基于核磁共振技術(shù)的水泥改良膨脹土抗剪強(qiáng)度參數(shù)分析

蔣曉慶,李永彪

1.安徽廣播電視大學(xué)，安徽合肥，230022；2.安徽建筑大學(xué)建筑結(jié)構(gòu)與地下工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 安徽合肥，230601

膨脹土的化學(xué)改良方法較多，不同的方法對改良膨脹土抗剪強(qiáng)度參數(shù)的影響不同，最佳的摻量比例也不同。在較多的化學(xué)改良方法中，水泥對膨脹土的改良效果最佳。楊俊等[1]采用水泥、石灰、粉煤灰、風(fēng)化砂四種材料對膨脹土抗剪強(qiáng)度進(jìn)行改良，并進(jìn)行了對比。其中水泥對膨脹土抗剪強(qiáng)度的提高最明顯，然后是石灰、其次是粉煤灰和風(fēng)化砂。梁勇等[2]提出摻入水泥可以顯著提高膨脹土的抗剪強(qiáng)度，并指出水泥摻量比例在3%～5%范圍內(nèi)，改良土的黏聚力增幅最大。商擁輝等[3]通過對重載鐵路的膨脹土路段進(jìn)行水泥改良，利用室內(nèi)動(dòng)力三軸試驗(yàn)的臨界動(dòng)應(yīng)力與現(xiàn)場實(shí)測的路基動(dòng)應(yīng)力進(jìn)行比較，發(fā)現(xiàn)水泥摻量比例在3%～5%時(shí)對膨脹土進(jìn)行改良，可以滿足鐵路動(dòng)力可靠性要求。吳建濤等[4]對引江濟(jì)淮工程的弱膨脹土進(jìn)行改良試驗(yàn)，提出該工程的水泥最佳摻量比例為4%。

試驗(yàn)數(shù)據(jù)在宏觀上顯示水泥可以有效提高膨脹土的強(qiáng)度特性，而膨脹土的微觀孔隙特征分析可以更清晰地解釋水泥對膨脹土的改良作用。微觀孔隙特征主要包括孔隙度、孔徑分布等。IUPAC(國際理論和應(yīng)用化學(xué)聯(lián)合會)對微觀孔隙作了以下劃分：微孔(d<0.002 μm)、中孔(0.002 μm 0.05μm)[5]。劉志彬等[6]采用自動(dòng)吸附儀對水泥改良膨脹土進(jìn)行了微觀定量分析，得出水泥的摻入使得微孔體積減小，中孔和大孔體積增加。楊洋等[7]利用壓汞試驗(yàn)法對膨脹土的孔隙分布曲線進(jìn)行了詳細(xì)探討，提出壓汞試驗(yàn)法不能提供微孔的孔徑分布情況，建議要重視膨脹土全孔隙分布的研究。核磁共振技術(shù)可以檢測到微孔，能夠全面檢測膨脹土內(nèi)部的孔隙分布，該技術(shù)具有快速、準(zhǔn)確、無損的特點(diǎn)[8-9]。安愛軍等[10]采用核磁共振技術(shù)對石灰-火山灰改良膨脹土進(jìn)行微觀結(jié)構(gòu)分析，認(rèn)為改良土的孔徑在0～0.1 μm范圍內(nèi)孔隙數(shù)量減少，孔徑在0.1～ 4μm范圍內(nèi)有所增加，孔徑在4 μm以上的孔隙個(gè)數(shù)也在增加。馬寶芬等[11]采用核磁共振分析儀對重塑黃土內(nèi)孔隙水分的變化進(jìn)行分析，認(rèn)為土樣含水率越高，核磁信號峰值越大，弛豫時(shí)間也越大。

本文將分析不同水泥摻量比例對膨脹土的抗剪強(qiáng)度參數(shù)的影響。水泥摻量比例分別為0%、0.5%、1%、1.5%、2%、2.5%、3%、3.5%、4%、4.5%、5%、5.5%、6%。采用核磁共振技術(shù)分析水泥改良膨脹土的孔徑分布、T2譜分布圖，探討水泥改良膨脹土在宏觀和微觀上的聯(lián)系。

1 試驗(yàn)分析

1.1 試驗(yàn)準(zhǔn)備

本次試驗(yàn)土樣取自安徽省合肥市包河區(qū)包河公園一帶，取土深度在4～6 m，土樣呈黃褐色含有鐵錳結(jié)核。嚴(yán)格按照《土工試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》GB/T50123-1999(2018版)進(jìn)行膨脹土室內(nèi)試驗(yàn)，測定土樣的物理學(xué)特性，土樣主要指標(biāo)見表1。試驗(yàn)土樣通過擊實(shí)試驗(yàn)測定最優(yōu)含水率為17.8%，以其為初始含水率進(jìn)行重塑土樣的配置。

表1 膨脹土基本物理特性指標(biāo)

烘干土樣和水泥均過0.5 mm土工篩，配合比采用質(zhì)量比，每個(gè)摻量比配置四份，共計(jì)52份土樣。干土樣需先進(jìn)行充分混合，然后用噴霧器均勻快速地噴灑在土樣上，進(jìn)行充分?jǐn)嚢?，最后把改良土樣放入保鮮袋，并置于保濕箱待用，養(yǎng)護(hù)周期為7天。

采用全自動(dòng)直剪儀(TKA-2UM,南京泰克奧科技有限公司)進(jìn)行抗剪強(qiáng)度的測定，施加豎向荷載分別為100 kPa、200 kPa、300 kPa、400 kPa。剪切速率為0.8 mm/min。重塑土樣直徑為61.8 mm，高度為20 mm。采用MesonMR23-060V-1紐邁核磁共振檢測儀，對改良膨脹土的孔徑分布及T2譜分布圖進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。重塑土樣直徑為50 mm，高度為20 mm，ρ=10 μm/s。

1.2 改良土抗剪強(qiáng)度參數(shù)分析

不同水泥摻量比例下，相應(yīng)改良土的黏聚力和內(nèi)摩擦角,見表2。

表2 水泥改良膨脹土的抗剪強(qiáng)度參數(shù)

表2顯示,水泥摻量的增加能夠有效提高膨脹土的黏聚力和內(nèi)摩擦角。在水泥摻量比例較低(0.5%～2%)時(shí)，改良土的黏聚力逐漸增加，增加幅度不超過15 kpa；在水泥摻量比例較高(2.5%～4.5%)時(shí)，改良土的黏聚力增幅顯著提高，增加幅度在20～40 kpa之間，其中3.5%～4.5%之間改良土的黏聚力增幅最大，增加值分別為37 kpa、37.25 kpa。這是因?yàn)閾饺胨嗪?，水泥中的Ca2+與膨脹土體中的Na+和H+不僅發(fā)生了離子交換，而且Ca2+與土體中的硅酸根離子發(fā)生反應(yīng)，形成凝膠物質(zhì)(CSH、CAH)，包裹在土體表面，促使膨脹土由薄片狀結(jié)構(gòu)向土顆粒團(tuán)聚化結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變；水泥完成水化作用后，進(jìn)一步形成針狀、纖維狀等各種形狀的晶體結(jié)構(gòu)[12]，極大改善了膨脹土黏結(jié)性。當(dāng)水泥摻量比例在5%、5.5%、6%時(shí)，黏聚力的增幅明顯下降，分別為11.9 kpa、7.6 kpa、8.8 kpa。其原因一方面是由于土樣體積是一個(gè)環(huán)刀體積，是定量，土顆粒大多數(shù)已與水泥發(fā)生了水化作用，不再需要多余的水泥；另一方面是由于水泥發(fā)生水化作用需要大量的水分，而試驗(yàn)中的含水量是一定的，過多的水泥會造成土樣失水，造成土樣體積收縮，黏聚力降低。因此，對膨脹土進(jìn)行改良存在一個(gè)極限摻量，也就是水泥的最佳摻量比例，本次試驗(yàn)土樣的水泥最佳摻量比例為4.5%。隨著水泥摻量比例的增加，內(nèi)摩擦角一直在逐漸增加，但是增加幅度較小。

1.3 基于核磁共振技術(shù)的孔徑分布試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

不同水泥摻量比例下，改良膨脹土的微孔、中孔和大孔百分比如表3所示。

表3 水泥改良膨脹土的微觀孔隙百分比

表3顯示，隨著水泥摻量比例的增加，微孔數(shù)量逐漸增加，中孔和大孔數(shù)量變化沒有明顯的規(guī)律性。整體分析可以發(fā)現(xiàn)：微孔所占孔隙百分比很小，中孔主要分布在土體孔隙中，其次是大孔。當(dāng)水泥摻量比例達(dá)到4.5%時(shí)，微孔數(shù)量達(dá)到1.05%，中孔數(shù)量達(dá)到38.63%，大孔數(shù)量達(dá)到12.41%。主要是因?yàn)楦牧纪列纬奢^大的團(tuán)聚體占據(jù)了大孔隙，水泥顆粒填充堵塞微孔，最終使得中孔數(shù)量增多。

素膨脹土中孔直徑主要集中在0.008 5 μm，當(dāng)水泥摻量在0.5%～2.5%時(shí)，膨脹土中孔孔徑主要集中在0.007 4～0.006 4 μm，當(dāng)水泥摻量在3%～6%時(shí)，膨脹土中孔孔徑主要集中在0.004 9～0.005 6 μm。圖1顯示，不管素土還是改良土，孔徑分布曲線呈只有一個(gè)峰值的單峰曲線，表明膨脹土的微觀孔隙分布規(guī)律基本一致，孔徑峰值集中在孔徑為0.02 μm附近。

圖1 改良膨脹土的孔徑分布圖

1.4 基于核磁共振技術(shù)的T2譜分布試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

T2譜分布圖見圖2～5，顯示：水泥摻量的比例明顯影響T2譜信號強(qiáng)度峰值及弛豫時(shí)間。當(dāng)水泥摻量比例在0.5%～2%時(shí)，T2譜信號強(qiáng)度峰值顯著降低，弛豫時(shí)間集中在0.1～90 ms，孔隙度明顯減??；當(dāng)水泥摻量比例在2.5%～4%時(shí)，T2譜信號強(qiáng)度峰值仍在降低，但是降低幅度減小，弛豫時(shí)間明顯縮短，孔隙度減小幅度降低；當(dāng)水泥摻量比例在5%～6%時(shí)，T2譜信號強(qiáng)度峰值呈緩慢增長趨勢，弛豫時(shí)間也有所增加，孔隙度逐漸增加。水泥摻量比例為0%時(shí)，T2譜信號強(qiáng)度峰值最高，弛豫時(shí)間最長，孔隙度最大；水泥摻量比例為2.5%時(shí)，弛豫時(shí)間明顯縮短；水泥摻量比例為4.5%時(shí)，T2譜信號強(qiáng)度峰值最低，弛豫時(shí)間最短，孔隙度最小。

圖2顯示，重塑素膨脹土土樣的信號強(qiáng)度峰值為906.5，弛豫時(shí)間集中在0.1～100 ms，孔隙度為60.2%；當(dāng)水泥摻量比例為2.5%時(shí)，改良膨脹土土樣的信號強(qiáng)度峰值為634.4，弛豫時(shí)間集中在0.1～70 ms，孔隙度為53.3%；當(dāng)水泥摻量比例為4.5%時(shí)，改良膨脹土的T2譜信號強(qiáng)度峰值為573.5，弛豫時(shí)間集中在0.1～40 ms，孔隙度為50.5%；圖3顯示，當(dāng)水泥摻量比例為0.5%、1%、1.5%、2%時(shí)，改良膨脹土的T2譜信號強(qiáng)度峰值分別為758.4、697、681.7、645.5，弛豫時(shí)間集中在0.1～90 ms，孔隙度分別為57.4%、54.4%、53.8%、53.5%；圖4顯示，當(dāng)水泥摻量比例為3%、3.5%、4%時(shí)，改良膨脹土的T2譜信號強(qiáng)度峰值變化幅度不大，分別為630、607、606.3，弛豫時(shí)間集中在0.1～70 ms，孔隙度下降幅度不大于1%；圖5顯示繼續(xù)增加水泥摻量至5%、5.5%、6%，卻發(fā)現(xiàn)改良膨脹土的T2譜信號強(qiáng)度峰值反而在增加，分別為592.1、604.7、617.7，弛豫時(shí)間逐漸增大，集中在0.1～80 ms,孔隙度逐漸增大,分別為50.8%、52.1%、52.3%。綜上分析可以得出，水泥摻量比例為4.5%時(shí)，T2譜信號強(qiáng)度最低，孔隙率最低，反映此時(shí)土體內(nèi)的液態(tài)水含量最少，水泥水化作用比較充分，改良土顆粒形成的晶體結(jié)構(gòu)占據(jù)了土體內(nèi)部的孔隙，與抗剪強(qiáng)度試驗(yàn)研究的水泥最佳摻量相吻合。

2 結(jié) 論

(1)在最優(yōu)含水率條件下，隨著水泥摻量比例的增加，膨脹土的黏聚力和內(nèi)摩擦角有效提高。本次試驗(yàn)膨脹土的最佳水泥摻量比例為4.5%。水泥摻量比例在3.5%～4.5%之間，黏聚力的增幅顯著提高，最大可達(dá)37.25 kpa。改良膨脹土的內(nèi)摩擦角一直呈緩慢增加趨勢。

(2)基于核心共振儀的孔徑百分比分析，改良土的中孔占比最大，其次是大孔，最后是微孔，微孔所占孔隙百分比絕大多數(shù)不到1%。微孔隨水泥摻量比例的增加呈緩慢增加趨勢，中孔和大孔數(shù)量變化沒有明顯規(guī)律性，但中孔分布集中孔徑呈降低趨勢。土樣孔徑分布圖呈單峰曲線，且孔徑峰值在0.02 μm附近。

(3)T2譜分布圖反映了改良土孔隙的分布情況，隨著水泥摻量比例的增加，T2譜信號強(qiáng)度峰值降低，弛豫時(shí)間縮短，孔隙度降低。當(dāng)水泥摻量比例超過最佳摻量比例時(shí)，T2譜信號強(qiáng)度峰值反而會升高，弛豫時(shí)間增長，孔隙度也逐漸增加。