水泥-水玻璃改良粉质黏土渗透性能与微观机理研究

胡扬扬，刘银芳，苏德垠，郭易盟，朱碧堂，胡椿华

（1.华东交通大学江西省地下空间技术开发工程研究中心，江西 南昌330013；2.福建岩土工程勘察研究院有限公司，福建 福州350001）

许多研究已经指出， 水泥土抗渗性能受水泥掺入比、水灰比、养护龄期、外掺剂等因素影响显著。 在经过诸多室内试验的验证，从水泥土渗透性影响机理出发，提出了诸多宝贵的观点。 陈四利等[1]指出水泥土抗渗能力与其中钙镁离子含量联系紧密；余帆等[2]发现萘系减水剂的加入可促进水化产物的分布更为均匀；李怡锋等[3]提出水泥土中黏土含量对渗透性的影响大于养护龄期；庞文台等[4]指出石灰的加入可激发粉煤灰的火山灰作用， 生成水化硅酸钙填充孔隙。夏正兵[5]指出水泥土的渗透系数和酸碱度存在负相关关系， 并且与水泥含量及龄期呈正相关关系。 在对外掺剂的研究中，不少学者发现，水玻璃能与水泥浆液中的Ca（OH）2反应生成具有一定强度的硅酸钙水合物 （CSH）凝胶，收紧水泥土的多孔结构，提高抗渗性[6-7]。 这些研究显然都可以为水泥-水玻璃改良粉质黏土渗透性提供有力凭证。

另外，许多学者通过SEM、XRD 等微观试验研究分析不同水泥掺量、不同掺料影响下水泥土内部的微观结构，并指出其影响机理。 李新民[8]发现偏高岭土掺入后形成的水化产物可联结土颗粒并填充于孔隙。 吴子龙等[9]发现外掺剂的加入，不能改变水泥改性土中的水化产物类型，但可以改变水化产物的包裹形式和数量，合适的掺入比，可改变试样的微观结构和孔径分布。 陈峰等[10]通过实验研究指出铁镍渣粉的掺入能促进生成Ca/Si 水化物， 减小水泥土的孔隙率，增强抗渗性。申向东等[11]指出水泥掺量增加和养护龄期提高均可使渗透系数持续减小。曹净等[12]结合扫描电镜和能谱分析了胡敏酸对水泥土试样强度的影响机理。杨康辉等[13]发现合适的外掺剂可促进钙矾石的生成数量、长径比，更好的修复微裂缝，填充骨架，提高改良土体抗渗性能。 Kulkarni 等[14]指出影响渗透率的因素顺序为岩石含量＞胶结度＞岩石尺寸＞Talbot 指数（描述不同粒度砂的质量百分比）。 Horpibulsuk 等[15]经过试验得出水泥含量可控制阳离子交换过程引起的黏土颗粒的飞散。这些研究可以为水泥-水玻璃改良粉质黏土微观机理分析提供有力借鉴。

1 材料及方法

1.1 试验原材料

1） 试验用土。试验用土取自南昌地铁4 号线七里站出站口基坑。 该粉质黏土呈黄褐色，经室内试验测得其物理力学指标如表1 所示。 考虑现场所取粉质黏土中存在较大砾石，实验室将所取土样放入烘箱， 保持温度105 ℃烘干8 h 以上，待土样完全干燥、 碾压后， 过5 mm 筛以保证试样均一。

表1 试验土样的物理参数Tab.1 Physical parameters of the test soil samples

2） 试验用主固化剂。水泥（cement，C）为普通硅酸盐水泥（P.O42.5），主要化学成分见表2。

表2 水泥主要化学成分Tab.2 Main chemical composition of cement

3） 试验用外掺剂。水玻璃（water glass，WG），硅酸钠水溶液，呈无色半透明黏稠状，模数2.23，无毒无害。

4） 试验其余用材。 为了增加制样时浆液流动性，帮助试块成型，故添加砂和萘系减水剂。 试验用砂为南昌市天然河砂，细度模数为3.32，同样烘干后待用；试验用萘系减水剂为高分子离子型表面活性剂，褐色粉末状。

1.2 试验方法

本文研究目的是探究不同水泥掺量wC（16%，20%，24%，28%），不同水玻璃掺量wWG（2%，4%，6%，8%），以及不同养护龄期（7，14，28 d）对粉质黏土渗透性能影响。 控制基本参变量一致，详见表3，萘系减水剂和砂的掺量均为水泥占比。 设置2 因素（水泥掺量、水玻璃掺量）4 水平的全面试验， 分别检测7，14，28 d的渗透系数。 为了方便表述，材料均采用英文缩写方式，如16%C+2%WG 代表16%水泥+2%水玻璃复合改良粉质黏土。 方案设计共制作48 组试验组和1 组基准对照组（24%C），每组设置3 个平行试件。

表3 基本参变量Tab.3 Baseline ratio

试件制作时， 根据 《水泥土配合比设计规程》（JGJ55—2011）的规定，按方案设计先加入定量干土与水泥搅拌充分，同时将萘系减水剂及水玻璃分别溶于水中搅拌充分后，先将萘系减水剂溶液倒入水泥土混合干料中，搅拌充分后，再将水玻璃溶液倒入，充分搅拌至均匀后得到拌合物，此过程用水量严格按照设计用水量执行。 搅拌结束后，将拌合物装入截头圆锥形金属试模 （上口内径为70 mm，下口内径为80 mm，高度为30 mm），待试样制作完成后，在（20±5） ℃的环境下静置48 h 后拆模，水中养护至相应龄期后， 采用TJSS-25 水泥土渗透系数测定仪测试改良粉质黏土试件渗透系数。 试件养护及试验设备如图2 所示。 测试时第一级压力设置为0.02 MPa，每10 min 以0.02 MPa 等级逐级施加压力至0.1 MPa， 以后以同样的时间间隔按0.1 MPa 的加压幅度递增，最后一级压力加至水泥土试件表面有水渗出，标定并记录此时的渗压（p）、水温，后续保持恒定压力（p）下固定间隔时间测定水泥土渗出的水量，当试件表面有水均匀渗出时，开始读数和记录；时间间隔可根据水泥土试件表面的渗水量多少确定；渗水量稳定后，试验可以结束。

水泥土渗透系数kT按下式计算

式中：kT为水温T ℃时水泥土渗透系数，cm/s；t 为时间间隔，s；A 为试件中部横截面积，cm2；h 为渗径，即试件高度，cm；V 为经过时间渗出的水量，mL；i 为水力梯度；p 为施加的渗透压力，MPa；γw为水的重度，N/cm3，取0.009 8 N/cm3。

采用扫描电子显微镜（SEM）对改良粉质黏土的微观结构特性以及内部微观形貌进行观测和分析；采用多功能X 射线衍射仪定量分析出改良粉质黏土试块中的各组分的含量。

2 结果与分析

2.1 水泥掺量影响

图1 反应了28 d 龄期下水泥掺量对C-WG 改良粉质黏土渗透系数影响规律，由图可知，渗透系数随着水泥掺量增加而减小，下降速率在水泥掺量为24%时出现拐点，下降幅度由急变缓。 以图1（a）为例， 水泥掺量从16%增加至24%时，C-WG 改良粉质黏土的渗透系数相比下降了25.7%，而从24%增至28%时，渗透系数相比下降了2.9%。 究其原因主要是随着水泥掺量的增加，加剧了水泥与粉质黏土中的自由水的水化反应，提高了氢氧化钙、硅铝酸钙等水化产物含量，而氢氧化钙可再次与粉质黏土中的硅铝氧化物在碱环境下发生共价聚合，形成更多的胶凝物填充土中孔隙，有效提升C-WG 改良粉质黏土的抗渗性能；随着水泥掺量的增大、初始用土量不变的情况下，虽然可以持续发生水化反应，但随着土中硅铝氧化物含量逐步消耗，不足以支持水化产物继续转化成胶凝物，渗透系数下降放缓。

图1 水泥掺量对C-WG 改良粉质黏土渗透特性的影响Fig.1 Effect of cement content on permeability characteristics of C-WG improved silty clay

2.2 水玻璃掺量影响

图2 反应了28 d 龄期下C-WG 改良粉质黏土渗透系数与水玻璃掺量之间呈负相关关系， 以图2（a）为例，当水玻璃掺量从2%增加至8%，C-WG 改良粉质黏土的渗透系数降低了34.5%。分析可知，随着水玻璃掺量增大，水玻璃与黏土中高价金属离子或pH 值小于9 的孔隙水接触， 生成硅酸钙或硅胶颗粒，填塞土体颗粒间隙，从而降低了C-WG 改良粉质黏土的渗透系数。 图1 图2 中黄色条柱，绿色条柱，紫色条柱分别表示第1 次，第2 次，第3 次试验。

图2 C-WG 改良粉质黏土渗透系数与水玻璃掺量的关系Fig.2 Relationship between permeability coefficient of CWG improved silty clay and water glass content

2.3 水泥、水玻璃掺量协同作用

的渗透系数变化规律。 由图3 可知，C-GW 改良粉质黏土渗透系数与水玻璃掺量、 水泥掺量之间有着良好的相关性， 说明两者可以协同作用改良粉质黏土的抗渗性。当水泥掺量从16%增至24%，水玻璃掺量从2%增至6%， 渗透系数下降速率明显优于高掺量。 综上所述，虽然水泥及水玻璃能够促进C-GW 改良粉质黏土中水化产物的产生， 但是由于初始用土量有限， 导致水化反应后期土中硅铝氧化物不足以继续支持水化产物共价聚合转化成胶凝物质填补孔隙。 在固定基本水灰比的情况下，水泥-水玻璃的掺量配比为24%C+6%WG 时，可以最大限度发挥掺量的性能且完全析出水化产物结晶，达到填充孔隙降低渗透系数的目的同时，节约经济成本。

图3 渗透系数与水玻璃掺量、水泥掺量间关系Fig.3 Relationship between permeability coefficient and water glass content and cement content

2.4 养护龄期影响

图4 反应了养护龄期与C-WG 改良粉质黏土的渗透系数之间的规律关系。 如图所示，随着养护龄期的增长，渗透系数呈不断降低的趋势，以24%C+6%WG 为例，当养护龄期由7 d 增长至14 d 时，C-WG 改良粉质黏土的渗透系数降低了14.5%；而14 d 增长至28 d 时，渗透系数仅降低了3.7%。可见在养护初期，水化反应较为剧烈，水化产物产出较快，渗透系数减小速度较快，而随着时间的发展，水化反应变缓，渗透系数下降趋势变小，且趋于平稳。

图4 水泥固化土渗透系数与养护龄期的关系Fig.4 Relationship between permeability coefficient of cement cured soil and curing age

3 微观机理分析

3.1 XRD 分析

图5 是对28 d 龄期下的基准组以及20%C+4%WG 组，24%C+6%WG 组进行X 射线衍射图谱，从图5 可以看出，水泥-水玻璃的协同作用可促进粉质黏土的水化反应并生成包括氢氧钙石Ca（OH）2，水化硅酸钙CaO·SiO2·nH2O 和钙矾石3CaO·Al2O3·3CaSO4·32H2O 等在内的典型水化产物。 对比基准组，24%C+6%WG 组水化产物结晶类型更多、 结晶含量更高。

图5 C-WG 改良粉质黏土的XRD 衍射图谱Fig.5 XRD diffraction pattern of C-WG modified silty clay

表4 为X 射线衍射图谱在经过MDI Jade 软件分析及RIR 定量计算后各改良粉质黏土中各结晶成分的相对含量表。 从表中可以清楚的得知，水泥-水玻璃的复合掺入， 会降低土中Al2O3、Fe2O3、MgO 等成分含量， 尤其是Al2O3的变化最为明显， 从14%分别降至8%和2%；同时促进氢氧化钙Ca（OH）2、水化硅酸钙CaO·SiO2·nH2O、 钙矾石3CaO·Al2O3·3CaSO4·32H2O等主要水化产物的生成，且24%C+6%WG 组生成的水化产物含量显然高于基准组，尤其是24%C+6%WG 组生成的钙矾石高于基准组7%。 由此可知，水玻璃的掺入可有效促进氢氧化钙、水化硅酸钙和钙矾石等主要水化产物的生成，营造碱性环境促进水化产物转化成胶凝物并进一步提高水泥土的抗渗能力。

表4 主要物质成分的质量分数Tab.4 The mass fraction of the main substance component

3.2 SEM 分析

图6 是原位土样、基准组（24%C）以及24%C+6%WG 改良粉质黏土的SEM 电镜扫描照片。图6（a）中清晰可见原位土试样中土颗粒与土颗粒之间，土颗粒与矿物成分之间的孔隙和缝隙分布杂乱无章，抗渗性相对较低。 图6（b）可以看出，土颗粒和矿物质之间黏聚在一起形成凝块状团，颗粒之间的孔隙由黏土矿物填充，水化反应产生的片状C-H 晶体使得土颗粒之间连接成板状结构，土颗粒表面被绝大部分胶结构物质覆盖，颗粒间形成长而粗的六方体棱柱状C-A-S-H 钙矾石晶体，土体骨架更为完整，但土颗粒之间依然存在较多的孔隙。 图6（c）可见，大量絮状C-S-H 凝胶存在于土颗粒周围， 形成整体镶嵌的块状结构， 孔隙孔径和数量已明显优于基准组， 网状的C-S-H 凝胶将大块状的结构胶结连接成整体，短而粗的C-A-S-H 钙矾石晶体起着交叉支撑和填充孔隙的双重作用。 对比之下，发现24%C+6%WG 组结构的整体性和密实性均相较基准组更佳，这也与渗透试验的结论相互印证， 即水泥及水玻璃可协同作用，相互促进对粉质黏土抗渗性的改良。

图6 原位土样、24%C 及24%C+6%WG 改良粉质黏土的SEM 照片Fig.6 SEM photos of control group, baseline group and 24% C+6% WG group

4 结论

1） 水泥和水玻璃均可以较大程度的影响CWG 改良粉质黏土的渗透系数， 并且掺量与渗透系数之间基本呈负相关性。

2） 水泥和水玻璃可协同改良粉质黏土的渗透性能， 但对于水泥-水玻璃的配比有着明显的敏感性。 基于室内试验数据和分析，确定水泥-水玻璃的最佳改良配比为24%C+6%WG。

3） 结合SEM 及XRD 测试结果表明固化剂的加入并没有改变水泥土的水化产物主要物相组成，而是促进水化反应，提高了C-S-H 凝胶和C-A-S-H 钙矾石晶体等水化产物的生成量，填充了土骨架孔、裂隙，提高粉质黏土的微观结构稳定性，使结构更加密实，提高了水泥土的抗渗性。 24%C+6%WG 组相较基准组有明显的变化，形成了更多的C-A-S-H 钙矾石等水化产物及胶凝物，验证了水泥掺量24%，水玻璃掺量6%的配比下对粉质黏土改良效果相对更佳。