不同養(yǎng)護(hù)溫度下水泥改良風(fēng)積沙核磁共振試驗(yàn)研究

馬超，鄭世龍，阮波，張向京，徐斌

(1.中鐵第四勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，湖北 武漢430063；2.中南大學(xué) 土木工程學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙410075)

核磁共振技術(shù)最初應(yīng)用在油氣資源勘探領(lǐng)域，隨著科技手段的日益成熟，核磁共振的測(cè)試精度和效率不斷提高，對(duì)受檢材料的無(wú)損傷表征能力越來(lái)越完善，目前已廣泛應(yīng)用于物理、化學(xué)、生物、醫(yī)學(xué)、材料和礦業(yè)等領(lǐng)域[1]。近年來(lái)，核磁共振技術(shù)在巖土工程中的應(yīng)用越來(lái)越多，李永彪[2]研究發(fā)現(xiàn)，膨脹土的T2分布曲線有3個(gè)譜峰，而水泥改良膨脹土T2分布曲線具有2個(gè)譜峰，隨著水泥摻量的增大，水泥改良膨脹土孔隙率先增大后減小。陶高梁等[3]研究結(jié)果表明，水泥改良黏土的T2譜曲線存在3個(gè)波峰，這3個(gè)波峰分別對(duì)應(yīng)小孔、中孔和大孔。水泥改良黏土的T2譜曲線面積隨著水泥摻量的增大而持續(xù)降低。在低水泥摻量下，峰2和峰3面積減小程度較為明顯，而在高水泥摻量下，峰1面積減小程度較為明顯。蘇躍宏等[4]研究發(fā)現(xiàn)，水泥穩(wěn)定煤矸石的T2譜曲線呈三峰分布，3個(gè)波峰分別對(duì)應(yīng)小孔、中孔和大孔，小孔最多，大孔最少。熊路等[5]研究結(jié)果表明，水泥固化六價(jià)鉻污染土T2譜曲線呈雙峰分布，弛豫時(shí)間介于0.12～200 ms之間，主要孔徑分布在0.01～10 mm之間。LIU等[6]研究結(jié)果表明，膠結(jié)尾礦T2譜曲線呈雙峰分布，左峰面積遠(yuǎn)大于右峰面積，膠結(jié)尾礦內(nèi)部孔隙主要為微孔。隨著養(yǎng)護(hù)齡期增大，右峰逐漸向左移動(dòng)，與波峰對(duì)應(yīng)的T2弛豫時(shí)間逐漸降低。HE等[7]研究發(fā)現(xiàn)，水泥石灰固化污染土T2譜曲線為三峰分布，隨著凍融循環(huán)次數(shù)增多，第1個(gè)峰和第2個(gè)峰的面積逐漸減小，第3個(gè)峰的面積增大，孔徑分布范圍增大，最大T2弛豫時(shí)間增大，大孔增多，孔體積增多。目前核磁共振技術(shù)在水泥改良黏土、淤泥和膨脹土等材料的孔隙結(jié)構(gòu)分析中有一些應(yīng)用，但是水泥改良風(fēng)積沙的微觀結(jié)構(gòu)研究較少，且上述研究均是在室溫或標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)條件下進(jìn)行的，而水泥的水化易受養(yǎng)護(hù)溫度的影響。和若鐵路經(jīng)過(guò)塔克拉瑪干沙漠南緣，地表以風(fēng)積沙為主。按照和若鐵路的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)及規(guī)范要求，基床表層應(yīng)優(yōu)先選擇A組填料，其次為B組填料?；驳讓涌蛇x用A，B，C1，C2等4組填料。和若鐵路沿線粗顆粒土填料極為缺乏，而沿線廣泛分布風(fēng)積沙，但風(fēng)積沙粒徑均勻，級(jí)配不良，為間斷級(jí)配C3填料，不滿足鐵路路基基床填料的要求，因此摻入水泥進(jìn)行改良以滿足沙漠地區(qū)風(fēng)積沙鐵路的基床填料要求。根據(jù)氣象資料[8]，塔克拉瑪干沙漠全年干燥少雨，夏季地表溫度最高可達(dá)到70℃。夏季施工期間，水泥改良風(fēng)積沙的養(yǎng)護(hù)受溫度影響。阮波等[9-11]研究發(fā)現(xiàn)，水泥改良風(fēng)積沙的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度隨著養(yǎng)護(hù)溫度的升高而降低。養(yǎng)護(hù)溫度不僅會(huì)影響水泥改良風(fēng)積沙宏觀力學(xué)性能，同時(shí)也會(huì)影響其內(nèi)部孔隙結(jié)構(gòu)，可能存在嚴(yán)重的工程風(fēng)險(xiǎn)，而核磁共振技術(shù)可實(shí)現(xiàn)無(wú)損檢測(cè)。因此，本文開展水泥改良風(fēng)積沙核磁共振試驗(yàn)，研究養(yǎng)護(hù)溫度對(duì)水泥改良風(fēng)積沙T2譜曲線分布、孔隙率、最可幾孔徑和孔徑分布等孔隙結(jié)構(gòu)特征的影響。研究成果為水泥改良風(fēng)積沙鐵路路基基床的設(shè)計(jì)和施工提供參考。

1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)所用風(fēng)積沙來(lái)自于中國(guó)新疆塔克拉瑪干沙漠南緣的和若鐵路施工現(xiàn)場(chǎng)，圖1為風(fēng)積沙照片，表1為其物理力學(xué)指標(biāo)，圖2為風(fēng)積沙顆粒級(jí)配曲線，風(fēng)積沙的主要粒徑范圍為0.075～0.25 mm，粒徑占比為97.2%，顆粒分布均勻，級(jí)配不良。試驗(yàn)采用P·O 42.5普通硅酸鹽水泥，表2為其物理力學(xué)指標(biāo)。試驗(yàn)用水為長(zhǎng)沙市自來(lái)水。

表1 風(fēng)積沙的物理力學(xué)性質(zhì)Table 1 Physical and mechanical properties of aeolian sand

圖2 風(fēng)積沙的顆粒級(jí)配曲線Fig.2 Grain size distribution of aeolian sand

2 試驗(yàn)方案

試樣的養(yǎng)護(hù)溫度T分別為30℃，40℃，50℃，60℃，70℃和80℃，標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)(溫度(20±2)℃、相對(duì)濕度95%)作為對(duì)照組。水泥摻量ac(水泥質(zhì)量與干的風(fēng)積沙質(zhì)量之比)為4%和5%，壓實(shí)系數(shù)為0.95。試驗(yàn)共14組，每組3個(gè)試件，共42個(gè)試件，具體試驗(yàn)方案見(jiàn)表3。

表3 試驗(yàn)方案Table 3 Mixed design in the testing program

3 試樣制備及試驗(yàn)

按照試驗(yàn)方案，將水泥、風(fēng)積沙和水按一定比例充分?jǐn)嚢杈鶆蚝笾瞥苫旌狭?，稱取若干混合料倒入擊實(shí)筒中，采用靜力壓實(shí)法制樣，制作成直徑20 mm，高度為30 mm的圓柱體試件，如圖3所示。脫模后，標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)采用SHBY-40B型水泥恒溫恒濕標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)箱，其他養(yǎng)護(hù)溫度采用101型恒溫鼓風(fēng)干燥箱控制，養(yǎng)護(hù)6 d，第7 d試樣水中浸泡24 h。

圖3 核磁共振試樣Fig.3 NMR sample

試驗(yàn)采用蘇州紐邁分析儀器股份有限公司生產(chǎn)的NMRC12-010V型核磁共振試驗(yàn)儀。核磁曲線標(biāo)定是指利用一系列已知孔隙率的標(biāo)準(zhǔn)試件，測(cè)試其對(duì)應(yīng)的核磁共振信號(hào)，得到孔隙率與核磁共振信號(hào)幅度之間的關(guān)系曲線，如圖4所示。通過(guò)標(biāo)定曲線，即可通過(guò)待測(cè)水泥改良風(fēng)積沙試件的核磁信號(hào)求出對(duì)應(yīng)的孔隙率。

圖4 標(biāo)定曲線Fig.4 Calibration curve

4 試驗(yàn)結(jié)果及分析

4.1 核磁共振原理

由核磁共振馳豫機(jī)理可知，孔隙流體的橫向弛豫時(shí)間T2表示為[12]：

式中：T2為孔隙流體的橫向弛豫時(shí)間，ms；T2B為在足夠大的容器中，自由狀態(tài)的水的橫向弛豫時(shí)間，ms；T2S為由表面弛豫引起的水的橫向弛豫時(shí)間，ms；T2D為梯度磁場(chǎng)下由擴(kuò)散弛豫引起的水的橫向弛豫時(shí)間，ms。

由于核磁共振儀采用的是均勻磁場(chǎng)，擴(kuò)散弛豫對(duì)T2弛豫沒(méi)有貢獻(xiàn)，因此可以忽略擴(kuò)散弛豫時(shí)間T2D的影響。此外，自由狀態(tài)流體的橫向弛豫時(shí)間遠(yuǎn)大于所測(cè)試試樣的T2值，所以也可以忽略自由弛豫時(shí)間T2D的影響[13-14]。所以，式(1)可以簡(jiǎn)化為：

式中：r2為橫向表面弛豫強(qiáng)度，與試樣性質(zhì)有關(guān)，mm/s；S為孔隙的表面積，mm2；V為孔隙的體積，mm3。

其中孔隙比表面積可以表示為：

式中：FS為試樣內(nèi)部孔隙的形狀因子。當(dāng)孔隙為圓柱形孔時(shí)，F(xiàn)S=2，當(dāng)孔隙為球形孔時(shí)，F(xiàn)S=3；r為孔隙半徑，mm。

將式(3)代入式(2)中，可得：

假定改良風(fēng)積沙內(nèi)部孔隙為圓柱形孔隙，因此試樣內(nèi)部孔隙的形狀因子FS為2，根據(jù)參考文獻(xiàn)[15]和[16]可知，水泥水化產(chǎn)物的橫向表面弛豫強(qiáng)度FS測(cè)試值為10 mm/s，則公式(4)可以簡(jiǎn)寫為

由公式(5)可知，橫向弛豫時(shí)間T2的分布曲線反映了核磁試件內(nèi)部孔隙結(jié)構(gòu)的分布信息。T2分布曲線中，橫坐標(biāo)T2弛豫時(shí)間與孔徑大小高度呈正相關(guān)，縱坐標(biāo)核磁共振信號(hào)幅度與內(nèi)部孔隙體積也基本呈現(xiàn)正比例關(guān)系[17]。

孔隙率n即為水泥改良風(fēng)積沙內(nèi)部孔隙的體積與水泥改良風(fēng)積沙總體積之間的比值。在微觀層次，孔隙率反映水泥改良風(fēng)積沙材料內(nèi)部孔隙結(jié)構(gòu)的分布特征及孔隙發(fā)展的趨勢(shì)。在宏觀角度上，孔隙率主要反映了水泥改良風(fēng)積沙材料的致密程度，對(duì)于用作路基填料的水泥改良風(fēng)積沙來(lái)說(shuō)，則是反映了其密實(shí)度[5]。而密實(shí)度對(duì)水泥改良風(fēng)積沙的力學(xué)性能及變形能力具有顯著的影響。

水泥改良風(fēng)積沙可視作一種性質(zhì)特殊的多孔介質(zhì)復(fù)合材料，其內(nèi)部孔隙分布較為隨機(jī)。為了定性分析水泥改良風(fēng)積沙內(nèi)部孔隙整體尺寸的隨水泥摻量等因素的變化規(guī)律，將信號(hào)幅度最強(qiáng)的孔隙尺寸定義最可幾孔徑，即T2譜曲線演化出的孔徑分布曲線中信號(hào)幅度峰值所對(duì)應(yīng)的孔徑，小于該孔徑的內(nèi)部孔隙不可以形成連通的孔道[18]。通過(guò)分析最可幾孔徑隨養(yǎng)護(hù)溫度和水泥摻量的變化規(guī)律，能夠有效判斷出水泥改良風(fēng)積沙在不同養(yǎng)護(hù)溫度和水泥摻量作用下孔隙結(jié)構(gòu)變化特征。

通過(guò)計(jì)算可以將水泥改良風(fēng)積沙的T2譜分布曲線轉(zhuǎn)化得到孔隙半徑r的分布曲線，其形狀和變化規(guī)律與T2譜曲線基本一致。根據(jù)孔隙半徑分布曲線，可以將水泥改良風(fēng)積沙內(nèi)部孔隙半徑劃分為若干區(qū)間，并得到不同孔隙半徑范圍內(nèi)孔隙體積占比。本文參考DENG等[19]的分類方法，對(duì)水泥改良風(fēng)積沙內(nèi)部孔隙進(jìn)行分類，如表4所示。

表4 孔徑分類標(biāo)準(zhǔn)Table 4 Standard of aperture division

4.2 養(yǎng)護(hù)溫度對(duì)水泥改良風(fēng)積沙T2譜曲線的影響

不同養(yǎng)護(hù)溫度下水泥改良風(fēng)積沙的T2分布曲線和波峰放大圖如圖5所示。水泥摻量為4%的水泥改良風(fēng)積沙T2譜分布曲線具有2個(gè)峰值，水泥摻量為5%的水泥改良風(fēng)積沙T2譜分布曲線具有3個(gè)峰值，曲線與x軸所圍成的區(qū)域稱為譜峰。T2譜譜峰面積為T2譜的定積分，積分大小與孔隙體積成正比。T2譜峰面積變化可以表征核磁試件總孔隙率的變化規(guī)律，是反映水泥改良風(fēng)積沙孔隙結(jié)構(gòu)分布及其變化的重要參數(shù)，各峰所占面積比例可以反映不同尺寸孔隙的比例[20]。T2弛豫時(shí)間分布范圍為0.1～10 000 ms，按照T2弛豫時(shí)間從小到大的順序，將T2譜譜峰分別命名為第1譜峰、第2譜峰和第3譜峰。第2譜峰面積最大，因此可稱其為主譜峰，第1譜峰面積其次，第3譜峰面積最小。各T2譜分布曲線的第1譜峰和第2譜峰均為無(wú)間斷連接，這表明水泥改良風(fēng)積沙的孔徑分布的連續(xù)性較好，其內(nèi)部孔隙發(fā)展具有較穩(wěn)定的時(shí)間累積性。

圖5 養(yǎng)護(hù)溫度對(duì)水泥改良風(fēng)積沙T2譜曲線的影響Fig.5 Effects of curing temperature on T2 spectrum curves of cemented aeolian sand

由圖5可知，隨著養(yǎng)護(hù)溫度的升高，水泥改良風(fēng)積沙的主譜峰向右偏移，即向孔隙半徑增大的方向移動(dòng)，核磁信號(hào)幅度峰值增大，內(nèi)部孔隙體積及尺寸隨養(yǎng)護(hù)溫度的升高而增大。當(dāng)水泥摻量從4%增大到5%時(shí)，水泥改良風(fēng)積沙的主譜峰向左移即向孔隙半徑減小的方向發(fā)展，且核磁信號(hào)幅度峰值開始降低，T2譜分布曲線由雙峰分布轉(zhuǎn)變?yōu)槿宸植肌?/p>

4.3 養(yǎng)護(hù)溫度對(duì)孔隙率的影響

養(yǎng)護(hù)溫度對(duì)水泥改良風(fēng)積沙孔隙率的影響如圖6所示。隨著養(yǎng)護(hù)溫度升高，水泥改良風(fēng)積沙孔隙率逐漸增大。當(dāng)水泥摻量為5%時(shí)，當(dāng)養(yǎng)護(hù)溫度從30℃升高到70℃后，水泥改良風(fēng)積沙的孔隙率從30.96%增大到31.89%。水泥摻量為5%時(shí)，標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)條件下的孔隙率為30.72%，當(dāng)養(yǎng)護(hù)溫度升高到70℃時(shí)，孔隙率增大到31.89%，增長(zhǎng)幅度為1.17%，水泥改良風(fēng)積沙內(nèi)部孔隙體積增大。

圖6 養(yǎng)護(hù)溫度對(duì)水泥改良風(fēng)積沙孔隙率的影響Fig.6 Effect of curing temperature on porosity of cemented aeolian sand

在70℃養(yǎng)護(hù)溫度下，當(dāng)水泥摻量從4%提高到5%時(shí)，水泥改良風(fēng)積沙的孔隙率從33.80%降低到31.89%，降低幅度為1.91%。水泥改良風(fēng)積沙的孔隙率隨著水泥摻量增大而降低。文獻(xiàn)[3]研究結(jié)果表明，增大水泥摻量降低了水泥土的孔隙體積，這與本文試驗(yàn)結(jié)果一致。

4.4 養(yǎng)護(hù)溫度對(duì)最可幾孔徑的影響

養(yǎng)護(hù)溫度對(duì)水泥改良風(fēng)積沙最可幾孔徑的影響如圖7所示。當(dāng)水泥摻量為5%時(shí)，當(dāng)水泥改良風(fēng)積沙的養(yǎng)護(hù)溫度從30℃升高到70℃后，最可幾孔徑從1.80 mm增大到2.53 mm，增大了41%。水泥改良風(fēng)積沙的最可幾孔徑隨著養(yǎng)護(hù)溫度的升高而增大，表明隨著養(yǎng)護(hù)溫度升高，水泥改良風(fēng)積沙內(nèi)部結(jié)構(gòu)損傷加劇，水泥改良風(fēng)積沙內(nèi)部形成了尺寸更大的孔隙，在4%水泥摻量下都具有相同的變化趨勢(shì)。水泥摻量為5%時(shí)，標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)條件下的最可幾孔徑為1.75 mm，當(dāng)養(yǎng)護(hù)溫度升高到70℃時(shí)，最可幾孔徑增大到2.3 mm，增長(zhǎng)幅度為0.55 mm，水泥改良風(fēng)積沙內(nèi)部孔隙尺寸增大。

圖7 養(yǎng)護(hù)溫度對(duì)水泥改良風(fēng)積沙最可幾孔徑的影響Fig.7 Effects of curing temperature on the mean pore-size of cemented aeolian sand

在70℃養(yǎng)護(hù)溫度下，當(dāng)水泥摻量從4%提高到5%時(shí)，水泥改良風(fēng)積沙的最可幾孔徑從3.06 mm降低到2.30 mm，降低了25%。水泥改良風(fēng)積沙的最可幾孔徑隨著水泥摻量提高而降低，水泥對(duì)孔隙細(xì)化效果明顯。

4.5 養(yǎng)護(hù)溫度對(duì)孔徑分布的影響

圖8為水泥摻量為5%時(shí)，養(yǎng)護(hù)溫度對(duì)水泥改良風(fēng)積沙孔徑分布的影響。水泥風(fēng)積沙的內(nèi)部孔隙主要以中孔和大孔為主，總占比約80%，小孔相對(duì)較少，微孔所占比例則非常微小。當(dāng)水泥改良風(fēng)積沙的養(yǎng)護(hù)溫度從30℃升高70℃后，水泥改良風(fēng)積沙內(nèi)部小孔和大孔占比分別增大了2.61%和4.06%，中孔占比降低了7.03%。隨著養(yǎng)護(hù)溫度升高，水泥改良風(fēng)積沙內(nèi)部的孔隙規(guī)模逐步增大，水泥改良風(fēng)積沙內(nèi)部小孔、大孔數(shù)量顯著增多，養(yǎng)護(hù)溫度對(duì)微孔影響較小。

圖8 養(yǎng)護(hù)溫度對(duì)水泥改良風(fēng)積沙的孔徑分布的影響Fig.8 Effects of curing temperature on pore size distribution of cemented aeolian sand

圖9為養(yǎng)護(hù)溫度為70℃時(shí)，水泥摻量對(duì)水泥改良風(fēng)積沙孔徑分布的影響。當(dāng)水泥摻量從4%提高到5%時(shí)，小孔比例增大了10.36%，中孔和大孔比例均降低了3.82%。小孔比例隨著水泥摻量增加整體呈增多的變化規(guī)律，而大孔和中孔比例逐漸減少，整體孔隙體積及尺寸逐步減小。

圖9 水泥摻量對(duì)水泥改良風(fēng)積沙孔徑分布的影響Fig.9 Effects of cement content on pore size distribution of cemented aeolian sand

4.6 孔隙率與無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度之間的關(guān)系

由相關(guān)文獻(xiàn)[9]可知，水泥改良風(fēng)積沙無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度隨著養(yǎng)護(hù)溫度的升高而降低，水泥摻量的增大會(huì)提高無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度。這一規(guī)律與水泥改良風(fēng)積沙內(nèi)部孔隙率隨養(yǎng)護(hù)溫度和水泥摻量的變化規(guī)律剛好相反，這說(shuō)明了水泥改良風(fēng)積沙無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度與孔隙率之間存在一定的關(guān)聯(lián)性。提取不同養(yǎng)護(hù)溫度下水泥改良風(fēng)積沙的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度與孔隙率進(jìn)行分析，圖10為無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度qu和孔隙率n之間的關(guān)系。水泥改良風(fēng)積沙的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度與孔隙率之間存在良好的冪函數(shù)關(guān)系，抗壓強(qiáng)度隨孔隙率的增大而持續(xù)降低。養(yǎng)護(hù)溫度對(duì)水泥改良風(fēng)積沙宏觀力學(xué)的衰變現(xiàn)象，其本質(zhì)是微觀結(jié)構(gòu)變化的外在體現(xiàn)[21]。

圖10 無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度與孔隙率之間的關(guān)系Fig.10 Relationship between unconfined compressive strength and porosity of cemented aeolian sand

5 結(jié)論

1)隨著養(yǎng)護(hù)溫度的升高，水泥改良風(fēng)積沙的主譜峰向右偏移，即向孔隙半徑增大的方向移動(dòng)，核磁信號(hào)幅度峰值增大，內(nèi)部孔隙體積及尺寸隨養(yǎng)護(hù)溫度的升高而增大。

2)隨著養(yǎng)護(hù)溫度的升高，水泥改良風(fēng)積沙的孔隙率和最可幾孔徑增大，反映了隨著養(yǎng)護(hù)溫度升高，水泥改良風(fēng)積沙內(nèi)部結(jié)構(gòu)損傷加劇，水泥改良風(fēng)積沙內(nèi)部形成了尺寸更大的孔隙。當(dāng)水泥摻量為5%時(shí)，養(yǎng)護(hù)溫度為70°C對(duì)應(yīng)的孔隙率和最可幾孔徑分別為31.89%和2.3 mm。

3)隨著養(yǎng)護(hù)溫度升高，水泥改良風(fēng)積沙內(nèi)部小孔、大孔數(shù)量顯著增多，中孔占比減少，養(yǎng)護(hù)溫度對(duì)微孔影響較小。當(dāng)水泥摻量為5%，養(yǎng)護(hù)溫度為70℃時(shí)，水泥風(fēng)積沙的內(nèi)部孔隙主要以中孔和大孔為主，總占比約80%，小孔相對(duì)較少，微孔所占比例微乎其微。

4)水泥改良風(fēng)積沙的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度與孔隙率之間存在良好的冪函數(shù)關(guān)系，抗壓強(qiáng)度隨孔隙率的增大而持續(xù)降低。養(yǎng)護(hù)溫度對(duì)水泥改良風(fēng)積沙宏觀力學(xué)的衰變現(xiàn)象，其本質(zhì)是微觀結(jié)構(gòu)變化的外在體現(xiàn)。