王 佩，宋新江，徐海波，周文淵

(安徽省(水利部淮河水利委員會)水利科學(xué)研究院，安徽 合肥 230000)

膨脹土含有大量的蒙脫石和伊利石等礦物成分，由于蒙脫石和伊利石具有非常強的吸水膨脹能力，在反復(fù)的吸水膨脹和失水收縮過程中，膨脹土內(nèi)部結(jié)構(gòu)發(fā)生變形，產(chǎn)生大量裂隙，土體結(jié)構(gòu)遭到破壞，加之水的軟化作用，使得土體的抗剪強度驟降，進(jìn)而導(dǎo)致膨脹土邊坡容易發(fā)生崩塌、滑坡等失穩(wěn)現(xiàn)象[1-5]。由于膨脹土在我國分布廣泛，通過換填改良地質(zhì)條件是不可行的[2]。

水泥作為改性劑已被廣泛用于膨脹土改良工程中，水泥改性膨脹土具有良好的水穩(wěn)性、污染小等優(yōu)點，國內(nèi)多位學(xué)者以水泥作為外摻劑，對各地膨脹土的力學(xué)特性和微觀結(jié)構(gòu)等進(jìn)行了試驗研究[6-9]。宋新江等[10-12]通過平面應(yīng)變試驗、三軸壓縮固結(jié)排水試驗及真三軸試驗對水泥改性粉土力學(xué)性質(zhì)進(jìn)行了系統(tǒng)性研究。徐菲等[13]從宏觀和微觀兩個角度系統(tǒng)地研究離子固化劑改性水泥土的機理。土體微觀結(jié)構(gòu)的改變導(dǎo)致其宏觀物理力學(xué)特性發(fā)生變化，通過對土體的微觀結(jié)構(gòu)的定性分析和定量研究，可以有效地了解土體的微觀結(jié)構(gòu)特征，從微觀層面解釋土體的宏觀力學(xué)性質(zhì)變化的機理[14-15]；Horpibulsuk等[16]發(fā)現(xiàn)水泥土中通過水泥與水發(fā)生水化反應(yīng)產(chǎn)生的水化產(chǎn)物能夠黏結(jié)土顆粒以達(dá)到減少孔隙、改善土體結(jié)構(gòu)的作用；Peethamparan等[17]通過XRD試驗、熱重分析(TGA)和SEM試驗等對水泥窯粉塵加固的鈉基蒙脫土的微觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行了系統(tǒng)性研究。

由于膨脹土較普通黏土含有更多的伊利石等親水性物質(zhì)，在反復(fù)的吸水膨脹和失水收縮過程中，膨脹土內(nèi)部結(jié)構(gòu)變化與普通黏土存在明顯的差異。將水泥摻入膨脹土后，水泥與土體中自由水發(fā)生水化反應(yīng)，水化產(chǎn)物吸附在土體顆粒表面，導(dǎo)致礦物成分和微觀孔隙組成結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，其規(guī)律尚待深入研究。本文采用室內(nèi)試驗測試水泥改性膨脹土的自由膨脹率、抗壓強度和收縮特性，并利用XRD試驗、MIP試驗、SEM測試進(jìn)一步研究水泥改性膨脹土微觀結(jié)構(gòu)變化規(guī)律，分析水泥改性膨脹土的工作機理。

1 試驗材料與試驗方案

1.1 試驗材料

試驗所需膨脹土取自安徽省駟馬山分洪道切嶺段，駟馬山膨脹土是皖東地區(qū)膨脹土的典型代表。土的液限為47.6%，塑限為20.0%，塑性指數(shù)為27.6，自由膨脹率為52.5%，粒徑為0～0.005 mm、0.005～0.075 mm和0.072～2 mm的顆粒的質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為34.47%、50.48%和15.05%。水泥采用海螺P·O 32.5普通硅酸鹽水泥。

1.2 試樣準(zhǔn)備

依據(jù)JGJ/T 233—2011《水泥土配合比設(shè)計規(guī)程》，水泥土試配時，宜采用3個配合比，其中一個配合比的水泥摻入比為基準(zhǔn)值，另外兩個配合比的水泥摻入比宜比基準(zhǔn)值分別減少和增加3%。水泥改性膨脹土水泥摻入比基準(zhǔn)值確定為5%，結(jié)合實際情況，另外兩個配合比的水泥摻入比分別為3%和8%。

向風(fēng)干后的膨脹土土樣中依次摻入3%、5%和8%比例的水泥，根據(jù)土的塑限制備不同含水率的試樣，密封養(yǎng)護(hù)24 h后進(jìn)行輕型擊實試驗，測定素土和3組水泥改性膨脹土的最大干密度和最優(yōu)含水率等，為相關(guān)試驗提供準(zhǔn)備。

根據(jù)擊實試驗結(jié)果，采用一次成型壓樣儀，制備無側(cè)限抗壓強度試樣，試樣為直徑3.91 cm、高8.0 cm的圓柱樣，壓實系數(shù)為0.95。將制備好的試樣放入恒溫恒濕標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)箱內(nèi)養(yǎng)護(hù)28 d(溫度(20±2)℃，相對濕度≥95%)。

1.3 宏觀特性測試

對試樣的無側(cè)限抗壓強度、自由膨脹率、收縮特性進(jìn)行測試，具體步驟參照GB/T 50123—2019《土工試驗方法標(biāo)準(zhǔn)》，測試齡期為28 d。每組無側(cè)限抗壓強度試驗中制作3個平行樣，取平均值作為試樣的抗壓強度值。

1.4 微觀特性測試

1.4.1XRD測試

將無側(cè)限抗壓強度試驗碎塊進(jìn)行研磨，過200目篩后進(jìn)行XRD測試，對水泥改性膨脹土的礦物成分組成變化進(jìn)行研究，掃描速率為5°/min。

1.4.2微觀結(jié)構(gòu)孔測試

選取無側(cè)限抗壓強度試驗芯部試樣，樣品尺寸不超過15 mm×15 mm×15 mm，采用壓汞儀對所選樣品的微觀孔結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，測試設(shè)備為AutoPore Iv 9510，可分析孔徑范圍為5～340 000 nm。

1.4.3SEM測試

選取無側(cè)限抗壓強度試驗芯部試樣，樣品尺寸不超過10 mm×10 mm×10 mm，對樣品表面進(jìn)行噴金，然后進(jìn)行SEM測試，對所選樣品的微觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，試樣齡期為28 d，測試設(shè)備為KYKY-EM6200。

財務(wù)管理通過各方面制度的嚴(yán)格實施來達(dá)到財務(wù)管理的效果。財務(wù)管理制度根據(jù)國家相關(guān)法律法規(guī)要求，詳細(xì)規(guī)定要怎么做而不該怎么做，把財務(wù)管理行為關(guān)進(jìn)了法律法規(guī)制度的“籠子”里，從而規(guī)范了財務(wù)管理行為，使各項財務(wù)信息準(zhǔn)確性得到有效保障。

2 試驗結(jié)果與分析

2.1 擊實特性

擊實試驗結(jié)果見表1。由表1可見，改性膨脹土的最大干密度和最優(yōu)含水率隨水泥摻入量的增加逐漸增大。這是因為膨脹土摻入水泥后，水泥與土體顆粒表面的自由水發(fā)生水化反應(yīng)，形成Ca(OH)2和C-S-H等水化合物，晶體和孔隙液體中的Ca2+與二氧化碳繼續(xù)反應(yīng)生成CaCO3，將土體顆粒黏結(jié)，使得土體顆粒得到加固，提高了土體的穩(wěn)定性和耐水性[18]。

表1 擊實試驗結(jié)果

2.2 抗壓強度

膨脹土改性前后土體的抗壓強度對比如圖1所示。水泥摻入量為3%時，改性膨脹土的抗壓強度較素土提高了88.55%；水泥摻入量為5%時，土體抗壓強度較水泥摻入量為3%時提高213.12%；水泥摻入量為8%時，土體抗壓強度較水泥摻入量為5%時繼續(xù)增大126.74%。由此可見，水泥的摻入使得膨脹土的抗壓強度顯著增大，對膨脹土有著良好的改性效果。當(dāng)水泥摻入量較少時，水化反應(yīng)產(chǎn)物較少，黏土顆粒與水泥反應(yīng)不完全導(dǎo)致強度較低；隨著水泥摻入量的提高，水泥與土體顆粒表面的自由水發(fā)生水化反應(yīng)更加充分，土體顆粒得到進(jìn)一步加固，強度不斷提高。

圖1 膨脹土抗壓強度與水泥摻入量的關(guān)系

2.3 自由膨脹率

膨脹土素土的自由膨脹率為52.5%，摻入3%、5%、8%比例的水泥后，膨脹土的自由膨脹率依次為43.5%、33.5%和32.5%，說明水泥對膨脹土的自由膨脹率特性有明顯的改性作用，但是水泥摻入量達(dá)到5%后，若繼續(xù)增加到8%，膨脹土的自由膨脹率降低幅度很小，說明水泥改性膨脹土的水泥摻入量存在最優(yōu)值。

膨脹土中摻入水泥后，水泥與土體顆粒表面的自由水發(fā)生水化反應(yīng)，產(chǎn)生水化產(chǎn)物，水化產(chǎn)物在與膨脹土中黏土顆粒發(fā)生反應(yīng)過程中使水泥和土從最初的離散顆粒狀態(tài)變成一種膠結(jié)的均勻結(jié)構(gòu)，土顆粒由較小形態(tài)形成較大的土團(tuán)粒，減少了顆粒團(tuán)之間的孔隙，同時增加了膠結(jié)鍵，降低了土體的自由膨脹率。

2.4 收縮特性

水泥改性膨脹土收縮試驗結(jié)果見表2。由表2可知，膨脹土的線收縮率和收縮系數(shù)均隨水泥摻入量的增大逐漸減小，水泥對膨脹土的脹縮特性有明顯的改性作用；水泥摻入量達(dá)到5%后，若繼續(xù)增加到8%，膨脹土的收縮性下降幅度較低，說明水泥改性膨脹土的水泥摻入量可能存在最優(yōu)值。

表2 收縮試驗結(jié)果

當(dāng)水泥摻入量較低時，土體中水化反應(yīng)產(chǎn)物較少，土體顆粒表面吸附的水化產(chǎn)物較少，水化產(chǎn)物的加固土體效果較低，改性膨脹土的收縮性仍然較強；隨著水泥摻入量的提高，水泥水化反應(yīng)產(chǎn)物進(jìn)一步加固土體顆粒，因此收縮性不斷降低。

2.5 XRD分析

XRD測試結(jié)果如圖2所示。由圖2可知，駟馬山膨脹土素土的主要礦物成分包括高嶺石、伊利石、石英、長石和綠泥石[19]。摻入水泥后，膨脹土與水泥水化反應(yīng)產(chǎn)生硅酸鈣水化物(C-S-H)，其衍射峰為衍射角2θ=29.3°所對應(yīng)的衍射峰。隨著水泥摻入量的增加，更多的水泥與土顆粒表面的自由水發(fā)生水化反應(yīng)，產(chǎn)生更多的C-S-H，X射線衍射強度增強。

I—伊利石；K—高嶺石；Q—石英；F—長石；C—綠泥石圖2 所選試樣XRD測試結(jié)果

2.6 微觀結(jié)構(gòu)SEM分析

選取有代表性、能反映微觀結(jié)構(gòu)實際情況的SEM圖像，經(jīng)過降噪、濾波等前期預(yù)處理，得到素土及水泥改性膨脹土的SEM圖像如圖3所示。由圖3可見，素土的孔隙由大量的裂隙等粗孔構(gòu)成，這是由于膨脹土的干縮特性導(dǎo)致的，顆粒之間的黏結(jié)、搭接現(xiàn)象較少。摻入水泥后，SEM圖像表面變得崎嶇、陡峭，水泥水化反應(yīng)產(chǎn)生的C-S-H凝膠與土顆粒發(fā)生團(tuán)聚，土顆粒之間逐漸黏結(jié)形成體積較大的絮狀物或者絮狀體，使得土體得到加固，土體更加密實。當(dāng)水泥摻入量為5%時，孔隙較水泥摻入量3%時小，絮狀體之間產(chǎn)生明顯的絲狀物質(zhì)，使得絮狀體進(jìn)一步互相黏結(jié)，形成呈塊狀分布、體積更大的復(fù)雜絮狀體；而當(dāng)水泥摻入量達(dá)到8%時，顆粒之間的孔隙及絮狀體進(jìn)一步黏結(jié)，土體孔隙結(jié)構(gòu)得到進(jìn)一步優(yōu)化。

圖3 素土及水泥改性膨脹土的SEM圖像

2.7 微觀孔結(jié)構(gòu)分析

所選試樣的MIP測試結(jié)果如圖4所示。根據(jù)圖4可知，駟馬山膨脹土素土試樣的孔隙直徑主要表現(xiàn)為“三峰形態(tài)”，第一個“峰”出現(xiàn)在孔徑大于8 000 nm附近，這是由于膨脹土失水發(fā)生干縮，產(chǎn)生大量的宏觀裂隙；在孔徑555 nm附近出現(xiàn)低矮平緩“峰”，說明素土試樣中的細(xì)觀孔隙相對較少，這是由于制備試樣時，將膨脹土素土配置最優(yōu)含水率后經(jīng)過2 mm篩，壓實度控制為0.95，采用一次成型壓樣儀制備無側(cè)限抗壓強度試樣，試樣土顆粒十分密實，細(xì)觀孔隙較少；第三個“峰”出現(xiàn)在10 nm附近，這是由于土顆粒表面間存在微細(xì)孔。摻入水泥后，試樣孔徑主要分布在10 nm和10 000 nm附近，整體呈現(xiàn)“雙峰”形態(tài)，并且10 nm附近的微細(xì)孔明顯逐漸增多，孔隙直徑顯著降低。改性膨脹土的孔徑小于100 nm的微細(xì)孔隨著水泥摻入量的增加明顯增多，這是由于隨著水泥水化反應(yīng)的進(jìn)行，C-S-H在黏土中的含量逐漸增加，逐漸填充土體中孔徑為100～10 000 nm的孔隙。

圖4 所選試樣MIP測試結(jié)果

根據(jù)Horpibulsuk等[20]的研究結(jié)果，將試樣中孔隙按照孔徑尺寸劃分為5組：<10 nm、10～100 nm、100～1 000 nm、1～10 μm和>10 μm，試樣的孔隙體積及各組孔隙體積分?jǐn)?shù)如表3所示。

表3 孔隙體積及各組孔隙體積分?jǐn)?shù)

由表3可知，素土試樣中孔徑大于1 000 nm粗孔孔隙體積分?jǐn)?shù)達(dá)到48.30%，其原因是膨脹土失水發(fā)生干縮，產(chǎn)生大量的宏觀裂隙及細(xì)觀孔隙；而經(jīng)過摻入水泥改性的膨脹土，水化反應(yīng)產(chǎn)生的C-S-H凝膠態(tài)產(chǎn)物總量增多，對土體起到一定程度的膠結(jié)作用，土顆粒之間逐漸黏結(jié)形成體積較大的絮狀物或者絮狀體，使得土體顆粒得到加固，土體更加密實，試樣內(nèi)的孔隙主要吸附在土體顆粒上水化產(chǎn)物之間的孔隙，表現(xiàn)為孔徑小于100 nm的微細(xì)孔，這也從側(cè)面反映水泥改性膨脹土的收縮特性得到明顯改善，其線收縮率和收縮系數(shù)較膨脹土素土小得多。

另外由表3可知，素土的孔隙體積僅有0.091 mL/g，小于水泥改性膨脹土的孔隙體積，但由于其內(nèi)孔徑大于100 nm的粗孔的孔隙體積分?jǐn)?shù)達(dá)到63.73%，孔徑小于100 nm的微細(xì)孔孔隙體積分?jǐn)?shù)僅有36.27%，孔隙結(jié)構(gòu)較松散，因而力學(xué)性能最差。水泥摻入量為3%、5%、8%的改性膨脹土的孔徑小于100 nm微細(xì)孔孔隙體積分?jǐn)?shù)分別為41.31%、48.85%和59.55%，表明改性膨脹土樣品中孔徑小于100 nm的微細(xì)孔孔隙體積分?jǐn)?shù)與水泥摻入量呈良好的正相關(guān)關(guān)系。隨著水泥摻入量的增加，孔徑大于10 μm 的宏觀裂隙體積分?jǐn)?shù)逐漸降低。水泥摻入量的增加，水化反應(yīng)的進(jìn)行，C-S-H凝膠態(tài)產(chǎn)物總量增多，對土體起到一定程度的膠結(jié)作用。

此外，水化產(chǎn)物間隙孔的總量與抗壓強度試驗結(jié)果、自由膨脹率試驗結(jié)果、收縮試驗結(jié)果及SEM圖像測試結(jié)果具有良好的相關(guān)性，說明水化產(chǎn)物的總量是決定水泥改性膨脹土微觀孔隙結(jié)構(gòu)特征、土體強度及脹縮特性的關(guān)鍵因素。

3 結(jié) 論

a.摻入水泥可以有效地改善膨脹土的性能，隨水泥摻入量的增加，土體強度顯著增加、脹縮特性明顯降低，但水泥摻入量達(dá)一定程度后，摻入量的增加對土體強度的提升效果及對脹縮性的抑制效果并不明顯。

b.從水泥改性膨脹土的XRD圖譜可以發(fā)現(xiàn)有代表C-S-H礦物的新的衍射峰出現(xiàn)；隨著水泥摻入量的增加，更多的水泥與土顆粒表面的自由水發(fā)生水化反應(yīng)，產(chǎn)生更多的C-S-H，X射線衍射強度增強。

c.摻入水泥對膨脹土進(jìn)行改性處理后，土體的微觀結(jié)構(gòu)發(fā)生顯著變化，水泥水化反應(yīng)產(chǎn)生的C-S-H凝膠與土顆粒發(fā)生團(tuán)聚，土顆粒之間逐漸黏結(jié)形成體積較大的絮狀物或者絮狀體，優(yōu)化土體孔隙結(jié)構(gòu)，使土體得到加固。

d.膨脹土具有明顯的脹縮特性，素土孔隙主要由裂隙(孔徑大于1 000 nm的粗孔)組成，隨水泥摻入量的增加，水化反應(yīng)產(chǎn)生的C-S-H凝膠態(tài)產(chǎn)物總量增多，對土體起到一定程度的膠結(jié)作用，土顆粒之間逐漸黏結(jié)形成體積較大的絮狀物或者絮狀體，使土體顆粒得到加固，土體更加密實，改性膨脹土土體內(nèi)孔徑<100 nm的微細(xì)孔體積分?jǐn)?shù)逐漸增大，說明水化產(chǎn)物的總量是決定水泥改性膨脹土微觀孔隙結(jié)構(gòu)特征、土體強度及收縮特性的關(guān)鍵因素。