水泥改性強膨脹土理化試驗研究

趙春吉，趙紅華＊，常 艷，龔壁衛

（1.大連理工大學 運載工程與力學學部 工程力學系，遼寧 大連 116024；2.長江科學院 水利部巖土力學與工程重點實驗室，湖北 武漢 430010）

0 引 言

膨脹土是一種含有較多黏土礦物的特殊土，其中的黏土礦物主要由親水性礦物蒙脫石組成，具有吸水量大、塑性強、快速崩解，以及劇烈的膨脹與收縮等特性，同時又具備固結狀態較好、壓縮性較小的特點.膨脹土的這種工程特性，對在膨脹土地區建設的路基、地基、邊坡、輕型房屋等工程結構造成的危害往往具有長期潛在性、突發性、反復出現性的特點［1］，造成巨大的經濟損失.膨脹土在世界各地分布十分廣泛，在我國的一些省區也都普遍發現了膨脹土的存在.因此，膨脹土是巖土工程師比較關心的一個工程問題.

針對膨脹土的上述工程特性，目前主要采用通過在膨脹土中摻入水泥、石灰和化學試劑等不同的改性材料，使其與原膨脹土發生物理化學反應進而從根本上改變原來土的性質，成為合格的改良土，以滿足工程設計中降低膨脹土膨脹潛勢，消除膨脹土對工程建筑物危害的要求［2－3］.許多研究［4－6］表明，隨著水泥摻量增加，固化膨脹土強度有一定增加，但當水泥摻量超過一定值時，穩定土的裂縫將顯著增加，收縮性能變差.一般認為水泥改性土體性能的提高主要是由于土 －水泥之間的反應［7］.主要包括4個不同的過程：離子交換、絮凝和團聚、膠結水化、硬凝反應［8］.Peethamparan等通過XRD、TGA 和SEM 等試驗手段對水泥窯粉塵加固的鈉基蒙脫土進行了一系列試驗工作，試驗結果表明成塊黏土的微觀結構經歷了較大的變化［9］.Horpibulsuk等對水泥加固粉質黏土在7d養護期內的微觀結構進行了定性和定量的分析研究［10］，發現水泥加固主要通過增加土顆粒團體之間的粘結和減少孔隙進而改善了土的結構而實現.Lemaire等研究了石灰和水泥改良塑性粉土微觀結構的效果，在添加水泥處理28d后可以觀察到有一層凝膠物質覆蓋在成團的土體上面［11］.目前關于水泥改性膨脹土改性機理的研究工作比較局限，仍需要開展相關的研究工作.本文主要通過摻入膨脹土干質量12% 的水泥對河北邯鄲地區的強膨脹土進行改良，研究強膨脹土改性前后膨脹率、礦物成分、微觀結構、陽離子交換量的變化，探討水泥改性強膨脹土的機理，為強膨脹土地區水泥改性的設計施工提供科學而有價值的依據.

1 強膨脹土的基本物理性質

強膨脹土選取自南水北調工程經過的河北邯鄲地區，采用大連市泡崖四區水泥廠的普通硅酸鹽水泥對強膨脹土進行改性.強膨脹土從現場運到實驗室后，經過風干、碾碎處理，過0.5mm 篩，按照土工試驗標準，進行了基本物理性質試驗.強膨脹土的基本物理性質如表1所示.

與常見黏土相比，邯鄲強膨脹土具有最優含水量較高、最大干密度較低的特點.養護28d后，水泥改性邯鄲強膨脹土的液限為62.6%，塑性指數為39.2%，可以看到改性土的塑性指數明顯小于素土，改性土膨脹性降低［7］；同時，改性土自由膨脹率降為38%，其值也明顯小于素土.

表1 邯鄲強膨脹土的基本物理性質Tab.1 The basic physical properties of Handan highly expansive soil

2 水泥改性邯鄲強膨脹土的膨脹率試驗

為了研究摻加水泥對控制強膨脹土脹縮性改性的有效性，對邯鄲強膨脹土的水泥改性土進行了自由膨脹率試驗和一維無荷膨脹率試驗.其中自由膨脹率試驗所用的水泥改性膨脹土料（下文所提水泥改性土均采取此定義）為風干并過0.5 mm 篩的天然土在35.7%的最優含水量下拌膨脹土干質量12%的水泥，經環刀擊實制成環刀樣，控制試樣的密度為擊實試驗得到的最大干密度1.28g／cm3，然后用塑料膜包裹好，并在溫度為24 ℃和濕度為90%條件下進行養護；一定齡期的養護后將環刀樣取出快速風干，人工碾碎并過0.5mm 篩后進行試驗.一維無荷膨脹率試驗所用試樣為經一定齡期養護的上述環刀樣.

2.1 水泥改性邯鄲強膨脹土的自由膨脹率試驗

本試驗依據土工試驗規程（SL 237－024—1999）關于自由膨脹率試驗的規定進行，每個養護齡期的試樣分別進行2次平行測定，在允許誤差范圍內，取其算術平均值.強膨脹土及其水泥改性土不同齡期的自由膨脹率見表2.由表2可知：邯鄲強膨脹土在剛摻水泥后自由膨脹率為98%，低于素土的自由膨脹率118%，并且隨著養護齡期的變化，自由膨脹率逐漸降低，在7d養護齡期后降為46%，屬于弱膨脹土的范疇，不再具有明顯的膨脹性；在28d養護齡期后降為38%，之后趨于穩定.

表2 不同養護齡期下水泥改性邯鄲強膨脹土的自由膨脹率Tab.2 Free swelling ratio of cement－treated Handan highly expansive soil at different curing time

2.2 水泥改性邯鄲強膨脹土的一維無荷膨脹率試驗

依據土工試驗規程（SL 237－024—1999），計算不同養護齡期試樣的體膨脹率，并對每個養護齡期的試樣分別進行2次平行測定，在允許誤差范圍內，取其算術平均值.試驗強膨脹土和摻加水泥后的改性土在不同齡期的無荷膨脹率試驗數據如表3所示.從表3中可以看出，強膨脹土素土的無荷膨脹率達到5.345%，經過水泥改性后，在很短時間內下降為2.470%，在24h的養護齡期后，降為0.100%，已經不再表現出明顯的膨脹性.在養護7d后，無荷膨脹率為0.055%，之后隨齡期變化很小，已基本不再具備膨脹性.

表3 不同養護齡期下水泥改性邯鄲強膨脹土的無荷膨脹率Tab.3 Non－load swelling ratio of cementtreated Handan highly expansive soil at different curing time

3 邯鄲強膨脹土水泥改性前后礦物成分分析

為研究膨脹土水泥改性前后礦物成分的變化，進行了XRD分析，圖1給出了強膨脹土素土和摻加水泥后的改性土在不同齡期的XRD 圖譜.

圖1 強膨脹土素土及其水泥改性土的XRD圖譜Fig.1 XRD diagram of highly expansive soil and cement－treated soil

由圖1可知，強膨脹土原樣的XRD 分析結果表明主要的黏土礦物是蒙脫土、高嶺土、伊利土、石英、長石和綠泥石；次要的黏土礦物是輝石和鈣鐵榴石［12］.摻加水泥處理以后，在不同的養護時間取樣，參考相關文獻中的分析方法［13－16］進行XRD 分析.在混合水泥馬上擊實后，有新的硅酸鈣水化物（C－S－H）峰出現，峰值出現的2θ角分別為29.36°、32.18°、32.52°、41.23°、47.60°、56.52°，以及新的鋁酸鈣水化物（C－A－S－H）峰出現，峰值出現的2θ角分別為50.70°、51.72°.隨著養護時間的增加，水化反應的進行，C－A－S－H 和C－S－H 在黏土中的含量逐漸增加，X 射線衍射強度增強，黏土礦物的衍射強度降低.

4 強膨脹土和水泥改性土的SEM 分析

膨脹土基本物理力學性質的改變本質上是其內部微觀結構變化的反映，是由各種復雜的物理化學作用所致.本文采用掃描電鏡對膨脹土水泥改性前后的微觀形貌進行了試驗研究，分析了其內部微觀結構的變化.由于水泥改性膨脹土是一個長期作用的過程，本文選擇一個較長的養護時間周期（180d），并對同一個試樣在不同養護齡期取樣，進行了相關的試驗工作，試驗結果較好地反映了水泥改性土的微觀結構隨齡期的變化情況.強膨脹土素土和水泥改性土在不同養護齡期的SEM 圖如圖2～5所示.

圖2 在最優含水量下擊實的邯鄲強膨脹土的SEM 圖像Fig.2 SEM image of Handan highly expansive soil compacted at the optimal water content

圖3 邯鄲強膨脹土摻加水泥擊實后馬上采樣的SEM 圖像Fig.3 SEM image of compacted Handan highly expansive soil immediately adding cement

圖2是邯鄲強膨脹土水泥改性前的SEM 圖像.從圖中可以看出邯鄲強膨脹土具有較薄的片狀的內部結構，具有較大的表面積，顆粒非常分散.這與典型的膨脹性黏土礦物蒙托土的內部微觀結構是一致的，也說明了邯鄲強膨脹土中含有大量的蒙脫土礦物.圖3是摻加水泥后立刻擊實的SEM 圖像（從摻加水泥到取樣少于30 min）.可以看出，在混合水泥擊實之后黏土的微觀結構形貌已經有了很大的變化.那些薄的片狀的表面結構受到破壞，幾乎已經消失了，可以看到相對比較厚的黏土顆粒，水泥水化后生成了一些團簇狀的顆粒，一些細小顆粒附著在黏土顆粒表面（可能是未水化的水泥），這表明水泥對黏土顆粒具有非常大的侵蝕作用.這個侵蝕作用是由于水泥水化，產生大量的Ca2＋和OH－，提供了一個具有較高pH 的環境，從而破壞了黏土中的硅酸鹽類礦物，繼而破壞了黏土的微觀形貌.水泥水化產生的SiO2－3和Ca2＋相結合生成了C－S－H 產物，另外水泥水化產生的Ca2＋和黏土中硅酸鹽類礦物溶解產生的SiO2－3相結合也生成了C－S－H 產物.這類產物就是在圖3中所觀察到的團簇狀的顆粒.較高的Ca2＋濃度和pH 環境也導致黏土顆粒凝聚、成團、結塊.在養護7d之后，如圖4（a）所示，形成了凝膠性的物質包覆在黏土礦物的表面，并把分散的黏土礦物粘結起來，形成一種像固態膠體的結構形式，原來的黏土礦物結構已經不可見.這種水化膜狀產物在有關研究者對水泥水化過程的研究中也已經被觀察到［17－18］.在養護28d后，如圖4（b）所示，可以看到仍然有受到水泥初步侵蝕作用的黏土礦物存在，顆粒相互粘結在一起，尺寸較大，出現凝聚現象.在養護90d后，如圖4（c）所示，可以看到在片狀結構周圍有較密集的針狀結構產生，這是硅酸鈣水化凝膠的一種晶體形式.水泥水化產物的形貌與熟料的活性，水化時溶液中離子的過飽和度對晶體成核和水化齡期的影響很大，所以其形貌也較復雜，有纖維狀、粗短的針棒狀、不規則團簇顆粒狀、網絡狀、縐片狀及放射狀等［19］.在水泥摻加到強膨脹土的養護后期觀察到了這些產物的形貌.在養護180d后，從圖4（d）中，很明顯地能夠觀察到細長纖維狀、不規則顆粒狀及放射狀的C－S－H 凝膠晶體，說明在養護齡期180d后已有大量的C－S－H 生成，并且具有一定的結晶形式.圖5是水泥改性邯鄲膨脹土在養護齡期180d時局部放大的SEM 圖像.從圖中可以看出，有清晰纖維狀和箔片狀的水化C－S－H 凝膠晶體，也有片狀結構的C－A－S－H 晶體.也可以看到有凝膠狀的無定形物質，說明水泥水化是一個長時期進行的過程.

以上說明強膨脹土在摻加水泥后，隨著齡期的變化，其黏土外層原來的結構被逐漸摧毀了.水泥水化反應產生的C－S－H 和C－A－S－H 凝膠初期先附著在顆粒表面，具有較強的膠結力，隨著反應產物增多，凝膠固態化，包覆黏土顆粒并且把黏土顆粒粘結在一起，這樣提高了水泥改性強膨脹土的初期強度并抑制了膨脹；接著在經過水泥水化的加速期和衰減期后，有較多的晶體形式的水泥水化產物生成.這一階段，晶體長大，填充了黏土中的孔隙，使土體變得更加致密，水泥改性強膨脹土的強度進一步提高.而且本研究表明水泥摻加到膨脹土中后，水泥水化是一個長期的過程.水泥自身的水化是一個較快的過程，但是水泥水化后生成的Ca2＋和黏土中溶解的硅酸鹽所進行的水化反應是一個長期的過程，因為黏土顆粒被初始反應產物包裹，游離的Ca2＋只有通過擴散等作用才能和黏土中溶解的硅酸鹽進行結合.早期的研究文獻中也已經提及到這一點［20］.

5 強膨脹土水泥改性前后的陽離子交換量測定試驗

由于膨脹土含有較多的強親水性黏土礦物，其改性的關鍵在于改變土中黏土礦物的親水性，即通過離子交換作用，打破作用于膨脹土顆粒表面的吸附水靜電力，吸附水變成自由水，膨脹土顆粒與水分子結合力減弱，從而容易被排出，這樣就從根本上改變了膨脹土濕脹干縮的特性.離子交換的主要來源在于存在大量的同構置換作用，即陽離子取代了黏土礦物結構中的Si和Al，黏土顆粒表面具有負電性，為了平衡負電性，吸附有大量的陽離子.對于具有恒定表面電荷的情況，電解液濃度的增加減小了黏土顆粒表面勢能和表面勢能的衰減，這也是黏土膨脹勢降低的一個原因.孔隙溶液中能夠抑制雙電子層或者減少顆粒表面離子吸附水能力的任何變化都能減少膨脹和膨脹壓力［12］.

另外，黏土的膨脹性能與陽離子交換能力（CEC）密切相關.膨脹量隨CEC 的增加而增加［21］.Al－Rawas等也報道了陽離子是控制土的膨脹特性的主要因素［22］.不同黏土礦物間一個最基本的區別是在黏土礦物表面存在的可交換陽離子和這些陽離子所中和的黏土礦物晶格中多余的負電荷.離子交換性能是研究黏土性質的一個重要方面.在給定溫度、壓力、土壤溶液成分和土壤溶液質量比的條件下，陽離子交換能力指在單位質量土壤中釋放陽離子化合價的總物質的量［23］.

土壤中隨時可交換的陽離子僅是單價或二價的陽離子，然而Na＋也可以被三價陽離子置換出來.陽離子的交換或替換取決于許多因素，其中化合價是最重要的影響因素.帶有較高價電荷的陽離子能容易地取代帶有低價電荷的陽離子.化合價相近的陽離子的置換能力為Li＋＜Na＋＜H＋＜K＋＜NH＋4＜Mg2＋＜Ca2＋＜Al3＋.

對于強膨脹土，為了研究摻加水泥改性前后陽離子交換量的變化，以邯鄲強膨脹土為例進行了一系列的化學分析，依據土工試驗規程（SL 237－068—1999），對邯鄲強膨脹土水泥改性前后的試樣進行了不同陽離子交換量的測定分析.當試樣達到一定的養護齡期時，從養護的試樣中取代表性的土樣，風干、碾碎，并過0.15 mm 篩，然后取2g左右土樣放入離心管中，加入80mL 氯化鋇緩沖液，搖晃后放置過夜，對試樣進行離心萃取，并棄去上部清液，加純水80mL，再次進行離心萃取，棄去離心液，然后加入40 mL 0.025 mol／L硫酸鎂溶液離心，滴定測定陽離子交換量.圖6總結了邯鄲強膨脹土原樣和水泥改性邯鄲強膨脹土在不同齡期陽離子交換總量的變化.

圖6 水泥改性邯鄲強膨脹土陽離子交換總量隨齡期的變化Fig.6 Cation exchange capacity of cement－treated Handan highly expansive soil at different curing time

由圖6可知，邯鄲強膨脹土素土陽離子交換總量為40.5cmol／mg，在剛摻加水泥時為46.3 cmol／mg，4h 后增加到61.2cmol／mg，之后到1d齡期時下降至54.3cmol／mg，說明水泥水解主要發生在4h內，釋放出大量的Ca2＋，陽離子含量增加，之后到1d期間水化速率慢慢降低.初期的陽離子交換量的增加主要是由水泥的水解造成的，這個增加并不意味著膨脹勢的增加；后期陽離子交換量的減少主要是由硅酸鈣和鋁酸鈣凝膠的生成以及水泥水化產物的硬化等導致土中可交換陽離子和游離狀態的Ca2＋含量減少造成的.因此采用陽離子交換量來評價水泥改性膨脹土膨脹性能的變化從本文的試驗結果來看是不可行的.

6 結 論

（1）強膨脹土摻加水泥后，自由膨脹率降低，隨著養護齡期的增加，自由膨脹率逐漸降低最后趨于穩定，膨脹性明顯減弱；強膨脹土摻水泥后，一維無荷膨脹率在24h后降至0.1%，之后隨齡期變化很小，已基本不再具備膨脹性.

（2）強膨脹土摻加水泥擊實后立刻測定的XRD 圖譜中有代表C－A－S－H 和C－S－H 礦物的新的峰出現；隨著齡期的增加，C－A－S－H 和C－S－H的X－射線衍射強度增強，在黏土中的含量逐漸增加，而黏土礦物的衍射強度則降低，水泥改性強膨脹土的膨脹性降低.

（3）邯鄲強膨脹土在摻加水泥改性處理后，微觀結構形貌的變化最為顯著.初始黏土顆粒表層結構被破壞，然后水泥水化形成的凝膠物質（C－S－H和C－A－S－H 凝膠）包裹住黏土顆粒，并將分散的黏土顆粒連接起來，形成了水泥改性強膨脹土的初期強度.隨著齡期的增加，水泥的水化反應進一步深化，生成多種結晶形式的硬凝產物.水泥水化產物形成的晶體填充了原來土體之間的孔隙，土體變得更加致密，強度進一步提高，這形成了強膨脹土摻加水泥改性的后期強度.兩種粘結在提高膨脹土的強度方面起著重要的作用：一種是水泥自身水化之間的較強的粘結作用，另一種則是水泥水化和黏土顆粒之間的粘結.

（4）強膨脹土摻加水泥后，陽離子交換總量在4h時達到最大，之后開始隨齡期增加而減少，說明水泥的水解反應在4h進行得最快，大部分完成.隨齡期增加會形成固態的水化硅酸鈣、鋁酸鈣凝膠，因而導致陽離子交換總量的減少.陽離子交換總量不能用來評價水泥改性后膨脹土的膨脹性能.

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