土性对工程泥浆固化强度影响规律及微观机理

卞 夏,叶迎春,刘 凯,李晓昭,樊朱益,郭光泽,张 伟

1)河海大学岩土力学与堤坝工程教育部重点实验室,江苏南京 210098;2)深部岩土力学与地下工程国家重点实验室,江苏徐州 221116;3)龙游县林业水利局,浙江衢州 324400;4)中国地质科学院,北京 100037; 5)江苏省建筑工程质量检测中心有限公司,江苏南京 210028

随着经济的发展,大规模基础设施修建、地铁线路站点施工、隧道开挖建设在如火如荼的进行。据交通部数据,截止至2021年1月,我国共有44座城市开通了地铁线路,总运营里程达到7 623.3 km。更多的城市地铁项目正在规划当中,南京市未来的地铁规划里程就有632.0 km。除地铁建设外,桥梁、隧道、房建项目更是不计其数。各类工程建设过程中,特别是基础建设阶段不免会产生体量较大工程泥浆。工程泥浆包括盾构泥浆、桩基泥浆、地连墙泥浆,其中盾构泥浆为工程泥浆的主要部分(杨凯,2020)。工程泥浆含水率较高,不便移动,往往在施工现场沉淀池中堆积,对施工现场安全性,设备进出等都具有重要影响。因此对于工程泥浆的资源化利用已经成为亟需解决的重要课题之一。

目前,国内外资源化处理工程泥浆的主要方式是化学固化处理,水泥作为一种常见的胶凝材料备受青睐,诸多学者在此基础上进行了一系列的研究(郑少辉等,2018; Zhang et al.,2020)。研究表明,当水泥掺量一定时,水泥固化土强度会随着土体初始含水率的升高而降低,这是因为初始含水率的增加使得固化土中单位体积内水化胶凝产物数量减少,导致土体间难以形成高强度骨架来抵抗变形破坏。张春雷指出,水泥固化土强度与初始含水率之间呈幂指数关系下降(张春雷等,2010),即初始含水率的提高会极大降低水泥固化剂的固化效果。因此一些研究利用添加吸水材料降低含水率来提升固化效果。王东星等(2012)基于传统水泥和石灰固化处理方法,提出了利用大掺量低钙粉煤灰、水泥和石灰固化剂进行淤泥固化处理的方法; 丁建文等(2010)通过添加磷石膏固化处理高含水率疏浚淤泥并且效果显著。但是这些方式对土体中的水分消耗是有限的,固化成本上的改善也微乎其微。Bian et al.(2018)将高分子吸水树脂(SAP)应用于高含水率泥浆土资源化处理中,发现SAP显著提高固化土的强度性状,被证明可以作为高效处理高含水率泥浆土的外加剂之一。

然而,已有研究大多针对单一泥浆开展资源化试验研究,实际工程中工程泥浆的性状随着地层的变化会有着显著的改变,不同泥浆性状对资源化处理后强度有着显著影响。因此亟需探讨不同土性对泥浆固化效率影响研究,从而实现工程泥浆高效处理。本文基于高分子吸水树脂固化方法,研究了土体液限和高岭土掺入对工程泥浆土固化强度影响规律,并探究其微观机理。研究成果可以为实际工程中,提升高含水率泥浆土资源化利用效率提供理论依据。

1 试验材料与试样制备

试验所用土样为南京地铁S6号线麒麟门站盾构泥浆土,取于地铁开挖土沉淀池中。取回的土样自然风干后破碎并过2 mm筛从而保证试样粒径大小的均匀性。表1列出了各不同液限值盾构泥浆土基本物理性质,其中土样D是由土样A添加40%高岭土配置而成的。本文使用的水泥、石灰、高岭土均购自惠灰实业,水泥为42.5#普通硅酸盐水泥,石灰为生石灰,含钙90%以上。

表1 土体基本物理性质指标Table 1 Basic physical properties of soil

高分子吸水树脂是一种含有羧基、羟基等强亲水性基团并具有一定交联度的新型高分子材料。本文所用高分子吸水树脂粒径大小在30～60目之间,外观为纯白颗粒,该高分子吸水树脂最大理论吸水率为400 g/g(g/g表示吸水质量/SAP质量)。

试样制备: ①调节土样初始含水率为2倍液限值,调节完成后使用搅拌器将泥浆土搅拌均匀。②将SAP颗粒分批、缓慢倒入并搅拌,搅拌完成后静置5分钟使SAP充分吸水。③将SAP与泥浆混合物和水泥石灰混合搅拌10 min以保证试样的均匀性。④将水泥、石灰、泥浆、SAP混合体装入直径50 mm、高度100 mm、内壁均匀涂抹油性脱模剂的圆柱形PVC模具中。⑤24 h后,拆除圆柱形PVC模具,将所有试样分别用塑料膜包裹并在温度为(20±2) ℃、相对湿度保持95%以上的养护箱内养护。本文先后进行了固化土体的无侧限抗压强度试验和微观试验,具体试验方案列于表2,方案中水泥和石灰的掺入量分别为12%和3%。

表2 试验方案Table 2 Test plan

无侧限抗压强度采用YSH-2型石灰土无侧限压力仪开展试验。试验时,应变速率为1 mm/min,每组3个试样,取其平均值作为该条件下的无侧限抗压强度。

扫描电子显微镜试验中,首先对目标试样使用液氮进行冷冻干燥,之后将观测样固定于承台上进行预抽真空以及正式抽真空并喷镀60 s,最后放入扫描电子显微镜仪器中进行相关试验。

X射线衍射试验则是在试样冷冻干燥后使用研钵进行研磨,研磨结束后使用酒精擦试干净,试样制备结束后便可开展相关试验。微观试验均于南京大学地球科学与工程学院完成。

2 结果与讨论

2.1 固化土强度性状影响规律

2.1.1 液限对固化土强度影响规律

图1a-d为各龄期无侧限抗压强度随液限变化的影响,图中Ap表示SAP掺量,qu表示固化泥浆土无侧限抗压强度。从图中可以看出随着液限的上升,固化泥浆土强度逐渐降低。这是因为在初始含水比(w0/wL)相同情况下,液限越高,固化泥浆土的含水率越高,含水率的升高将导致孔隙比上升。然而水泥水化产生的水化硅酸钙凝胶只能起到胶结作用,并不能有效填充孔隙,无法弥补孔隙增大带来的强度损失。因此,高分子吸水树脂固化泥浆土随着液限的升高,导致固化泥浆土孔隙比增大,从而使得固化泥浆土强度降低。

图1 液限对强度增长的影响Fig.1 The influence of liquid limit on the growth of qu

此外图1显示,随着液限增大,强度衰减趋势更加显著,并且龄期越长,影响越明显。由于试验中试样拥有相同的含水比,随着液限的上升,泥浆土内部含水率增量Δw会呈液限增量ΔwL两倍数值增长,导致固化泥浆土含水率快速上升,通常水泥固化土无侧限抗压强度会随着含水率的升高呈幂关系下降(杨小玲等,2020),因此随着液限的增大,不同液限固化泥浆土之间的强度差也越大。

2.1.2 高岭土对固化土强度影响规律

图2a-d为各龄期高岭土的掺入对固化泥浆土强度的影响。可以发现高岭土的掺入有效提高了固化泥浆土的无侧限抗压强度。随着龄期的增长,高岭土对强度的增强作用也在不断提升。这主要是由于高岭土是不稳定态的硅铝化合物,在水泥、石灰所提供的碱性环境中,高岭土中富含的大量活性成分(Al2O3、SiO2)会与水泥水化以及生石灰产生的Ca(OH)2发生反应,产生水化硅酸钙、水化铝酸钙等胶凝产物,从而起到提升强度的作用。

图2 高岭土对强度增长的影响Fig.2 The influence of kaolin clay on the growth of qu

虽然高岭土的掺入使得泥浆土的液限增大,但其强度并未随着液限的增大而降低,其原因为高岭土的加入为水化反应提供更多的原材料,此时固化泥浆土的强度提升主要是由于更多的水化产物,形成了更强的胶结结构。同时孔隙比增大对强度降低的影响则显著弱于胶结强度的提升作用。

由图2也可以看出SAP掺量对高岭土强度提升产生积极影响,随着SAP掺量的增大,高岭土的掺入对强度提升更加明显。这是因为SAP的高吸水率在一定程度上削弱了液限提高引起的强度降低,SAP吸水可以有效的降低孔隙比,填充孔隙,优化土体内部结构,从而提升强度。

2.1.3 SAP对不同液限固化土强度的影响

随着SAP掺量的增加,固化泥浆土强度显著增加。这是由于SAP具有很强的吸水能力,可以吸附大量的孔隙水,吸水膨胀后的SAP填充了土体孔隙,使土体结构更密实,强度随之提高。这也与前人的研究结果一致(Bian et al.,2018)。由图3可以看出随着液限的增大,SAP掺量对于强度增强的效果逐渐削弱。这可以理解为液限的增大伴随而来的是土体更多孔隙,而SAP的吸水量与可填充的孔隙量毕竟有限,因此导致随着液限的增大,SAP对于强度的影响逐渐减少。

图3 SAP掺量对强度增长的影响Fig.3 The influence of SAP content on on the growth of qu

图3中显示SAP的掺入对不同液限的固化泥浆土强度的补偿作用,随着液限增大而显著降低。当wL=43.2%时,添加10‰的SAP才能勉强达到wL=32.1%不加SAP时的强度; 当wL=38.0%时,仅需添加1‰的SAP就已经达到并超过wL=32.1%不加SAP时的强度。因此在实际工程中为了提升工程泥浆固化效率,可以掺入SAP消除液限增大产生的固化效率衰减的影响,但是随着液限增大,达到相同固化效率所需SAP掺量也随之增加。

2.2 高分子吸水树脂固化泥浆土微观机理

2.2.1 液限及SAP对固化泥浆土强度影响机理

图4a、b展示了SAP掺量、液限对固化泥浆土X射线衍射结果的影响。从图中可以发现,液限、SAP对固化泥浆土主要矿物成分并没有产生明显的影响。除了石英、钠长石、羟铁云母等固有矿物成分,水化硅酸钙、水化铝酸钙、氢氧化钙等水化产物外,并没有产生新的矿物成分。此外可以发现液限、SAP并不会对水化产物产生量带来显著变化,也表明不同液限泥浆土在相同掺量下的水化产物量,以及胶结强度基本保持不变,这也与已有文献中结果一致(Bian et al.,2018)。

图4 X射线衍射图Fig.4 X-ray diffraction pattern

图5和图6分别展示了wL=32.1%与wL=38.0%固化泥浆土扫描电子显微镜图像。从图5a和图6a可以看出,固化泥浆土液限越低,孔隙越小,孔隙结构越致密,同时基于XRD试验结果表明水化产物量并未发生显著变化。这也表明液限增大引起固化强度降低的主要原因是由于液限较大固化泥浆土由于孔隙增多,将会产生较为松散的微观结构(对比图5b和图6b),在相同水化产物胶结作用下,其强度随之而降低。

图5 扫描电子显微镜图像(wL=32.1%,AP=0‰)Fig.5 Scanning electron microscope image of stabilized soil with (wL=32.1%,AP=0‰)

图6 扫描电子显微镜图像(wL=38.0%,AP=0‰)Fig.6 Scanning electron microscope image of stabilized soil with wL=38.0%,AP=0‰

图7和图8为wL=32.1%固化泥浆土在SAP掺量为0‰及10‰时的扫描电子显微镜图像。对比图7a和图8a可以发现,掺入10‰SAP的固化泥浆土内部结构明显更加致密。这说明SAP使得固化泥浆土强度增大是因为其改善了土体的微观结构,吸水后膨胀的SAP占据了土体团聚体之间大孔隙,使得固化泥浆土整体结构更加密实(对比图7b和图8b)。

图7 SAP掺量为0‰固化土扫描电子显微镜图像Fig.7 Scanning electron microscope image of stabilized soil with SAP content of 0‰

图8 SAP掺量为10‰固化土扫描电子显微镜图像Fig.8 Scanning electron microscope image of stabilized soil with SAP content of 10‰

2.2.2 高岭土对固化泥浆土强度影响机理

图9为高岭土对固化泥浆土矿物成分的影响。可以看出,高岭土的掺入使得水化产物CSH和CAH的三峰强度得到显著增强,这说明高岭土的掺入有效提高了固化泥浆土中的CSH和CAH等水化产物的产量。图10a、b分别显示了wL=32.1%以及掺入高岭土的wL=61.4%固化泥浆土扫描电子显微镜图片。从图中可以看出,拥有更低液限的wL=32.1%固化泥浆土虽然更加致密,但是附着在泥浆土团粒聚体表面的絮状水化产物量明显较少。同时,掺入高岭土wL=61.4%固化泥浆中清晰可见的黏粒团聚体表明有着大量的絮状水化产物,这说明高岭土提高固化泥浆土强度的作用机理与SAP不同,高岭土的掺入增加了水化胶凝产物的生成,提高了固化泥浆土的胶结强度。此时固化泥浆土强度取决于水化产物形成的胶结结构强度,而固化泥浆土由液限升高引起的内部孔隙比增大对强度的影响则较小。因此高岭土的掺入使得强度大幅度增大。

图9 掺入与不掺高岭土固化土X射线衍射图Fig.9 X-ray diffraction pattern of stabilized soil with and without Kaolin clay

图10 高岭土的掺入对固化泥浆土微观结构的影响Fig.10 Influence of adding kaolin on the microstructure of stabilized soil

3 工程意义

根据本文室内试验得出的规律性质,可以用此结论指导现场工程泥浆的资源化利用。首先在工程现场可以通过调配工程泥浆土的液限,通过降低泥浆土的液限来提高固化效率。土体的液限与黏粒含量呈显著正相关,与砂粒含量呈明显负相关。这说明在实际现场我们可以通过调配泥浆的粒径分布,减少黏粒含量,增大砂粒含量以此来减小液限从而提升泥浆固化效率。其次在现场同样可以向泥浆中加入高岭土来提高泥浆土的固化强度,我国高岭土资源丰富,利用高岭土提高固化强度存在可行性。同时,诸如高岭土尾矿的一些高岭土基废弃物长期废置,不仅占用土地还会污染生态,这些高岭土基废弃物与高岭土性质非常相似,可以代替高岭土来处理废弃泥浆土,这样既提高了泥浆土的固化效率,也实现了高岭土基废弃物的资源化利用,实现“以废制废”的绿色环保理念。最后当工程现场难以调配土体的液限或者高岭土资源难以获取或成本较高,可以掺入SAP来弥补固化强度效率随着液限增大产生的损失,从而降低工程造价。

4 结论

(1)在固化剂掺量相同的条件下,工程泥浆的液限越大,固化强度越低。随着液限的升高,其对强度衰减的影响越明显。同时龄期越长,液限对于强度的影响更加剧烈。

(2)高岭土的掺入使得泥浆土的液限增大,但其强度并未随着液限的增大而降低,其原因为高岭土的掺入显著提高了水化产物掺量,此时固化泥浆土的强度提升主要受水化产物胶结作用的影响,而孔隙比对强度的影响次之。同时,龄期对于高岭土掺入对强度的影响效果也很明显,在同一高岭土掺量下,固化泥浆土强度随龄期增大而增大。

(3)SAP的掺入使得固化泥浆土的强度大大提高,这是因为吸水膨胀的SAP填充了土体孔隙,使得土体微观结构更加密实。随着液限的增大,SAP掺量对于强度增强的效果逐渐削弱,这是由于SAP吸水后填充孔隙的效率随着液限的增大而逐渐减小,从而引起SAP对固化效率提升作用随着液限增大而降低。

(4)基于本文研究可以发现实际工程中可以通过调配工程泥浆土液限、掺入高岭土系尾矿以及加入SAP等方式而提升固化效率,达到降低工程造价的目的。

Acknowledgements:

This study was supported by National Natural Science Foundation of China (No.52178328),and State Key Laboratory for Geomechanics and Deep Underground Engineering,China University of Mining and Technology (No.SKLGDUEK2114).