水泥改性膨脹土基本特性試驗

王 佩，宋新江，徐海波，周文淵

(安徽省(水利部淮河水利委員會)水利科學(xué)研究院，安徽 合肥 230000)

膨脹土含有大量的蒙脫石和伊利石等礦物成分，由于蒙脫石和伊利石具有非常強(qiáng)的吸水膨脹能力，在反復(fù)的吸水膨脹和失水收縮過程中，膨脹土內(nèi)部結(jié)構(gòu)發(fā)生變形，產(chǎn)生大量裂隙，土體結(jié)構(gòu)遭到破壞，加之水的軟化作用，使得土體的抗剪強(qiáng)度驟降，進(jìn)而導(dǎo)致膨脹土邊坡容易發(fā)生崩塌、滑坡等失穩(wěn)現(xiàn)象[1-5]。由于膨脹土在我國分布廣泛，通過換填改良地質(zhì)條件是不可行的[2]。

水泥作為改性劑已被廣泛用于膨脹土改良工程中，水泥改性膨脹土具有良好的水穩(wěn)性、污染小等優(yōu)點，國內(nèi)多位學(xué)者以水泥作為外摻劑，對各地膨脹土的力學(xué)特性和微觀結(jié)構(gòu)等進(jìn)行了試驗研究[6-9]。宋新江等[10-12]通過平面應(yīng)變試驗、三軸壓縮固結(jié)排水試驗及真三軸試驗對水泥改性粉土力學(xué)性質(zhì)進(jìn)行了系統(tǒng)性研究。徐菲等[13]從宏觀和微觀兩個角度系統(tǒng)地研究離子固化劑改性水泥土的機(jī)理。土體微觀結(jié)構(gòu)的改變導(dǎo)致其宏觀物理力學(xué)特性發(fā)生變化，通過對土體的微觀結(jié)構(gòu)的定性分析和定量研究，可以有效地了解土體的微觀結(jié)構(gòu)特征，從微觀層面解釋土體的宏觀力學(xué)性質(zhì)變化的機(jī)理[14-15]；Horpibulsuk等[16]發(fā)現(xiàn)水泥土中通過水泥與水發(fā)生水化反應(yīng)產(chǎn)生的水化產(chǎn)物能夠黏結(jié)土顆粒以達(dá)到減少孔隙、改善土體結(jié)構(gòu)的作用；Peethamparan等[17]通過XRD試驗、熱重分析(TGA)和SEM試驗等對水泥窯粉塵加固的鈉基蒙脫土的微觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行了系統(tǒng)性研究。

由于膨脹土較普通黏土含有更多的伊利石等親水性物質(zhì)，在反復(fù)的吸水膨脹和失水收縮過程中，膨脹土內(nèi)部結(jié)構(gòu)變化與普通黏土存在明顯的差異。將水泥摻入膨脹土后，水泥與土體中自由水發(fā)生水化反應(yīng)，水化產(chǎn)物吸附在土體顆粒表面，導(dǎo)致礦物成分和微觀孔隙組成結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，其規(guī)律尚待深入研究。本文采用室內(nèi)試驗測試水泥改性膨脹土的自由膨脹率、抗壓強(qiáng)度和收縮特性，并利用XRD試驗、MIP試驗、SEM測試進(jìn)一步研究水泥改性膨脹土微觀結(jié)構(gòu)變化規(guī)律，分析水泥改性膨脹土的工作機(jī)理。

1 試驗材料與試驗方案

1.1 試驗材料

試驗所需膨脹土取自安徽省駟馬山分洪道切嶺段，駟馬山膨脹土是皖東地區(qū)膨脹土的典型代表。土的液限為47.6%，塑限為20.0%，塑性指數(shù)為27.6，自由膨脹率為52.5%，粒徑為0～0.005 mm、0.005～0.075 mm和0.072～2 mm的顆粒的質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為34.47%、50.48%和15.05%。水泥采用海螺P·O 32.5普通硅酸鹽水泥。

1.2 試樣準(zhǔn)備

依據(jù)JGJ/T 233—2011《水泥土配合比設(shè)計規(guī)程》，水泥土試配時，宜采用3個配合比，其中一個配合比的水泥摻入比為基準(zhǔn)值，另外兩個配合比的水泥摻入比宜比基準(zhǔn)值分別減少和增加3%。水泥改性膨脹土水泥摻入比基準(zhǔn)值確定為5%，結(jié)合實際情況，另外兩個配合比的水泥摻入比分別為3%和8%。

向風(fēng)干后的膨脹土土樣中依次摻入3%、5%和8%比例的水泥，根據(jù)土的塑限制備不同含水率的試樣，密封養(yǎng)護(hù)24 h后進(jìn)行輕型擊實試驗，測定素土和3組水泥改性膨脹土的最大干密度和最優(yōu)含水率等，為相關(guān)試驗提供準(zhǔn)備。

根據(jù)擊實試驗結(jié)果，采用一次成型壓樣儀，制備無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試樣，試樣為直徑3.91 cm、高8.0 cm的圓柱樣，壓實系數(shù)為0.95。將制備好的試樣放入恒溫恒濕標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)箱內(nèi)養(yǎng)護(hù)28 d(溫度(20±2)℃，相對濕度≥95%)。

1.3 宏觀特性測試

對試樣的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度、自由膨脹率、收縮特性進(jìn)行測試，具體步驟參照GB/T 50123—2019《土工試驗方法標(biāo)準(zhǔn)》，測試齡期為28 d。每組無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗中制作3個平行樣，取平均值作為試樣的抗壓強(qiáng)度值。

1.4 微觀特性測試

1.4.1XRD測試

將無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗碎塊進(jìn)行研磨，過200目篩后進(jìn)行XRD測試，對水泥改性膨脹土的礦物成分組成變化進(jìn)行研究，掃描速率為5°/min。

1.4.2微觀結(jié)構(gòu)孔測試

選取無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗芯部試樣，樣品尺寸不超過15 mm×15 mm×15 mm，采用壓汞儀對所選樣品的微觀孔結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，測試設(shè)備為AutoPore Iv 9510，可分析孔徑范圍為5～340 000 nm。

1.4.3SEM測試

選取無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗芯部試樣，樣品尺寸不超過10 mm×10 mm×10 mm，對樣品表面進(jìn)行噴金，然后進(jìn)行SEM測試，對所選樣品的微觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，試樣齡期為28 d，測試設(shè)備為KYKY-EM6200。

財務(wù)管理通過各方面制度的嚴(yán)格實施來達(dá)到財務(wù)管理的效果。財務(wù)管理制度根據(jù)國家相關(guān)法律法規(guī)要求，詳細(xì)規(guī)定要怎么做而不該怎么做，把財務(wù)管理行為關(guān)進(jìn)了法律法規(guī)制度的“籠子”里，從而規(guī)范了財務(wù)管理行為，使各項財務(wù)信息準(zhǔn)確性得到有效保障。

2 試驗結(jié)果與分析

2.1 擊實特性

擊實試驗結(jié)果見表1。由表1可見，改性膨脹土的最大干密度和最優(yōu)含水率隨水泥摻入量的增加逐漸增大。這是因為膨脹土摻入水泥后，水泥與土體顆粒表面的自由水發(fā)生水化反應(yīng)，形成Ca(OH)2和C-S-H等水化合物，晶體和孔隙液體中的Ca2+與二氧化碳繼續(xù)反應(yīng)生成CaCO3，將土體顆粒黏結(jié)，使得土體顆粒得到加固，提高了土體的穩(wěn)定性和耐水性[18]。

表1 擊實試驗結(jié)果

2.2 抗壓強(qiáng)度

膨脹土改性前后土體的抗壓強(qiáng)度對比如圖1所示。水泥摻入量為3%時，改性膨脹土的抗壓強(qiáng)度較素土提高了88.55%；水泥摻入量為5%時，土體抗壓強(qiáng)度較水泥摻入量為3%時提高213.12%；水泥摻入量為8%時，土體抗壓強(qiáng)度較水泥摻入量為5%時繼續(xù)增大126.74%。由此可見，水泥的摻入使得膨脹土的抗壓強(qiáng)度顯著增大，對膨脹土有著良好的改性效果。當(dāng)水泥摻入量較少時，水化反應(yīng)產(chǎn)物較少，黏土顆粒與水泥反應(yīng)不完全導(dǎo)致強(qiáng)度較低；隨著水泥摻入量的提高，水泥與土體顆粒表面的自由水發(fā)生水化反應(yīng)更加充分，土體顆粒得到進(jìn)一步加固，強(qiáng)度不斷提高。

圖1 膨脹土抗壓強(qiáng)度與水泥摻入量的關(guān)系

2.3 自由膨脹率

膨脹土素土的自由膨脹率為52.5%，摻入3%、5%、8%比例的水泥后，膨脹土的自由膨脹率依次為43.5%、33.5%和32.5%，說明水泥對膨脹土的自由膨脹率特性有明顯的改性作用，但是水泥摻入量達(dá)到5%后，若繼續(xù)增加到8%，膨脹土的自由膨脹率降低幅度很小，說明水泥改性膨脹土的水泥摻入量存在最優(yōu)值。

膨脹土中摻入水泥后，水泥與土體顆粒表面的自由水發(fā)生水化反應(yīng)，產(chǎn)生水化產(chǎn)物，水化產(chǎn)物在與膨脹土中黏土顆粒發(fā)生反應(yīng)過程中使水泥和土從最初的離散顆粒狀態(tài)變成一種膠結(jié)的均勻結(jié)構(gòu)，土顆粒由較小形態(tài)形成較大的土團(tuán)粒，減少了顆粒團(tuán)之間的孔隙，同時增加了膠結(jié)鍵，降低了土體的自由膨脹率。

2.4 收縮特性

水泥改性膨脹土收縮試驗結(jié)果見表2。由表2可知，膨脹土的線收縮率和收縮系數(shù)均隨水泥摻入量的增大逐漸減小，水泥對膨脹土的脹縮特性有明顯的改性作用；水泥摻入量達(dá)到5%后，若繼續(xù)增加到8%，膨脹土的收縮性下降幅度較低，說明水泥改性膨脹土的水泥摻入量可能存在最優(yōu)值。

表2 收縮試驗結(jié)果

當(dāng)水泥摻入量較低時，土體中水化反應(yīng)產(chǎn)物較少，土體顆粒表面吸附的水化產(chǎn)物較少，水化產(chǎn)物的加固土體效果較低，改性膨脹土的收縮性仍然較強(qiáng)；隨著水泥摻入量的提高，水泥水化反應(yīng)產(chǎn)物進(jìn)一步加固土體顆粒，因此收縮性不斷降低。

2.5 XRD分析

XRD測試結(jié)果如圖2所示。由圖2可知，駟馬山膨脹土素土的主要礦物成分包括高嶺石、伊利石、石英、長石和綠泥石[19]。摻入水泥后，膨脹土與水泥水化反應(yīng)產(chǎn)生硅酸鈣水化物(C-S-H)，其衍射峰為衍射角2θ=29.3°所對應(yīng)的衍射峰。隨著水泥摻入量的增加，更多的水泥與土顆粒表面的自由水發(fā)生水化反應(yīng)，產(chǎn)生更多的C-S-H，X射線衍射強(qiáng)度增強(qiáng)。

I—伊利石；K—高嶺石；Q—石英；F—長石；C—綠泥石圖2 所選試樣XRD測試結(jié)果

2.6 微觀結(jié)構(gòu)SEM分析

選取有代表性、能反映微觀結(jié)構(gòu)實際情況的SEM圖像，經(jīng)過降噪、濾波等前期預(yù)處理，得到素土及水泥改性膨脹土的SEM圖像如圖3所示。由圖3可見，素土的孔隙由大量的裂隙等粗孔構(gòu)成，這是由于膨脹土的干縮特性導(dǎo)致的，顆粒之間的黏結(jié)、搭接現(xiàn)象較少。摻入水泥后，SEM圖像表面變得崎嶇、陡峭，水泥水化反應(yīng)產(chǎn)生的C-S-H凝膠與土顆粒發(fā)生團(tuán)聚，土顆粒之間逐漸黏結(jié)形成體積較大的絮狀物或者絮狀體，使得土體得到加固，土體更加密實。當(dāng)水泥摻入量為5%時，孔隙較水泥摻入量3%時小，絮狀體之間產(chǎn)生明顯的絲狀物質(zhì)，使得絮狀體進(jìn)一步互相黏結(jié)，形成呈塊狀分布、體積更大的復(fù)雜絮狀體；而當(dāng)水泥摻入量達(dá)到8%時，顆粒之間的孔隙及絮狀體進(jìn)一步黏結(jié)，土體孔隙結(jié)構(gòu)得到進(jìn)一步優(yōu)化。

圖3 素土及水泥改性膨脹土的SEM圖像

2.7 微觀孔結(jié)構(gòu)分析

所選試樣的MIP測試結(jié)果如圖4所示。根據(jù)圖4可知，駟馬山膨脹土素土試樣的孔隙直徑主要表現(xiàn)為“三峰形態(tài)”，第一個“峰”出現(xiàn)在孔徑大于8 000 nm附近，這是由于膨脹土失水發(fā)生干縮，產(chǎn)生大量的宏觀裂隙；在孔徑555 nm附近出現(xiàn)低矮平緩“峰”，說明素土試樣中的細(xì)觀孔隙相對較少，這是由于制備試樣時，將膨脹土素土配置最優(yōu)含水率后經(jīng)過2 mm篩，壓實度控制為0.95，采用一次成型壓樣儀制備無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試樣，試樣土顆粒十分密實，細(xì)觀孔隙較少；第三個“峰”出現(xiàn)在10 nm附近，這是由于土顆粒表面間存在微細(xì)孔。摻入水泥后，試樣孔徑主要分布在10 nm和10 000 nm附近，整體呈現(xiàn)“雙峰”形態(tài)，并且10 nm附近的微細(xì)孔明顯逐漸增多，孔隙直徑顯著降低。改性膨脹土的孔徑小于100 nm的微細(xì)孔隨著水泥摻入量的增加明顯增多，這是由于隨著水泥水化反應(yīng)的進(jìn)行，C-S-H在黏土中的含量逐漸增加，逐漸填充土體中孔徑為100～10 000 nm的孔隙。

圖4 所選試樣MIP測試結(jié)果

根據(jù)Horpibulsuk等[20]的研究結(jié)果，將試樣中孔隙按照孔徑尺寸劃分為5組：<10 nm、10～100 nm、100～1 000 nm、1～10 μm和>10 μm，試樣的孔隙體積及各組孔隙體積分?jǐn)?shù)如表3所示。

表3 孔隙體積及各組孔隙體積分?jǐn)?shù)

由表3可知，素土試樣中孔徑大于1 000 nm粗孔孔隙體積分?jǐn)?shù)達(dá)到48.30%，其原因是膨脹土失水發(fā)生干縮，產(chǎn)生大量的宏觀裂隙及細(xì)觀孔隙；而經(jīng)過摻入水泥改性的膨脹土，水化反應(yīng)產(chǎn)生的C-S-H凝膠態(tài)產(chǎn)物總量增多，對土體起到一定程度的膠結(jié)作用，土顆粒之間逐漸黏結(jié)形成體積較大的絮狀物或者絮狀體，使得土體顆粒得到加固，土體更加密實，試樣內(nèi)的孔隙主要吸附在土體顆粒上水化產(chǎn)物之間的孔隙，表現(xiàn)為孔徑小于100 nm的微細(xì)孔，這也從側(cè)面反映水泥改性膨脹土的收縮特性得到明顯改善，其線收縮率和收縮系數(shù)較膨脹土素土小得多。

另外由表3可知，素土的孔隙體積僅有0.091 mL/g，小于水泥改性膨脹土的孔隙體積，但由于其內(nèi)孔徑大于100 nm的粗孔的孔隙體積分?jǐn)?shù)達(dá)到63.73%，孔徑小于100 nm的微細(xì)孔孔隙體積分?jǐn)?shù)僅有36.27%，孔隙結(jié)構(gòu)較松散，因而力學(xué)性能最差。水泥摻入量為3%、5%、8%的改性膨脹土的孔徑小于100 nm微細(xì)孔孔隙體積分?jǐn)?shù)分別為41.31%、48.85%和59.55%，表明改性膨脹土樣品中孔徑小于100 nm的微細(xì)孔孔隙體積分?jǐn)?shù)與水泥摻入量呈良好的正相關(guān)關(guān)系。隨著水泥摻入量的增加，孔徑大于10 μm 的宏觀裂隙體積分?jǐn)?shù)逐漸降低。水泥摻入量的增加，水化反應(yīng)的進(jìn)行，C-S-H凝膠態(tài)產(chǎn)物總量增多，對土體起到一定程度的膠結(jié)作用。

此外，水化產(chǎn)物間隙孔的總量與抗壓強(qiáng)度試驗結(jié)果、自由膨脹率試驗結(jié)果、收縮試驗結(jié)果及SEM圖像測試結(jié)果具有良好的相關(guān)性，說明水化產(chǎn)物的總量是決定水泥改性膨脹土微觀孔隙結(jié)構(gòu)特征、土體強(qiáng)度及脹縮特性的關(guān)鍵因素。

3 結(jié) 論

a.摻入水泥可以有效地改善膨脹土的性能，隨水泥摻入量的增加，土體強(qiáng)度顯著增加、脹縮特性明顯降低，但水泥摻入量達(dá)一定程度后，摻入量的增加對土體強(qiáng)度的提升效果及對脹縮性的抑制效果并不明顯。

b.從水泥改性膨脹土的XRD圖譜可以發(fā)現(xiàn)有代表C-S-H礦物的新的衍射峰出現(xiàn)；隨著水泥摻入量的增加，更多的水泥與土顆粒表面的自由水發(fā)生水化反應(yīng)，產(chǎn)生更多的C-S-H，X射線衍射強(qiáng)度增強(qiáng)。

c.摻入水泥對膨脹土進(jìn)行改性處理后，土體的微觀結(jié)構(gòu)發(fā)生顯著變化，水泥水化反應(yīng)產(chǎn)生的C-S-H凝膠與土顆粒發(fā)生團(tuán)聚，土顆粒之間逐漸黏結(jié)形成體積較大的絮狀物或者絮狀體，優(yōu)化土體孔隙結(jié)構(gòu)，使土體得到加固。

d.膨脹土具有明顯的脹縮特性，素土孔隙主要由裂隙(孔徑大于1 000 nm的粗孔)組成，隨水泥摻入量的增加，水化反應(yīng)產(chǎn)生的C-S-H凝膠態(tài)產(chǎn)物總量增多，對土體起到一定程度的膠結(jié)作用，土顆粒之間逐漸黏結(jié)形成體積較大的絮狀物或者絮狀體，使土體顆粒得到加固，土體更加密實，改性膨脹土土體內(nèi)孔徑<100 nm的微細(xì)孔體積分?jǐn)?shù)逐漸增大，說明水化產(chǎn)物的總量是決定水泥改性膨脹土微觀孔隙結(jié)構(gòu)特征、土體強(qiáng)度及收縮特性的關(guān)鍵因素。