有机质对水泥固化淤泥土的力学特性影响试验研究

2019-12-16梁仕华周锦程林焕生

广东工业大学学报 2019年6期

梁仕华，周锦程，罗祺，林焕生

（广东工业大学土木与交通工程学院，广东广州 510006）

广州南沙区普遍存在着淤泥质黏土，这些淤泥土具有含水率高、压缩性大等特点，在这样的地基上进行工程建设时，必须先对软土固化处理. 水泥搅拌桩是软基处理的一种有效形式[1-3]，但在实际施工过程中发现，由于淤泥土中往往含有有机质[4]，当质量分数较高时，单独使用水泥固化效果不理想，深部水泥土根本无法固结[5]，已有研究表明，淤泥土中的有机质是阻碍水泥固化土强度发展的主要原因[6].

目前，很多学者就淤泥土的固化展开了研究[7-12].郭丽敏等[13]发现水泥质量分数对有机质土的固化影响最为显著；Tremblay等[14]发现在水泥固化土中掺加有机质会降低固化土的强度；范昭平[15]通过对不同有机质质量分数的淤泥土进行研究，发现固化土的强度随有机质质量分数的增加而降低；刘叔灼等[16]在固化土中增加有机质的质量分数，发现破坏形式由脆性破坏转变成塑性破坏，于是有了“有机质软化含量”的说法. 吴军等[17]在养护过程中发现淤泥里的腐殖酸质量分数增加，经过研究发现是有机质释放的，而腐殖酸会导致土的强度降低；徐日庆等[18]通过人工配制有机质土进行室内试验研究，提出了固化土无侧限抗压强度与有机质质量分数的拟合关系.

以上研究成果大部分是在水泥质量分数为15%的条件下研究不同有机质质量分数对水泥固化土强度的影响，或者在腐殖酸质量分数为5%条件下，添加不同质量分数的水泥至淤泥土中固化来研究二者对其强度的影响，不能得出水泥质量分数和有机质质量分数对软土的固化效果的影响规律，不能为含有机质软土地基处理提供全面的建议. 本文采用不同质量分数水泥对人工配制的不同有机质质量分数软土进行固化，分析研究了水泥质量分数、有机质质量分数、龄期对固化土强度的影响规律，并结合SEM图片对有机质影响水泥土强度的机理做了详细分析和讨论.

1 试验材料和方法

1.1 试验材料

本实验用土为广州市南沙区淤泥质黏土，取土深度在2～5 m，其表层覆盖有回填土. 通过室内试验，测得其水份的质量分数（含水率）为59.8%，比重为2.76，最大干密度为1.835 g/cm3，最优含水率为13.69%，塑限为35.2%，液限为56%. 将取回来的黏土用烘箱烘干，温度控制在105～110 ℃范围内，时间不少于8 h，烘干后把黏土敲碎过2 mm筛，然后装密封袋中备用.

本实验通过在烘干碎土中添加不同质量分数的腐殖酸来配制不同有机质质量分数的淤泥土. 试验所用腐殖酸为天津市光复精细化工研究所生产的腐殖酸CP500g分析纯，其主要成分包括胡敏酸和富里酸.

水泥采用广州石井牌P·O 42.5水泥.

1.2 试样制备及养护

本试验人工制备有机质淤泥土含水率为59.8%，考虑到制样过程中水分的损失，为保证人工制备有机质淤泥土含水率与原状土相同，经过多次预试验获得加入水的质量分数应为干重(干土与腐殖酸的总重)的61%. 按试验设计方案将不同质量分数的腐殖酸掺入干土中，搅拌均匀后加入61%的水，再次搅拌均匀后装入密封袋中焖料一天备用. 制样时，按规定水灰比(0.5)，将计算好质量的水泥与水混合均匀，再称取人工制备的有机质淤泥土，均匀搅拌. 使用的是三瓣模制样模具(内径为39.1 mm，内高为80 mm，

见图1)，将搅拌好的土样分3次倒入模具中，每倒入一次土样都要捣实. 为了排出土样中的气体，需要将模具放置在振实台上振动1 min. 使用密封袋装好模具后，在标准条件下养护24 h，脱模后如果发现试样破损则需重制. 最后再次将密封好的试样重新于标准养护条件下分别放置6 d和27 d. 养护箱及试样见图1.

图 1 制备模具、养护箱及试样Fig.1 Preparation mould, maintenance box and samples

1.3 试验方案及方法

本试验采用南京土壤生产的TSZ30-2.0型应变控制式三轴仪采集固化土的抗压强度，试验时，将试样置于无侧限压缩仪中，对试样不施加围压σ3，仅垂直方向受压，这样试样破坏时中应主力σ1的最大值就是固化土的无侧限抗压强度. 试验结束后保留少量试样土块，留做电镜扫描试验. 试验方案及结果见表1.

2 试验结果及分析

2.1 有机质质量分数对固化土无侧限抗压强度的影响

图2、图3分别为养护7 d、28 d后固化土的无侧限抗压强度在不同有机质质量分数条件下的变化曲线. 可以看出，2个龄期下的固化土强度曲线变化规律基本一致，有机质质量分数对固化土强度的影响在一定范围内十分显著[19]，当它低于5%时，随着有机质质量分数的增加，固化土的强度急剧降低，而当有机质质量分数超过5%后，随着有机质质量分数继续增加，对固化土强度的影响开始不明显. 以养护7 d，水泥质量分数20%试验组为例，当有机质质量分数为0%时，固化土的强度为0.71 MPa，但有机质质量分数增加到5%时，固化土的强度为0.3 9 M P a，减小了45.1%；有机质质量分数为20%时，强度为0.35 MPa，相比有机质质量分数为5%的固化土的强度仅减小了10.3%. 此外还可得到，对固化土强度产生明显影响的敏感质量分数为0%～3%，与徐日庆等[18]的研究结果一致. 这主要可以从2个方面进行解释：(1) 有机质中含有富里酸和胡敏酸，这使得水泥在有机质土中的水化反应环境呈酸性，不利于凝胶物质的生成；(2) 富里酸会分解已生成的水化产物，破坏了水泥土结构的形成，呈现化学风化的特征[20]，从而导致水泥固化土的强度降低，所以有机质质量分数越大，对固化土强度产生的影响越大. 而当其质量分数超过5%时，受有机质的不利影响降低，水泥水化产物生成量很少，固化土的强度不再源于水化产物凝胶物质的黏结作用，而是取决于掺加水泥量的多少，而每个试样的水泥质量分数都是一定的，所以其对固化土的优化作用有限，如图3所示，有机质质量分数超过5%后曲线的变化不大[6].

表 1 无侧限抗压强度试验(UCS)设计方案Table 1 Unconfined compressive strength test design details

图 2 固化7 d的土样无侧限抗压强度与有机质质量分数的关系曲线Fig.2 Relation curves between strength and organic matter content of soil samples cured for 7 d

图 3 固化28 d的土样无侧限抗压强度与有机质质量分数的关系曲线Fig.3 Relation curves between strength and organic matter content of soil samples cured for 28 d

2.2 水泥质量分数对固化土无侧限抗压强度的影响

图4、图5分别为养护7 d、28 d后在不同水泥质量分数条件下固化土的无侧限抗压强度的变化曲线.从图中可以看出，2个龄期下，水泥质量分数对不同腐殖酸质量分数固化土的强度影响趋势基本一致，总的来说，随着水泥质量分数的增加，固化土强度呈现接近幂次方的增长趋势. 这是因为随着水泥质量分数的增加，固化土中能产生更多的凝胶物质，土颗粒间的胶结作用更强，并且由于凝胶物质的填充作用，固化土的孔隙率更小，所以固化土的强度随着水泥质量分数的增加而增大；而在高有机质质量分数下( ≥5%)，当水泥质量分数较低时(＜15%)，有机质固化土强度均较低且增长速度较缓，水泥质量分数≥

15%时固化土强度随水泥质量分数的增加出现较快增长. 并且发现龄期7 d的固化土在水泥质量分数≥

15%时增长较快，龄期28 d的固化土在水泥质量分数≥20%时强度增长明显. 这说明要达到理想的改善效果，水泥质量分数必须大于某一个未知的值.

图 4 固化7 d的土样无侧限抗压强度与水泥质量分数的关系曲线Fig.4 Relation curves between strength and cement content of soil samples cured for 7 d

图 5 固化28 d的土样无侧限抗压强度与水泥质量分数的关系曲线Fig.5 Relation curves between strength and cement content of soil samples cured for 28 d

2.3 龄期对固化土无侧限抗压强度的影响

定义有机质固化土的强度为qu，非有机质固化土的强度为q0，那么不同条件下的固化土存在一个强度差为q0-qu.

图6为固化土的强度差与有机质质量分数的关系曲线图. 由图可知，除个别异常点外，固化土的强度差随有机质质量分数的增加呈递增趋势，这说明水泥的固化效率在下降. 而在相同水泥质量分数下，龄期28 d的强度差比龄期7 d的强度差大，这表示随着养护时间的延长，有机质固化土的强度仍远小于非有机质固化土的强度，说明有机质对水泥水化反应的不利影响并不会随龄期的增加而减小，这主要是因为有机质中的富里酸会分解已生成的水化产物，这是一个不可逆的过程，不会随着时间而消失.

2.4 SEM微观对比分析

图 6 固化土的强度差与有机质质量分数的关系曲线Fig.6 Relationship between the discrepancy of strength and content of organic matter of reinforced soil

图7为龄期7 d、水泥质量分数15%条件下，有机质质量分数分别为0%、3%、5%、20%固化土试样的SEM图片，可以看出部分土颗粒被水泥水化反应生成的凝胶物质包裹着，土颗粒之间有凝胶物质连接，颗粒变大，表面变得光滑. 通过对比图7(a)～7(d)可以看出随着有机质质量分数的增加，片状、针状的土颗粒总量增多，土颗粒间的孔隙也增多. 这主要是由于有机质质量分数的增加，阻碍了水泥水化反应的进行，生成的凝胶物质减少，没有足够的凝胶物质包裹土颗粒并使空隙减少，宏观上则表现为固化土的强度随着有机质质量分数的增加而降低. 另外，对比图7(c)与图7(d)可以看到两者的土颗粒形状大小分布几乎一样，片状、针状的土颗粒偏多，较大的、紧密连接的土颗粒较少，这说明5%、20%的有机质质量分数对固化土水泥水化反应的不良影响程度几乎一样，这与固化土在有机质质量分数超过5%后强度降低不明显的宏观表现相符合.

图 7 不同有机质质量分数的固化土微观图Fig.7 SEM photos of solidified soil with different organic content

图8(a)与图8(b)为有机质质量分数5%下，水泥质量分数15%固化组在龄期7 d、28 d的试样微观图，图8(c)与图8(d)为有机质质量分数5%下，水泥质量分数20%固化组在龄期7 d、28 d的试样微观图. 随着养护时间的增长，水泥质量分数20%固化组的微观图变化更明显，图8(d)显示的土颗粒比图8(c)更致密，大部分土颗粒已联结成片，而水泥质量分数15%固化组则几乎没有变化，这正是水泥质量分数20%固化组随着养护时间的增长，试样强度明显增长，而水泥质量分数15%固化组的强度变化不大的原因.