陳宇航，唐昊陵，章定文

(1. 東南大學(xué) 交通學(xué)院；江蘇省城市地下工程與環(huán)境安全重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，南京 211189；2.南京城建隧橋經(jīng)營(yíng)管理有限責(zé)任公司，南京 213000)

1 試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)材料

選取粉土和砂土作為研究對(duì)象，其中，粉土取自山東陽谷某建設(shè)場(chǎng)地地層2～3 m處，呈黃褐色，簡(jiǎn)稱粉土樣；砂土土樣由商用河砂(過2 mm篩)、高嶺土按1∶1的比例配制而來，簡(jiǎn)稱砂土樣。試驗(yàn)中膨潤(rùn)土選用商用鈣基膨潤(rùn)土。水泥為P·O 42.5普通硅酸鹽水泥。上述試樣用土的基本物理特性如圖1和表1所示，膨潤(rùn)土膨脹指數(shù)的測(cè)定方法參照ASTM D5890-11。

圖1 土體粒徑分布曲線Fig.1 Particle size distribution curves of soil sample

表1 土體物理特性指標(biāo)Table 1 Physical properties of soil samples

1.2 試驗(yàn)方案及測(cè)試方法

1.2.1 試驗(yàn)方案 試驗(yàn)配合比如表2所示。室內(nèi)試驗(yàn)水泥摻入量(C)分別為20%、22%以及24%。大量地下墻體工程應(yīng)用中，膨潤(rùn)土摻入量常見范圍是4%～7%[14]。CSM工法制漿時(shí)的膨潤(rùn)土摻入量通常為5%～8%，故膨潤(rùn)土摻入量(B)的范圍為0～10%，分別取0、2.5%、5%、7.5%和10%。每種配合比制備3個(gè)平行樣，取平均值作為測(cè)試結(jié)果。

表2 試驗(yàn)配合比Table 2 Test program of soil-cement mixtures

1.2.2 試驗(yàn)步驟

1)用一定量的膨潤(rùn)土和蒸餾水配制膨潤(rùn)土漿液，攪拌均勻并密封放置24 h。將試驗(yàn)所用土樣風(fēng)干粉碎，過2 mm篩，加入相應(yīng)比例的水泥，充分?jǐn)嚢韬蠹尤肱驖?rùn)土泥漿，繼續(xù)攪拌至均勻(攪拌約10 min)。

2)將攪拌均勻的混合土料灌入尺寸為高10 cm、直徑5 cm的PVC管模具，分層振搗后直接放入標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室(溫度20±2 ℃，相對(duì)濕度95%)，養(yǎng)護(hù)48 h后脫模，繼續(xù)養(yǎng)護(hù)至預(yù)定齡期后進(jìn)行相應(yīng)測(cè)試。

3)無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)前測(cè)試試樣的質(zhì)量與體積，計(jì)算試樣密度。無側(cè)限抗壓強(qiáng)度的加載應(yīng)變速率為1%/min。強(qiáng)度試驗(yàn)后取碎料測(cè)試試樣養(yǎng)護(hù)后的含水率。

4)采用三軸柔性壁滲透儀進(jìn)行滲透試驗(yàn)。將試樣放入飽和缸真空飽和12 h，將飽和后的試樣裝入三軸柔性壁滲透儀中，反壓飽和48 h后進(jìn)行試驗(yàn)，具體方法參照《土工試驗(yàn)規(guī)程》(SL 237—1999)。

5)將切成小塊的試樣放入凍干機(jī)中冷凍24 h，將試樣放入壓汞儀中開展壓汞試驗(yàn)。

2 試驗(yàn)結(jié)果

2.1 膨潤(rùn)土對(duì)水泥土無側(cè)限抗壓強(qiáng)度的影響

圖2為養(yǎng)護(hù)齡期為28 d的兩種水泥土試樣無側(cè)限抗壓強(qiáng)度的變化規(guī)律。固化土無側(cè)限抗壓強(qiáng)度隨膨潤(rùn)土摻入量的增加而增加；相比于未摻入膨潤(rùn)土，當(dāng)膨潤(rùn)土摻入量為10%時(shí)，固化粉土樣強(qiáng)度提高了37.3%～58.9%，固化砂土強(qiáng)度提高了80.1%～97.6%。在膨潤(rùn)土摻入量較小時(shí)，固化土強(qiáng)度增加率較大；當(dāng)膨潤(rùn)土摻入量大于5%時(shí)，固化粉土樣試樣強(qiáng)度增速變緩；當(dāng)膨潤(rùn)土摻入量大于7.5%后，固化砂土樣強(qiáng)度增幅變緩。

圖2 無側(cè)限抗壓強(qiáng)度與膨潤(rùn)土摻入量的關(guān)系Fig.2 Relationship between UCS and bentonite content

無論是粉土樣或砂土試樣，不摻膨潤(rùn)土的情況下，水泥摻入量越高，無側(cè)限抗壓強(qiáng)度越大。隨著膨潤(rùn)土摻入量增加，不同水泥摻入量的試樣出現(xiàn)不同程度的增長(zhǎng)。一般水泥摻入量越高，無側(cè)限抗壓強(qiáng)度增幅出現(xiàn)拐點(diǎn)越早。

從土的顆粒級(jí)配來看，砂土顆粒組成以粗顆粒中的細(xì)砂為主，而粉土屬細(xì)粒土，其粉粒含量占絕對(duì)優(yōu)勢(shì)。水泥土試樣在水泥摻入量、齡期等其他條件相同情況下，土顆粒越大，砂粒含量越大，試樣無側(cè)限抗壓強(qiáng)度越大。摻入膨潤(rùn)土可使砂土試樣中的粗顆粒更好吸附在水泥骨架上，形成更高的膠結(jié)強(qiáng)度，導(dǎo)致膨潤(rùn)土提高砂土試樣抗壓強(qiáng)度的幅度相比粉土試樣更高。

需注意的是，在固化砂土試樣C22B10和C24B10兩種工況下，無側(cè)限抗壓強(qiáng)度只提高了30 kPa左右。這是由于在水泥摻入量較為接近或增加幅度不大的情況下，高摻入量(此時(shí)為10%)膨潤(rùn)土的填充作用對(duì)改善強(qiáng)度起到主要作用。

2.2 膨潤(rùn)土對(duì)水泥土滲透系數(shù)的影響

圖3為兩種水泥土試樣滲透系數(shù)在養(yǎng)護(hù)齡期為28 d時(shí)的變化情況。由圖可見，水泥土試樣的滲透系數(shù)均隨著膨潤(rùn)土摻入量的增加而降低。對(duì)比膨潤(rùn)土摻入量為0 和10%時(shí)，固化粉土試樣滲透系數(shù)降低了91.5%～95.4%，固化砂土試樣滲透系數(shù)降幅在92.4%～95.1%之間。

圖3 滲透系數(shù)與膨潤(rùn)土摻量的關(guān)系Fig.3 Relationship between permeability coefficient and bentonite content

對(duì)于兩種試樣，當(dāng)膨潤(rùn)土摻量較小(小于2.5%)時(shí)，試樣滲透系數(shù)的下降幅度明顯高于其他摻量下的下降幅度。固化粉土試樣曲線的拐點(diǎn)則在膨潤(rùn)土摻入量為5%出現(xiàn)，而固化砂土試樣的拐點(diǎn)在膨潤(rùn)土摻入量為2.5%處。

綜合無側(cè)限抗壓強(qiáng)度和滲透系數(shù)試驗(yàn)，一味摻入膨潤(rùn)土提升水泥土試樣性能的邊際效果在減弱。水泥土墻體的28 d無側(cè)限抗壓強(qiáng)度應(yīng)大于0.5 MPa，滲透系數(shù)應(yīng)降至10-7cm/s以下。忽略室內(nèi)試驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)施工不同的攪拌均勻程度問題。在兩種水泥土試樣的強(qiáng)度和滲透系數(shù)滿足工程要求情況下，對(duì)于粉土試樣，當(dāng)膨潤(rùn)土摻入量大于5%時(shí)，滲透系數(shù)趨于平緩的直線，抗壓強(qiáng)度的增幅也變緩。對(duì)于砂土試樣，滲透系數(shù)下降至平緩的拐點(diǎn)在2.5%～5%之間，此時(shí)的試樣強(qiáng)度也滿足要求。綜合無側(cè)限抗壓強(qiáng)度和滲透試驗(yàn)結(jié)果，無論是粉土試樣或砂土試樣，摻入膨潤(rùn)土可以顯著提高水泥土的抗壓強(qiáng)度和降低滲透系數(shù)，但膨潤(rùn)土摻入量超過一定范圍后，改善水泥土試樣性能的效果不顯著，即膨潤(rùn)土摻入量存在邊際效應(yīng)。對(duì)于粉土試樣，膨潤(rùn)土的摻入量應(yīng)取5%，砂土試樣在2.5%～5%之間。

孔隙比是影響滲透系數(shù)的主要因素。未摻入膨潤(rùn)土?xí)r，水泥水化反應(yīng)的絮凝作用使原狀土顆粒粒徑變大，形成團(tuán)粒，增加了水泥土試樣的孔隙，同時(shí)，火山灰反應(yīng)的膠結(jié)產(chǎn)物充斥在土顆?；驁F(tuán)粒間，使水泥土試樣孔隙變小。此時(shí)，水泥土試樣的孔隙是水泥水化反應(yīng)和火山灰反應(yīng)綜合的結(jié)果[5]。摻入膨潤(rùn)土后，膨潤(rùn)土水化后均能填充封閉土顆?；驁F(tuán)粒間的小孔隙，降低水泥土試樣的滲透系數(shù)。對(duì)于兩種試樣，因填充作用帶來的孔隙比變化幅度較為相近，也導(dǎo)致兩種水泥土試樣滲透系數(shù)降幅也較為相近。

2.3 膨潤(rùn)土對(duì)水泥土微觀孔隙結(jié)構(gòu)的影響

選取試驗(yàn)方案中C20B0與C20B10固化粉土試樣的壓汞試驗(yàn)結(jié)果，其累計(jì)進(jìn)汞曲線如圖4所示。從圖4可知，在粉土試樣中摻入膨潤(rùn)土后，試樣的最終進(jìn)汞量從0.367 mL/g下降至0.344mL/g。土中曲線呈現(xiàn)向“左”移動(dòng)趨勢(shì)且趨于平滑，反映出微觀孔隙更加均勻、部分孔隙被填充的效果，與孔隙比和滲透系數(shù)等宏觀物理特性降低相一致。

圖4 試樣累積進(jìn)汞量Fig.4 Mercury intrusion versus pore size curve

圖5所示為C20B0與C20B10的固化粉土試樣孔隙分布密度曲線圖。由圖中兩條曲線對(duì)比可知，孔徑分布密度曲線形態(tài)由單峰向多峰形態(tài)轉(zhuǎn)變，曲線趨于平緩；并且孔徑峰值位置左移，峰值處的孔徑大小由725 nm降低至77.2 nm，峰值由0.26 mL/g降低至0.23 mL/g。這反映出摻入膨潤(rùn)土后，改變了水泥土試樣的顆粒級(jí)配，導(dǎo)致小孔徑增多，試樣更加密實(shí)。膨潤(rùn)土具有很好的分散性，有利于填充孔隙，從而降低孔隙比。

圖5 孔徑分布密度Fig.5 Log differential intrusion versus pore size curve

3 結(jié)果分析與討論

3.1 膨潤(rùn)土對(duì)水泥土孔隙比的影響

試樣在養(yǎng)護(hù)至相應(yīng)齡期后的孔隙比按式(1)計(jì)算。

(1)

式中：Gs為水泥土顆粒的比重，按文獻(xiàn)[15]中對(duì)水泥土各組分按質(zhì)量比例加權(quán)平均的方法近似估計(jì)水泥土試樣的比重；ωt為試樣養(yǎng)護(hù)后的含水率，在無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)完成后測(cè)得；γt為試樣容重，γω為水的容重，取1 g/cm3。

圖6所示為28 d齡期時(shí)兩種水泥土試樣孔隙比的變化規(guī)律。由圖6可見，在相同水泥摻入量情況下，固化粉土樣和固化砂土樣的孔隙比均隨著膨潤(rùn)土摻入量的增加而降低。

圖6 孔隙比與膨潤(rùn)土摻入量的關(guān)系Fig.6 Relationship between void ratio and content of bentonite

3.2 無側(cè)限抗壓強(qiáng)度與孔隙比的關(guān)系

孔隙比的降低與無側(cè)限抗壓強(qiáng)度的增長(zhǎng)有很強(qiáng)的相關(guān)性。早期研究提出水灰比對(duì)固化土的強(qiáng)度特性起到控制作用。文獻(xiàn)[6]提出e/C代替水灰比表征水泥土試樣的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度特性。文獻(xiàn)[16]提出n/(Civ)exponent參數(shù)(n為孔隙率，Civ為水泥體積摻入比)表征水泥土的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度。

采用表征參數(shù)e/(C)exponent評(píng)價(jià)無側(cè)限抗壓強(qiáng)度，建立不同水泥摻量的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度與孔隙比的關(guān)系，對(duì)e/(C)exponent和無側(cè)限抗壓強(qiáng)度之間的關(guān)系進(jìn)行擬合，如圖7所示。擬合公式如式(2)、式(3)所示。

粉土樣：

qu=1.38×107[e/(C)0.5]-2.9,R2=0.85

(2)

砂土樣：

qu=2.2×1012[e/(C)0.35]-5.7,R2=0.90

(3)

圖7 無側(cè)限抗壓強(qiáng)度與孔隙比/水泥摻量指數(shù)比值關(guān)系Fig.7 Relationship between UCS and void ratio/cement content index ratio

孔隙比/水泥摻量的比值與無側(cè)限抗壓強(qiáng)度有很好的對(duì)應(yīng)關(guān)系。這一經(jīng)驗(yàn)公式表明：摻入膨潤(rùn)土后水泥土試樣的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度與孔隙比、水泥摻入量有關(guān)。

建立水泥土試樣摻入膨潤(rùn)土后的孔隙變化公式如式(4)。

e=e0-B×a

(4)

式中：e0為不摻膨潤(rùn)土?xí)r水泥土試樣的初始孔隙比；B為膨潤(rùn)土摻入量；a為單位質(zhì)量的體積變化系數(shù)。建立孔隙比差值e0-e1與B×a的關(guān)系求解a，如圖8所示。

圖8 膨潤(rùn)土摻入量與孔隙比變化量的關(guān)系Fig.8 Relationship between the amount of bentonite incorpor ation and the change of void ratio

3.3 滲透系數(shù)與孔隙比的關(guān)系

選取28 d齡期固化試樣的孔隙比和滲透系數(shù)，并建立e-ln(k)關(guān)系如圖9所示。水泥土試樣的e與ln(k)有較好的線性關(guān)系。摻入膨潤(rùn)土減少孔隙比，可進(jìn)一步降低滲透系數(shù)。

圖9 滲透系數(shù)與孔隙比的關(guān)系Fig.9 Relationship between permeability coefficient and void ratio

4 結(jié)論

通過室內(nèi)試驗(yàn)分別研究了摻入膨潤(rùn)土對(duì)固化粉土和砂土水泥土試樣強(qiáng)度，滲透系數(shù)的影響，通過壓汞試驗(yàn)分析了水泥土試樣內(nèi)部孔隙變化，并量化摻入膨潤(rùn)土后試樣孔隙變化過程，得出以下主要結(jié)論：

1)摻入膨潤(rùn)土的分散性、膨脹性和化學(xué)反應(yīng)可顯著提高水泥土的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度和降低水泥土的滲透系數(shù)。水泥固化砂土試樣的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度增幅較水泥固化粉土試樣更大。在粉土樣中，28 d強(qiáng)度平均提高51%，而在砂土樣中28 d強(qiáng)度可平均提高87%；滲透系數(shù)均最低可達(dá)到10-9cm/s數(shù)量級(jí)。

2)膨潤(rùn)土能夠降低水泥土孔隙比，減小孔隙(尤其是大孔隙)數(shù)量，改善孔隙分布密度，既有物理填充作用，也有化學(xué)反應(yīng)作用。經(jīng)計(jì)算，單位質(zhì)量的膨潤(rùn)土體積變化系數(shù)為0.78。

3)可使用孔隙比與水泥摻入量的比值評(píng)價(jià)水泥土試樣的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度。研究結(jié)果可作為現(xiàn)場(chǎng)摻入膨潤(rùn)土的配合比試驗(yàn)工作參考，指導(dǎo)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)計(jì)施工。

4)適當(dāng)摻量的膨潤(rùn)土可提高強(qiáng)度和改善防滲性能，超過適量范圍的膨潤(rùn)土摻入量改善水泥土試樣性能的效應(yīng)減弱。綜合考慮強(qiáng)度和抗?jié)B性能，對(duì)于粉土試樣，膨潤(rùn)土的摻入量應(yīng)取5%，對(duì)于砂土試樣應(yīng)在2.5%～5%之間。