凍融作用下水泥改良土未凍水含量及孔隙特征試驗(yàn)研究

劉波,高榮,何艷清,趙璐,李東陽,孫顏頂

1.中國礦業(yè)大學(xué)(北京)力學(xué)與土木工程學(xué)院,北京 100083;2.隧道工程災(zāi)變防控與智能建養(yǎng)全國重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京 100083;3.中國建筑第二工程局有限公司,北京 100160

隨著我國礦井工程建設(shè)和城市地下空間的不斷發(fā)展,新建地下礦井和隧道工程施工時(shí)穿越富水地層的情況不可避免。為解決施工中的涌水和坍塌等難題,一些工程引入人工凍結(jié)法并取得了良好的經(jīng)濟(jì)價(jià)值和社會(huì)效益[1-3]。人工凍結(jié)過程土體中的水分凍結(jié)成冰體積發(fā)生膨脹,而在融化過程中體積收縮,產(chǎn)生凍脹融沉變形,對周邊建構(gòu)筑物產(chǎn)生不同程度的影響[4-6]。為保證凍結(jié)后土體具有良好的穩(wěn)定性,人工凍結(jié)工程常采用水泥注漿技術(shù)進(jìn)行土體改良與融沉控制。研究水泥改良粉質(zhì)黏土凍融過程中的孔隙結(jié)構(gòu)演化及凍融前后的孔隙特征變化,對評(píng)價(jià)人工凍結(jié)工程的穩(wěn)定性和控制凍脹融沉變形具有重要的工程意義和實(shí)用價(jià)值[7-10]。

近年來,圍繞凍土未凍水含量受各類因素的影響規(guī)律,眾多學(xué)者采用聲發(fā)射(AE)、掃描電鏡(SEM)、計(jì)算機(jī)斷層掃描(CT)、壓汞(MIP)、核磁共振(NMR)等技術(shù)開展了研究。Liu 等[11]、李東陽等[12]基于傳熱學(xué)中集總參數(shù)法提出了一種測定凍土中未凍水含量隨溫度變化的模型。張立新等[13]測試了不同壓力下凍土的凍結(jié)溫度和未凍水含量,發(fā)現(xiàn)凍結(jié)溫度隨壓力的增大呈非線性降低的趨勢,對應(yīng)凍結(jié)溫度下的未凍水含量也相應(yīng)增加。王大雁等[14]通過對不同類型的凍土在不同負(fù)溫下的超聲波波速特征研究,建立了超聲波波速與未凍水含量之間的關(guān)系。尹振華等[15]通過掃描電鏡研究了融化壓縮過程中水泥改良凍土的孔隙變化特征。Liu 等[16]提出了一個(gè)土壤凍結(jié)特性曲線的理論公式。Wang 等[17]基于土壤凍結(jié)特性曲線的形狀主要取決于土壤孔隙分布的假設(shè),提出了一種估算土壤凍結(jié)特性曲線的數(shù)學(xué)模型。

為減小凍融過程對土體內(nèi)部結(jié)構(gòu)的劣化損傷以控制地層變形,同時(shí)保證凍結(jié)壁達(dá)到較好的凍結(jié)效果,凍結(jié)施工前對土體進(jìn)行改良是一種行之有效的方法[18]。眾多學(xué)者圍繞不同種類改良劑對土體的物理力學(xué)性質(zhì)影響規(guī)律進(jìn)行了研究。黃建華等[19]對水泥改良土地層凍結(jié)溫度場進(jìn)行數(shù)值分析,結(jié)果表明,土體凍結(jié)效果隨水泥摻量的增大呈先增大后減弱的趨勢;水泥摻量為10% 時(shí),土體的凍結(jié)效果最佳。王天亮等[20]通過靜三軸試驗(yàn)研究了水泥改良土和石灰改良土的強(qiáng)度特性,結(jié)果表明改良土的峰值強(qiáng)度隨著圍壓的增加而增加,黏聚力隨凍融次數(shù)的增加而逐漸減小,凍融作用下水泥土的改良效果要優(yōu)于石灰土。崔宏環(huán)等[21]測試了不同水泥摻量改良土的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線,獲得了水泥固化土中水泥摻量對凍融循環(huán)后土體凍融損傷的規(guī)律。張向東等[22]測試了凍融循環(huán)作用后EPS(泡沫粒子)顆粒改良土的凍脹率及割線模量,結(jié)果表明EPS 顆?？捎行嵘馏w的抗凍性,降低土體的凍脹變形。任昆等[23]對水泥煤渣改良土進(jìn)行了凍融循環(huán)作用下的循環(huán)加載試驗(yàn),建立了考慮凍融循環(huán)次數(shù)影響的水泥煤渣改良土累計(jì)變形預(yù)測模型。

目前,土體孔隙結(jié)構(gòu)受凍融損傷的研究主要集中于未改良土體凍融前后微觀結(jié)構(gòu)的變化[24-26],較少涉及凍融過程中改良土體孔隙結(jié)構(gòu)及未凍水含量的演化規(guī)律及其與凍融損傷之間的關(guān)聯(lián)性研究。鑒于此,本文以北京地區(qū)富水粉質(zhì)黏土為研究對象,通過核磁共振技術(shù)、掃描電鏡技術(shù)和壓汞技術(shù),研究了不同摻量水泥對粉質(zhì)黏土在融化過程中未凍水含量的影響規(guī)律,并分析了凍融前后改良土孔隙特征變化受水泥摻量影響的微觀機(jī)理。研究結(jié)果可為探究人工凍結(jié)水泥改良土凍融過程孔隙結(jié)構(gòu)變化規(guī)律及人工凍結(jié)工程的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供參考。

1 試驗(yàn)材料及方法

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)用土為粉質(zhì)黏土,取自北京地鐵某聯(lián)絡(luò)通道凍結(jié)施工現(xiàn)場,取樣深度為地下21.48 m。根據(jù)《土工試驗(yàn)方法 GB/T 50123—2019》對原狀土進(jìn)行物理性質(zhì)試驗(yàn)測試,測得主要物理力學(xué)指標(biāo)見表1。試驗(yàn)所用水泥為42.5 級(jí)普通硅酸鹽水泥,初凝時(shí)間為156 min,終凝時(shí)間為293 min,養(yǎng)護(hù)7 d 抗壓強(qiáng)度為32.75 MPa。

表1 土樣基本物理性質(zhì)指標(biāo)Table 1 Basic physical property index of soil

將現(xiàn)場所取的粉質(zhì)黏土風(fēng)干、碾碎,過2 mm篩后,置于密封箱中備用?；谝延形墨I(xiàn)中對水泥改良土的研究方法及改良土物理力學(xué)性質(zhì)隨水泥摻量變化的研究結(jié)果[20,27],樣品制備時(shí)控制初始干密度為1.54 g/cm3,按照5 種水泥摻量(質(zhì)量分?jǐn)?shù))0、2.5%、5.0%、7.5%、10.0% ,分別稱取相應(yīng)質(zhì)量的干土、蒸餾水、水泥,充分?jǐn)嚢杌旌暇鶆?并分三層擊實(shí)制樣,得到A、B、C、D、E 共5 組水泥改良土試樣。經(jīng)ZYB-Ⅱ型真空壓力飽和裝置對試樣進(jìn)行真空飽和24 h。試樣靜置養(yǎng)護(hù)7 d,此時(shí)水泥土中水化反應(yīng)已達(dá)完全水化的70% ～90%。獲得5 組共15 個(gè)試樣,試樣的直徑為20 mm,高度為25 mm,如圖1 所示。

圖1 粉質(zhì)黏土試樣Fig.1 Silty clay samples

1.2 試驗(yàn)方案

核磁共振試驗(yàn)采用中國礦業(yè)大學(xué)(北京)城市地下工程實(shí)驗(yàn)室的凍結(jié)巖土核磁共振孔隙分析試驗(yàn)系統(tǒng),該系統(tǒng)由MicroMR02-025V 型核磁共振孔隙分析儀和HX-4010 低溫冷浴試驗(yàn)箱組成(圖2)。

圖2 核磁共振及低溫冷浴裝置Fig.2 Nuclear magnetic resonance and cooling system

待改良粉質(zhì)黏土養(yǎng)護(hù)完成后,分別對5 組試樣進(jìn)行正融全過程的核磁共振測試。

(1) 試驗(yàn)前用標(biāo)準(zhǔn)樣先對儀器進(jìn)行標(biāo)定,然后用聚四氟乙烯將試樣完全包裹。試驗(yàn)時(shí)控制磁體強(qiáng)度為0.29 T,磁體溫度為(32.00±0.01)℃。將裝有試樣(A1 ～E1、A2 ～E2)的試管依次放入核磁共振孔隙分析儀中,標(biāo)定不同試樣的Carr-Purcell-Meiboom-Gill(CPMG)序列參數(shù),得到凍融前各試樣的T2(橫向弛豫時(shí)間)分布曲線。

(2) 將NTC 熱敏電阻溫度傳感計(jì)(直徑1 mm,精度0.1 ℃)插入制備好的飽和試樣(A3 ～E3)中心。將所有試樣置入-20 ℃的冷浴試驗(yàn)箱內(nèi)進(jìn)行凍結(jié),每隔6 s 對試樣A3 ～E3 監(jiān)測一次溫度。待溫度達(dá)到(-20.0±0.1)℃后再凍結(jié)1 h,使試樣處于完全凍結(jié)穩(wěn)定狀態(tài)。

(3) 依次將所有凍結(jié)試樣迅速放置于核磁共振孔隙分析儀中進(jìn)行自然對流融化。融化過程中每隔6 s 監(jiān)測一次試樣的T2分布曲線及溫度,直至試樣溫度達(dá)到室溫后1 h 再對其進(jìn)行飽和,并測定其T2分布曲線,最后采用烘干法測定試樣的含水量。

(4) 重復(fù)步驟(2)和(3),直至15 個(gè)試樣全部完成,得到不同試樣在不同溫度及凍融前后的一系列T2分布曲線。

2 試驗(yàn)結(jié)果

2.1 水泥改良粉質(zhì)黏土正融過程未凍水含量變化規(guī)律

2.1.1 核磁共振測定凍土未凍水含量的溫度修正

不同水泥摻量粉質(zhì)黏土試樣的核磁共振信號(hào)量隨溫度的變化曲線如圖3 所示,其中∑Mxyi為核磁共振總信號(hào)量。

圖3 不同水泥摻量粉質(zhì)黏土的NMR 信號(hào)量與溫度關(guān)系Fig.3 NMR signal population-temperature of improved silty clay with different cement content

由圖3 可以看出,盡管改良粉質(zhì)黏土的水泥摻量不同,但其核磁共振信號(hào)量與溫度之間均為線性關(guān)系。通過歸一化溫度修正,得到順磁回歸線的相關(guān)參數(shù)。每組試樣的斜率a、截距b及烘干法測定的含水率w見表2。

表2 不同水泥摻量改良粉質(zhì)黏土順磁回歸線參數(shù)Table 2 Paramagnetic regression parameters of improved silty clay with different cement content

由表2 可知,在含水率w變化不大的情況下,隨著水泥摻量的增大,改良粉質(zhì)黏土核磁共振測試得到的順磁回歸線的截距b逐漸增大,即試樣水分子中氫原子總信號(hào)量逐漸增大。隨著水泥摻量的增大,水泥水化產(chǎn)物中鐵、鋁等順磁性物質(zhì)的存在使得飽和土體中質(zhì)子的松弛速率明顯加快,最大橫向磁化矢量增加。

質(zhì)子自旋回波衰減曲線公式如下:

式中,Mxyi(t)為i類質(zhì)子t時(shí)刻橫向磁化矢量;Mxyi(0)為該質(zhì)子弛豫開始時(shí)刻最大橫向磁化矢量;T2i為質(zhì)子i橫向磁化矢量從最大值減小63%所消耗時(shí)間。

弛豫時(shí)間T2的減小和最大橫向磁化矢量的增加將會(huì)導(dǎo)致測試序列信號(hào)量的增加[28],引起反演后氫原子的總信號(hào)量逐漸增大。然而,隨著水泥摻量的增加,氫原子的橫向磁化矢量對溫度的敏感程度不同。水泥摻量從0 逐漸增加到5% 時(shí),改良粉質(zhì)黏土核磁共振測試得到的順磁回歸線的斜率a的絕對值逐漸增大,表明水泥摻量的增加使得孔隙中的水分子磁化程度對溫度的敏感性逐漸增大。水泥摻量從5% 繼續(xù)增加至10% 時(shí),順磁回歸線斜率a的絕對值又逐漸減小,表明孔隙中的水分子磁化程度對溫度的敏感性逐漸減小。

2.1.2 水泥摻量對粉質(zhì)黏土正融過程未凍水含量-溫度的影響規(guī)律

依據(jù)圖3,采用文獻(xiàn)[4]中的方法將正融過程負(fù)溫下測定的凍土NMR 信號(hào)量轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的未凍水含量,并通過擬合得到未凍水含量隨溫度的變化曲線(圖4)。

圖4 不同水泥摻量改良粉質(zhì)黏土正融過程未凍水含量-溫度關(guān)系曲線Fig.4 Relationship curves between unfrozen water content-temperature of improved silty clay with different cement content during thawing process

已有研究表明,凍土凍結(jié)過程未凍水含量與溫度的絕對值-T之間可用冪函數(shù)wu=c(-T)e來近似描述[29-30]。由于正融過程部分未凍水在 0 ℃以上才融化,因此將曲線中溫度的絕對值-T均加了一個(gè)正值參數(shù)d作為冪函數(shù)的底。由圖4 可以看出,不同水泥摻量改良粉質(zhì)黏土正融過程的未凍水含量與溫度有著較好的修正冪函數(shù)關(guān)系:

式中,wu表示試樣中的未凍水含量;T為試樣的攝氏溫度;c,d,e為與土質(zhì)及水泥摻量有關(guān)的參數(shù)。

擬合曲線的方差R2均在0.99 以上,說明修正的冪函數(shù)能夠較好地反映正融過程改良粉質(zhì)黏土的未凍水含量隨溫度升高的變化規(guī)律。由圖4 可知,隨著溫度的升高,凍土中未凍水含量呈逐漸增加的趨勢。當(dāng)溫度升高至0.6 ℃時(shí),試樣中的冰晶顆粒完全融化,孔隙冰全部轉(zhuǎn)化為孔隙水。對于試驗(yàn)中所用的粉質(zhì)黏土,當(dāng)水泥摻量由0 增加到5% 時(shí),凍土中大孔隙被水泥顆粒占據(jù),土顆粒間黏結(jié)程度增加,抑制了試樣凍脹的能力[31]。試樣中固體顆粒比表面積減小,導(dǎo)致正融過程中同一溫度下凍土未凍水含量逐漸減小(參數(shù)c逐漸減小)。此外,由于水泥的增加,試樣吸熱能力增強(qiáng),凍土正融過程中未凍水含量變化速率隨水泥的增加越來越快(參數(shù)逐漸增大),凍結(jié)土體冰晶融化速率逐漸增大。當(dāng)水泥摻量由5%增加到10% 時(shí),土顆粒被水泥水化產(chǎn)物包裹的程度達(dá)到極限,水化產(chǎn)物的增加,導(dǎo)致土體孔隙壓力增大、試樣的持水能力增強(qiáng)[12],參數(shù)c逐漸增大,同一溫度下凍土未凍水含量也逐漸增大;同時(shí),未凍水膜厚度增加,試樣吸熱能力減弱,引起參數(shù)逐漸減小,凍土中未凍水含量變化速率隨水泥摻量的增加越來越慢,凍結(jié)土體內(nèi)部冰晶融化速率轉(zhuǎn)而減小。

2.2 水泥改良粉質(zhì)黏土凍融前后孔隙特征變化規(guī)律

不同水泥摻量的改良粉質(zhì)黏土凍融前后孔隙未凍水的T2分布曲線如圖5 所示。核磁共振技術(shù)測定得到的土體T2分布曲線中,T2的大小與孔徑成正比,T2越大,代表對應(yīng)水分賦存孔隙的孔徑越大。Tian 等[5]的研究結(jié)果表明,不同比例的粉質(zhì)黏土和砂土的混合樣均存在一個(gè)相同的閾值弛豫時(shí)間,可用其劃分T2曲線中的吸附水與體積水對應(yīng)的弛豫時(shí)間范圍。結(jié)合Liu 等[8]對砂土核磁共振得到的結(jié)合水與自由水分布研究結(jié)果,以5.17 ms 為分界值將土體中的水分分為小孔隙中的結(jié)合水與大孔隙中的自由水。通過分析T2分布曲線的變化,可以得到試樣內(nèi)部不同水分賦存的孔隙特征變化規(guī)律。

圖5 不同水泥摻量的改良粉質(zhì)黏土凍融前后孔隙水T2 分布Fig.5 T2 distribution curves of pore water in improved silty clay with different cement content before and after freeze-thaw cycle

由圖5 可以看出,隨著水泥摻量的增加,凍融前后T2分布曲線的差別逐漸減小。受凍融作用的影響,水泥摻量分別為0、2.5%、5% 時(shí),飽和改良粉質(zhì)黏土凍融后的孔隙水總含量分別增加了4.84%、3.09%、1.17% ,水泥摻量分別為7.5%、10% 時(shí), 孔隙水總含量分別減少了2.08%、4.96% ,凍融后較凍融前孔隙水總含量的增大幅度呈逐漸減小的趨勢,且減小的程度越來越大,說明水泥摻量的增加起到填充孔隙的作用和增強(qiáng)土顆粒黏結(jié)效應(yīng),并能有效減少孔隙的損傷。尤其需要指出的是,當(dāng)水泥摻量達(dá)到7.5% 和10% 時(shí),凍融后改良粉質(zhì)黏土中孔隙水總含量轉(zhuǎn)而出現(xiàn)較凍融前減小的趨勢,主要表現(xiàn)為試樣大孔隙的減少程度比小孔隙的增加程度更大[32]。

3 水泥對凍融前后粉質(zhì)黏土孔隙特征影響機(jī)理分析

3.1 凍融前后改良粉質(zhì)黏土核磁共振孔隙率及孔徑整體分布變化特征

由于水泥的摻入,粉質(zhì)黏土的孔隙被水泥顆粒填充,導(dǎo)致其總孔隙率和孔徑分布范圍產(chǎn)生不同程度的變化。為精確評(píng)價(jià)不同水泥摻量影響粉質(zhì)黏土孔隙結(jié)構(gòu)抗凍融損傷的效果,利用核磁共振技術(shù)對其進(jìn)行量化分析。在核磁共振技術(shù)中,總孔隙率n的變化表征土體孔隙受凍融損傷影響的程度;T2LM為孔隙水橫向弛豫時(shí)間的幾何平均值,其變化表征孔隙水的整體孔徑向小孔隙或大孔隙移動(dòng)的趨勢[8,26,33]。

對于飽和粉質(zhì)黏土,由核磁共振試驗(yàn)結(jié)果計(jì)算其總孔隙率的公式如下:

式中,nq為凍融后試樣的孔隙率;Vw為試樣中水的體積;mw為烘干法測定的試樣凍融后再次飽和的孔隙水質(zhì)量;ρw為水的密度;V為試樣的總體積。

凍融前飽和試樣的孔隙率為

式中,∑M(T2i)p,∑M(T2i)q分別為凍融前、后測試得到的試樣孔隙水的總信號(hào)量。

孔隙水橫向弛豫時(shí)間的幾何平均值[34]為

由核磁共振試驗(yàn)結(jié)果得到的不同水泥摻量改良粉質(zhì)黏土的總孔隙率n及孔隙水橫向弛豫時(shí)間幾何平均值T2LM,如圖6 所示。

圖6 不同水泥摻量改良粉質(zhì)黏土凍融前后孔隙特征參數(shù)變化曲線Fig.6 Variation curves of pore characteristic parameters of improved silty clay with different cement content before and after freeze-thaw cycle

由圖6(a)可以看出,隨著水泥摻量的增加,無論凍融前后,改良粉質(zhì)黏土的孔隙率均呈逐漸減小的趨勢。在水泥摻量由0 增加至5% 的過程中,改良粉質(zhì)黏土孔隙率變化幅度均為正值,說明凍融后較凍融前的孔隙率增大,且增大幅度逐漸減小(藍(lán)色實(shí)線逐漸趨近于0);而水泥摻量由7.5% 增大至10% 時(shí),改良粉質(zhì)黏土孔隙率變化幅度均為負(fù)值,說明凍融后較凍融前孔隙率減小,且減小幅度逐漸增大(藍(lán)色實(shí)線逐漸遠(yuǎn)離于0),其原因是水泥摻量的增加導(dǎo)致試樣固體顆粒更趨致密,黏結(jié)性較強(qiáng)的小孔隙受凍融影響產(chǎn)生的體積擴(kuò)張?jiān)龃蠓刃∮诖罂紫兜臏p小幅度。

由圖6(b)可以看出,無論是凍融前后,隨著水泥摻量的增加,改良粉質(zhì)黏土的T2LM均呈逐漸減小的趨勢,說明試樣中的孔隙整體尺寸分布逐漸趨向小孔隙,其原因是水泥摻量的增加,水化產(chǎn)物與土顆粒的連接程度加深并將扁圓大孔隙分割為細(xì)長的小孔隙[14]。凍融后試樣的T2LM值均較凍融前有所減小,說明凍融作用也會(huì)使得試樣中的孔隙整體尺寸分布逐漸趨向小孔隙,原因是凍融作用會(huì)引起小孔隙的擴(kuò)張發(fā)育以及大孔隙的坍塌效應(yīng)[33]。

值得注意的是,在水泥摻量由0 增加至5%的過程中,改良粉質(zhì)黏土T2LM變化幅度逐漸增大,表明凍融循環(huán)對孔徑分布整體移動(dòng)的影響越來越大[圖6(b)中藍(lán)色實(shí)線逐漸遠(yuǎn)離于0];當(dāng)水泥摻量由5%增大至10%時(shí),改良粉質(zhì)黏土孔徑中值變化幅度逐漸減小,說明凍融循環(huán)對孔徑分布整體移動(dòng)的影響越來越小[圖6(b)中藍(lán)色實(shí)線逐漸趨近于0]。

3.2 凍融前后改良粉質(zhì)黏土掃描電鏡孔隙結(jié)構(gòu)變化分析

為直觀地研究不同水泥摻量改良粉質(zhì)黏土凍融前后的微觀結(jié)構(gòu)變化情況,分別選取水泥摻量為0、5%、10% 的改良粉質(zhì)黏土試樣進(jìn)行SEM 電鏡掃描。試驗(yàn)采用Gemini 300 熱場發(fā)射掃描電子顯微鏡。結(jié)合不同水泥摻量改良粉質(zhì)黏土樣品凍融前后的SEM 圖片與核磁共振試驗(yàn)結(jié)果,從孔隙孔徑分布特征、孔隙填充和孔隙拓展或收縮等方面,對改良粉質(zhì)黏土凍融前后的微觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析。為清楚地觀察礦物顆粒及孔隙結(jié)構(gòu)的變化,本文對不同放大倍率(500 倍、1 000 倍、3 000 倍)的SEM 圖片進(jìn)行分析,獲得改良粉質(zhì)黏土3 種水泥摻量樣品的SEM 圖如圖7 所示。

圖7 不同水泥摻量改良粉質(zhì)黏土凍融前后電鏡掃描結(jié)果Fig.7 SEM results of improved silty clay with different cement content before and after freeze-thaw cycle

由圖7 可以看出,隨著水泥摻量的逐漸增加,粉質(zhì)黏土凍融前后土顆粒骨架、土體孔隙、孔縫結(jié)構(gòu)的變化過程及規(guī)律如下:

(1) 從水泥摻量的變化來看,未摻水泥的粉質(zhì)黏土試樣中,微觀顆粒結(jié)構(gòu)間的孔隙呈貫通狀,尺寸較大,孔隙孔徑分布在0.5 ～2.2 μm 之間。隨著水泥摻量的增加,試樣中大孔隙逐漸被水泥水化產(chǎn)物以附著在土顆粒表面或膠結(jié)連接土顆粒的形式填充,導(dǎo)致試樣大孔隙的體積含量減小,小孔隙體積含量增加,試樣中總孔隙率呈現(xiàn)隨水泥摻量的增加逐漸減小的趨勢。其原因在于,水泥水化反應(yīng)完全之后,粉質(zhì)黏土顆粒被膠合物包裹連接、填充,打斷了原有的大孔隙結(jié)構(gòu),因此飽和狀態(tài)下的孔隙率會(huì)呈現(xiàn)一定的減小現(xiàn)象。這與圖5 及圖6 所示一致。

(2) 從凍融前后的對比來看,未摻水泥的粉質(zhì)黏土凍融后孔隙率較凍融前更大,土顆粒及黏土礦物顆粒間的連接減弱,粒間裂隙貫通程度更高,體積松散,但顆粒組分更為均勻,大孔隙呈大幅度減小的趨勢,而小孔隙由于經(jīng)歷了凍脹和融化過程,其尺寸及面積占比呈現(xiàn)增加的趨勢。當(dāng)水泥摻量為5% 時(shí),其凍融后與凍融前相比,片狀、疊片狀的膠合物與土顆粒和黏土礦物顆粒的連接增加,大孔隙和小孔隙分別呈減小和增大的趨勢,但二者的變化程度則相對于未摻水泥的粉質(zhì)黏土較小。這是由于試樣在凍融循環(huán)過程中未凍水含量隨溫度的變化速率更大,融化較快,導(dǎo)致冰晶形成及融化時(shí)土體結(jié)構(gòu)的受損程度更小[35]。當(dāng)水泥摻量達(dá)到10% 時(shí),凍融后的總孔隙率較凍融前呈現(xiàn)大幅度減小的趨勢,大孔隙減小幅度較大,而小孔隙增大幅度較小。這些規(guī)律與圖6 所示基本一致。

3.3 凍融前后改良粉質(zhì)黏土壓汞孔隙率及孔徑分布變化分析

采用壓汞(MIP)試驗(yàn)研究不同水泥摻量改良粉質(zhì)黏土凍融前后的孔隙率及孔徑分布變化規(guī)律,試驗(yàn)前采用真空烘箱(設(shè)定溫度60 ℃)對水泥改良粉質(zhì)黏土進(jìn)行干燥。試驗(yàn)最大注汞壓力為423 MPa,孔徑測量范圍為0.003 ～450 μm。

圖8 為不同水泥摻量的改良粉質(zhì)黏土凍融前后孔隙孔徑體積占比分布情況。由圖8 可以看出,與NMR 結(jié)果相同,MIP 測試得到的不同水泥摻量的粉質(zhì)黏土凍融前后孔隙孔徑分布同樣存在兩個(gè)峰。隨著水泥摻量的增加,粉質(zhì)黏土凍融前后孔徑分布的變化幅度先減小后增大。當(dāng)水泥摻量為5% 時(shí),孔隙孔徑分布最為分散,當(dāng)水泥摻量為0 和10% 時(shí),粉質(zhì)黏土的孔徑則向曲線中部處更為集中。

圖8 不同水泥摻量改良粉質(zhì)黏土凍融前后孔隙孔徑體積占比分布Fig.8 Distribution of pore size proportion of improved silty clay with different cement content before and after freeze-thaw cycle

MIP 試驗(yàn)得到的各試樣凍融前后總孔隙率、孔徑中值及二者凍融前后的變化見表3。由表3 可知,MIP 試驗(yàn)得到的改良土凍融前后孔隙孔徑分布規(guī)律與NMR 結(jié)果基本一致。

表3 不同水泥摻量改良粉質(zhì)黏土凍融前后總孔隙率及孔徑中值(MIP)Table 3 Total porosity and median pore diameter of improved silty clay with different cement content before and after freeze-thaw cycle(MIP)

凍融作用下水泥改良粉質(zhì)黏土的總孔隙率隨水泥摻量的增加逐漸減小。水泥改良粉質(zhì)黏土凍融前后孔隙率變化程度小于未改良的粉質(zhì)黏土(表3),孔徑分布整體向小孔隙方向移動(dòng),大孔隙中的自由水和小孔隙中的結(jié)合水分別呈減小和增大的趨勢,說明水泥的摻入可以有效降低凍融作用對孔隙率變化的影響。這與圖7 所示一致。

圖9 為5% 水泥改良粉質(zhì)黏土凍融前后NMR及MIP 測試結(jié)果。從圖9 可以看出,MIP 與NMR測試得到的粉質(zhì)黏土孔隙孔徑分布結(jié)果較為一致,兩者均能較好地反映土體內(nèi)部孔隙孔徑分布及其變化情況。

圖9 5% 水泥改良粉質(zhì)黏土凍融前后NMR 及MIP 結(jié)果Fig.9 NMR and MIP results of improved silty clay with 5% cement content before and after freeze-thaw cycle

NMR 及MIP 試驗(yàn)結(jié)果表明,水泥摻量由0 增加至10% 的過程中,改良粉質(zhì)黏土T2LM(NMR)及孔徑中值(MIP)變化均呈先增大后減小趨勢。但過多水泥的摻入,同樣會(huì)引起土體內(nèi)部孔隙結(jié)構(gòu)的劣化和動(dòng)力特性的削弱[20]。筆者認(rèn)為,在水泥摻量小于5% 時(shí),改良粉質(zhì)黏土中土顆粒占主導(dǎo)地位,即土體的顆粒效應(yīng)[36]較為明顯,且水泥對孔隙的分割作用逐漸顯現(xiàn)并增強(qiáng),因而T2LM及孔徑中值減小幅度逐漸增大;當(dāng)水泥摻量大于5% 時(shí),水泥占主導(dǎo)地位,水泥對孔隙的分割作用難以再增加,而凍融對水泥土的孔隙整體劣化作用再次凸顯;在水泥摻量為5% 時(shí),土體較為密實(shí),受凍融循環(huán)產(chǎn)生的孔隙變化影響較小。SEM 結(jié)果同樣驗(yàn)證了該結(jié)果。

MIP 試驗(yàn)結(jié)果中,土體孔隙總量相對于NMR結(jié)果較小,且孔隙率變化幅度更小。這主要是由于核磁共振測定對象為試樣飽和狀態(tài)下孔隙的總體積含量,而壓汞試驗(yàn)測定對象則為60.0 ℃烘干后的粉質(zhì)黏土試樣,其部分毛細(xì)水和自由水已經(jīng)烘干,導(dǎo)致部分土顆粒骨架坍塌,體積收縮。MIP 試驗(yàn)過程中,因進(jìn)汞壓力的影響,部分微孔隙被附著在顆粒表面的結(jié)合水占據(jù),因此MIP 得到的孔隙體積含量較NMR 結(jié)果更小。對于SEM 技術(shù)得到的改良粉質(zhì)黏土孔隙特征,由于其樣品是經(jīng)自然晾干得到的,內(nèi)部結(jié)合水及自由水含量大于壓汞試驗(yàn)中的樣品水分含量,細(xì)聚焦電子束在通過真空鍍金樣品表面時(shí)測得的孔隙分布較少,因而得到的孔隙尺寸整體更小,這在圖7 及圖9 中可直觀地看出。

整體來看,3 種試驗(yàn)方法均能較好地反映飽和改良粉質(zhì)黏土受凍融損傷的情況。NMR 技術(shù)能在無損的情況下更為準(zhǔn)確地反映現(xiàn)場飽和粉質(zhì)黏土孔隙孔徑分布受凍融作用影響的一般規(guī)律。對于天然干燥狀態(tài)下或含水量較少的巖土類材料,由于水分含量較低,對NMR 得到的材料孔隙孔徑分布數(shù)據(jù)會(huì)產(chǎn)生一定的影響,此時(shí)MIP 和SEM 技術(shù)更為適用。

4 結(jié) 論

基于核磁共振技術(shù)、掃描電鏡技術(shù)和壓汞技術(shù),對凍結(jié)工程水泥改良粉質(zhì)黏土正融過程中未凍水含量的變化規(guī)律及凍融前后孔隙特征進(jìn)行了微觀測試及分析,得到如下結(jié)論:

(1) 與未摻水泥土體一樣,改良粉質(zhì)黏土核磁共振信號(hào)量與溫度依然呈現(xiàn)線性相關(guān)關(guān)系。隨著水泥摻量的增大,孔隙中水分子的總信號(hào)量增大。水泥摻量從0 逐漸增加到5% 時(shí),孔隙中的水分子磁化程度對溫度的敏感性增加,當(dāng)水泥摻量從5%繼續(xù)增加至10% 時(shí),敏感性又逐漸減小。

(2) 通過正融全過程的核磁共振連續(xù)測試試驗(yàn),得到了可以反映改良粉質(zhì)黏土正融過程的未凍水含量與溫度之間的修正冪函數(shù)關(guān)系。隨著水泥摻量由0 增加到5% ,正融過程中同一溫度下凍土中未凍水含量逐漸減小,凍結(jié)土體冰晶融化速率逐漸增大。當(dāng)水泥摻量由5% 增加到10% 時(shí),凍土中未凍水含量又逐漸增大,凍結(jié)土體冰晶融化速率逐漸減小。

(3) 凍融作用下水泥改良粉質(zhì)黏土的總孔隙率隨水泥摻量的增加逐漸減小,大孔隙中的自由水和小孔隙中的結(jié)合水分別呈減小和增大的趨勢。在水泥摻量為5% 時(shí)土體受凍融循環(huán)產(chǎn)生的孔隙變化影響較小,負(fù)溫下凍土內(nèi)部未凍水含量較小,凍結(jié)效果較好。