云母影響水泥軟黏土強(qiáng)度的試驗研究

張亞玲，趙曉彥，嚴(yán) 群

（西南交通大學(xué)地球科學(xué)與環(huán)境工程學(xué)院，四川 成都 610031）

用水泥作為固化劑進(jìn)行軟黏土地基處理的技術(shù)具有較高的經(jīng)濟(jì)性、環(huán)保性、高效性以及便捷性，在實際工程中被廣泛應(yīng)用。將水泥與地基土拌合會產(chǎn)生各種物理化學(xué)反應(yīng)使得軟黏土地基的承載力得到提高、沉降量減小。然而，水泥對軟黏土的加固效果會受到各種因素的影響。趙春彥[1]研究了不同的養(yǎng)護(hù)齡期、含水率以及水泥摻量下的水泥軟黏土無側(cè)限抗壓強(qiáng)度的變化情況并建立了相關(guān)的強(qiáng)度預(yù)測公式。劉寶臣等[2]進(jìn)行水泥改良紅黏土力學(xué)性質(zhì)的研究，研究顯示水泥對軟弱紅黏土強(qiáng)度的提高與水泥的摻入量、齡期之間存在較好的相關(guān)性，隨著水泥摻量和齡期的增加，水泥紅黏土的黏聚力持續(xù)增加,抗拉強(qiáng)度則呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢?？梢?，以往對水泥土強(qiáng)度的研究多集中于水泥摻量和齡期的影響，且成果頗豐[3?8]。

實際上，除了水泥的摻入量和養(yǎng)護(hù)齡期之外，土質(zhì)也是決定水泥對軟黏土加固效果的重要因素，土質(zhì)對水泥土的加固效果即水泥土強(qiáng)度的影響主要是源于不同的土質(zhì)所具有的粒度成分、有機(jī)質(zhì)含量、可溶鹽類型以及酸堿度會有所差異。芮凱軍等[9]的實驗研究表明當(dāng)其它條件一致時，水泥加固以粉質(zhì)黏土為主的土層時效果要好于以淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土為主的土層。陳慧娥等[10]的試驗顯示土中的有機(jī)質(zhì)對水泥水化物的產(chǎn)生具有不利影響，隨著有機(jī)質(zhì)含量的增加，水泥土試樣的抗剪強(qiáng)度和無側(cè)限抗壓強(qiáng)度均減小。邢皓楓等[11]著眼于被加固土中可溶鹽離子對水泥軟黏土強(qiáng)度的影響，研究結(jié)果表明Mg2+、Cl?、SO24?離子的含量與水泥軟黏土強(qiáng)度呈負(fù)相關(guān),上述離子的存在除了會使得水泥軟黏土在微觀結(jié)構(gòu)上發(fā)生變化，同時還會阻礙水泥的水化產(chǎn)物C-S-H以及C-A-H生成。傅小姝等[12]的研究顯示酸性環(huán)境下水泥土的滲透系數(shù)更大，無側(cè)限抗壓強(qiáng)度更低，在堿性環(huán)境下則相反。楊愛武[13]在天津海相沉積軟土為原料的水泥土中加入Na(OH)2，試驗表明堿性環(huán)境有助于水泥土強(qiáng)度的提高。上述研究成果表明，軟黏土的粒度成分、有機(jī)質(zhì)含量、可溶鹽類型及酸堿度均對水泥土的強(qiáng)度有顯著影響，但是關(guān)于被加固軟黏土中特定礦物成分對水泥土強(qiáng)度影響的研究目前來說還較少。

云母是軟黏土特別是濱海相軟黏土中常見的礦物成分，表1為我國部分沿海地區(qū)軟黏土中云母含量統(tǒng)計表。云母作為一種廣泛存在于軟黏土中的礦物，其含量和顆粒大小的不同會導(dǎo)致軟黏土性質(zhì)的差異。因此，研究云母影響下水泥軟黏土的強(qiáng)度，探究以云母含量和云母目數(shù)為變量的水泥軟黏土無側(cè)限抗壓強(qiáng)度、抗剪強(qiáng)度指標(biāo)值變化規(guī)律，對此類土質(zhì)的加固設(shè)計具有實際的工程意義。

表1 我國部分沿海地區(qū)軟黏土中云母含量占比情況Table 1 Percentage of mica content in soft clay in some areas

1 試驗方案

1.1 試驗設(shè)計

本文研究云母對水泥軟黏土強(qiáng)度影響的試驗包括直接剪切試驗和無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗。試驗中云母目數(shù)和云母含量為2個變量，其中云母目數(shù)設(shè)定為10，20，40，80目共4個梯度，對應(yīng)粒徑分別為1.70，0.83，0.38，0.18 mm，圖1所示是不同目數(shù)的云母。此外，云母含量設(shè)置5個梯度，分別是0%、8%、16%、24%、32%。參照《水泥土配合比設(shè)計規(guī)程》（JGJ/T 233—2011）[19]，本次試驗水泥軟黏土配合比設(shè)計為：水灰比0.45，水泥摻量12%，含水量45%，養(yǎng)護(hù)齡期28 d。

圖1 不同目數(shù)的云母Fig.1 Mica of different particle sizes

1.2 試樣制備

表2是試驗用云母的化學(xué)成分及含量，水泥為M32.5普通硅酸鹽水泥，試驗用水為自來水。

表2 云母的主要化學(xué)成分Table 2 Chemical compositions of mica

試驗用軟黏土的物理力學(xué)性質(zhì)如表3所示。為了更好的控制式樣中云母的含量選擇了不含云母的軟黏土，表4是利用x射線衍射分析確定的軟黏土的礦物組分。將現(xiàn)場取回的土樣放置在干燥通風(fēng)處，待風(fēng)干后碾碎過5 mm篩，過篩后的土進(jìn)行含水率測試然后放置在密封的塑料桶中備用。無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗所用試模為內(nèi)徑40 mm、內(nèi)高80 mm、壁厚2 mm的圓柱型試模；剪切試驗用的是70 mm×70 mm×70 mm的立方體試模以及φ61.8×20 mm的不銹鋼環(huán)刀。按照設(shè)計配比將材料拌合均勻后置于試模中成型，拆模后養(yǎng)護(hù)到要求齡期立刻進(jìn)行強(qiáng)度試驗。

表3 軟土的基本物理性質(zhì)Table 3 Physic-mechanical indices of soft soil

表4 軟黏土的礦物成分Table 4 Mineral compositions of soft clay/%

1.3 試驗方法及試驗數(shù)據(jù)

水泥軟黏土無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗使用YYW-Ⅲ型無側(cè)限壓力儀。根據(jù)不同云母目數(shù)和含量共制作17組試樣，每組試件6個共102個試樣，取6個試件的平均值為該組試件無側(cè)限抗壓強(qiáng)度值。水泥軟黏土剪切試驗使用DSJ—2型電動四聯(lián)等應(yīng)變直剪儀，根據(jù)不同云母目數(shù)和含量共制作17組試樣，每組試件為12個共204個試樣。試驗時垂向荷載分100，200，300，400 kPa 共4級加載，各級荷載下進(jìn)行3次重復(fù)試驗，取3個試件的平均值為該組試件在給定豎向壓力下的抗剪強(qiáng)度值。每組試驗樣品均需在密封透明袋中進(jìn)行為期28 d的養(yǎng)護(hù)（圖2），達(dá)到養(yǎng)護(hù)齡期后立即開始試驗，表5是水泥軟黏土無側(cè)限抗壓強(qiáng)度（qu）和抗剪強(qiáng)度（c、φ）試驗結(jié)果。圖3是試樣被剪斷后的斷面圖，云母含量為零的試樣斷面光滑整齊（圖3a），云母目數(shù)為10目、含量為32%的試樣剪斷后的斷面，可明顯看到大量云母顆粒的存在，且斷面呈現(xiàn)非光滑的參差狀（圖3b）。

表5 水泥軟黏土強(qiáng)度試驗結(jié)果Table 5 Results of the cement-reinforced soft clay strength

圖2 試樣密封養(yǎng)護(hù)Fig.2 Samples sealed for preservation

圖3 剪切面形態(tài)Fig.3 Morphology of shear surfaces

2 試驗結(jié)果分析

2.1 云母含量對水泥軟黏土抗壓強(qiáng)度的影響

圖4是隨著云母含量w的變化水泥軟黏土無側(cè)限抗壓強(qiáng)度qu的變化規(guī)律。如圖4所示，云母含量與水泥軟黏土無側(cè)限抗壓強(qiáng)度呈負(fù)相關(guān)，具體表現(xiàn)為：不添加云母時，齡期為28 d的水泥軟黏土無側(cè)限抗壓強(qiáng)度為1.28 MPa。當(dāng)其余變量保持一定時，隨著云母含量的增加，水泥軟黏土的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度明顯降低，云母含量由0%增加至8%，抗壓強(qiáng)度減小得較為緩慢，而云母含量由8%增加至16%，水泥軟黏土抗壓強(qiáng)度下降較快，云母含量大于16%以后抗壓強(qiáng)度的減小速率略有減緩。

圖4 水泥軟黏土qu-w曲線Fig.4 qu-w curves of the cement-reinforced soft clay

加入10目含量分別為8%、16%、24%和32%的云母時，水泥軟黏土的強(qiáng)度由1.28 MPa降低至1.11，0.63，0.42，0.33 MPa，強(qiáng)度分別為未加云母時的86.7%、49.2%、32.8%、25.8%，云母含量為32%時的抗壓強(qiáng)度比8%時多減少了0.78 MPa。

2.2 云母目數(shù)對水泥軟黏土抗壓強(qiáng)度的影響

圖5為云母目數(shù)a與水泥軟黏土無側(cè)限抗壓強(qiáng)度qu之間的關(guān)系，如圖5所示，云母目數(shù)和水泥軟黏土抗壓強(qiáng)度呈正相關(guān)。含量為32%、云母目數(shù)分別為80，40，20，10目時，水泥軟黏土的抗壓強(qiáng)度由1.28 MPa降低至0.58，0.52，0.45，0.33 MPa，強(qiáng)度分別損失了54.7%、59.4%、64.8%、74.2%，含有10目、32%云母的試樣，其抗壓強(qiáng)度損失量比含80目、32%的多19.5%。

圖5 水泥軟黏土qu-a曲線Fig.5 qu-a curves of the cement-reinforced soft clay

云母目數(shù)由80目降低至40目，抗壓強(qiáng)度最大減小量為0.08 MPa，強(qiáng)度下降幅度較??；當(dāng)云母目數(shù)從20目降低到10目時，抗壓強(qiáng)度的降低速率加快，最大減小量達(dá)到0.12 MPa。

云母含量為8%時，云母目數(shù)對于水泥軟黏土抗壓強(qiáng)度的影響不顯著。摻入80目云母與10目云母的水泥軟黏土，兩者抗壓強(qiáng)度的差值很小，只有0.03 MPa，推測可能是因為此時試樣中云母含量較低，在攪拌較均勻的情況下，云母粒徑的改變還不足以引起水泥軟黏土強(qiáng)度大幅度的變化，結(jié)合圖4所示云母含量由0至8%這個區(qū)段內(nèi)抗壓強(qiáng)度的變化規(guī)律，可以將含量8%作為云母目數(shù)影響水泥軟黏土抗壓強(qiáng)度的一個臨界值，即當(dāng)軟黏土中云母含量小于8%時可不考慮云母粒徑對抗壓強(qiáng)度的影響。

2.3 云母含量對水泥軟黏土抗剪強(qiáng)度的影響

圖6是水泥軟黏土黏聚力c和內(nèi)摩擦角φ隨著云母含量w變化的規(guī)律。當(dāng)云母目數(shù)一定時，隨著云母含量的增加，水泥軟黏土的黏聚力逐漸減小。當(dāng)加入10目含量分別為8%、16%、24%、32%的云母時，水泥軟黏土的黏聚力從88.74 kPa減少至84.15，81.86，79.56，76.50 kPa，含量為32%時的黏聚力比未加云母時的減小了12.21 kPa（圖6a）。此外，隨著云母含量的增加，雖整體上內(nèi)摩擦角呈下降趨勢，但減少量相對較小，80目、32%云母含量水泥軟黏土的內(nèi)摩擦角為23.34°時，比未加云母時減小0.37°，10目、32%云母含量水泥軟黏土的內(nèi)摩擦角為21.77°時比未加云母時測得的小1.94°(圖6b)。

圖6 水泥軟黏土c、φ隨云母含量w變化的規(guī)律Fig.6 Variation of cohesion and internal friction angle of the cement soft clay with mica content

2.4 云母目數(shù)對水泥軟黏土抗剪強(qiáng)度的影響

圖7是云母目數(shù)a與水泥軟黏土黏聚力c、內(nèi)摩擦角φ之間的關(guān)系。當(dāng)僅有云母目數(shù)作為變量時，隨著云母目數(shù)的減小，水泥軟黏土的黏聚力降低（圖7a）。例如，當(dāng)含量均為32%時，所含云母的目數(shù)為80目的水泥軟黏土其黏聚力比含云母目數(shù)為10目的大6.10 kPa。此外，云母目數(shù)從80目變化至10目，水泥軟黏土黏聚力的變化規(guī)律也符合云母粒徑的變化趨勢：云母含量從80目減小到40目黏聚力下降的速度較為緩慢，而云母含量由40目降低至10目的這個過程中，黏聚力的減小速度逐漸加快。當(dāng)云母含量一定時改變云母的目數(shù)，內(nèi)摩擦角隨著云母目數(shù)的減小同樣呈減小趨勢，并且，當(dāng)含量由8%變化至32%，云母目數(shù)為80目水泥軟黏土的內(nèi)摩擦角變化范圍最小，隨著云母目數(shù)減小、云母粒徑增大，云母含量對水泥軟黏土內(nèi)摩擦角的影響變得愈加顯著（圖7b）。

圖7 水泥軟黏土c、φ隨云母目數(shù)a的變化規(guī)律Fig.7 Variation of cohesion and internal friction angle of the cement soft clay with mica mesh number

2.5 討論

綜上所述，隨著云母含量的增加和云母目數(shù)的降低，水泥軟黏土無側(cè)限抗壓強(qiáng)度與抗剪強(qiáng)度指標(biāo)值均減小，但三者所受到的影響程度不盡相同。試驗測得抗壓強(qiáng)度和抗剪強(qiáng)度指標(biāo)的最大值都是在未加云母時，分別為1.28 MPa、88.74 kPa以及23.71°，最小值是出現(xiàn)在加入10目含量為32%的云母時，測得的最小抗壓強(qiáng)度為0.33 MPa，相比最大值強(qiáng)度損失了74.5%；測得的最小黏聚力為76.5 kPa，相比最大值強(qiáng)度損失13.8%；測得的最小內(nèi)摩擦角為21.77°，強(qiáng)度損失量為8.2%。由此可見，云母對水泥軟黏土無側(cè)限抗壓強(qiáng)度的不利影響更為顯著（表6）。

表6 水泥軟黏土強(qiáng)度試驗統(tǒng)計值Table 6 Test statistics of strength of the cement soft clay

考慮雙因素作用時云母對水泥軟黏土強(qiáng)度的影響，以云母含量w和云母目數(shù)a為2個自變量，分別以無側(cè)限抗壓強(qiáng)度qu、黏聚力c、內(nèi)摩擦角φ為因變量進(jìn)行二元擬合，得到3組擬合式。式(1)和式(2)為云母含量、目數(shù)與水泥軟黏土無側(cè)限抗壓強(qiáng)度、黏聚力的擬合模型，相關(guān)系數(shù)分別為0.938和0.911，該相關(guān)系數(shù)表明模型與實際情況擬合較好，用此模型可以反映云母含量、云母目數(shù)這2個變量對水泥軟黏土無側(cè)限抗壓強(qiáng)度和黏聚力的影響規(guī)律。同樣地，式（3）為云母含量、目數(shù)與水泥軟黏土內(nèi)摩擦角的擬合模型，相關(guān)系數(shù)為0.806，對比式（1）以及式（2），擬合模型表現(xiàn)出的相關(guān)性弱一些，這一點通過圖7（a）所呈現(xiàn)的抗壓強(qiáng)度(圖8a)、黏聚力（圖8b）以及內(nèi)摩擦角（圖8c）的試驗實測值與數(shù)據(jù)擬合值的對比圖也可以反映出來，但是依然可以在一定程度上反映云母含量和目數(shù)這2組變量與水泥軟黏土內(nèi)摩擦角之間的關(guān)系，這3組模型可以運用于處理類似土質(zhì)的工程實踐當(dāng)中。

圖8 水泥土強(qiáng)度的試驗值與擬合值對比Fig.8 Comparison between the test values and the fitted values of the soil-cement strength

3 云母影響水泥軟黏土強(qiáng)度的原因

3.1 云母影響水泥的水解水化作用

水泥的水化水解作用是水泥軟黏土強(qiáng)度得到提高的一個重要原因，水泥中的主要孰料礦物C2S、C3S、C3A、C4AF遇水以后會生成Ca(OH)2、介穩(wěn)狀態(tài)的水化鋁酸鈣以及無定形的C-S-H凝膠等。隨著反應(yīng)的不斷進(jìn)行，生成的水化物逐漸積累，待溶液達(dá)到飽和后再生成的水化物無法繼續(xù)溶解，先是以膠體的形式存在，然后逐漸凝聚成堅硬的塊狀體，這些塊狀體充填在土顆粒間孔隙中，形成互相連接的堅硬骨架，這樣水泥軟黏土的強(qiáng)度便得到了增強(qiáng)[20]。但是，當(dāng)含有云母時，云母會搶奪水泥進(jìn)行水化水解反應(yīng)所需要的水分，硅酸三鈣的水化水解作用提前進(jìn)入穩(wěn)定期，水化產(chǎn)物減少，不僅直接影響膠結(jié)作用，還不利于后續(xù)一系列反應(yīng)的進(jìn)行。

3.2 云母影響水泥水化物與黏粒相作用

水泥中的孰料礦物與水發(fā)生反應(yīng)后的部分產(chǎn)物還會與軟黏土中的黏粒相作用。軟黏土中存在著大量黏土顆粒，這些顆粒極其細(xì)小，具有較大的比表面積和帶電性，當(dāng)與水相遇時將產(chǎn)生復(fù)雜的物理化學(xué)變化，從而獲得膠體分散系的一些特征，其表面帶有的Na+、K+等離子會與Ca(OH)2中的Ca2+發(fā)生離子交換作用，形成更大的團(tuán)粒結(jié)構(gòu)，由此增強(qiáng)水泥軟黏土的強(qiáng)度[21]。但當(dāng)含有大量云母時，不僅水泥水化水解作用的產(chǎn)物Ca(OH)2會減少，而且軟黏土中的黏粒也會更難和水充分接觸形成膠體，從而影響到離子交換作用形成更大團(tuán)粒結(jié)構(gòu)的這個過程，因此水泥軟黏土強(qiáng)度的提高就變得十分有限。

3.3 云母的定向排列形成軟弱面

云母屬層狀硅酸鹽礦物，表面光滑,可沿節(jié)理面發(fā)生錯裂，常具片狀形態(tài)（圖9）。由于片狀形態(tài)的云母比表面積很大，所以極易吸附結(jié)合水形成較厚的結(jié)合水膜，使得顆粒與顆粒之間的接觸面積減小，從而造成土顆粒的粒間連結(jié)力變?nèi)酢３酥?，高含量大顆粒的云母還很容易定向排列形成軟弱面。當(dāng)云母顆粒和含量較小時，在拌合充分的條件下，云母均勻地分布在水泥軟黏土中，這時云母對水泥軟黏土強(qiáng)度的影響并不明顯。但是隨著云母含量和云母粒徑的增加，在豎向壓力的作用下云母顆?？赡軙纬啥ㄏ蚺帕校霈F(xiàn)明顯的滑動面（圖10），而結(jié)合水膜又能起到潤滑作用，如此在外力作用時，就很容易沿著軟弱面發(fā)生破壞，從而導(dǎo)致水泥軟黏土的強(qiáng)度降低。

圖9 片狀云母顆粒粒間水分子賦存示意圖Fig.9 Occurrence diagram of water molecules among flake mica particles

圖10 水泥軟黏土中的云母豎向壓力作用下的定向排列Fig.10 Directional arrangement of mica in cement soil under the vertical force

4 結(jié)論

（1）云母目數(shù)一定，隨著云母含量的增大，水泥軟黏土的抗剪強(qiáng)度和無側(cè)限抗壓強(qiáng)度均降低。云母含量為32%的水泥軟黏土，其28 d齡期的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度可低至不含云母時的25.8%，黏聚力可減小12.24 kPa，內(nèi)摩擦角影響相對較小，約降低2°。

（2）云母含量一定，隨著云母目數(shù)的減小，水泥軟黏土的抗剪強(qiáng)度和無側(cè)限抗壓強(qiáng)度均降低。當(dāng)云母含量小于8%時，云母目數(shù)對無側(cè)限抗壓強(qiáng)度的影響非常小。在本文所設(shè)定的2組自變量變化范圍內(nèi)，可以將云母含量為8%作為云母目數(shù)影響水泥軟黏土抗壓強(qiáng)度的一個臨界值。

（3）云母對水泥軟黏土無側(cè)限抗壓強(qiáng)度的影響更為顯著，加入10目32%云母水泥軟黏土的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度降低了74.2%。

（4）云母影響水泥軟黏土強(qiáng)度的主要原因是云母的存在不利于水泥水解水化反應(yīng)和離子交換作用的進(jìn)行，并且云母自身為片狀形態(tài)，大量存在于軟黏土中會使得顆粒間的連接力降低，若定向排列還會形成軟弱面從而降低水泥軟黏土的強(qiáng)度。