征西遙 劉秀秀 吳 俊 董 毅

（①上海工程技術(shù)大學(xué)，城市軌道交通學(xué)院，上海201620，中國）

（②浙江省地礦勘察院（上海分院），上海200090，中國）

（③中國科學(xué)院武漢巖土力學(xué)研究所，武漢430000，中國）

0 引 言

我國沿海城市軟土分布廣泛，且都具有含水率高、抗剪強度低和高壓縮性等特點。這些不良特性會對基坑工程、道路工程及地下空間的施工建設(shè)造成極大困難，因此在工程上往往需要對軟土地基進行加固，其中由于水泥原料易得和施工方便等優(yōu)點使之成為一種常用的土壤固化劑材料（楊愛武等，2013；盧玉華等，2015；陳峰等，2016）?？紤]到水泥細(xì)度是影響水化產(chǎn)物的主要因素之一，近年來也有學(xué)者將納米硅、納米鋁等納米級材料作為外摻劑加入水泥土中進行試驗研究（張志敏，2015；Bahmani et al.，2016），發(fā)現(xiàn)固化土的強度能快速提高。但納米材料的成本相對較高，不適合大范圍使用。同為工業(yè)化產(chǎn)物的超細(xì)水泥具有比表面積大和高活性等特點。因而將超細(xì)水泥用于地基加固將有利于提高固化土的強度，進一步提高工程質(zhì)量，確保施工安全。郭文琦等（2020）研究超細(xì)水泥對土體的改良效果，結(jié)果表明當(dāng)摻入超細(xì)水泥量為400ikg·m－3時，其對土體的改良效果最顯著，使改良土體的黏聚力增加至7.6～9.4ikPa，內(nèi)摩擦角提高至1.45°～2.82°。郭東明等（2017）對超細(xì)水泥漿液的最優(yōu)配比及注漿效果進行研究，發(fā)現(xiàn)水灰比為1.4:1，且細(xì)度為1250目時，超細(xì)水泥漿液的各項力學(xué)性能最佳。但由于超細(xì)水泥成本較高，在地基處理中完全采用超細(xì)水泥用于固化軟土在經(jīng)濟上并不可行，因此，有必要研究不同超細(xì)水泥含量對固化軟土的力學(xué)性能的影響，從而在經(jīng)濟和固化效果兩方面達(dá)到平衡。

實際工程中，加固區(qū)域的土體會承受上部及周圍土的壓力，從而使加固土體在初始水化的時間內(nèi)產(chǎn)生有效固結(jié)應(yīng)力，進而對加固土層的強度產(chǎn)生影響。但一些學(xué)者的經(jīng)驗公式中并沒有考慮到這種固結(jié)應(yīng)力的作用（Horpibulsuk et al.，2003；Ahnberg，2007），現(xiàn)有的室內(nèi)試驗并不能較好地模擬現(xiàn)場土體的應(yīng)力狀態(tài)，即現(xiàn)場土體中孔隙水壓力的消散和膠凝產(chǎn)物的膠結(jié)作用是同時發(fā)生的，而室內(nèi)試驗則通常是對土體進行無圍壓養(yǎng)護后再測試其力學(xué)性能，因而無法真實反應(yīng)實際工程中固化軟土抗壓強度的增長，因此本文將重點考慮養(yǎng)護圍壓對不同超細(xì)水泥含量的固化軟土力學(xué)性能的影響，采用無側(cè)限抗壓強度儀（UCS）、低核磁共振孔隙測試（NMR）、X射線衍射儀（XRD）和電鏡掃描儀（SEM）等試驗手段，分析超細(xì)水泥摻量、含水率和養(yǎng)護圍壓等因素對固化軟土抗壓強度的影響規(guī)律，揭示不同超細(xì)水泥摻量的水泥固化劑對不同含水率軟土的固化機理，以期對工程實踐提供一定的理論基礎(chǔ)。

1 試驗材料及方法

1.1 試驗材料

試驗中土樣為上海典型④層淤泥質(zhì)黏土，取自上海市浦東新區(qū)某工程場地。土樣的主要物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)見表1。按土工試驗規(guī)范（中華人民共和國行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)編寫組，1999）配制重塑土。試驗采用超細(xì)水泥部分或完全代替普通水泥組成復(fù)合固化劑，分析復(fù)合固化劑對不同含水率的固化軟土的力學(xué)性能的影響。已有研究表明（Chew et al.，2004），當(dāng)水泥固化劑摻入量為干土質(zhì)量的20%～30%時，其固化效果較好?？紤]到經(jīng)濟性，本次試驗采用20%的固化劑摻入量，并以5%增量的超細(xì)水泥逐漸代替普通水泥固化劑，以研究超細(xì)水泥摻量變化對固化土抗壓強度的影響。因此，試驗中超細(xì)水泥摻量分別為0、5%、10%和20%（百分比表示超細(xì)水泥占干土質(zhì)量的百分比，下文簡稱為OPC、CAUO5、CAUO10和UFC）。使用X熒光光譜儀（XRF）和激光粒度儀對不同系列的復(fù)合固化劑進行成分和粒度分析，各系列固化劑的XRF化學(xué)成分及粒徑分布情況如表2和圖1所示。從表2中可以看出，各系列固化劑的主要成分為CaO、SiO2和Al2O3，隨著超細(xì)水泥摻量的提高，CaO的含量不斷減少，而SiO2和Al2O3的含量不斷提高。由水泥水化機理可知（Taylor，1997），水泥進行水化反應(yīng)的主要成分為SiO2和Al2O3，其在堿性CaOH激發(fā)作用下形成C-S-（A）-H凝膠。從表2可看出隨著超細(xì)水泥摻量的增加，活性SiO2和Al2O3所占比例增加?；诹椒植祭碚摚˙inici et al.，2007），粒徑小于25iμm（含25iμm）顆粒主要提供早期強度（至28id），可定義為活性水化粒徑區(qū)間；大于60iμm的部分主要是粗顆粒，活性較低，主要發(fā)揮填充作用，可定義為惰性填充粒徑區(qū)間；25～60iμm部分介于中間部分，主要提供后期強度，該部分可定義為過渡粒徑區(qū)間。因此，固化劑中隨著超細(xì)水泥摻量的增加，其活性顆粒所占比例逐漸增加。

表1 土樣的主要物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)Table 1 The physical and mechanical properties of soil samples

圖1 復(fù)合固化劑的顆粒分布曲線Fig.1 Particle distribution curve of compound curing agent

表2 各系列固化劑的化學(xué)成分Table 2 Chemical composition of various cement binders

試驗中采用的固化劑總摻入量為干土質(zhì)量的20%，考慮到現(xiàn)場施工中漿料攪拌的和易性，取水灰比為0.5（水質(zhì)量與固化劑質(zhì)量之比）。軟土高含水率將對固化效果產(chǎn)生較大影響，故本次試驗中基于土樣天然含水率，對于重塑土的含水率分別取50%和65%。具體試驗方案參見表3，對于試樣編號，第1個數(shù)字代表含水率變化，第2個數(shù)字代表超細(xì)水泥含量的百分比，短橫線后的數(shù)字表示試驗中所施加的軸向壓力值。需要注意的是，本文后續(xù)對試驗結(jié)果的表述，均采用軸向壓力變化值表示不同圍壓養(yǎng)護條件，軸向壓力施加范圍可見表4。

1.2 試驗儀器

本試驗采用自制圍壓養(yǎng)護裝置對試樣進行圍壓養(yǎng)護（圖2），通過對試樣頂部施加軸向荷載使其周圍產(chǎn)生K0狀態(tài)的圍壓。同時在試件圍壓養(yǎng)護過程中，養(yǎng)護模具需要確保密封性和不透水性，以實現(xiàn)圍壓養(yǎng)護的不排水條件。

1.3 試驗過程

1.3.1 試樣制備和養(yǎng)護

本試驗制備高80imm、直徑為39.1imm的圓柱體試樣。按表3將干土、復(fù)合水泥固化劑與水混合，并使用攪拌機充分?jǐn)嚢杈鶆?。按照?guī)范（中華人民共和國行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)編寫組，1999）將固化土樣分多次填充到養(yǎng)護模具中，對50%和65%含水率的試樣分別采用擊實儀和搗棒振搗，每組試驗制備3～5組平行試驗，取少量剩余固化軟土測其含水率（裝模時間控制在45imin內(nèi)）。試樣裝模后，將模具放置于支架上，調(diào)節(jié)儀器至規(guī)定的軸壓值進行齡期養(yǎng)護（Tan et al.，2002；Bian et al.，2017），無圍壓養(yǎng)護試樣密封放入水箱內(nèi)養(yǎng)護至規(guī)定的齡期。

表3 試驗方案Table 3 Test scheme

表4 第④層土的圍壓取值Table 4 Values of confining pressure of No.4 soil layer

圖2 圍壓養(yǎng)護裝置（單位：mm）Fig.2 The curing equipment（unit：mm）a.圍壓養(yǎng)護裝置圖；b.氣壓加載氣缸裝置圖

1.3.2 性能測試和微觀分析試驗

將達(dá)到養(yǎng)護齡期的試樣推出，然后對試樣進行預(yù)處理，使其符合試驗尺寸要求。按照規(guī)范（ASTM，2017）以軸向速率為0.4imm·min－1進行單軸壓縮試驗。試驗結(jié)束后取小量破壞后土樣進行含水率測定、XRD和SEM測試，取完整試樣進行NMR試驗?；谙嚓P(guān)學(xué)者的研究表明（Xiao，2009；Jongpradist et al.，2011），水泥土在7id已能達(dá)到固結(jié)狀態(tài)，超過7id后，固結(jié)作用不明顯。故本文重點分析7id內(nèi)固化軟土的抗壓強度和模量變化，并研究其固化機理。

2 實驗結(jié)果與分析

2.1 固化軟土含水率

圖3為含水率分別為50%和65%的試樣在不同軸向壓力下含水率隨齡期變化的曲線?？梢钥闯觯S著齡期增加，固化軟土的含水率逐漸降低，且在1id之內(nèi)的降低幅度較大。此外，50%含水率的試樣1～7id含水率減小量低于65%含水率的試樣，說明對于50%含水率的試樣，隨著齡期的增加其水化反應(yīng)逐步減緩，這可能是由于隨齡期的增加，水化產(chǎn)物將土顆粒膠結(jié)，使孔隙變小，孔隙水的擴散受阻降低固化劑水化速率。而對于65%含水率的試樣，試樣自身含水量較多，水化反應(yīng)空間相對較充足。同時也可發(fā)現(xiàn)，隨著軸壓增加，同一超細(xì)水泥摻量的試樣含水率變化量（減少量）逐漸增加，說明隨著豎向軸力增加，固化軟土內(nèi)更多的水分被擠出致使固化軟土內(nèi)含水量下降；隨著超細(xì)水泥摻量的增加，相同軸壓的試樣含水率變化量（減少量）逐漸增加，說明隨著固化劑中超細(xì)水泥摻量的增加，固化軟土中的含水率逐漸降低。由水泥固化機理可知（Taylor，1997），水泥與水發(fā)生水解反應(yīng)，如富鈣相與富硅相在水中水化形成硅酸鈣，而超細(xì)水泥相比較普通水泥而言，通過物理方法增加熟料的比表面積，使得富鈣相與富硅相接觸面積增大，因此水化反應(yīng)加快并且更加充分，故會消耗更多的水。

圖3 試樣含水率隨時間變化曲線Fig.3 Time history of samples with different water contents

2.2 固化軟土無側(cè)限抗壓強度

圖4 固化軟土的抗壓強度隨超細(xì)水泥摻量增加的變化曲線Fig.4 Changing of compressive strength of the stabilized soft soil with different ultra-fine contents

圖4為不同養(yǎng)護齡期下，針對不同軸壓和含水率的試樣，其抗壓強度隨超細(xì)水泥摻量增加的變化曲線。由圖4a可以看出，不同含水率的試樣在軸壓不變的條件下，其3id的抗壓強度隨著超細(xì)水泥摻量的增加而增加，其中采用UFC固化劑的試樣抗壓強度最大，主要是因為UFC固化劑中細(xì)顆粒占較大比例，活性高，水化反應(yīng)快，能生成大量膠凝產(chǎn)物以黏結(jié)土顆粒和填充孔隙。而隨著超細(xì)水泥摻量進一步的增加，固化劑活性顆粒增加，水化反應(yīng)需要的水增加，因此，隨著超細(xì)水泥參量進一步的增加，水化反應(yīng)相對不充分，未反應(yīng)的固化劑顆粒僅僅發(fā)揮填充作用。固化土抗壓強度增加緩慢。同一超細(xì)水泥摻量下，試樣的抗壓強度隨軸向壓力的增加而增加，軸壓作用使試樣內(nèi)部水分?jǐn)D出，試樣密實度高；剩余水與固化劑發(fā)生水化反應(yīng)生成膠凝產(chǎn)物，膠結(jié)土顆粒和填充固化土空隙，而隨著含水率的提高，固化軟土的抗壓強度逐漸降低。由圖4b可以看出，固化軟土7id的抗壓強度變化與3id齡期的變化趨勢類似，即固化軟土的抗壓強度隨著超細(xì)水泥摻量的增加而增加，隨軸向壓力的增加而提高。

表5給出了含水率為50%時，相同軸向壓力作用下，不同超細(xì)水泥摻量的固化軟土強度對比OPC固化軟土強度在7id養(yǎng)護齡期的增長值。由表5可知，相同軸向壓力作用下，隨著超細(xì)水泥摻量增加，各試樣的抗壓強度均有提高，主要是由于隨著超細(xì)水泥摻量增加，固化劑的細(xì)顆粒百分比增加、固化劑的比表面積增大，水化反應(yīng)越充分、水化產(chǎn)物越多，固化軟土強度提高越明顯。同時也可看出，隨著軸向壓力的提高，含有超細(xì)水泥的試樣強度提高率有所減小，這可能是由于隨著軸向壓力的提高，軟土中越多的自由水被擠出造成一些固化劑顆粒未發(fā)生水化反應(yīng)。而對于CAUO10試樣來說，復(fù)合固化劑中具有惰性和活性顆粒，活性顆?？梢詤⑴c水化反應(yīng)，而粗顆?？梢杂糜谔畛湫Ч试?id時強度也可以達(dá)到較理想的值，從而對于含水率為50%的軟土，CAUO10固化劑具有較高的經(jīng)濟性。表6也給出了含水率為65%時，相同軸向壓力作用下，不同超細(xì)水泥摻量的固化軟土強度對比OPC固化軟土強度的增長值。與50%的試樣類似，相同軸向壓力作用下，隨著超細(xì)水泥摻量增加，各試樣的抗壓強度提高。隨著軸向壓力的提高，CAUO系列固化軟土在7id的強度增長率均有所增加，而UFC固化軟土的抗壓強度增長率相對減少，可能是軸向壓力增加使軟土中自由水減少，從而參與水化反應(yīng)顆粒減少。因此可知，固化軟土的強度受含水率、超細(xì)水泥摻量及養(yǎng)護圍壓等因素的影響，考慮超細(xì)水泥成本問題，本文以采用復(fù)合固化劑軟土的抗壓強度增長率與UFC固化劑軟土的抗壓強度增加率比值在40%～50%左右為成本控制依據(jù)，可知當(dāng)超細(xì)水泥摻量為10%（即CAUO10固化劑）可滿足要求。

表5 50%含水率條件下不同超細(xì)水泥摻量固化軟土對比OPC固化軟土抗壓強度增長率Table 5 Comparison of the compressive strength growth rate between samples under different curing stress and OPC without curing stress in 50%water content

本文擬對上述試驗結(jié)果采用數(shù)學(xué)方法進行7id固化軟土的抗壓強度的預(yù)測。圖5為各個參數(shù)對固化土抗壓強度的擬合曲線，由圖5可知超細(xì)水泥摻量、含水率和軸向壓力等多個參數(shù)共同影響固化土的抗壓強度，因此屬于多元回歸問題。本文以超細(xì)水泥摻量x1、含水率x2和軸向壓力x3為自變量，固化土抗壓強度y為因變量，采用多元線性回歸方法，得到線性回歸分析結(jié)果見表7和回歸方程1。從回歸方程的判定系數(shù)R2可以看出，基于多元線性回歸的固化土抗壓強度大于0.90，線性回歸高度顯著。

表6 65%含水率條件下不同超細(xì)水泥摻量固化軟土對比OPC固化軟土抗壓強度增長率Table 6 Comparison of the compressive strength growth rate between samples under different curing stress and OPC without curing stress in 65%water content

圖5 各個參數(shù)與固化土抗壓強度的擬合曲線Fig.5 Fitting curves for the compressive strength of the stabilized soft soil

表7 線性回歸分析結(jié)果Table 7 Results of linear regression analysis

圖6為預(yù)測公式（1）求解的抗壓強度值與實測值對比圖。由圖6可見公式（1）得到的預(yù)測結(jié)果是可以接受的。同時該預(yù)測公式較為簡單，可為實際工程提供參考。

圖6 公式1的預(yù)測值與實測值比較Fig.6 Comparison between predicted value and measured value

2.3 固化軟土彈性模量

取試樣抗壓應(yīng)力－應(yīng)變曲線中峰值應(yīng)力20%所對應(yīng)的割線作為試樣初始彈性模量。圖7a，圖7b依次為含水率為50%和65%條件下，固化軟土7id的彈性模量隨超細(xì)水泥摻量增加的變化曲線。由圖7a可知，含水率50%條件下，隨著超細(xì)水泥摻量的增加，固化軟土的彈性模量逐漸增加。這主要是由于隨著超細(xì)水泥摻量的增加，固化劑中活性細(xì)顆粒含量增加，水化反應(yīng)加快，產(chǎn)生的膠凝產(chǎn)物增加，從而能更好地膠結(jié)軟土顆粒。同時可以看出隨著軸向壓力的增加，固化軟土的彈性模量逐漸增大，固化軟土在軸向壓力的作用下密實性增強，從而提高了彈性模量。由圖7b可知，在含水率65%條件下，彈性模量隨著超細(xì)水泥摻量的增加而提高。同時隨著軸向壓力的增加，固化軟土的彈性模量逐漸增大，變化趨勢與含水率50%條件下一致，彈性模量隨著超細(xì)水泥含量和軸向壓力的提高而增加。通過對比圖7a和圖7b可以發(fā)現(xiàn)，對于50%含水率，固化軟土彈性模量在摻入超細(xì)水泥后，提高幅度較大，但隨著超細(xì)水泥摻量增多，其彈性模量變化較緩慢。而對于65%含水率的固化軟土，超細(xì)水泥摻量提高引起固化軟土彈性模量線性增長，說明含水率對彈性模量變化具有較大影響。這可能是由于當(dāng)含水率為50%時，由于含水率較少而造成含有超細(xì)水泥固化劑中活性顆粒二次水化反應(yīng)不充分，參與水化反應(yīng)的顆粒有限。而對于65%含水率，含水率較充分，參與反應(yīng)的固化劑顆粒逐漸增多。在軸向壓力作用下，雖然有部分水被擠出，但包裹在土顆粒內(nèi)部的水無法完全流出試件外，從而使土顆粒內(nèi)部的水泥活性成分與水可以繼續(xù)水化。但值得注意的是，隨著含水率的提高，7id時試樣的彈性模量逐漸減低，這可能是由于隨著含水率的提高，固化土體內(nèi)的大孔隙較多，水化膠凝產(chǎn)物不足以完全填充孔隙，造成固化土彈性模量變小。

圖7 不同含水率固化軟土的彈性模量隨超細(xì)水泥摻量增加的變化曲線Fig.7 Curve of elastic modulus of the stabilized soft soil with different ultra-fine cement content at varied water contents

2.4 固化軟土孔隙分布

孔隙結(jié)構(gòu)特征影響固化軟土的物理和力學(xué)性質(zhì)，本文采用低場核磁共振法（NMR）對7id的試樣進行孔徑分析。選擇達(dá)到養(yǎng)護齡期的試樣進行抽氣真空飽和，抽氣時間為4ih，使飽和度達(dá)到97%以上，不滿足的仍需繼續(xù)飽和。待試樣充分飽和后，進行核磁共振試驗。低場核磁共振技術(shù)可以得到試樣的弛豫時間T2分布，T2本質(zhì)是表征試樣內(nèi)水的氫質(zhì)子的分子運動性（Baranowska et al.，2008），而T2正比于孔隙半徑。弛豫時間T2在0.1～1ims、10ims左右和70ims以上分別對應(yīng)著微小孔、中孔和大孔及裂隙（任會康等，2017；譚龍等，2017），故固化軟土試樣內(nèi)孔隙含量百分比可由峰值所代表的相應(yīng)孔徑區(qū)間求出。

表8和表9依次給出了含水率50%和65%條件下各個試樣在7id的孔隙含量百分比。由表8可以看出，對于含水率50%的試樣，微小孔占據(jù)較大百分比，即固化軟土主要以微小孔發(fā)育為主。隨著軸向壓力的增加，固化軟土的大孔及裂隙含量相對減少，說明固化軟土的密實性增強，從而提高了抗壓強度，這也與前述結(jié)論相一致；對于OPC試樣，其大孔隙含量相對較多，表明試樣密實度不佳，但隨著超細(xì)水泥摻量的增加，固化軟土的大孔隙含量逐漸減少，微小孔的比例增加，說明水化產(chǎn)物較多，使試樣密實進而提高了試樣的抗壓強度。根據(jù)表9也得出上述相關(guān)結(jié)論，即隨著超細(xì)水泥摻量的增加，固化軟土試樣中的微小孔及中孔百分比相對提高，從而使試樣具有較高的抗壓強度；隨著軸向壓力的增加，固化軟土的孔隙壓密效果明顯。對比表8和表9，對于OPC和UFC試樣，可以看出其在50%含水率條件下的大孔隙含量少于其在含水率65%的條件，說明含水率大，試樣的密實度并不佳，雖然超細(xì)水泥加入促進水化物生成，但較多的初始含水率將使試樣仍然具有較多的大孔隙。但在軸壓條件下，UFC試樣微小孔隙相對發(fā)育，說明軸向壓力促進了水化反應(yīng)，同時也提高了固化土的密實度，從而使其具有較高的抗壓強度。

表8 含水率50%條件下各試樣孔隙分布比例Table 8 Pore distribution of the stabilized soil at 50%water content

表9 含水率65%條件下各試樣孔隙分布比例Table 9 Pore distribution of the stabilized soil at 65%water content

2.5 XRD礦物成分

固化劑與水、土顆粒主要發(fā)生離子交換和水化反應(yīng)等，反應(yīng)產(chǎn)物的類型和數(shù)量會顯著影響固化軟土的抗壓強度。固化劑水化生成Ca（OH）2和膠凝產(chǎn)物CSH（水化硅酸鈣）、CAH（水化鋁酸鈣）、CASH（水化硅鋁酸鈣）和Aft（鈣礬石）等，一部分Ca（OH）2形成晶體結(jié)構(gòu)，一部分溶解于土體的孔隙水中形成堿性環(huán)境，與土體中礦物質(zhì)繼續(xù)發(fā)生水解反應(yīng)生成膠凝產(chǎn)物。軟土中參與化學(xué)反應(yīng)的主要代表性礦物為高嶺石（K，2-Theta＝25.0°、60.5°）和石英（Q，2-Theta＝20.8°、50.1°）。

圖8為軸向壓力為270ikPa時，不同含水率的固化土的XRD的衍射圖譜。圖8a為含水率50%的固化軟土XRD圖譜，由圖可知，隨著超細(xì)水泥摻量的增加，XRD圖譜中Q、K的衍射峰強度逐漸降低，CSH衍射峰的強度基本逐漸增大，表明水化產(chǎn)物逐漸增多，同時有鈣礬石生成，共同促進固化土抗壓強度的提高。圖8b為含水率65%的固化軟土的XRD衍射結(jié)果，與圖8a類似，不同的是含水率65%的固化軟土中K、Q衍射峰強度低于含水率50%的固化軟土，表明在含水量相對充足時，水化反應(yīng)能消耗大量土體礦物質(zhì)，因此含水率65%的固化軟土水化較含水率50%的固化軟土水化充分。

圖8 不同含水率的固化軟土成分表對比圖Fig.8 XRD patterns of the stabilized soft soil with different water contents

圖9為不同軸壓下，65%含水率CAUO10固化軟土的XRD的衍射圖譜。由圖可見，不同軸壓下固化土的XRD衍射峰的變化趨勢基本類似，65%含水率CAUO10固化軟土主要物質(zhì)的XRD的衍射峰的變化情況如表10所示，對比2-Theta＝20.8°處Q的衍射峰強度可以發(fā)現(xiàn)該值由1017變化至1143和1232，2-Theta＝50.1°處Q衍射峰強度由1467變化至1507和1944，2-Theta＝60.5°處K衍射峰強度由1021變化至1127和1415，表明隨著軸向壓力的增加，固化軟土內(nèi)水化反應(yīng)仍持續(xù)進行。由上述分析可知，固化軟土強度的提高不僅來源于孔隙壓密，還有水化產(chǎn)物對土顆粒的黏結(jié)和填充孔隙，同時隨著軸向壓力的提高，固化軟土骨架致密性進一步提高。

2.6 SEM微觀結(jié)構(gòu)

圖10是養(yǎng)護齡期7id時不同軸向壓力下W50CAUO10系列試樣的SEM圖像。由圖可見，隨著軸向壓力的增加，固化軟土的孔隙逐漸減少，密實性增強。同時，水化膠凝產(chǎn)物形成的骨架結(jié)構(gòu)相比低軸壓作用時顯得更加緊密。這主要是由于隨著固化劑水化反應(yīng)的進行，生成大量膠凝產(chǎn)物，膠凝產(chǎn)物能將土顆粒包裹，膠凝產(chǎn)物、鈣礬石等逐步向外生長最終互相搭接形成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，同時固化軟土在軸向壓力下部分水被擠出使固化土顆粒變得更加緊湊，軸向壓力越大（即養(yǎng)護圍壓越大），孔隙相對越小，試樣更密實。

圖9 含水率65%條件下不同軸向壓力的CAUO10固化土成分對比圖Fig.9 The XRD patterns of the CAUO10istabilized soil under different confining stress at 65%water content

表10 65%含水率CAUO10固化軟土主要物質(zhì)的XRD衍射峰值Table 10 The XRD diffraction of main materials with 65%water content at the CAUO10 stabilized soil

圖10 含水率50%條件下不同軸向壓力的CAUO10固化軟土的SEM圖像（放大至50iμm）Fig.10 SEM images of the CAUO10istabilized soil under different confining stress at 50%water content（enlarged to 50iμm）

圖11 65ikPa下含水率65%的不同超細(xì)水泥摻量固化軟土的SEM圖像（放大至10iμm）Fig.11 SEM image of the stabilized soft soil with 65%water content at 165ikPa and different ultrafine cement contents（enlarged to 10iμm）

圖11為165ikPa下含水率65%的固化軟土隨超細(xì)水泥摻量變化的SEM分析結(jié)果。隨著超細(xì)水泥摻量的增加，固化軟土中膠凝產(chǎn)物增加，從針狀、絮狀生長逐漸向片狀、塊狀發(fā)展，超細(xì)水泥摻量達(dá)到10%～20%時，膠凝產(chǎn)物的互相搭接而形成的網(wǎng)狀骨架結(jié)構(gòu)明顯好于OPC固化軟土，同時隨著超細(xì)水泥摻量的增加，固化軟土中的孔隙逐漸減少，因而固化軟土強度隨超細(xì)水泥摻量的增加提高。

3 復(fù)合固化劑的固化機理分析

針對上述試驗結(jié)果，本文擬提出圍壓作用下采用復(fù)合固化劑固化軟土的水化模型（圖12）。該模型主要假設(shè)如下：（1）主要針對軟土顆粒（Horpibulsuk et al.，2004），當(dāng)土顆粒與復(fù)合水泥固化劑混合后，顆?？膳c超細(xì)水泥中未反應(yīng)的活性成分形成土團粒（圖12a），加入水后（圖12b），固化劑的水化物在外部擠壓土團?；蛱畛渫翀F粒間的孔隙，同時土團粒內(nèi)部間活性成分可與自由水反應(yīng)生成水化物，填充土團粒內(nèi)部；（2）圍壓有兩方面的作用（Ahnberg，2007；譚龍等，2017），第1是壓縮作用，即隨著圍壓的增加，軟土中孔隙水越容易被擠出，造成軟土的有效孔隙率減少，從而使固化軟土更密實。第2是骨架預(yù)應(yīng)力作用。圍壓對試樣產(chǎn)生有效應(yīng)力，同時復(fù)合固化劑中的活性顆粒發(fā)生水化反應(yīng)生成大量膠凝產(chǎn)物以膠結(jié)土顆粒和填充孔隙，未反應(yīng)顆粒和固化劑中的惰性顆?？捎糜谔畛淇紫叮▓D12c）。隨齡期的增加，固化軟土的骨架結(jié)構(gòu)逐步形成，在有效應(yīng)力作用下，軟土的骨架結(jié)構(gòu)更加密實，固化土抗壓強度提高（圖12d），移除圍壓后，該應(yīng)力不會消失而是存在于固化軟土內(nèi)。

上述模型中，由于復(fù)合固化劑中超細(xì)水泥的比表面積要大于普通水泥，因此超細(xì)水泥的反應(yīng)速率及反應(yīng)的充分程度要優(yōu)于普通水泥。隨著復(fù)合固化劑中超細(xì)水泥摻量的增加，超細(xì)水泥中的活性成分SiO2和Al2O3與電離出來的Ca2＋反應(yīng)更加充分，反應(yīng)生成更多的膠凝物質(zhì)CSH（水化硅酸鈣）、CAH（水化鋁酸鈣）、CASH（水化硅鋁酸鈣）等，這一類膠凝產(chǎn)物在土顆粒與土顆粒之間起到黏結(jié)作用，提升固化軟土的抗壓強度。其次，圍壓作用對固化軟土的強度提高也產(chǎn)生影響，對于本文中當(dāng)含水率較少時的試樣（50%），圍壓作用使軟土中的自由水被擠出，而固化劑中部分細(xì)顆粒由于比表面積較大，先期水化反應(yīng)較充分，但土團顆粒內(nèi)部由于孔隙水不易移動，使內(nèi)部水化反應(yīng)在后期較緩慢，故固化軟土的強度提高主要來源于膠凝產(chǎn)物形成的固化軟土骨架，及惰性顆粒的填充作用。當(dāng)含水率較充分時（65%），圍壓作用雖然擠出了軟土孔隙中的自由水，但孔隙內(nèi)的含水量仍多于含水率50%的試樣。在圍壓作用下，土團顆粒附著的活性細(xì)顆?？梢暂^多地參與水化反應(yīng)，固化軟土的強度的提高主要依靠膠凝產(chǎn)物黏結(jié)土顆粒形成土骨架。隨著圍壓的提高，土骨架越致密，而惰性粗顆粒雖有填充土團顆粒內(nèi)部孔隙的作用，但效果小于骨架預(yù)應(yīng)力的作用，從而表現(xiàn)為UFC試樣7id的抗壓強度絕對值較CAUO系列試樣高，可以認(rèn)為養(yǎng)護圍壓對含有超細(xì)水泥固化軟土具有較積極的作用。同時，隨著含水率的提高，試樣初始孔隙率提高，從而降低了固化軟土的抗壓強度。

圖12 圍壓養(yǎng)護下固化軟土結(jié)構(gòu)形成模型Fig.12 Structure formation model of the stabilized soft soil under confining pressure curing

4 結(jié) 論

本文主要研究超細(xì)水泥對固化軟土力學(xué)性能的影響。在普通水泥中加入不同比例的超細(xì)水泥組成復(fù)合水泥固化劑。采用自制圍壓養(yǎng)護裝置，通過施加軸向壓力的方式對復(fù)合水泥固化軟土進行圍壓養(yǎng)護，研究不同養(yǎng)護圍壓下超細(xì)水泥含量，含水率及養(yǎng)護齡期對復(fù)合水泥固化軟土抗壓強度的影響，采用微觀分析方法獲得不同超細(xì)水泥摻量下微觀結(jié)構(gòu)發(fā)展的規(guī)律，并揭示其固化機理。并建立固化軟土強度預(yù)測公式，提出圍壓條件下復(fù)合水泥固化軟土生成模型，本文可得到以下結(jié)論：

（1）固化軟土含水率、養(yǎng)護圍壓不變的條件下，隨著超細(xì)水泥摻量的增加，固化劑細(xì)顆粒含量增加，水化反應(yīng)越充分，生成大量的膠凝產(chǎn)物以更好地膠結(jié)土顆粒和填充孔隙，從而提高固化軟土抗壓強度和彈性模量。固化軟土的微小孔和中孔含量隨超細(xì)水泥摻量的增加而增加，表明固化軟土隨著超細(xì)水泥摻量增加而增強了微觀結(jié)構(gòu)的密實性。

（2）在超細(xì)水泥摻量、養(yǎng)護圍壓不變的條件下，固化軟土的抗壓強度和彈性模量隨著含水率的提高而降低。隨著含水率的提高，土顆粒間距增大，孔隙增多，需要的填充物質(zhì)增多，從而使水化反應(yīng)能生成的膠凝產(chǎn)物仍舊不能完全將孔隙填充。含水率高的試樣中孔含量隨含水率的提高而增加，表明固化軟土的密實性隨含水率的提高而降低。

（3）固化軟土的抗壓強度、剛度隨著養(yǎng)護圍壓的提高而提高。在養(yǎng)護圍壓的作用下，固化劑中活性細(xì)顆粒發(fā)生水化反應(yīng)，水化產(chǎn)物能較好地黏聚土顆粒和填充土團顆粒間的孔隙，粗顆粒填充土顆粒間孔隙。隨著圍壓的增加，壓縮作用和預(yù)骨架應(yīng)力作用增強，結(jié)構(gòu)越致密，從而提高了固化軟土的抗壓強度。隨著含水率的提高固化軟土的中孔相對發(fā)育，微小孔相對不發(fā)育，固化軟土的抗壓強度逐漸降低，固化軟土的抗壓強度隨著齡期的增加而提高。從經(jīng)濟角度分析，考慮圍壓作用時，對于含水率為50%和65%的軟土，采用10%超細(xì)水泥摻量對提高軟土的早期抗壓強度具有一定經(jīng)濟性。

（4）基于實驗結(jié)果，采用多元線性回歸分析理論，建立圍壓養(yǎng)護條件下不同含水率及超細(xì)水泥摻量的復(fù)合水泥固化軟土早期抗壓強度預(yù)測模型，計算模型的回歸系數(shù)大于0.9，表明預(yù)測結(jié)果與實驗結(jié)果較吻合，具有適用性。