水泥改性强膨胀土理化试验研究

赵春吉，赵红华＊，常 艳，龚壁卫

（1.大连理工大学 运载工程与力学学部 工程力学系，辽宁 大连 116024；2.长江科学院 水利部岩土力学与工程重点实验室，湖北 武汉 430010）

0 引 言

膨胀土是一种含有较多黏土矿物的特殊土，其中的黏土矿物主要由亲水性矿物蒙脱石组成，具有吸水量大、塑性强、快速崩解，以及剧烈的膨胀与收缩等特性，同时又具备固结状态较好、压缩性较小的特点.膨胀土的这种工程特性，对在膨胀土地区建设的路基、地基、边坡、轻型房屋等工程结构造成的危害往往具有长期潜在性、突发性、反复出现性的特点［1］，造成巨大的经济损失.膨胀土在世界各地分布十分广泛，在我国的一些省区也都普遍发现了膨胀土的存在.因此，膨胀土是岩土工程师比较关心的一个工程问题.

针对膨胀土的上述工程特性，目前主要采用通过在膨胀土中掺入水泥、石灰和化学试剂等不同的改性材料，使其与原膨胀土发生物理化学反应进而从根本上改变原来土的性质，成为合格的改良土，以满足工程设计中降低膨胀土膨胀潜势，消除膨胀土对工程建筑物危害的要求［2－3］.许多研究［4－6］表明，随着水泥掺量增加，固化膨胀土强度有一定增加，但当水泥掺量超过一定值时，稳定土的裂缝将显著增加，收缩性能变差.一般认为水泥改性土体性能的提高主要是由于土 －水泥之间的反应［7］.主要包括4个不同的过程：离子交换、絮凝和团聚、胶结水化、硬凝反应［8］.Peethamparan等通过XRD、TGA 和SEM 等试验手段对水泥窑粉尘加固的钠基蒙脱土进行了一系列试验工作，试验结果表明成块黏土的微观结构经历了较大的变化［9］.Horpibulsuk等对水泥加固粉质黏土在7d养护期内的微观结构进行了定性和定量的分析研究［10］，发现水泥加固主要通过增加土颗粒团体之间的粘结和减少孔隙进而改善了土的结构而实现.Lemaire等研究了石灰和水泥改良塑性粉土微观结构的效果，在添加水泥处理28d后可以观察到有一层凝胶物质覆盖在成团的土体上面［11］.目前关于水泥改性膨胀土改性机理的研究工作比较局限，仍需要开展相关的研究工作.本文主要通过掺入膨胀土干质量12% 的水泥对河北邯郸地区的强膨胀土进行改良，研究强膨胀土改性前后膨胀率、矿物成分、微观结构、阳离子交换量的变化，探讨水泥改性强膨胀土的机理，为强膨胀土地区水泥改性的设计施工提供科学而有价值的依据.

1 强膨胀土的基本物理性质

强膨胀土选取自南水北调工程经过的河北邯郸地区，采用大连市泡崖四区水泥厂的普通硅酸盐水泥对强膨胀土进行改性.强膨胀土从现场运到实验室后，经过风干、碾碎处理，过0.5mm 筛，按照土工试验标准，进行了基本物理性质试验.强膨胀土的基本物理性质如表1所示.

与常见黏土相比，邯郸强膨胀土具有最优含水量较高、最大干密度较低的特点.养护28d后，水泥改性邯郸强膨胀土的液限为62.6%，塑性指数为39.2%，可以看到改性土的塑性指数明显小于素土，改性土膨胀性降低［7］；同时，改性土自由膨胀率降为38%，其值也明显小于素土.

表1 邯郸强膨胀土的基本物理性质Tab.1 The basic physical properties of Handan highly expansive soil

2 水泥改性邯郸强膨胀土的膨胀率试验

为了研究掺加水泥对控制强膨胀土胀缩性改性的有效性，对邯郸强膨胀土的水泥改性土进行了自由膨胀率试验和一维无荷膨胀率试验.其中自由膨胀率试验所用的水泥改性膨胀土料（下文所提水泥改性土均采取此定义）为风干并过0.5 mm 筛的天然土在35.7%的最优含水量下拌膨胀土干质量12%的水泥，经环刀击实制成环刀样，控制试样的密度为击实试验得到的最大干密度1.28g／cm3，然后用塑料膜包裹好，并在温度为24 ℃和湿度为90%条件下进行养护；一定龄期的养护后将环刀样取出快速风干，人工碾碎并过0.5mm 筛后进行试验.一维无荷膨胀率试验所用试样为经一定龄期养护的上述环刀样.

2.1 水泥改性邯郸强膨胀土的自由膨胀率试验

本试验依据土工试验规程（SL 237－024—1999）关于自由膨胀率试验的规定进行，每个养护龄期的试样分别进行2次平行测定，在允许误差范围内，取其算术平均值.强膨胀土及其水泥改性土不同龄期的自由膨胀率见表2.由表2可知：邯郸强膨胀土在刚掺水泥后自由膨胀率为98%，低于素土的自由膨胀率118%，并且随着养护龄期的变化，自由膨胀率逐渐降低，在7d养护龄期后降为46%，属于弱膨胀土的范畴，不再具有明显的膨胀性；在28d养护龄期后降为38%，之后趋于稳定.

表2 不同养护龄期下水泥改性邯郸强膨胀土的自由膨胀率Tab.2 Free swelling ratio of cement－treated Handan highly expansive soil at different curing time

2.2 水泥改性邯郸强膨胀土的一维无荷膨胀率试验

依据土工试验规程（SL 237－024—1999），计算不同养护龄期试样的体膨胀率，并对每个养护龄期的试样分别进行2次平行测定，在允许误差范围内，取其算术平均值.试验强膨胀土和掺加水泥后的改性土在不同龄期的无荷膨胀率试验数据如表3所示.从表3中可以看出，强膨胀土素土的无荷膨胀率达到5.345%，经过水泥改性后，在很短时间内下降为2.470%，在24h的养护龄期后，降为0.100%，已经不再表现出明显的膨胀性.在养护7d后，无荷膨胀率为0.055%，之后随龄期变化很小，已基本不再具备膨胀性.

表3 不同养护龄期下水泥改性邯郸强膨胀土的无荷膨胀率Tab.3 Non－load swelling ratio of cementtreated Handan highly expansive soil at different curing time

3 邯郸强膨胀土水泥改性前后矿物成分分析

为研究膨胀土水泥改性前后矿物成分的变化，进行了XRD分析，图1给出了强膨胀土素土和掺加水泥后的改性土在不同龄期的XRD 图谱.

图1 强膨胀土素土及其水泥改性土的XRD图谱Fig.1 XRD diagram of highly expansive soil and cement－treated soil

由图1可知，强膨胀土原样的XRD 分析结果表明主要的黏土矿物是蒙脱土、高岭土、伊利土、石英、长石和绿泥石；次要的黏土矿物是辉石和钙铁榴石［12］.掺加水泥处理以后，在不同的养护时间取样，参考相关文献中的分析方法［13－16］进行XRD 分析.在混合水泥马上击实后，有新的硅酸钙水化物（C－S－H）峰出现，峰值出现的2θ角分别为29.36°、32.18°、32.52°、41.23°、47.60°、56.52°，以及新的铝酸钙水化物（C－A－S－H）峰出现，峰值出现的2θ角分别为50.70°、51.72°.随着养护时间的增加，水化反应的进行，C－A－S－H 和C－S－H 在黏土中的含量逐渐增加，X 射线衍射强度增强，黏土矿物的衍射强度降低.

4 强膨胀土和水泥改性土的SEM 分析

膨胀土基本物理力学性质的改变本质上是其内部微观结构变化的反映，是由各种复杂的物理化学作用所致.本文采用扫描电镜对膨胀土水泥改性前后的微观形貌进行了试验研究，分析了其内部微观结构的变化.由于水泥改性膨胀土是一个长期作用的过程，本文选择一个较长的养护时间周期（180d），并对同一个试样在不同养护龄期取样，进行了相关的试验工作，试验结果较好地反映了水泥改性土的微观结构随龄期的变化情况.强膨胀土素土和水泥改性土在不同养护龄期的SEM 图如图2～5所示.

图2 在最优含水量下击实的邯郸强膨胀土的SEM 图像Fig.2 SEM image of Handan highly expansive soil compacted at the optimal water content

图3 邯郸强膨胀土掺加水泥击实后马上采样的SEM 图像Fig.3 SEM image of compacted Handan highly expansive soil immediately adding cement

图2是邯郸强膨胀土水泥改性前的SEM 图像.从图中可以看出邯郸强膨胀土具有较薄的片状的内部结构，具有较大的表面积，颗粒非常分散.这与典型的膨胀性黏土矿物蒙托土的内部微观结构是一致的，也说明了邯郸强膨胀土中含有大量的蒙脱土矿物.图3是掺加水泥后立刻击实的SEM 图像（从掺加水泥到取样少于30 min）.可以看出，在混合水泥击实之后黏土的微观结构形貌已经有了很大的变化.那些薄的片状的表面结构受到破坏，几乎已经消失了，可以看到相对比较厚的黏土颗粒，水泥水化后生成了一些团簇状的颗粒，一些细小颗粒附着在黏土颗粒表面（可能是未水化的水泥），这表明水泥对黏土颗粒具有非常大的侵蚀作用.这个侵蚀作用是由于水泥水化，产生大量的Ca2＋和OH－，提供了一个具有较高pH 的环境，从而破坏了黏土中的硅酸盐类矿物，继而破坏了黏土的微观形貌.水泥水化产生的SiO2－3和Ca2＋相结合生成了C－S－H 产物，另外水泥水化产生的Ca2＋和黏土中硅酸盐类矿物溶解产生的SiO2－3相结合也生成了C－S－H 产物.这类产物就是在图3中所观察到的团簇状的颗粒.较高的Ca2＋浓度和pH 环境也导致黏土颗粒凝聚、成团、结块.在养护7d之后，如图4（a）所示，形成了凝胶性的物质包覆在黏土矿物的表面，并把分散的黏土矿物粘结起来，形成一种像固态胶体的结构形式，原来的黏土矿物结构已经不可见.这种水化膜状产物在有关研究者对水泥水化过程的研究中也已经被观察到［17－18］.在养护28d后，如图4（b）所示，可以看到仍然有受到水泥初步侵蚀作用的黏土矿物存在，颗粒相互粘结在一起，尺寸较大，出现凝聚现象.在养护90d后，如图4（c）所示，可以看到在片状结构周围有较密集的针状结构产生，这是硅酸钙水化凝胶的一种晶体形式.水泥水化产物的形貌与熟料的活性，水化时溶液中离子的过饱和度对晶体成核和水化龄期的影响很大，所以其形貌也较复杂，有纤维状、粗短的针棒状、不规则团簇颗粒状、网络状、绉片状及放射状等［19］.在水泥掺加到强膨胀土的养护后期观察到了这些产物的形貌.在养护180d后，从图4（d）中，很明显地能够观察到细长纤维状、不规则颗粒状及放射状的C－S－H 凝胶晶体，说明在养护龄期180d后已有大量的C－S－H 生成，并且具有一定的结晶形式.图5是水泥改性邯郸膨胀土在养护龄期180d时局部放大的SEM 图像.从图中可以看出，有清晰纤维状和箔片状的水化C－S－H 凝胶晶体，也有片状结构的C－A－S－H 晶体.也可以看到有凝胶状的无定形物质，说明水泥水化是一个长时期进行的过程.

以上说明强膨胀土在掺加水泥后，随着龄期的变化，其黏土外层原来的结构被逐渐摧毁了.水泥水化反应产生的C－S－H 和C－A－S－H 凝胶初期先附着在颗粒表面，具有较强的胶结力，随着反应产物增多，凝胶固态化，包覆黏土颗粒并且把黏土颗粒粘结在一起，这样提高了水泥改性强膨胀土的初期强度并抑制了膨胀；接着在经过水泥水化的加速期和衰减期后，有较多的晶体形式的水泥水化产物生成.这一阶段，晶体长大，填充了黏土中的孔隙，使土体变得更加致密，水泥改性强膨胀土的强度进一步提高.而且本研究表明水泥掺加到膨胀土中后，水泥水化是一个长期的过程.水泥自身的水化是一个较快的过程，但是水泥水化后生成的Ca2＋和黏土中溶解的硅酸盐所进行的水化反应是一个长期的过程，因为黏土颗粒被初始反应产物包裹，游离的Ca2＋只有通过扩散等作用才能和黏土中溶解的硅酸盐进行结合.早期的研究文献中也已经提及到这一点［20］.

5 强膨胀土水泥改性前后的阳离子交换量测定试验

由于膨胀土含有较多的强亲水性黏土矿物，其改性的关键在于改变土中黏土矿物的亲水性，即通过离子交换作用，打破作用于膨胀土颗粒表面的吸附水静电力，吸附水变成自由水，膨胀土颗粒与水分子结合力减弱，从而容易被排出，这样就从根本上改变了膨胀土湿胀干缩的特性.离子交换的主要来源在于存在大量的同构置换作用，即阳离子取代了黏土矿物结构中的Si和Al，黏土颗粒表面具有负电性，为了平衡负电性，吸附有大量的阳离子.对于具有恒定表面电荷的情况，电解液浓度的增加减小了黏土颗粒表面势能和表面势能的衰减，这也是黏土膨胀势降低的一个原因.孔隙溶液中能够抑制双电子层或者减少颗粒表面离子吸附水能力的任何变化都能减少膨胀和膨胀压力［12］.

另外，黏土的膨胀性能与阳离子交换能力（CEC）密切相关.膨胀量随CEC 的增加而增加［21］.Al－Rawas等也报道了阳离子是控制土的膨胀特性的主要因素［22］.不同黏土矿物间一个最基本的区别是在黏土矿物表面存在的可交换阳离子和这些阳离子所中和的黏土矿物晶格中多余的负电荷.离子交换性能是研究黏土性质的一个重要方面.在给定温度、压力、土壤溶液成分和土壤溶液质量比的条件下，阳离子交换能力指在单位质量土壤中释放阳离子化合价的总物质的量［23］.

土壤中随时可交换的阳离子仅是单价或二价的阳离子，然而Na＋也可以被三价阳离子置换出来.阳离子的交换或替换取决于许多因素，其中化合价是最重要的影响因素.带有较高价电荷的阳离子能容易地取代带有低价电荷的阳离子.化合价相近的阳离子的置换能力为Li＋＜Na＋＜H＋＜K＋＜NH＋4＜Mg2＋＜Ca2＋＜Al3＋.

对于强膨胀土，为了研究掺加水泥改性前后阳离子交换量的变化，以邯郸强膨胀土为例进行了一系列的化学分析，依据土工试验规程（SL 237－068—1999），对邯郸强膨胀土水泥改性前后的试样进行了不同阳离子交换量的测定分析.当试样达到一定的养护龄期时，从养护的试样中取代表性的土样，风干、碾碎，并过0.15 mm 筛，然后取2g左右土样放入离心管中，加入80mL 氯化钡缓冲液，摇晃后放置过夜，对试样进行离心萃取，并弃去上部清液，加纯水80mL，再次进行离心萃取，弃去离心液，然后加入40 mL 0.025 mol／L硫酸镁溶液离心，滴定测定阳离子交换量.图6总结了邯郸强膨胀土原样和水泥改性邯郸强膨胀土在不同龄期阳离子交换总量的变化.

图6 水泥改性邯郸强膨胀土阳离子交换总量随龄期的变化Fig.6 Cation exchange capacity of cement－treated Handan highly expansive soil at different curing time

由图6可知，邯郸强膨胀土素土阳离子交换总量为40.5cmol／mg，在刚掺加水泥时为46.3 cmol／mg，4h 后增加到61.2cmol／mg，之后到1d龄期时下降至54.3cmol／mg，说明水泥水解主要发生在4h内，释放出大量的Ca2＋，阳离子含量增加，之后到1d期间水化速率慢慢降低.初期的阳离子交换量的增加主要是由水泥的水解造成的，这个增加并不意味着膨胀势的增加；后期阳离子交换量的减少主要是由硅酸钙和铝酸钙凝胶的生成以及水泥水化产物的硬化等导致土中可交换阳离子和游离状态的Ca2＋含量减少造成的.因此采用阳离子交换量来评价水泥改性膨胀土膨胀性能的变化从本文的试验结果来看是不可行的.

6 结 论

（1）强膨胀土掺加水泥后，自由膨胀率降低，随着养护龄期的增加，自由膨胀率逐渐降低最后趋于稳定，膨胀性明显减弱；强膨胀土掺水泥后，一维无荷膨胀率在24h后降至0.1%，之后随龄期变化很小，已基本不再具备膨胀性.

（2）强膨胀土掺加水泥击实后立刻测定的XRD 图谱中有代表C－A－S－H 和C－S－H 矿物的新的峰出现；随着龄期的增加，C－A－S－H 和C－S－H的X－射线衍射强度增强，在黏土中的含量逐渐增加，而黏土矿物的衍射强度则降低，水泥改性强膨胀土的膨胀性降低.

（3）邯郸强膨胀土在掺加水泥改性处理后，微观结构形貌的变化最为显著.初始黏土颗粒表层结构被破坏，然后水泥水化形成的凝胶物质（C－S－H和C－A－S－H 凝胶）包裹住黏土颗粒，并将分散的黏土颗粒连接起来，形成了水泥改性强膨胀土的初期强度.随着龄期的增加，水泥的水化反应进一步深化，生成多种结晶形式的硬凝产物.水泥水化产物形成的晶体填充了原来土体之间的孔隙，土体变得更加致密，强度进一步提高，这形成了强膨胀土掺加水泥改性的后期强度.两种粘结在提高膨胀土的强度方面起着重要的作用：一种是水泥自身水化之间的较强的粘结作用，另一种则是水泥水化和黏土颗粒之间的粘结.

（4）强膨胀土掺加水泥后，阳离子交换总量在4h时达到最大，之后开始随龄期增加而减少，说明水泥的水解反应在4h进行得最快，大部分完成.随龄期增加会形成固态的水化硅酸钙、铝酸钙凝胶，因而导致阳离子交换总量的减少.阳离子交换总量不能用来评价水泥改性后膨胀土的膨胀性能.

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