俞良晨 閆 超 郭書(shū)蘭 閻長(zhǎng)虹③ 李想林

(①南京大學(xué)地球科學(xué)與工程學(xué)院， 南京 210023， 中國(guó)) (②安徽大學(xué)資源與環(huán)境工程學(xué)院， 合肥 230601， 中國(guó)) (③南京大學(xué)金陵學(xué)院， 南京 210089， 中國(guó))

0 引 言

現(xiàn)今許多重要的基礎(chǔ)工程，譬如軟土基坑、軟土地基等一旦發(fā)生破壞，需要及時(shí)快速的修復(fù)(柏炯， 2015； 鄭軍等， 2017； 杜廣印等， 2018)。但不同地區(qū)的軟土有機(jī)質(zhì)含量不同，其加固后的力學(xué)性質(zhì)也不同(呂海波等， 2003)，特別是在沿海高有機(jī)質(zhì)含量的軟土中，經(jīng)常遇到加固后強(qiáng)度穩(wěn)定性和沉降變形等問(wèn)題(雷華陽(yáng)等， 2013； 楊?lèi)?ài)武等， 2017)。國(guó)內(nèi)外很多學(xué)者曾針對(duì)軟土加固開(kāi)展研究。黃英豪等(2012)通過(guò)單因素試驗(yàn)對(duì)不同初始含水率、不同水泥添加量、不同養(yǎng)護(hù)齡期的固化軟土的壓縮特性進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)固化軟土的固結(jié)屈服應(yīng)力隨水泥量增加而線性增大，齡期越長(zhǎng)、含水率越低固結(jié)屈服應(yīng)力越大； 王寶勛等(2009)在利用水泥土攪拌法加固天津海積軟土的試驗(yàn)研究中加入適量堿性外摻劑NaOH或Na2CO3，試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)水泥土強(qiáng)度提高了20%以上，復(fù)合地基承載力不小于120ikPa； 陳慧娥等(2005)利用硅酸鹽水泥對(duì)不同有機(jī)質(zhì)含量的軟土進(jìn)行了加固試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)隨著有機(jī)質(zhì)含量的增加，固化土試樣的力學(xué)性質(zhì)變差。Liang et al.(2015)研究了水泥摻量和養(yǎng)護(hù)時(shí)間對(duì)南沙地區(qū)軟土水泥固化土的抗剪強(qiáng)度和無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度的影響，發(fā)現(xiàn)固化土強(qiáng)度隨水泥摻量和養(yǎng)護(hù)時(shí)間的增加而增大，水泥固化土的強(qiáng)度增長(zhǎng)率隨養(yǎng)護(hù)期的延長(zhǎng)而降低。

磷酸鎂水泥作為無(wú)機(jī)膠結(jié)材料，放熱快，凝固時(shí)間短，是一種理想的搶修搶建材料(姜洪義等， 2002； 金城等， 2013)，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)其應(yīng)用開(kāi)展了相關(guān)研究。Liu et al.(2016)在制備磷酸鎂水泥過(guò)程中加入一定量的氧化鋁，通過(guò)凝固時(shí)間、力學(xué)性能、孔隙率等變化來(lái)研究氧化鋁的摻入對(duì)磷酸鎂水泥性能的影響，結(jié)果表明氧化鋁的摻入可以延長(zhǎng)水泥的凝固時(shí)間，提高固化土的抗壓強(qiáng)度并減小固化土的孔隙率等。劉佳輝等(2019)基于廢物利用原理，為實(shí)現(xiàn)鎳鐵渣的綜合利用，降低磷酸鎂水泥的生產(chǎn)成本，提出了利用高M(jìn)gO含量的鎳鐵渣與磷酸二氫銨反應(yīng)制備鎳鐵渣基磷酸鎂水泥的方法。Qin et al.(2020)將偏高嶺土作為摻料引入到磷酸鎂水泥的改性研究中來(lái)，發(fā)現(xiàn)偏高嶺土的存在可使新拌磷酸鎂水泥砂漿的塑性、28id抗壓強(qiáng)度和抗拉黏結(jié)強(qiáng)度提高，抗凍融性和耐水性提升，并通過(guò)微觀試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)偏高嶺土顆?？商畛渖皾{孔隙或裂縫導(dǎo)致孔隙率降低，同時(shí)偏高嶺土顆?？梢詾樗a(chǎn)物的結(jié)晶提供場(chǎng)所，誘導(dǎo)生成更均勻的微觀結(jié)構(gòu)。目前對(duì)于磷酸鎂水泥的研究主要集中于磷酸鎂水泥的制備、摻料改性和加固機(jī)理等方面，對(duì)于其加固效果和規(guī)律的研究還相對(duì)較少。

現(xiàn)有研究表明，在水泥加固軟土的過(guò)程中有機(jī)質(zhì)可抑制水泥水化反應(yīng)的發(fā)生，影響固化土的強(qiáng)度(王定才， 2003； 邵帥等， 2017)。軟土中的有機(jī)質(zhì)由非腐殖質(zhì)和腐殖質(zhì)兩大類(lèi)組成，其中非腐殖質(zhì)含量較少，約為5% ～15%，大部分有機(jī)質(zhì)由腐殖質(zhì)組成的，約占85% ～95%。目前對(duì)于不同有機(jī)質(zhì)含量軟土的加固研究?jī)H限于硅酸鹽水泥加固，還缺少針對(duì)磷酸鎂水泥加固不同有機(jī)質(zhì)含量軟土方面的研究。磷酸鎂水泥(MPC)的主要成分為活性氧化鎂(MgO，簡(jiǎn)稱(chēng)M)，磷酸二氫銨((NH4)H2PO4，簡(jiǎn)稱(chēng)P)和硼砂(Na2B4O7·10H2O，簡(jiǎn)稱(chēng)B)(Soudé et al.， 2000； 汪宏濤等， 2007)。本文通過(guò)向烘干后的軟土中添加腐殖酸，人為制備不同有機(jī)質(zhì)含量的土樣，采用磷酸鎂水泥對(duì)其進(jìn)行加固，通過(guò)無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)、直剪試驗(yàn)，研究有機(jī)質(zhì)含量對(duì)磷酸鎂水泥加固效果的影響，并與相同條件下的硅酸鹽水泥中的典型PO水泥加固有機(jī)質(zhì)軟土進(jìn)行對(duì)比，探討磷酸鎂水泥加固有機(jī)質(zhì)軟土的快速修復(fù)和凝結(jié)性能。同時(shí)利用SEM試驗(yàn)得到的微觀加固機(jī)理對(duì)力學(xué)試驗(yàn)體現(xiàn)的結(jié)果進(jìn)行解釋?zhuān)⒎治隽姿徭V水泥固化土微結(jié)構(gòu)演化特征。

1 試驗(yàn)方案

1.1 試驗(yàn)材料

本次試驗(yàn)用土取自安徽蕪湖市鳩江區(qū)長(zhǎng)河北路一工地，外觀為褐色，其相關(guān)物理力學(xué)參數(shù)如表 1所示。土樣塑限值WP=22%，液限值WL=45%，塑性指數(shù)IP=23，屬于低液限黏土(CL)； 其天然含水率、壓縮性較高，具有較大的天然孔隙率，工程實(shí)用性較差。

表 1 軟土的物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)Table 1 Physico-mechanical indices of soft soil samples

由于目前磷酸鎂水泥尚未在市場(chǎng)上流通銷(xiāo)售，需手工配備所需用量的磷酸鎂水泥，其中由于磷酸二氫銨在試驗(yàn)中會(huì)釋放出刺激性氣體氨氣，故采用磷酸二氫鉀作為替換材料，可以起到和磷酸二氫銨類(lèi)似的效果。據(jù)楊全兵等(2000)、汪宏濤等(2009)有關(guān)磷酸鎂水泥的研究分析，P︰M=1︰4的磷酸鎂水泥固化軟土的力學(xué)強(qiáng)度效果及緩凝效果最佳，硼砂作為緩凝劑摻量為活性氧化鎂質(zhì)量的5%(表 2)。另采用腐殖酸代替有機(jī)質(zhì)，PO水泥級(jí)別為POi42.5。

1.2 試驗(yàn)內(nèi)容

按照試驗(yàn)設(shè)計(jì)，在土樣制備過(guò)程中，首先將原狀土料烘干后，然后碾壓過(guò)2imm 篩，完成后裝入密封袋中12ih 以使土料含水率均勻分布。隨后將摻入量為15%的磷酸鎂水泥和摻入量分別為0、3%、9%、12%的腐殖酸與其攪拌，隨后加入摻入量為40%的水，充分?jǐn)嚢杈鶆颍谱?0imm×100imm固化土柱樣和61.8imm×20imm環(huán)刀樣。另取PO水泥制備相同水泥、腐殖酸和水摻入量的固化土制作固化土柱樣和環(huán)刀樣作為對(duì)照。

將試樣用保鮮膜密封放置在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室內(nèi)，養(yǎng)護(hù)條件為20±2i℃，相對(duì)濕度≥95%，標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)7id、14id、28id后分別進(jìn)行無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)、直剪試驗(yàn)。其中，每組配比和養(yǎng)護(hù)齡期試樣采取6個(gè)平行試樣。無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)軸向應(yīng)變速度控制為1%·min-1，電腦每間隔1is自動(dòng)采集和記錄一次軸向力和豎向位移。直剪試驗(yàn)采用剪切速率為0.8imm·min-1的固結(jié)快剪法，分別在100ikPa、200ikPa、300ikPa、400ikPa 等4種不同的豎向壓力下進(jìn)行。為消除飽和度對(duì)試樣強(qiáng)度的影響，收集試驗(yàn)后試樣并選取中心部分進(jìn)行含水率測(cè)試，嚴(yán)格控制試樣含水率差異在2%之內(nèi)，剔除不符合含水率控制要求的試樣的試驗(yàn)數(shù)據(jù)。最后進(jìn)行SEM微觀試驗(yàn)，分析試樣微觀結(jié)構(gòu)演化特征，并為宏觀力學(xué)強(qiáng)度試驗(yàn)得到的加固規(guī)律提供解釋說(shuō)明。

表 2 磷酸鎂水泥組成Table 2 Composition of magnesium phosphate cement

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)

2.1.1 應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系

不同齡期的磷酸鎂水泥和PO水泥固化土的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線如圖 1所示，從圖中可以看出固化土的應(yīng)力-應(yīng)變曲線都會(huì)有明顯的線彈性階段，且都有較大的塑性變形。不同腐殖酸含量的水泥固化土，應(yīng)力-應(yīng)變曲線都出現(xiàn)了較為明顯的峰值，在達(dá)到峰值后，應(yīng)力迅速下降，試樣脆性破壞，且隨著腐殖酸含量的增加，峰值出現(xiàn)得越來(lái)越低，PO水泥固化土破壞的應(yīng)力范圍大概是137.2～1373.2ikPa，磷酸鎂水泥固化土破壞的應(yīng)力范圍是370.5～787.7ikPa。在加固初期， 7id養(yǎng)護(hù)齡期的磷酸鎂水泥固化土的強(qiáng)度比PO水泥固化土高了近兩倍，但是隨著加固周期的增長(zhǎng)，磷酸鎂水泥固化土的強(qiáng)度增幅卻不及PO水泥， 14id和28id養(yǎng)護(hù)齡期的PO水泥的固化效果明顯高于磷酸鎂水泥。

圖 1 固化土應(yīng)力-應(yīng)變曲線Fig. 1 Stress-strain curve of solidified soila. 磷酸鎂水泥固化土應(yīng)力-應(yīng)變曲線(7id)； b. PO水泥固化土應(yīng)力-應(yīng)變曲線(7id)； c. 磷酸鎂水泥固化土應(yīng)力-應(yīng)變曲線(14id)； d. PO水泥固化土應(yīng)力-應(yīng)變曲線(14id)； e. 磷酸鎂水泥固化土應(yīng)力-應(yīng)變曲線(28id)； f. PO水泥固化土應(yīng)力-應(yīng)變曲線(28id)

表 3 PO水泥和磷酸鎂水泥固化土無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果Table 3 Test results of unconfined compressive strength of PO cement and magnesium phosphate cement solidified soil

2.1.2 腐殖酸對(duì)無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度的影響

為了研究有機(jī)質(zhì)含量對(duì)固化土強(qiáng)度的影響，對(duì)各齡期固化土的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度進(jìn)行分析(表 3)。從表 3可以看出，隨著腐殖酸含量的不斷增加， 7id， 14id， 28id齡期的磷酸鎂水泥和PO水泥固化土的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度都在不斷地減小。且隨著腐殖酸含量的不斷增加，變化趨勢(shì)大致可以分為兩個(gè)階段，尤其是磷酸鎂水泥固化土：腐殖酸含量在6%以前，固化土強(qiáng)度減小比較快， 6%含量以后，變化不大。據(jù)范昭平等(2005)研究，這一界限變化的原因是腐殖酸里的富里酸，富里酸多以離子形式存在，可以在土顆粒表面附著，影響土顆粒的膠結(jié)作用，腐殖酸含量不足時(shí)，富里酸離子沒(méi)有達(dá)到飽和，但是當(dāng)富里酸離子達(dá)到飽和時(shí)，隨著腐殖酸含量的變化，固化土的強(qiáng)度變化不再明顯。

2.2 直剪試驗(yàn)

固化土的黏聚力和內(nèi)摩擦角能更加直觀地反映固化土的加固效果隨腐殖酸含量的變化趨勢(shì)。本文對(duì)固化土進(jìn)行了直剪試驗(yàn)，得到其黏聚力和內(nèi)摩擦角。這里以腐殖酸含量為0的磷酸鎂水泥固化土為例，對(duì)分析過(guò)程進(jìn)行闡述。不同豎向壓應(yīng)力下的剪切位移與剪應(yīng)力的關(guān)系如圖 2所示，若在剪切位移4imm范圍以內(nèi)出現(xiàn)峰值，則峰值對(duì)應(yīng)的剪應(yīng)力為抗剪強(qiáng)度；若未出現(xiàn)峰值，則剪切位移4imm對(duì)應(yīng)的剪應(yīng)力為抗剪強(qiáng)度。

圖 2 剪切位移與剪應(yīng)力Fig. 2 Shear displacement and shear stress

圖3 為豎向壓力與抗剪強(qiáng)度的擬合，擬合的方程式為y=0.57x+179.83。其與y軸上的截距即為黏聚力，黏聚力為179.83ikPa。直線的傾角即為內(nèi)摩擦角，由tan(φ)=0.57，可得出φ=29.69°。

圖 3 豎向壓力對(duì)應(yīng)的抗剪強(qiáng)度Fig. 3 The shear strength corresponding to vertical pressure

具體試驗(yàn)結(jié)果如表 4和表 5所示。從表中可以看出隨著腐殖酸含量的增加，PO水泥和磷酸鎂水泥固化土的黏聚力和內(nèi)摩擦角都在不斷減小。磷酸鎂水泥固化土的黏聚力和內(nèi)摩擦角范圍是164.45～250.00ikPa和17.2°～32.06°，PO水泥固化土的則為100.36～525.65ikPa和15.41°～40.10°。在7id養(yǎng)護(hù)齡期時(shí)，磷酸鎂水泥固化土的黏聚力和內(nèi)摩擦角都比PO水泥固化土大，具有短期快硬的特點(diǎn)； 但是在14id、28id養(yǎng)護(hù)齡期時(shí)，磷酸鎂水泥固化土的黏聚力和內(nèi)摩擦角都比PO水泥固化土小。

3 SEM微觀試驗(yàn)分析

SEM試驗(yàn)不僅可以看到軟土中呈片狀的高嶺石、綠泥石等黏土礦物，同時(shí)可以清晰地看到呈網(wǎng)狀的水化產(chǎn)物硅酸鈣、圓盤(pán)狀的水滑石和水化磷酸鎂團(tuán)聚體等(圖 4)。軟土在加固過(guò)程中會(huì)進(jìn)行水化反應(yīng)，生成水化產(chǎn)物。隨著水化反應(yīng)的進(jìn)行，水化產(chǎn)物生成量隨之增加，并覆蓋在土顆粒表面，將分散的土顆粒膠結(jié)在一起，當(dāng)水化反應(yīng)充分時(shí)，大面積呈片狀的黏土礦物顆粒減少，孔隙也越來(lái)越少，結(jié)晶程度變高，固化土試樣更加密實(shí)(圖 5)。

圖 4 磷酸鎂水泥固化土SEM圖片F(xiàn)ig. 4 SEM of magnesium phosphate cement solidified soil

表 4 PO固化土和磷酸鎂固化土黏聚力試驗(yàn)結(jié)果Table 4 Test results of cohesion of PO-stabilized soils and magnesium phosphate-stabilized soils

表 5 PO固化土和磷酸鎂固化土內(nèi)摩擦角試驗(yàn)結(jié)果Table 5 Test results of internal friction angle of PO-stabilized soil and magnesium phosphate-stabilized soil

圖 5 固化土水化SEM圖片F(xiàn)ig. 5 SEM of hydration of solidified soil

表 6 物相統(tǒng)計(jì)及標(biāo)記Table 6 Phase statistics and markers

為進(jìn)一步解釋前述力學(xué)試驗(yàn)分析得到的結(jié)果并分析固化土試樣微觀結(jié)構(gòu)演化特征。對(duì)磷酸鎂水泥固化土和PO水泥固化土進(jìn)行掃描電鏡(SEM)試驗(yàn)，得到磷酸鎂水泥固化土的微觀孔隙結(jié)構(gòu)、結(jié)晶程度、水化產(chǎn)物等微觀信息。SEM試驗(yàn)所要分析的物相統(tǒng)計(jì)及標(biāo)記如表 6所示。

3.1 腐殖酸含量對(duì)固化土的影響

標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)條件下， 7id和28id養(yǎng)護(hù)齡期的磷酸鎂水泥固化土試樣SEM圖片如圖 6所示，其放大倍數(shù)均為10i000倍。

磷酸鎂水泥在遇水后，KH2PO4與MgO短周期內(nèi)快速并按既定比例進(jìn)行水化反應(yīng)生成初始水化產(chǎn)物Mg3(PO4)2，隨著水化反應(yīng)不斷進(jìn)行，水化產(chǎn)物的晶核不斷生長(zhǎng)增大，彼此之間相互接觸和連生，最終形成以MgO顆粒為框架和以MgKPO4·6H2O等水化產(chǎn)物為黏結(jié)料的結(jié)晶結(jié)構(gòu)網(wǎng)，并與土顆粒包裹形成團(tuán)聚體； 但是有機(jī)質(zhì)具有抑制水泥水化反應(yīng)的作用，阻礙磷酸鎂水泥與土顆粒包裹形成團(tuán)聚體，影響并破壞水泥固化土的結(jié)構(gòu)和強(qiáng)度的形成。

因此，從圖 6中可以看出：隨著腐殖酸摻量的增加，試樣密實(shí)度和膠結(jié)、結(jié)晶程度明顯變低，結(jié)構(gòu)趨于松散，網(wǎng)狀水化產(chǎn)物覆蓋面積變小，片狀黏土礦物之間孔隙變得明顯； 同一腐殖酸摻量的磷酸鎂水泥固化土，其28id齡期的微觀結(jié)構(gòu)松散程度及孔隙大小與7id齡期的近乎一致。

圖 6 磷酸鎂水泥固化土SEM圖片F(xiàn)ig. 6 SEM of magnesium phosphate cement solidified soil

圖 7 PO水泥固化土10i000倍SEM圖片F(xiàn)ig. 7 10i000 times SEM image of PO cement solidified soil

另外，取PO水泥0腐殖酸摻量和12%腐殖酸摻量的固化土作簡(jiǎn)單對(duì)照(圖 7)。PO水泥最主要的是水化產(chǎn)物CaO·Al2O3·10H2O，在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)7id后還可以明顯看到呈片狀的黏土礦物，說(shuō)明水化反應(yīng)雖然已經(jīng)發(fā)生，但是水化程度還很低，在經(jīng)過(guò)28id養(yǎng)護(hù)后，大面積的水化產(chǎn)物生成并覆蓋在土顆粒表面，將分散的土顆粒包裹膠結(jié)在一起，孔隙結(jié)構(gòu)比7id齡期的試樣更加密實(shí)； 但有機(jī)質(zhì)的摻入仍然起到抑制PO水泥水化反應(yīng)的作用。

從圖 7中可以看出：和磷酸鎂水泥類(lèi)似，腐殖酸含量高的固化土的加固效果明顯不及腐殖酸含量低的固化土； 但不同的是，隨著養(yǎng)護(hù)時(shí)間的增加，PO水泥固化土的水化產(chǎn)物明顯增加，加固效果隨之提高。微觀結(jié)構(gòu)變化特征與力學(xué)試驗(yàn)的結(jié)果分析是相一致的，并從微觀角度解釋了固化土加固規(guī)律。

3.2 水泥固化效果對(duì)比

對(duì)比分析7id和28id養(yǎng)護(hù)齡期固化土的SEM圖，如圖 8所示。

圖 8 兩種水泥加固效果10i000倍SEM圖片F(xiàn)ig. 8 Two kinds of cement reinforcement effect on 10i000 times SEM image

從圖 8中可以看出， 7id齡期磷酸鎂水泥固化土的加固程度和強(qiáng)度提升速率高于PO水泥固化土，但是在28id齡期時(shí)，PO水泥固化土微觀結(jié)構(gòu)密實(shí)度、結(jié)晶及團(tuán)粒化程度等明顯優(yōu)于磷酸鎂水泥固化土， 28id養(yǎng)護(hù)齡期的PO水泥固化土水化產(chǎn)物發(fā)揮了很好的孔隙填充和膠結(jié)作用，使PO水泥固化土結(jié)構(gòu)相較于磷酸鎂水泥固化土更加密實(shí)，強(qiáng)度也更高。SEM試驗(yàn)結(jié)果從微觀結(jié)構(gòu)方面很好地解釋了前文宏觀力學(xué)的試驗(yàn)結(jié)果。

4 結(jié)論與建議

(1)與PO水泥加固不同有機(jī)質(zhì)含量的軟土相同，隨著有機(jī)質(zhì)含量的增加，磷酸鎂水泥加固軟土的效果逐漸降低； 其變化趨勢(shì)大致可分為兩個(gè)階段，腐殖酸含量在6%以前，固化土強(qiáng)度減小比較快， 6%含量以后，其強(qiáng)度變化不大。