偏差。

2.4 水浴時間對孔隙比偏差影響機制分析

由上述對結(jié)構(gòu)性土在不同水浴時間下各物理指標(biāo)的變化可知，隨著水浴時間的延長試樣中水化產(chǎn)物減少，孔隙比偏差減小，且到達一定水浴時間后孔隙比偏差受水浴時間的影響非常小。水泥在結(jié)構(gòu)性土試樣水浴時表現(xiàn)為：水泥水化反應(yīng)一部分形成凝膠(水化硅酸鈣膠體)模擬結(jié)構(gòu)性土的膠結(jié)元，同時也有氫氧化鈣晶體(Ca(OH)2)、水化石榴石(3CaO·Al2O3·6H2O)、鈣礬石等晶體產(chǎn)生，這些晶體在水浴侵泡時懸浮參雜在土體內(nèi)部孔隙之間，且不會與土顆粒黏合。由于恒溫水浴池中的清水與土體孔隙水的濃度不一樣則會發(fā)生滲透作用，使得水浴池中的水與孔隙水之間保持一種微流動關(guān)系，氫氧化鈣等晶體隨著水流動被析出，從而減少了水泥水化產(chǎn)物在土體內(nèi)的含量，增大了孔隙在試樣中所占比例。事實上，滲透作用從試樣水浴的第一天就開始發(fā)生，由于試樣孔隙絕大部分被尿素填充，所以在水浴過程中的前3 d左右主要使尿素溶解析出留出孔隙。在水浴7 d這段時間內(nèi)，由于滲透作用對水泥水化產(chǎn)物中各晶體的析出量偏少，土體內(nèi)孔隙所占比例達不到設(shè)計要求，孔隙比偏差過大，導(dǎo)致孔隙比實際值小于設(shè)計值。通過延長水浴時間(即滲透作用時間)使得晶體析出量增大，從而增加土體內(nèi)孔隙所占比例，最終可使試樣實際孔隙比精度達到設(shè)計要求。由于水化產(chǎn)物中能被析出的晶體為一定值，水石榴石晶體隨水化時間的推移體積會增長，并且鈣礬石被析出后黏附在環(huán)刀試樣周邊。這些條件的產(chǎn)生增加了水化產(chǎn)物析出的難度，所以當(dāng)水浴時間延長至10 d后，孔隙比實際值變化非常小。

2.5 孔隙比精度可控性探討

由圖4中可得出，各配比試樣隨著水泥水化產(chǎn)物含量的增加試樣孔隙比偏差越大。以設(shè)計孔隙比0=1.5水泥含量6%的試樣為例，當(dāng)水泥水化產(chǎn)物含量為4.32時試樣孔隙比偏差為0.39%，當(dāng)水泥水化產(chǎn)物為6.28時試樣孔隙比偏差為?3.3%。由此可知，在水化產(chǎn)物含量與孔隙比偏差關(guān)系中必然存在一點使得孔隙比偏差為0，當(dāng)孔隙比偏差為0時試樣中水泥水化產(chǎn)物所占體積與配比時水泥在試樣中所占體積相等，即通過滿足如下關(guān)系，來對試樣的實際孔隙比進行精確調(diào)控：

圖4 水泥水化產(chǎn)物與孔隙比偏差關(guān)系

利用式(7)，可求出設(shè)計孔隙比0=1.5水泥含量6%且實際孔隙比偏差為0時，水泥水化產(chǎn)物含量理想值應(yīng)為4.516。同理可求出0=1.5水泥含量4%，0=1.7水泥含量4%試樣的零偏差點水泥水化產(chǎn)物含量理想值應(yīng)分別為3.008和2.764。由圖2可知，當(dāng)合理控制試樣水浴時間時(例如9～10 d)，結(jié)構(gòu)性土試樣的水化產(chǎn)物質(zhì)量均能調(diào)控至理想值附近。

由于將人工制備結(jié)構(gòu)性土孔隙比精度控制在偏差為0所對應(yīng)的水浴時間不易掌控，且考慮到批量化制備大孔隙結(jié)構(gòu)性土需水浴保存，有必要優(yōu)化水浴時間使其孔隙比偏差控制在合理范圍，并檢驗其可靠性。由表5可知，水化產(chǎn)物析出量趨于穩(wěn)定后孔隙比偏差最大值為0.58%(水浴15 d時0=1.5水泥含量6%試樣)則以此為驗證合理范圍依據(jù)，分別采用逐步調(diào)整水浴時間在9～10 d，對設(shè)計孔隙比0=1.5水泥含量6%的結(jié)構(gòu)性土試樣制備了實際孔隙比偏差分別為≥?6‰和0 2種試樣，水浴15 d時為≤6‰的試樣，并分別對其開展一維壓縮試樣，得到其-曲線如圖5所示。從圖中可以發(fā)現(xiàn)，實際孔隙比偏差6‰時與零偏差對應(yīng)的結(jié)構(gòu)性變形特征吻合良好，則證明孔隙比偏差在6‰以內(nèi)可作為孔隙比偏差控制的合理范圍值。可見，這為后續(xù)批量制備孔隙比可控的大孔隙結(jié)構(gòu)性土打下了堅實基礎(chǔ)。

圖5 孔隙比偏差6‰下的e-p曲線對比

3 結(jié)論

1) 實測發(fā)現(xiàn)人工制備結(jié)構(gòu)性土在水浴時間為7 d時，試樣實際孔隙比低于設(shè)計孔隙比，孔隙比偏差最高達到4%，水泥水化因素對土體實際孔隙比具有不可忽略的影響。若忽略這種偏差，將導(dǎo)致夸大人工制備結(jié)構(gòu)性土的結(jié)構(gòu)性以及組構(gòu)的影響。

2) 利用滲透作用，合理控制人工制備結(jié)構(gòu)性土的水浴時間，可降低實際孔隙比與設(shè)計值之間的偏差，且存在一個水浴時間點使得孔隙比偏差為0，驗證了孔隙比偏差在6‰內(nèi)時，可作為孔隙比偏差合理范圍值。

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Refinement evaluation method of pore ratio of artificial preparation structural soil

WANG Zhichao1, 2, ZHU Dongwei2, PENG Huiliang2, ZHENG Junxing2

(1. Hunan Key Laboratory of Geomechanics and Engineering Safety, Xiangtan University, Xiangtan 411105, China; 2. School of Civil Engineering and Mechanics, Xiangtan University, Xiangtan 411105, China)

In view of the fact that the influence of cement hydration on the pore ratio of soil samples is not considered in the current artificial preparation of structural soil, and the consistency ratio between the actual pore ratio and the target pore ratio of artificially prepared samples is not verified, this paper focused on the evolution characteristics of the actual pore ratio of artificially prepared structural soil with large pores. Large pore structural soil was formed by using urea as additive, and was prepared by two different pore ratio (1.5, 1.7) and cement content (4%, 6%) of structural soil. Detailed analysis of the cement hydration products on the effect of the real sample void ratio was discussed, as well as the trends of changes in actual void ratio deviation when the specimens were subjected to the thermostatic water bath for 7 d, 10 d, 15 d and 20 d, and the actual and artificial preparations of structural soil void ratio control in a reasonable range were presented. The research results show that: 1) when the water bath time is 7 d, the actual pore ratio of the sample is lower than the designed pore ratio, and the deviation of pore ratio is up to 4%. If such deviation is ignored, the influence of the structure and fabric of the artificially prepared structural soil will be exaggerated; 2) when the water bath time for artificial preparation of structural soil is 10 d, its pore ratio deviation is within 6‰, which can be taken as a reasonable range of pore ratio deviation.

structural soil; artificial preparation; actual pore ratio; void ratio deviation; curing osmosis

TU411

A

1672 ? 7029(2020)12 ? 3081 ? 07

10.19713/j.cnki.43?1423/u.T20200129

2020?02?20

湖南省教育廳優(yōu)秀青年項目(17B260)；湖湘高層次人才聚集工程—創(chuàng)新團隊(2019RS1059)

王智超(1980?)，男，湖北荊州人，副教授，博士，從事巖土流變學(xué)的研究；E?mail：wzc98231@163.com

(編輯 涂鵬)