不同养护温度下水泥改良风积沙核磁共振试验研究

2022-06-08马超郑世龙阮波张向京徐斌

铁道科学与工程学报 2022年5期

马超，郑世龙，阮波，张向京，徐斌

(1.中铁第四勘察设计院集团有限公司，湖北武汉430063；2.中南大学土木工程学院，湖南长沙410075)

核磁共振技术最初应用在油气资源勘探领域，随着科技手段的日益成熟，核磁共振的测试精度和效率不断提高，对受检材料的无损伤表征能力越来越完善，目前已广泛应用于物理、化学、生物、医学、材料和矿业等领域[1]。近年来，核磁共振技术在岩土工程中的应用越来越多，李永彪[2]研究发现，膨胀土的T2分布曲线有3个谱峰，而水泥改良膨胀土T2分布曲线具有2个谱峰，随着水泥掺量的增大，水泥改良膨胀土孔隙率先增大后减小。陶高梁等[3]研究结果表明，水泥改良黏土的T2谱曲线存在3个波峰，这3个波峰分别对应小孔、中孔和大孔。水泥改良黏土的T2谱曲线面积随着水泥掺量的增大而持续降低。在低水泥掺量下，峰2和峰3面积减小程度较为明显，而在高水泥掺量下，峰1面积减小程度较为明显。苏跃宏等[4]研究发现，水泥稳定煤矸石的T2谱曲线呈三峰分布，3个波峰分别对应小孔、中孔和大孔，小孔最多，大孔最少。熊路等[5]研究结果表明，水泥固化六价铬污染土T2谱曲线呈双峰分布，弛豫时间介于0.12～200 ms之间，主要孔径分布在0.01～10 mm之间。LIU等[6]研究结果表明，胶结尾矿T2谱曲线呈双峰分布，左峰面积远大于右峰面积，胶结尾矿内部孔隙主要为微孔。随着养护龄期增大，右峰逐渐向左移动，与波峰对应的T2弛豫时间逐渐降低。HE等[7]研究发现，水泥石灰固化污染土T2谱曲线为三峰分布，随着冻融循环次数增多，第1个峰和第2个峰的面积逐渐减小，第3个峰的面积增大，孔径分布范围增大，最大T2弛豫时间增大，大孔增多，孔体积增多。目前核磁共振技术在水泥改良黏土、淤泥和膨胀土等材料的孔隙结构分析中有一些应用，但是水泥改良风积沙的微观结构研究较少，且上述研究均是在室温或标准养护条件下进行的，而水泥的水化易受养护温度的影响。和若铁路经过塔克拉玛干沙漠南缘，地表以风积沙为主。按照和若铁路的设计标准及规范要求，基床表层应优先选择A组填料，其次为B组填料。基床底层可选用A，B，C1，C2等4组填料。和若铁路沿线粗颗粒土填料极为缺乏，而沿线广泛分布风积沙，但风积沙粒径均匀，级配不良，为间断级配C3填料，不满足铁路路基基床填料的要求，因此掺入水泥进行改良以满足沙漠地区风积沙铁路的基床填料要求。根据气象资料[8]，塔克拉玛干沙漠全年干燥少雨，夏季地表温度最高可达到70℃。夏季施工期间，水泥改良风积沙的养护受温度影响。阮波等[9-11]研究发现，水泥改良风积沙的无侧限抗压强度随着养护温度的升高而降低。养护温度不仅会影响水泥改良风积沙宏观力学性能，同时也会影响其内部孔隙结构，可能存在严重的工程风险，而核磁共振技术可实现无损检测。因此，本文开展水泥改良风积沙核磁共振试验，研究养护温度对水泥改良风积沙T2谱曲线分布、孔隙率、最可几孔径和孔径分布等孔隙结构特征的影响。研究成果为水泥改良风积沙铁路路基基床的设计和施工提供参考。

1 试验材料

试验所用风积沙来自于中国新疆塔克拉玛干沙漠南缘的和若铁路施工现场，图1为风积沙照片，表1为其物理力学指标，图2为风积沙颗粒级配曲线，风积沙的主要粒径范围为0.075～0.25 mm，粒径占比为97.2%，颗粒分布均匀，级配不良。试验采用P·O 42.5普通硅酸盐水泥，表2为其物理力学指标。试验用水为长沙市自来水。

表1 风积沙的物理力学性质Table 1 Physical and mechanical properties of aeolian sand

图2 风积沙的颗粒级配曲线Fig.2 Grain size distribution of aeolian sand

2 试验方案

试样的养护温度T分别为30℃，40℃，50℃，60℃，70℃和80℃，标准养护(温度(20±2)℃、相对湿度95%)作为对照组。水泥掺量ac(水泥质量与干的风积沙质量之比)为4%和5%，压实系数为0.95。试验共14组，每组3个试件，共42个试件，具体试验方案见表3。

表3 试验方案Table 3 Mixed design in the testing program

3 试样制备及试验

按照试验方案，将水泥、风积沙和水按一定比例充分搅拌均匀后制成混合料，称取若干混合料倒入击实筒中，采用静力压实法制样，制作成直径20 mm，高度为30 mm的圆柱体试件，如图3所示。脱模后，标准养护采用SHBY-40B型水泥恒温恒湿标准养护箱，其他养护温度采用101型恒温鼓风干燥箱控制，养护6 d，第7 d试样水中浸泡24 h。

图3 核磁共振试样Fig.3 NMR sample

试验采用苏州纽迈分析仪器股份有限公司生产的NMRC12-010V型核磁共振试验仪。核磁曲线标定是指利用一系列已知孔隙率的标准试件，测试其对应的核磁共振信号，得到孔隙率与核磁共振信号幅度之间的关系曲线，如图4所示。通过标定曲线，即可通过待测水泥改良风积沙试件的核磁信号求出对应的孔隙率。

图4 标定曲线Fig.4 Calibration curve

4 试验结果及分析

4.1 核磁共振原理

由核磁共振驰豫机理可知，孔隙流体的横向弛豫时间T2表示为[12]：

式中：T2为孔隙流体的横向弛豫时间，ms；T2B为在足够大的容器中，自由状态的水的横向弛豫时间，ms；T2S为由表面弛豫引起的水的横向弛豫时间，ms；T2D为梯度磁场下由扩散弛豫引起的水的横向弛豫时间，ms。

由于核磁共振仪采用的是均匀磁场，扩散弛豫对T2弛豫没有贡献，因此可以忽略扩散弛豫时间T2D的影响。此外，自由状态流体的横向弛豫时间远大于所测试试样的T2值，所以也可以忽略自由弛豫时间T2D的影响[13-14]。所以，式(1)可以简化为：

式中：r2为横向表面弛豫强度，与试样性质有关，mm/s；S为孔隙的表面积，mm2；V为孔隙的体积，mm3。

其中孔隙比表面积可以表示为：

式中：FS为试样内部孔隙的形状因子。当孔隙为圆柱形孔时，FS=2，当孔隙为球形孔时，FS=3；r为孔隙半径，mm。

将式(3)代入式(2)中，可得：

假定改良风积沙内部孔隙为圆柱形孔隙，因此试样内部孔隙的形状因子FS为2，根据参考文献[15]和[16]可知，水泥水化产物的横向表面弛豫强度FS测试值为10 mm/s，则公式(4)可以简写为

由公式(5)可知，横向弛豫时间T2的分布曲线反映了核磁试件内部孔隙结构的分布信息。T2分布曲线中，横坐标T2弛豫时间与孔径大小高度呈正相关，纵坐标核磁共振信号幅度与内部孔隙体积也基本呈现正比例关系[17]。

孔隙率n即为水泥改良风积沙内部孔隙的体积与水泥改良风积沙总体积之间的比值。在微观层次，孔隙率反映水泥改良风积沙材料内部孔隙结构的分布特征及孔隙发展的趋势。在宏观角度上，孔隙率主要反映了水泥改良风积沙材料的致密程度，对于用作路基填料的水泥改良风积沙来说，则是反映了其密实度[5]。而密实度对水泥改良风积沙的力学性能及变形能力具有显著的影响。

水泥改良风积沙可视作一种性质特殊的多孔介质复合材料，其内部孔隙分布较为随机。为了定性分析水泥改良风积沙内部孔隙整体尺寸的随水泥掺量等因素的变化规律，将信号幅度最强的孔隙尺寸定义最可几孔径，即T2谱曲线演化出的孔径分布曲线中信号幅度峰值所对应的孔径，小于该孔径的内部孔隙不可以形成连通的孔道[18]。通过分析最可几孔径随养护温度和水泥掺量的变化规律，能够有效判断出水泥改良风积沙在不同养护温度和水泥掺量作用下孔隙结构变化特征。

通过计算可以将水泥改良风积沙的T2谱分布曲线转化得到孔隙半径r的分布曲线，其形状和变化规律与T2谱曲线基本一致。根据孔隙半径分布曲线，可以将水泥改良风积沙内部孔隙半径划分为若干区间，并得到不同孔隙半径范围内孔隙体积占比。本文参考DENG等[19]的分类方法，对水泥改良风积沙内部孔隙进行分类，如表4所示。

表4 孔径分类标准Table 4 Standard of aperture division

4.2 养护温度对水泥改良风积沙T2谱曲线的影响

不同养护温度下水泥改良风积沙的T2分布曲线和波峰放大图如图5所示。水泥掺量为4%的水泥改良风积沙T2谱分布曲线具有2个峰值，水泥掺量为5%的水泥改良风积沙T2谱分布曲线具有3个峰值，曲线与x轴所围成的区域称为谱峰。T2谱谱峰面积为T2谱的定积分，积分大小与孔隙体积成正比。T2谱峰面积变化可以表征核磁试件总孔隙率的变化规律，是反映水泥改良风积沙孔隙结构分布及其变化的重要参数，各峰所占面积比例可以反映不同尺寸孔隙的比例[20]。T2弛豫时间分布范围为0.1～10 000 ms，按照T2弛豫时间从小到大的顺序，将T2谱谱峰分别命名为第1谱峰、第2谱峰和第3谱峰。第2谱峰面积最大，因此可称其为主谱峰，第1谱峰面积其次，第3谱峰面积最小。各T2谱分布曲线的第1谱峰和第2谱峰均为无间断连接，这表明水泥改良风积沙的孔径分布的连续性较好，其内部孔隙发展具有较稳定的时间累积性。

图5 养护温度对水泥改良风积沙T2谱曲线的影响Fig.5 Effects of curing temperature on T2 spectrum curves of cemented aeolian sand

由图5可知，随着养护温度的升高，水泥改良风积沙的主谱峰向右偏移，即向孔隙半径增大的方向移动，核磁信号幅度峰值增大，内部孔隙体积及尺寸随养护温度的升高而增大。当水泥掺量从4%增大到5%时，水泥改良风积沙的主谱峰向左移即向孔隙半径减小的方向发展，且核磁信号幅度峰值开始降低，T2谱分布曲线由双峰分布转变为三峰分布。

4.3 养护温度对孔隙率的影响

养护温度对水泥改良风积沙孔隙率的影响如图6所示。随着养护温度升高，水泥改良风积沙孔隙率逐渐增大。当水泥掺量为5%时，当养护温度从30℃升高到70℃后，水泥改良风积沙的孔隙率从30.96%增大到31.89%。水泥掺量为5%时，标准养护条件下的孔隙率为30.72%，当养护温度升高到70℃时，孔隙率增大到31.89%，增长幅度为1.17%，水泥改良风积沙内部孔隙体积增大。

图6 养护温度对水泥改良风积沙孔隙率的影响Fig.6 Effect of curing temperature on porosity of cemented aeolian sand

在70℃养护温度下，当水泥掺量从4%提高到5%时，水泥改良风积沙的孔隙率从33.80%降低到31.89%，降低幅度为1.91%。水泥改良风积沙的孔隙率随着水泥掺量增大而降低。文献[3]研究结果表明，增大水泥掺量降低了水泥土的孔隙体积，这与本文试验结果一致。

4.4 养护温度对最可几孔径的影响

养护温度对水泥改良风积沙最可几孔径的影响如图7所示。当水泥掺量为5%时，当水泥改良风积沙的养护温度从30℃升高到70℃后，最可几孔径从1.80 mm增大到2.53 mm，增大了41%。水泥改良风积沙的最可几孔径随着养护温度的升高而增大，表明随着养护温度升高，水泥改良风积沙内部结构损伤加剧，水泥改良风积沙内部形成了尺寸更大的孔隙，在4%水泥掺量下都具有相同的变化趋势。水泥掺量为5%时，标准养护条件下的最可几孔径为1.75 mm，当养护温度升高到70℃时，最可几孔径增大到2.3 mm，增长幅度为0.55 mm，水泥改良风积沙内部孔隙尺寸增大。

图7 养护温度对水泥改良风积沙最可几孔径的影响Fig.7 Effects of curing temperature on the mean pore-size of cemented aeolian sand

在70℃养护温度下，当水泥掺量从4%提高到5%时，水泥改良风积沙的最可几孔径从3.06 mm降低到2.30 mm，降低了25%。水泥改良风积沙的最可几孔径随着水泥掺量提高而降低，水泥对孔隙细化效果明显。

4.5 养护温度对孔径分布的影响

图8为水泥掺量为5%时，养护温度对水泥改良风积沙孔径分布的影响。水泥风积沙的内部孔隙主要以中孔和大孔为主，总占比约80%，小孔相对较少，微孔所占比例则非常微小。当水泥改良风积沙的养护温度从30℃升高70℃后，水泥改良风积沙内部小孔和大孔占比分别增大了2.61%和4.06%，中孔占比降低了7.03%。随着养护温度升高，水泥改良风积沙内部的孔隙规模逐步增大，水泥改良风积沙内部小孔、大孔数量显著增多，养护温度对微孔影响较小。

图8 养护温度对水泥改良风积沙的孔径分布的影响Fig.8 Effects of curing temperature on pore size distribution of cemented aeolian sand

图9为养护温度为70℃时，水泥掺量对水泥改良风积沙孔径分布的影响。当水泥掺量从4%提高到5%时，小孔比例增大了10.36%，中孔和大孔比例均降低了3.82%。小孔比例随着水泥掺量增加整体呈增多的变化规律，而大孔和中孔比例逐渐减少，整体孔隙体积及尺寸逐步减小。

图9 水泥掺量对水泥改良风积沙孔径分布的影响Fig.9 Effects of cement content on pore size distribution of cemented aeolian sand

4.6 孔隙率与无侧限抗压强度之间的关系

由相关文献[9]可知，水泥改良风积沙无侧限抗压强度随着养护温度的升高而降低，水泥掺量的增大会提高无侧限抗压强度。这一规律与水泥改良风积沙内部孔隙率随养护温度和水泥掺量的变化规律刚好相反，这说明了水泥改良风积沙无侧限抗压强度与孔隙率之间存在一定的关联性。提取不同养护温度下水泥改良风积沙的无侧限抗压强度与孔隙率进行分析，图10为无侧限抗压强度qu和孔隙率n之间的关系。水泥改良风积沙的无侧限抗压强度与孔隙率之间存在良好的幂函数关系，抗压强度随孔隙率的增大而持续降低。养护温度对水泥改良风积沙宏观力学的衰变现象，其本质是微观结构变化的外在体现[21]。