超高含水率水泥固化泥炭土压缩模量和固结系数研究

2022-02-22范衍琦董俊全史江伟

硅酸盐通报 2022年1期

陶然，王荣，范衍琦，董俊全，史江伟

(1.中国港湾工程有限责任公司，北京 100027;2.江苏省水利科学研究院材料结构研究所，扬州 225000; 3.河海大学岩土力学与堤坝工程教育部重点实验室，南京 210024)

0 引言

泥炭土具有高含水率、高有机质含量、大孔隙比和低剪切强度等特点。因此，道路工程或港口工程遇到泥炭土地基时，需要采用化学固化、换填、复合地基等地基处理方式来提升地基的承载力和抵抗变形能力。

为了解决泥炭土地基变形过大的问题，国内外学者开展了泥炭土固结压缩特性研究。吕岩等[1]发现泥炭土有机质含量增加后，压缩系数不断增加，而固结系数不断减小；Ajlouni等[2]和Lea等[3]发现固结压力增加后泥炭土固结系数先快速减小后趋于稳定；李育红等[4]发现泥炭土固结系数与压力呈幂函数关系；王竟宇等[5]发现较低固结压力下原状、重塑泥炭土的固结系数与有机质分解度密切相关。桂跃等[6]揭示了微生物分解及其各向异性对泥炭土固结特性、渗透性的影响规律。

基于石灰固化有机质黏土的试验数据，Sakr等[7]发现掺石灰能显著降低固化土的压缩指数。Mathiluxsan等[8]发现掺10%(质量分数)的粉煤灰和级配良好的砂后，固化土压缩指数快速下降且固化后次固结消失。Paul等[9]发现水泥固化泥炭土的压缩指数随水泥掺量和龄期的增加而减小，表明水泥凝胶填充了泥炭土孔隙。Bobet等[10]研究了养护龄期对水泥固化有机质土压缩特性的影响，发现固化土的最佳养护龄期为14 d。Hayashi等[11]研究了真空固结法对泥炭土二次固结的影响，发现改良后泥炭土二次固结系数为未经改良的30%～50%。

随着“一带一路”国家战略实施，中国工程建设“走”向东南亚地区。此地区泥炭土的含水率为159%～638%，有机质含量为43%～94%(质量分数)，pH值为3.8～6.0[12]。现有研究针对低含水率泥炭土的固结压缩特性和高含水率下水泥固化泥炭土的固结压缩特性的研究较少。本文依托于马来西亚沙捞越第二干道项目(位于马来西亚东岛沙捞越州西南部)，其道路工程设计时速100 km/h，工后7年沉降不超过25 cm。场地范围内主要包括泥炭、泥炭质土、淤泥、粉细砂层。泥炭、泥炭质土和黏土的累计厚度普遍介于15～25 m。场地泥炭土的含水率介于400%～1 000%，有机质含量介于40%～95%。通过开展单向固结试验，研究沙捞越第二干道项目泥炭土的含水率、有机质含量、pH值、养护龄期、水泥掺量和掺料粒径对水泥固化泥炭土压缩模量和固结系数的影响，建立固化泥炭土压缩模量、固结系数与各参数的对应关系，可为类似的地基工程提供指导。

1 单向固结试验

1.1 试验方案

根据前人的研究：Kolay等[12]和李琴等[13]发现水泥为固化泥炭土的最优固化剂；粉煤灰和高炉矿渣能提升固化土的强度，但固化效果明显低于水泥[12,14]；俞家人等[15]发现水玻璃对软土固化效果优于水泥，但固化成本很高，不适用于大面积的软土固化。因此，选择水泥作为超高含水率泥炭土的固化剂。

固化泥炭土试验方案见表1。为了涵盖沙捞越第二干道项目泥炭土的物理指标，初始含水率为300%、400%和600%，有机质含量为40%、60%、80%，pH值为3.5、5.5和7.0。水泥掺量(水泥重量与湿土重量的百分比)为10%、20%、30%，养护龄期为7 d、14 d和28 d。

表1 固化泥炭土的试验方案Table 1 Test plan of peat solidification

超高含水率泥炭土的孔隙比很大，直接固化需要掺入大量的水泥才能获得较高的压缩模量。因此，开展掺料固化的单向固结试验，利用掺料填充泥炭土孔隙，达到降低水泥用量的目的。试验选取的掺料为石英砂，砂掺量为20%。相同的石英砂掺量下，颗粒粒径越小，颗粒数目越多。为了研究颗粒粒径对固化效果的影响，设计了三组颗粒直径，即<0.5 mm、0.5～1 mm和>1 mm。

1.2 试验土样

1.2.1 泥炭土

图1 试验采用的泥炭土Fig.1 Peat used in the test

沙捞越地区泥炭富含植物根系，厚度普遍在3 m以上，最深可达11 m。试验采用的泥炭土形貌如图1所示，此泥炭土属于低分解度(H2～3)、低含水率(B2)、高纤维含量(F3)、极微量粗纤维(R0)和木质残余(W0)的泥炭土(H2～3B2F3R0W0)。泥炭土的初始有机质含量为94.3%，pH值为5.5，呈弱酸性。

1.2.2 高岭土

向初始有机质含量为94.3%的泥炭土中加入水洗高岭土，分别配置有机质含量为40%、60%和80%的试样。相比于混合黏土，水洗高岭土的成分更加简单且土质更加均匀，能够减少黏土矿物成分对试验结果的影响。水洗高岭土的化学成分见表2。

表2 高岭土的化学成分Table 2 Chemical composition of kaolin

1.3 试样制备

(1)按设计的初始含水率、有机质含量、pH值和石英砂掺量，将泥炭土、高岭土、石英砂拌和均匀。利用NaOH和HNO3溶液配制pH值分别为3.5、5.5和7.0的试样。将配置好的泥炭土装入密封袋中闷料3 d，确保水分均匀分布。

(2)按设计的水泥掺量，将水泥均匀拌入泥炭土中。为了确保制样的均匀性，分三次将泥炭土倒入直径为61.8 mm、高度为40 mm的养护模具中。

(3)制备的泥炭土试样放入恒温(20±2) ℃、恒湿(95±2)%的标准箱养护，分别养护至7 d、14 d和28 d，脱模后制成直径为61.8 mm、高度为20 mm的环刀样，并测定其密度、含水率和土粒比重。

2 结果与讨论

2.1 固化泥炭土的压缩模量

2.1.1 养护龄期和固化剂掺量的影响

图2为泥炭土初始含水率为400%、有机质含量为40%时不同养护龄期和水泥掺量的固化泥炭土压缩曲线。养护龄期越大，固化土初始孔隙比越小，表明水泥水化产生的凝胶填充了泥炭土孔隙。水泥掺量为10%时，养护龄期从7 d增至28 d后固化土初始孔隙比(e)由5.40降低到4.94，见图2(a)。相同龄期下，水泥掺量越大，养护后初始孔隙比越小。水泥掺量从10%增至30%后，养护7 d后固化土初始孔隙比从5.40降低到3.20，降幅明显。

从图2可以看出，水泥掺量为10%时，竖向荷载加至100 kPa时试样产生了屈服。表明水泥掺量较小时，泥炭土孔隙比有所降低，但未形成明显降低土体压缩性的连续结构，高含水率泥炭土的固化效果不明显。基于压缩试验曲线的割线斜率，计算竖向应力介于100～200 kPa之间的固化土压缩模量。水泥掺量增至20%后，14 d和28 d龄期的固化土压缩模量(Es1-2)分别为2.33 MPa和5.32 MPa。水泥掺量为30%时，7 d、14 d和28 d龄期的固化土压缩模量(Es1-2)分别为5.99 MPa、8.16 MPa和9.63 MPa。养护龄期或水泥掺量增加后，固化土压缩模量增幅明显。水泥掺量为20%和30%时，28 d龄期的固化土压缩系数分别为0.9 MPa-1和0.4 MPa-1，从高压缩性土变为中等压缩性土。

图2 不同龄期和水泥掺量下固化泥炭土e-p曲线Fig.2 e-p curves of solidified peat soil under different curing time and cement content

2.1.2 初始含水率的影响

图3为泥炭土有机质含量为60%、水泥掺量为30%、养护龄期为28 d时不同初始含水率的固化泥炭土压缩曲线。泥炭土初始含水率从300%增至600%后，固化土承受的最大上覆压力从800 kPa降低至400 kPa。初始含水率为300%、400%和600%时，固化泥炭土的孔隙比分别为3.14、3.66和4.19，压缩模量(Es1-2)分别为10.30 MPa、7.65 MPa和2.30 MPa。泥炭土初始含水率越大，固化后孔隙比越高，土体压缩模量越小。初始含水率从600%降至300%后，固化泥炭土的压缩模量增加了3.5倍。表明泥炭土初始含水率是控制压缩性的重要指标，降低含水率能明显提升固化泥炭土的压缩模量。

2.1.3 有机质含量的影响

图4为不同泥炭土初始含水率为400%、水泥掺量为30%、养护龄期为28 d时有机质含量的固化泥炭土压缩曲线。泥炭土的有机质含量越高，固化后孔隙比越大，压缩模量越小，越容易被压缩。有机质含量为40%和60%的固化泥炭土压缩曲线明显缓于有机质含量为80%的工况。有机质含量为40%、60%和80%时，固化土的孔隙比分别为2.96、3.66和3.88，压缩模量分别为9.63 MPa、7.65 MPa和4.79 MPa。泥炭土有机质含量从40%增至80%后，固化土压缩模量降低了50%。吕岩等[1]发现草炭土有机质含量从43.65%增至85.36%后，压缩指数从1.236增至2.605，增幅高达52.5%。即草炭土有机质量增加后，压缩性明显提高，这与本文固化土压缩模量的变化规律一致。

图3 不同含水率下固化泥炭土e-p曲线Fig.3 e-p curves of solidified peat soil under different moisture content

图4 不同有机质含量下固化泥炭土e-p曲线Fig.4 e-p curves of solidified peat soil under different organic matter content

2.1.4 pH值的影响

图5为泥炭土初始含水率为400%，有机质含量为60%、水泥掺量30%、养护龄期为28 d时不同pH值的固化泥炭土压缩曲线。泥炭土pH值为3.5、5.4和7.0时，固化后初始孔隙比分别为3.88、3.66和3.46，压缩模量分别为6.82 MPa、7.65 MPa和8.10 MPa。泥炭土pH值越小，H+离子浓度越高，阻碍水泥水化反应和抑制水泥凝胶生成的能力越强，宏观上表现出较小的压缩模量。当泥炭土pH值从7.0降至3.5后，固化土压缩模量降低了15.8%。

2.1.5 砂掺料粒径的影响

图6为泥炭土初始含水率为600%、有机质含量为60%、水泥掺量为30%、养护龄期为28 d时不同石英砂粒径的固化土压缩曲线。掺入20%石英砂后，固化泥炭土的初始孔隙比降幅明显，从无掺料的 4.19降至掺料固化的2.66～2.97。表明石英砂能有效填充泥炭土纤维间孔隙，水化产物更容易附着于泥炭土颗粒和石英砂上，降低固化土孔隙比。相同石英砂掺量下，颗粒粒径越小对应的颗粒数目越多，越能有效地填充泥炭土孔隙，固化土的初始孔隙比越小。

未掺入石英砂的固化土压缩模量(Es1-2)为2.30 MPa；掺入粒径为0.5～1 mm和<0.5 mm的石英砂后，固化土压缩模量(Es1-2)分别为2.43 MPa和3.61 MPa。相比于无掺料固化的工况，掺入粒径0.5～1 mm和<0.5 mm的石英砂后固化土压缩模量增幅分别为5.6%和57%。石英砂粒径越小，压缩模量增幅越大。

图5 不同pH值下固化泥炭土e-p曲线Fig.5 e-p curves of solidified peat soil under different pH values

图6 不同石英砂粒径下固化泥炭土e-p曲线Fig.6 e-p curves of solidified peat soil with different sand admixture particle size

图7 孔隙比与压缩模量的关系Fig.7 Relationship between void ratio and compressive modulus

2.1.6 压缩模量与孔隙比的关系

固化土压缩模量与含水率、水泥掺量、有机质含量和养护龄期密切相关。孔隙比能捕捉不同因素对固化泥炭土压缩特性的影响。因此，建立28 d龄期固化土压缩模量(Es1-2)与孔隙比(此图中e为100 kPa上覆压力下固化土孔隙比)的对应关系，见图7。随着泥炭土固化后孔隙比的增加，固化土压缩模量快递降低。压缩模量与孔隙比为幂函数关系，利用公式(1)拟合的相关系数(R2)为0.915。

y=-0.02e(x/0.49)+10.84

(1)

2.2 固化泥炭土的固结系数

采用Sing等[16]建议的时间平方根图解法确定固化泥炭土的固结系数(Cv)。基于某级荷载的土体沉降与时间平方根(S(t)～t0.5)关系曲线，土体固结系数为：

Cv=0.848H2/t90

(2)

式中：Cv为固结系数,cm2·s-1；H为最大排水距离，cm；t90为达到90%固结度所需的时间，s。

2.2.1 养护龄期和固化剂掺量的影响

图8为不同龄期和水泥掺量下固化泥炭土固结系数。由图8(a)可知，竖向压力为12.5 kPa时，三个龄期的固化土固结系数相差不大。竖向压力增至25 kPa时，7 d龄期试样的固结系数迅速下降，而14 d、28 d龄期试样的固结系数降幅为4%左右。水泥掺量较低时，7 d龄期固化强度很低，固结系数对竖向荷载较为敏感。竖向荷载增加后，土体易于压缩，孔隙比和固结系数显著降低。养护龄期越长，试样强度越高。竖向荷载增加至50 kPa以上，14 d和28 d龄期固化土的固结系数快速降低。

图8 不同龄期和水泥掺量下固化泥炭土固结系数Fig.8 Consolidation coefficient of solidified peat soil under different ages and cement content

由图8(b)可以看出，固结系数快速变化的应力区间为50～100 kPa，200 kPa后变化速率趋于平缓。由图8(c)可以看出，当水泥掺量为30%时，固结系数快速下降的应力区间为100～200 kPa。随着水泥掺量增加，固化泥炭土强度逐渐增长，固结系数快速下降的竖向应力区逐步后移。采用公式(3)拟合固化土28 d龄期的固结系数与竖向应力：

y=Ae(-x/t)+y0

(3)

式中：参数A、t和y0为拟合参数。水泥掺量为20%和30%时，拟合的相关系数分别为0.988和0.994，表明幂函数能很好地描述固结系数与竖向应力的关系。Bobet等[10]亦发现原状、重塑泥炭土固结系数与竖向压力呈幂函数关系。

2.2.2 含水率和有机质含量的影响

图9为不同含水率的固化土固结系数与竖向压力的关系曲线。随着含水率的增加，相同竖向应力下固化泥炭土的固结系数不断减小。图10为不同有机质含量下固化泥炭土固结系数，可以看出有机质含量为40%和60%时，固结系数相差不大。有机质含量增至80%时，低竖向应力下固结系数降幅明显小于其他两个工况，但高竖向压力(600 kPa)下三个工况的固结系数接近。泥炭土的初始含水率为300%、400%和600%时，拟合曲线的相关系数(R2)分别为0.959、0.991和0.999；有机质含量为40%、60%和80%时，拟合

图9 不同含水率下固化泥炭土固结系数Fig.9 Consolidation coefficient of solidified peat soil under different water content

图10 不同有机质含量下固化泥炭土固结系数Fig.10 Consolidation coefficient of solidified peat soil under different organic matter content

曲线的相关系数分别为0.994、0.991和0.997。再次表明幂函数能很好地描述固化土固结系数与竖向压力的关系。

2.3 电镜扫描及机理分析

图11为pH值为3.5和7.0的固化泥炭土电镜扫描结果。泥炭土为纤维状长条形颗粒，高岭土颗粒呈书页状、蠕虫状或手风琴状。水泥固化主要通过水化生成水化硅酸钙凝胶(C-S-H)提高土体强度和压缩模量。C-S-H凝胶呈树枝分叉状高速生长，附着在颗粒表面形成网状形貌的产物，在颗粒间形成近球状产物。C-S-H凝胶生成的热力学方程式为：

(4)

图11 不同pH值下固化泥炭土的微观结构Fig.11 Microstructure of solidified peat under different pH values

泥炭土pH值越小，即土中H+浓度越高，越容易中和土中的OH-。OH-离子浓度控制了C-S-H凝胶的形成，进而影响水泥固化土强度和压缩模量。泥炭土pH值从7.0降至3.5时，颗粒表面和颗粒间C-S-H凝胶数目明显降低，宏观表现出较低的强度和压缩模量。随着水泥掺量、养护龄期的增长，水泥水化反应不断加强，生成更多的C-S-H凝胶。因此，水泥掺量越高或养护龄期越长，固化泥炭土宏观表现出较高的强度和压缩模量。

泥炭土有机质含量越高，纤维状长条形颗粒越多。C-S-H凝胶主要附着在强度较低的纤维状颗粒，宏观上便表现出较低的强度和压缩模量。泥炭土有机质含量降低后，高岭土颗粒逐渐增加。C-S-H凝胶附着在强度较高的高岭土颗粒周围，宏观上便表现出较高的强度和压缩模量。掺入石英砂后，小粒径的石英砂能有效地填充颗粒间孔隙，与原土体颗粒形成更多的接触结点。水化反应产生的C-S-H凝胶更易于附着在土颗粒和石英砂周围，进而提高掺料固化土体的强度和压缩模量。