天津地區(qū)海相軟土微觀結(jié)構(gòu)特征及固化機(jī)理研究

柯尊弘 乾增珍 殷雪寧 岳 兵 周文靜 王梓萱

(中國(guó)地質(zhì)大學(xué)(北京)工程技術(shù)學(xué)院，北京 100089)

1 軟土固化研究現(xiàn)狀

天津地區(qū)廣泛分布著深厚的海相沉積軟土，該土工程性質(zhì)較差，具天然含水量高、孔隙比大、強(qiáng)度低、可壓縮性大等特點(diǎn)，其主要為淤泥或淤泥質(zhì)土，地表終年潮濕或積水，含大量有機(jī)質(zhì)，在工程上對(duì)該土的處理較為復(fù)雜。國(guó)內(nèi)許多學(xué)者對(duì)軟土進(jìn)行了研究，簡(jiǎn)文彬等利用水泥—水玻璃固化軟土，采用SEM圖像研究了固化土的微觀結(jié)構(gòu)，研究結(jié)果表明：水泥—水玻璃水化后的纖維狀和棱柱狀產(chǎn)物相互搭接形成網(wǎng)絡(luò)并包裹土顆粒形成較大顆粒起到加固作用[1]。楊愛武等向軟土中添加固化材料石灰粉煤灰，通過(guò)室內(nèi)試驗(yàn)和微觀結(jié)構(gòu)測(cè)試分析了石灰粉煤灰對(duì)天津地區(qū)濱海軟土的改良效果[2]。王東星等用活性MgO聯(lián)合工業(yè)副產(chǎn)物粉煤灰新型固化材料固化軟土，發(fā)現(xiàn)固化土強(qiáng)度受活性MgO摻量、齡期以及水灰比影響較大[3]。本文通過(guò)摻入不同比例的水泥開展軟土固化研究，對(duì)試樣進(jìn)行無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)，研究了固化土強(qiáng)度隨水泥摻量以及養(yǎng)護(hù)齡期的變化規(guī)律，通過(guò)掃描電子顯微鏡及X射線衍射試驗(yàn)研究分析了固化前后軟土的微觀結(jié)構(gòu)特征及礦物組成的變化規(guī)律。

2 試驗(yàn)材料及方案

2.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)用土取自天津市西青區(qū)某深基坑，取土深度約為10 m，對(duì)取回的原狀土開展若干室內(nèi)試驗(yàn)，相關(guān)物理力學(xué)指標(biāo)如表1所示。水泥為普通硅酸鹽水泥(P.O42.5)。

表1 原狀軟土物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)

2.2 試樣制作與養(yǎng)護(hù)

向軟土中分別添加占軟土質(zhì)量6%,12%,18%,24%及30%的水泥，添加一定質(zhì)量的水調(diào)配制成天然含水量的拌合物。選用內(nèi)徑56 mm，高度140 mm的PVC管作為模具，在PVC管內(nèi)壁上均勻涂抹一層薄凡士林油，后將拌合物放入模具中分層搗實(shí)，用橡皮筋及保鮮膜將試樣兩端密封，常溫下養(yǎng)護(hù)至14 d,28 d,60 d及120 d。

3 試驗(yàn)結(jié)果

3.1 無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)

試驗(yàn)儀器為中國(guó)地質(zhì)大學(xué)(北京)巖石力學(xué)實(shí)驗(yàn)室引進(jìn)的電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)，峰值荷載為300 kN。試樣達(dá)到養(yǎng)護(hù)齡期后，脫模并測(cè)量其直徑、高度及質(zhì)量，編號(hào)備用。以0.2 mm/min 的加載速率對(duì)試樣進(jìn)行無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如圖1所示。試驗(yàn)結(jié)果表明：試樣強(qiáng)度隨水泥摻量提高不斷增大，增長(zhǎng)幅度在摻量12%～24%間達(dá)最大值，而后逐漸減緩。從齡期14 d～28 d強(qiáng)度提高幅度最大。

3.2 X射線衍射試驗(yàn)

表2 礦物X-射線衍射分析報(bào)告

表3 粘土礦物X-射線衍射分析報(bào)告

表2，表3為原土及不同水泥摻量固化樣本的X射線衍射試驗(yàn)結(jié)果，相比于原土，摻入水泥的固化樣本中石英、角閃石等礦物的含量略有提高，長(zhǎng)石、方解石的含量略有降低，石英的硬度高于方解石、略高于長(zhǎng)石，在礦物組成上固化土較硬質(zhì)礦物成分的含量略高于原土。固化土粘土礦物的含量略有降低，但粘土礦物成分中的伊利石、蒙脫石混合層(I/S)大幅度降低，伊利石(It)含量大幅提升，高嶺石(Kao)含量有一定程度的提高。礦物親水能力：蒙脫石>伊利石>高嶺石，晶層間聯(lián)結(jié)力：高嶺石>伊利石>蒙脫石，比表面積：蒙脫石?伊利石>高嶺石[4]。

3.3 掃描電鏡(SEM)試驗(yàn)

圖2為原狀土在掃描電子顯微鏡下放大3 000倍的照片，可以看出軟土由不規(guī)則片狀及均勻粒狀顆粒組成。片狀顆粒間大多呈線與線、點(diǎn)與面、線與面以及面與面的雜亂接觸；粒狀顆粒大小均勻，如同大小相近的球體一般，它們的接觸發(fā)生在顆粒表面上很小的范圍內(nèi)。顆粒間雜亂無(wú)章的接觸在土體內(nèi)部形成了很多微小的空隙，而軟土中沒有更小的顆粒去充填這些空隙，這就在土體內(nèi)部搭建了巨大的空間。此外在圖2c)中可以看出，片狀顆粒與粒狀顆粒之間呈點(diǎn)與面式接觸，且存在多層片狀顆粒間夾雜部分粒狀顆粒的現(xiàn)象，這些片狀顆粒像隔水膜一樣覆蓋在粒狀顆粒外，在進(jìn)一步擴(kuò)增土體內(nèi)部空隙的同時(shí)還對(duì)土體內(nèi)水的運(yùn)動(dòng)起到了巨大的阻礙作用。可以看出海相軟土顆粒間特殊的接觸形式形成了海相軟土孔隙比大、含水量高、可壓縮性大、強(qiáng)度低等性質(zhì)。

圖3為不同水泥摻量及養(yǎng)護(hù)齡期下固化土的掃描電鏡圖，圖中可以看出水泥的水化在軟土內(nèi)部產(chǎn)生了許多纖維狀[5]、柱狀物質(zhì)(如圖3b)，圖3f)所示)，大量的纖維狀及柱狀物質(zhì)包裹、覆蓋在軟土顆粒表面(如圖3a)所示)，土顆粒表面變得粗糙，顆粒間粘結(jié)力得以增強(qiáng)[6]；此外，水化生成的大量纖維狀、柱狀物質(zhì)填充了顆粒間的空隙，土體孔隙比大幅降低，可壓縮性大幅下降，在外荷載作用下，這些物質(zhì)就像建筑物樓層間的梁和柱，起到了骨架支撐作用，在限制土顆粒間相對(duì)位移的同時(shí)還將傳遞顆粒間的荷載，土體不再依賴較大幅度變形承受荷載，土體強(qiáng)度大幅提高。

4 結(jié)語(yǔ)

水泥的摻入提高了粘土礦物伊利石、高嶺石含量，大幅降低了蒙脫石含量，使得固化土親水能力減弱、顆粒間的聯(lián)結(jié)力增強(qiáng)、土顆粒與周圍介質(zhì)的相互作用程度減弱，土體強(qiáng)度有所提高。

水泥水化生成的纖維狀、柱狀產(chǎn)物有效傳遞了土顆粒間的荷載，限制了顆粒間的相對(duì)位移，有效提高了土體強(qiáng)度并降低了其可壓縮性。