有机质含量对磷酸镁水泥固化土性质的影响研究*

2020-05-23俞良晨郭书兰阎长虹李想林

工程地质学报 2020年2期

俞良晨闫超郭书兰阎长虹③ 李想林

(①南京大学地球科学与工程学院，南京 210023，中国) (②安徽大学资源与环境工程学院，合肥 230601，中国) (③南京大学金陵学院，南京 210089，中国)

0 引言

现今许多重要的基础工程，譬如软土基坑、软土地基等一旦发生破坏，需要及时快速的修复(柏炯， 2015；郑军等， 2017；杜广印等， 2018)。但不同地区的软土有机质含量不同，其加固后的力学性质也不同(吕海波等， 2003)，特别是在沿海高有机质含量的软土中，经常遇到加固后强度稳定性和沉降变形等问题(雷华阳等， 2013；杨爱武等， 2017)。国内外很多学者曾针对软土加固开展研究。黄英豪等(2012)通过单因素试验对不同初始含水率、不同水泥添加量、不同养护龄期的固化软土的压缩特性进行了研究，发现固化软土的固结屈服应力随水泥量增加而线性增大，龄期越长、含水率越低固结屈服应力越大；王宝勋等(2009)在利用水泥土搅拌法加固天津海积软土的试验研究中加入适量碱性外掺剂NaOH或Na2CO3，试验发现水泥土强度提高了20%以上，复合地基承载力不小于120ikPa；陈慧娥等(2005)利用硅酸盐水泥对不同有机质含量的软土进行了加固试验，发现随着有机质含量的增加，固化土试样的力学性质变差。Liang et al.(2015)研究了水泥掺量和养护时间对南沙地区软土水泥固化土的抗剪强度和无侧限抗压强度的影响，发现固化土强度随水泥掺量和养护时间的增加而增大，水泥固化土的强度增长率随养护期的延长而降低。

磷酸镁水泥作为无机胶结材料，放热快，凝固时间短，是一种理想的抢修抢建材料(姜洪义等， 2002；金城等， 2013)，国内外学者对其应用开展了相关研究。Liu et al.(2016)在制备磷酸镁水泥过程中加入一定量的氧化铝，通过凝固时间、力学性能、孔隙率等变化来研究氧化铝的掺入对磷酸镁水泥性能的影响，结果表明氧化铝的掺入可以延长水泥的凝固时间，提高固化土的抗压强度并减小固化土的孔隙率等。刘佳辉等(2019)基于废物利用原理，为实现镍铁渣的综合利用，降低磷酸镁水泥的生产成本，提出了利用高MgO含量的镍铁渣与磷酸二氢铵反应制备镍铁渣基磷酸镁水泥的方法。Qin et al.(2020)将偏高岭土作为掺料引入到磷酸镁水泥的改性研究中来，发现偏高岭土的存在可使新拌磷酸镁水泥砂浆的塑性、28id抗压强度和抗拉黏结强度提高，抗冻融性和耐水性提升，并通过微观试验发现偏高岭土颗粒可填充砂浆孔隙或裂缝导致孔隙率降低，同时偏高岭土颗粒可以为水化产物的结晶提供场所，诱导生成更均匀的微观结构。目前对于磷酸镁水泥的研究主要集中于磷酸镁水泥的制备、掺料改性和加固机理等方面，对于其加固效果和规律的研究还相对较少。

现有研究表明，在水泥加固软土的过程中有机质可抑制水泥水化反应的发生，影响固化土的强度(王定才， 2003；邵帅等， 2017)。软土中的有机质由非腐殖质和腐殖质两大类组成，其中非腐殖质含量较少，约为5% ～15%，大部分有机质由腐殖质组成的，约占85% ～95%。目前对于不同有机质含量软土的加固研究仅限于硅酸盐水泥加固，还缺少针对磷酸镁水泥加固不同有机质含量软土方面的研究。磷酸镁水泥(MPC)的主要成分为活性氧化镁(MgO，简称M)，磷酸二氢铵((NH4)H2PO4，简称P)和硼砂(Na2B4O7·10H2O，简称B)(Soudé et al.， 2000；汪宏涛等， 2007)。本文通过向烘干后的软土中添加腐殖酸，人为制备不同有机质含量的土样，采用磷酸镁水泥对其进行加固，通过无侧限抗压强度试验、直剪试验，研究有机质含量对磷酸镁水泥加固效果的影响，并与相同条件下的硅酸盐水泥中的典型PO水泥加固有机质软土进行对比，探讨磷酸镁水泥加固有机质软土的快速修复和凝结性能。同时利用SEM试验得到的微观加固机理对力学试验体现的结果进行解释，并分析磷酸镁水泥固化土微结构演化特征。

1 试验方案

1.1 试验材料

本次试验用土取自安徽芜湖市鸠江区长河北路一工地，外观为褐色，其相关物理力学参数如表 1所示。土样塑限值WP=22%，液限值WL=45%，塑性指数IP=23，属于低液限黏土(CL)；其天然含水率、压缩性较高，具有较大的天然孔隙率，工程实用性较差。

表 1 软土的物理力学性质指标Table 1 Physico-mechanical indices of soft soil samples

由于目前磷酸镁水泥尚未在市场上流通销售，需手工配备所需用量的磷酸镁水泥，其中由于磷酸二氢铵在试验中会释放出刺激性气体氨气，故采用磷酸二氢钾作为替换材料，可以起到和磷酸二氢铵类似的效果。据杨全兵等(2000)、汪宏涛等(2009)有关磷酸镁水泥的研究分析，P︰M=1︰4的磷酸镁水泥固化软土的力学强度效果及缓凝效果最佳，硼砂作为缓凝剂掺量为活性氧化镁质量的5%(表 2)。另采用腐殖酸代替有机质，PO水泥级别为POi42.5。

1.2 试验内容

按照试验设计，在土样制备过程中，首先将原状土料烘干后，然后碾压过2imm 筛，完成后装入密封袋中12ih 以使土料含水率均匀分布。随后将掺入量为15%的磷酸镁水泥和掺入量分别为0、3%、9%、12%的腐殖酸与其搅拌，随后加入掺入量为40%的水，充分搅拌均匀，制作50imm×100imm固化土柱样和61.8imm×20imm环刀样。另取PO水泥制备相同水泥、腐殖酸和水掺入量的固化土制作固化土柱样和环刀样作为对照。

将试样用保鲜膜密封放置在标准养护室内，养护条件为20±2i℃，相对湿度≥95%，标准养护7id、14id、28id后分别进行无侧限抗压强度试验、直剪试验。其中，每组配比和养护龄期试样采取6个平行试样。无侧限抗压强度试验轴向应变速度控制为1%·min-1，电脑每间隔1is自动采集和记录一次轴向力和竖向位移。直剪试验采用剪切速率为0.8imm·min-1的固结快剪法，分别在100ikPa、200ikPa、300ikPa、400ikPa 等4种不同的竖向压力下进行。为消除饱和度对试样强度的影响，收集试验后试样并选取中心部分进行含水率测试，严格控制试样含水率差异在2%之内，剔除不符合含水率控制要求的试样的试验数据。最后进行SEM微观试验，分析试样微观结构演化特征，并为宏观力学强度试验得到的加固规律提供解释说明。

表 2 磷酸镁水泥组成Table 2 Composition of magnesium phosphate cement

2 试验结果与分析

2.1 无侧限抗压强度试验

2.1.1 应力-应变关系

不同龄期的磷酸镁水泥和PO水泥固化土的应力-应变关系曲线如图 1所示，从图中可以看出固化土的应力-应变曲线都会有明显的线弹性阶段，且都有较大的塑性变形。不同腐殖酸含量的水泥固化土，应力-应变曲线都出现了较为明显的峰值，在达到峰值后，应力迅速下降，试样脆性破坏，且随着腐殖酸含量的增加，峰值出现得越来越低，PO水泥固化土破坏的应力范围大概是137.2～1373.2ikPa，磷酸镁水泥固化土破坏的应力范围是370.5～787.7ikPa。在加固初期， 7id养护龄期的磷酸镁水泥固化土的强度比PO水泥固化土高了近两倍，但是随着加固周期的增长，磷酸镁水泥固化土的强度增幅却不及PO水泥， 14id和28id养护龄期的PO水泥的固化效果明显高于磷酸镁水泥。

图 1 固化土应力-应变曲线Fig. 1 Stress-strain curve of solidified soila. 磷酸镁水泥固化土应力-应变曲线(7id)； b. PO水泥固化土应力-应变曲线(7id)； c. 磷酸镁水泥固化土应力-应变曲线(14id)； d. PO水泥固化土应力-应变曲线(14id)； e. 磷酸镁水泥固化土应力-应变曲线(28id)； f. PO水泥固化土应力-应变曲线(28id)

表 3 PO水泥和磷酸镁水泥固化土无侧限抗压强度试验结果Table 3 Test results of unconfined compressive strength of PO cement and magnesium phosphate cement solidified soil

2.1.2 腐殖酸对无侧限抗压强度的影响

为了研究有机质含量对固化土强度的影响，对各龄期固化土的无侧限抗压强度进行分析(表 3)。从表 3可以看出，随着腐殖酸含量的不断增加， 7id， 14id， 28id龄期的磷酸镁水泥和PO水泥固化土的无侧限抗压强度都在不断地减小。且随着腐殖酸含量的不断增加，变化趋势大致可以分为两个阶段，尤其是磷酸镁水泥固化土：腐殖酸含量在6%以前，固化土强度减小比较快， 6%含量以后，变化不大。据范昭平等(2005)研究，这一界限变化的原因是腐殖酸里的富里酸，富里酸多以离子形式存在，可以在土颗粒表面附着，影响土颗粒的胶结作用，腐殖酸含量不足时，富里酸离子没有达到饱和，但是当富里酸离子达到饱和时，随着腐殖酸含量的变化，固化土的强度变化不再明显。

2.2 直剪试验

固化土的黏聚力和内摩擦角能更加直观地反映固化土的加固效果随腐殖酸含量的变化趋势。本文对固化土进行了直剪试验，得到其黏聚力和内摩擦角。这里以腐殖酸含量为0的磷酸镁水泥固化土为例，对分析过程进行阐述。不同竖向压应力下的剪切位移与剪应力的关系如图 2所示，若在剪切位移4imm范围以内出现峰值，则峰值对应的剪应力为抗剪强度；若未出现峰值，则剪切位移4imm对应的剪应力为抗剪强度。

图 2 剪切位移与剪应力Fig. 2 Shear displacement and shear stress

图3 为竖向压力与抗剪强度的拟合，拟合的方程式为y=0.57x+179.83。其与y轴上的截距即为黏聚力，黏聚力为179.83ikPa。直线的倾角即为内摩擦角，由tan(φ)=0.57，可得出φ=29.69°。

图 3 竖向压力对应的抗剪强度Fig. 3 The shear strength corresponding to vertical pressure

具体试验结果如表 4和表 5所示。从表中可以看出随着腐殖酸含量的增加，PO水泥和磷酸镁水泥固化土的黏聚力和内摩擦角都在不断减小。磷酸镁水泥固化土的黏聚力和内摩擦角范围是164.45～250.00ikPa和17.2°～32.06°，PO水泥固化土的则为100.36～525.65ikPa和15.41°～40.10°。在7id养护龄期时，磷酸镁水泥固化土的黏聚力和内摩擦角都比PO水泥固化土大，具有短期快硬的特点；但是在14id、28id养护龄期时，磷酸镁水泥固化土的黏聚力和内摩擦角都比PO水泥固化土小。

3 SEM微观试验分析

SEM试验不仅可以看到软土中呈片状的高岭石、绿泥石等黏土矿物，同时可以清晰地看到呈网状的水化产物硅酸钙、圆盘状的水滑石和水化磷酸镁团聚体等(图 4)。软土在加固过程中会进行水化反应，生成水化产物。随着水化反应的进行，水化产物生成量随之增加，并覆盖在土颗粒表面，将分散的土颗粒胶结在一起，当水化反应充分时，大面积呈片状的黏土矿物颗粒减少，孔隙也越来越少，结晶程度变高，固化土试样更加密实(图 5)。

图 4 磷酸镁水泥固化土SEM图片Fig. 4 SEM of magnesium phosphate cement solidified soil

表 4 PO固化土和磷酸镁固化土黏聚力试验结果Table 4 Test results of cohesion of PO-stabilized soils and magnesium phosphate-stabilized soils

表 5 PO固化土和磷酸镁固化土内摩擦角试验结果Table 5 Test results of internal friction angle of PO-stabilized soil and magnesium phosphate-stabilized soil

图 5 固化土水化SEM图片Fig. 5 SEM of hydration of solidified soil

表 6 物相统计及标记Table 6 Phase statistics and markers

为进一步解释前述力学试验分析得到的结果并分析固化土试样微观结构演化特征。对磷酸镁水泥固化土和PO水泥固化土进行扫描电镜(SEM)试验，得到磷酸镁水泥固化土的微观孔隙结构、结晶程度、水化产物等微观信息。SEM试验所要分析的物相统计及标记如表 6所示。

3.1 腐殖酸含量对固化土的影响

标准养护条件下， 7id和28id养护龄期的磷酸镁水泥固化土试样SEM图片如图 6所示，其放大倍数均为10i000倍。

磷酸镁水泥在遇水后，KH2PO4与MgO短周期内快速并按既定比例进行水化反应生成初始水化产物Mg3(PO4)2，随着水化反应不断进行，水化产物的晶核不断生长增大，彼此之间相互接触和连生，最终形成以MgO颗粒为框架和以MgKPO4·6H2O等水化产物为黏结料的结晶结构网，并与土颗粒包裹形成团聚体；但是有机质具有抑制水泥水化反应的作用，阻碍磷酸镁水泥与土颗粒包裹形成团聚体，影响并破坏水泥固化土的结构和强度的形成。

因此，从图 6中可以看出：随着腐殖酸掺量的增加，试样密实度和胶结、结晶程度明显变低，结构趋于松散，网状水化产物覆盖面积变小，片状黏土矿物之间孔隙变得明显；同一腐殖酸掺量的磷酸镁水泥固化土，其28id龄期的微观结构松散程度及孔隙大小与7id龄期的近乎一致。

图 6 磷酸镁水泥固化土SEM图片Fig. 6 SEM of magnesium phosphate cement solidified soil

图 7 PO水泥固化土10i000倍SEM图片Fig. 7 10i000 times SEM image of PO cement solidified soil

另外，取PO水泥0腐殖酸掺量和12%腐殖酸掺量的固化土作简单对照(图 7)。PO水泥最主要的是水化产物CaO·Al2O3·10H2O，在标准养护7id后还可以明显看到呈片状的黏土矿物，说明水化反应虽然已经发生，但是水化程度还很低，在经过28id养护后，大面积的水化产物生成并覆盖在土颗粒表面，将分散的土颗粒包裹胶结在一起，孔隙结构比7id龄期的试样更加密实；但有机质的掺入仍然起到抑制PO水泥水化反应的作用。

从图 7中可以看出：和磷酸镁水泥类似，腐殖酸含量高的固化土的加固效果明显不及腐殖酸含量低的固化土；但不同的是，随着养护时间的增加，PO水泥固化土的水化产物明显增加，加固效果随之提高。微观结构变化特征与力学试验的结果分析是相一致的，并从微观角度解释了固化土加固规律。

3.2 水泥固化效果对比

对比分析7id和28id养护龄期固化土的SEM图，如图 8所示。

图 8 两种水泥加固效果10i000倍SEM图片Fig. 8 Two kinds of cement reinforcement effect on 10i000 times SEM image

从图 8中可以看出， 7id龄期磷酸镁水泥固化土的加固程度和强度提升速率高于PO水泥固化土，但是在28id龄期时，PO水泥固化土微观结构密实度、结晶及团粒化程度等明显优于磷酸镁水泥固化土， 28id养护龄期的PO水泥固化土水化产物发挥了很好的孔隙填充和胶结作用，使PO水泥固化土结构相较于磷酸镁水泥固化土更加密实，强度也更高。SEM试验结果从微观结构方面很好地解释了前文宏观力学的试验结果。