基于核磁共振技术的水泥改良膨胀土抗剪强度参数分析

蒋晓庆,李永彪

1.安徽广播电视大学，安徽合肥，230022；2.安徽建筑大学建筑结构与地下工程重点实验室， 安徽合肥，230601

膨胀土的化学改良方法较多，不同的方法对改良膨胀土抗剪强度参数的影响不同，最佳的掺量比例也不同。在较多的化学改良方法中，水泥对膨胀土的改良效果最佳。杨俊等[1]采用水泥、石灰、粉煤灰、风化砂四种材料对膨胀土抗剪强度进行改良，并进行了对比。其中水泥对膨胀土抗剪强度的提高最明显，然后是石灰、其次是粉煤灰和风化砂。梁勇等[2]提出掺入水泥可以显著提高膨胀土的抗剪强度，并指出水泥掺量比例在3%～5%范围内，改良土的黏聚力增幅最大。商拥辉等[3]通过对重载铁路的膨胀土路段进行水泥改良，利用室内动力三轴试验的临界动应力与现场实测的路基动应力进行比较，发现水泥掺量比例在3%～5%时对膨胀土进行改良，可以满足铁路动力可靠性要求。吴建涛等[4]对引江济淮工程的弱膨胀土进行改良试验，提出该工程的水泥最佳掺量比例为4%。

试验数据在宏观上显示水泥可以有效提高膨胀土的强度特性，而膨胀土的微观孔隙特征分析可以更清晰地解释水泥对膨胀土的改良作用。微观孔隙特征主要包括孔隙度、孔径分布等。IUPAC(国际理论和应用化学联合会)对微观孔隙作了以下划分：微孔(d<0.002 μm)、中孔(0.002 μm 0.05μm)[5]。刘志彬等[6]采用自动吸附仪对水泥改良膨胀土进行了微观定量分析，得出水泥的掺入使得微孔体积减小，中孔和大孔体积增加。杨洋等[7]利用压汞试验法对膨胀土的孔隙分布曲线进行了详细探讨，提出压汞试验法不能提供微孔的孔径分布情况，建议要重视膨胀土全孔隙分布的研究。核磁共振技术可以检测到微孔，能够全面检测膨胀土内部的孔隙分布，该技术具有快速、准确、无损的特点[8-9]。安爱军等[10]采用核磁共振技术对石灰-火山灰改良膨胀土进行微观结构分析，认为改良土的孔径在0～0.1 μm范围内孔隙数量减少，孔径在0.1～ 4μm范围内有所增加，孔径在4 μm以上的孔隙个数也在增加。马宝芬等[11]采用核磁共振分析仪对重塑黄土内孔隙水分的变化进行分析，认为土样含水率越高，核磁信号峰值越大，弛豫时间也越大。

本文将分析不同水泥掺量比例对膨胀土的抗剪强度参数的影响。水泥掺量比例分别为0%、0.5%、1%、1.5%、2%、2.5%、3%、3.5%、4%、4.5%、5%、5.5%、6%。采用核磁共振技术分析水泥改良膨胀土的孔径分布、T2谱分布图，探讨水泥改良膨胀土在宏观和微观上的联系。

1 试验分析

1.1 试验准备

本次试验土样取自安徽省合肥市包河区包河公园一带，取土深度在4～6 m，土样呈黄褐色含有铁锰结核。严格按照《土工试验方法标准》GB/T50123-1999(2018版)进行膨胀土室内试验，测定土样的物理学特性，土样主要指标见表1。试验土样通过击实试验测定最优含水率为17.8%，以其为初始含水率进行重塑土样的配置。

表1 膨胀土基本物理特性指标

烘干土样和水泥均过0.5 mm土工筛，配合比采用质量比，每个掺量比配置四份，共计52份土样。干土样需先进行充分混合，然后用喷雾器均匀快速地喷洒在土样上，进行充分搅拌，最后把改良土样放入保鲜袋，并置于保湿箱待用，养护周期为7天。

采用全自动直剪仪(TKA-2UM,南京泰克奥科技有限公司)进行抗剪强度的测定，施加竖向荷载分别为100 kPa、200 kPa、300 kPa、400 kPa。剪切速率为0.8 mm/min。重塑土样直径为61.8 mm，高度为20 mm。采用MesonMR23-060V-1纽迈核磁共振检测仪，对改良膨胀土的孔径分布及T2谱分布图进行数据采集。重塑土样直径为50 mm，高度为20 mm，ρ=10 μm/s。

1.2 改良土抗剪强度参数分析

不同水泥掺量比例下，相应改良土的黏聚力和内摩擦角,见表2。

表2 水泥改良膨胀土的抗剪强度参数

表2显示,水泥掺量的增加能够有效提高膨胀土的黏聚力和内摩擦角。在水泥掺量比例较低(0.5%～2%)时，改良土的黏聚力逐渐增加，增加幅度不超过15 kpa；在水泥掺量比例较高(2.5%～4.5%)时，改良土的黏聚力增幅显著提高，增加幅度在20～40 kpa之间，其中3.5%～4.5%之间改良土的黏聚力增幅最大，增加值分别为37 kpa、37.25 kpa。这是因为掺入水泥后，水泥中的Ca2+与膨胀土体中的Na+和H+不仅发生了离子交换，而且Ca2+与土体中的硅酸根离子发生反应，形成凝胶物质(CSH、CAH)，包裹在土体表面，促使膨胀土由薄片状结构向土颗粒团聚化结构转变；水泥完成水化作用后，进一步形成针状、纤维状等各种形状的晶体结构[12]，极大改善了膨胀土黏结性。当水泥掺量比例在5%、5.5%、6%时，黏聚力的增幅明显下降，分别为11.9 kpa、7.6 kpa、8.8 kpa。其原因一方面是由于土样体积是一个环刀体积，是定量，土颗粒大多数已与水泥发生了水化作用，不再需要多余的水泥；另一方面是由于水泥发生水化作用需要大量的水分，而试验中的含水量是一定的，过多的水泥会造成土样失水，造成土样体积收缩，黏聚力降低。因此，对膨胀土进行改良存在一个极限掺量，也就是水泥的最佳掺量比例，本次试验土样的水泥最佳掺量比例为4.5%。随着水泥掺量比例的增加，内摩擦角一直在逐渐增加，但是增加幅度较小。

1.3 基于核磁共振技术的孔径分布试验数据分析

不同水泥掺量比例下，改良膨胀土的微孔、中孔和大孔百分比如表3所示。

表3 水泥改良膨胀土的微观孔隙百分比

表3显示，随着水泥掺量比例的增加，微孔数量逐渐增加，中孔和大孔数量变化没有明显的规律性。整体分析可以发现：微孔所占孔隙百分比很小，中孔主要分布在土体孔隙中，其次是大孔。当水泥掺量比例达到4.5%时，微孔数量达到1.05%，中孔数量达到38.63%，大孔数量达到12.41%。主要是因为改良土形成较大的团聚体占据了大孔隙，水泥颗粒填充堵塞微孔，最终使得中孔数量增多。

素膨胀土中孔直径主要集中在0.008 5 μm，当水泥掺量在0.5%～2.5%时，膨胀土中孔孔径主要集中在0.007 4～0.006 4 μm，当水泥掺量在3%～6%时，膨胀土中孔孔径主要集中在0.004 9～0.005 6 μm。图1显示，不管素土还是改良土，孔径分布曲线呈只有一个峰值的单峰曲线，表明膨胀土的微观孔隙分布规律基本一致，孔径峰值集中在孔径为0.02 μm附近。

图1 改良膨胀土的孔径分布图

1.4 基于核磁共振技术的T2谱分布试验数据分析

T2谱分布图见图2～5，显示：水泥掺量的比例明显影响T2谱信号强度峰值及弛豫时间。当水泥掺量比例在0.5%～2%时，T2谱信号强度峰值显著降低，弛豫时间集中在0.1～90 ms，孔隙度明显减小；当水泥掺量比例在2.5%～4%时，T2谱信号强度峰值仍在降低，但是降低幅度减小，弛豫时间明显缩短，孔隙度减小幅度降低；当水泥掺量比例在5%～6%时，T2谱信号强度峰值呈缓慢增长趋势，弛豫时间也有所增加，孔隙度逐渐增加。水泥掺量比例为0%时，T2谱信号强度峰值最高，弛豫时间最长，孔隙度最大；水泥掺量比例为2.5%时，弛豫时间明显缩短；水泥掺量比例为4.5%时，T2谱信号强度峰值最低，弛豫时间最短，孔隙度最小。

图2显示，重塑素膨胀土土样的信号强度峰值为906.5，弛豫时间集中在0.1～100 ms，孔隙度为60.2%；当水泥掺量比例为2.5%时，改良膨胀土土样的信号强度峰值为634.4，弛豫时间集中在0.1～70 ms，孔隙度为53.3%；当水泥掺量比例为4.5%时，改良膨胀土的T2谱信号强度峰值为573.5，弛豫时间集中在0.1～40 ms，孔隙度为50.5%；图3显示，当水泥掺量比例为0.5%、1%、1.5%、2%时，改良膨胀土的T2谱信号强度峰值分别为758.4、697、681.7、645.5，弛豫时间集中在0.1～90 ms，孔隙度分别为57.4%、54.4%、53.8%、53.5%；图4显示，当水泥掺量比例为3%、3.5%、4%时，改良膨胀土的T2谱信号强度峰值变化幅度不大，分别为630、607、606.3，弛豫时间集中在0.1～70 ms，孔隙度下降幅度不大于1%；图5显示继续增加水泥掺量至5%、5.5%、6%，却发现改良膨胀土的T2谱信号强度峰值反而在增加，分别为592.1、604.7、617.7，弛豫时间逐渐增大，集中在0.1～80 ms,孔隙度逐渐增大,分别为50.8%、52.1%、52.3%。综上分析可以得出，水泥掺量比例为4.5%时，T2谱信号强度最低，孔隙率最低，反映此时土体内的液态水含量最少，水泥水化作用比较充分，改良土颗粒形成的晶体结构占据了土体内部的孔隙，与抗剪强度试验研究的水泥最佳掺量相吻合。

2 结 论

(1)在最优含水率条件下，随着水泥掺量比例的增加，膨胀土的黏聚力和内摩擦角有效提高。本次试验膨胀土的最佳水泥掺量比例为4.5%。水泥掺量比例在3.5%～4.5%之间，黏聚力的增幅显著提高，最大可达37.25 kpa。改良膨胀土的内摩擦角一直呈缓慢增加趋势。

(2)基于核心共振仪的孔径百分比分析，改良土的中孔占比最大，其次是大孔，最后是微孔，微孔所占孔隙百分比绝大多数不到1%。微孔随水泥掺量比例的增加呈缓慢增加趋势，中孔和大孔数量变化没有明显规律性，但中孔分布集中孔径呈降低趋势。土样孔径分布图呈单峰曲线，且孔径峰值在0.02 μm附近。

(3)T2谱分布图反映了改良土孔隙的分布情况，随着水泥掺量比例的增加，T2谱信号强度峰值降低，弛豫时间缩短，孔隙度降低。当水泥掺量比例超过最佳掺量比例时，T2谱信号强度峰值反而会升高，弛豫时间增长，孔隙度也逐渐增加。