基于壓汞法的改良土滲透特性研究

曲兆昆+王華敬+尋萬福+劉福勝+卞漢兵

摘要：為探討改良劑（水泥、固化劑）對土壤滲透性及微觀孔隙分布的影響機理，以平原水庫粉質黏土為研究對象，采用滲透試驗和壓汞試驗，對改良土的滲透系數及微觀孔隙進行研究。結果表明：固化劑使孔隙體積變小，降低改良土的滲透系數，但并非呈線性減小關系；當摻量為2%時，水泥和固化劑之間產生較大的抑制作用。固化劑速凝，可明顯縮短施工周期，為工程搶修提供新的發展方向。水泥對改良土滲透性影響最大，隨著水泥摻量增加，土體內部由大孔隙向小孔隙過渡。當齡期超過7 d，土體滲透性降幅較大，大孔、中孔含量減少，微孔、極微孔逐漸增多；該研究建立了滲透系數與大孔、中大孔孔隙率的函數關系，為改良土作為防滲材料的穩定性分析提供理論依據。

關鍵詞：滲透試驗；壓汞試驗；離子固化劑；孔隙分布；速凝；量化

中圖分類號：TU42文獻標識碼：A文章編號：

16721683（2017）06017207

Abstract：

In order to study the effect of the modifier （cement and curing agent） on the soil permeability and micropore distribution，we studied the permeability of the modified soil and the micropores using the permeability test and the mercury intrusion test，with the silty clay in plain reservoirs as the research objectThe results showed that the curing agent reduced the pore volume and the permeability coefficient of the modified soil，but the decline was not linearWhen the content was 2%，there was an obvious inhibitory effect between the cement and the curing agentThe fast hardening of the curing agent could significantly shorten the construction periodThis points out a new direction for engineering repairIn addition，the cement had the greatest influence on the permeability of modified soilWith the increase of cement content，the large pores within the soil would transition to small poresAfter 7 days，the soil permeability declined sharply，the amount of large and intermediate pores decreased，and the micropores and ultramicropores increasedThis study has established a functional relationship between the permeability coefficient and the porosity of large pores and mediumlarge pores，and can provide a theoretical basis for the stability analysis of the modified soil as impervious material

Key words：

permeability test；mercury intrusion test；ion curing agent；pore distribution；fast hardening；quantify

平原水庫作為一種調控水資源的有效方式，近年來建設力度逐漸加大。滲透性作為工程風險檢測的重要指標之一，對平原水庫安全經濟地運行起著至關重要的作用。而平原水庫地區多屬于第四系沖積地層，一般為砂黏土，筑壩土料條件較差，滲透系數在105～104 cms范圍之間，滲透性較強，在水流作用下易對壩體產生滲漏侵蝕，甚至引發潰壩坍塌等事故，嚴重威脅水庫周邊人民的生命財產安全。同時，壩體滲漏會造成水庫周圍土壤沼澤化、鹽漬化等現象，給生態環境遭到破壞埋下隱患。為了解決土壤滲透問題，國內外學者已進行了初步探索，大多通過外添改性材料的方法，提高土壤的抗滲性。

沈珠江[1]院士提出土體結構性是21世紀土力學的核心問題，而研究發現，滲透性不僅受土質物理特性、外加劑、溫度、齡期等因素的影響，與其它力學性能之間也密切相關[29]。隨著機械科學的進步，學者們開始嘗試從微觀孔隙角度解釋宏觀的滲透特性，針對土壤滲透的微觀作用機制，也分別提出了不同的理論模型假設，并通過計算機模擬、理論推導、技術手段（GIS、SEM、CT、MIP及XRD衍射）等，分析水分在土壤中的運移情況，驗證假設模型的可行性，并提取改良土體的微觀結構特征，研究影響土體滲透的主要孔徑范圍，探討改良劑對土體孔徑變化的影響規律，在微觀與宏觀之間建立關系[1021]。

壓汞法作為材料孔隙特征分析的常用方法之一，因能夠精確地量化材料內部孔隙形態、測徑范圍寬等優點，而得以廣泛應用。王升福等[22]通過壓汞法對軟黏土壓縮、凍融前后孔徑變化進行試驗研究，揭示了壓縮及凍融對土體孔體積和孔表面積影響的微觀機制。張濤等[23]借助壓汞試驗，探討了木質素對改良粉土的微觀孔隙變化的影響規律。目前，利用壓汞法分析土壤微觀孔隙結構的研究頗多，但對改良土的微觀研究還處于初步探索階段。市面上的外加劑種類中，固化劑是土力學領域研究的熱點，但因其種類繁多，和水泥土之間的反應機理較復雜，對滲透影響的定量研究還甚少。本文通過添加改良劑，達到減小內部孔隙、提高平原水庫壩體土質抗滲性的目的，使土壤的滲透系數控制在106 cms量級及以下，為平原水庫的安全運行提供理論保障；并借助壓汞試驗，從微觀層面上分析該類離子固化劑對土壤滲透性的影響規律。endprint

1試驗方法

11試驗材料

試驗用土為平原水庫粉質黏土，根據課題組前期試驗成果發現，干密度對改良土的滲透性影響非常小，可忽略不計。本[HJ]文在進行試驗時，將干密度默認控制為172 gcm3。壓實度983%，含水率18%，塑性指數（IP）129。固化劑為離子固化劑，主要成分為納米級的鋁離子溶液。高濃度的固化劑溶液比較穩定，不會受到周圍環境的影響而變質。水泥為普通的硅酸鹽水泥。

按照《土工試驗規程（SL 237-1999）》要求，對土樣進行基本的物理參數試驗，試驗結果見表1，其擊實試驗曲線見圖1。

12試驗設計

該試驗涉及到固化劑、水泥和齡期三種因素，為研究各種因素對改良土的滲透性影響，故設計10組不同配比的土樣進行滲透和壓汞試驗，對改良土進行微觀定量分析，力圖從微觀角度闡明各因素對改良土壤滲透性能的影響機理。由于設計的試驗較多，且前期試驗中，各因素純粹作為單因素，其余因素完全不考慮時，改良土的滲透結果不佳（其中涉及到水泥與固化劑在不同齡期階段的結合反應）。故考慮其他因素的基礎上，進行試驗設計。為方便起見，每組試驗配比采用簡單的代號表示，如C13+Al4+T7表示水泥摻量為13%，以Al3+為主要成分的固化材料摻量為4%，養護齡期為7 d。

13試驗方法

將試驗用土盛放于托盤，在105 ℃烘箱中放置8 h，土壤充分干燥后，經碎土器破碎或碾散，過5 mm細篩，按照不同配比，制備用于滲透試驗與壓汞試驗的兩組土樣（每組3個）。其中，重塑土制樣時，注意先用玻璃棒將水與土拌和勻實，放入塑料袋中密封靜置24 h后再制備土樣。由于水泥和固化劑遇水立即發生反應，故改良土制樣時，拌勻即制備土樣。將土樣置于標準養護室養護至規定齡期后，采用室內變水頭法測定土樣的滲透系數，壓汞法測定土樣微觀形態。滲透儀為南京儀器廠生產的“南55”變水頭滲透儀，壓汞儀為全自動孔徑分析儀PorosityMaster33系列，分為低壓注汞和高壓注汞兩個過程，可測量壓強范圍為：0783 PSI33000 PSI，測量孔徑0005～1 080 μm，可充分反映土體內部的孔隙分布情況。

[BT2-4]2試驗結果分析

21改良土的試驗結果分析

固化劑、水泥與齡期皆作為相對單因素變量單獨進行試驗設計與結果分析，10組不同配比土樣的滲透系數見表2。水泥摻量為13%，7 d齡期時，不同固化劑摻量的滲透曲線和壓汞曲線見圖2。固化劑摻量為2%，7 d齡期時，不同水泥摻量的滲透曲線和壓汞曲線見圖3。水泥摻量為13%，固化劑摻量為4%時，不同齡期的滲透曲線和壓汞曲線見圖4。土壤內部的孔隙分布情況見表3、圖5。

22不同固化劑摻量的試驗結果比較

圖2表示固化劑摻量為0、1%、2%和4%時的試驗曲線，由圖2（a）可知，改良土的滲透系數隨固化劑摻量的增加呈先增大后減小趨勢。當固化劑摻量在0～1%范圍時，改良土壤的滲透系數隨著固化劑摻量的增加而增大。當固化劑摻量在1%～2%范圍時，能顯著降低改良土的滲透系數；當固化劑的摻量為2%～4%時，隨固化劑摻量的增加，改良土滲透系數降幅較緩。原因為：固化劑中的負離子與土壤顆粒表面的正離子發生中和反應，造成土壤顆粒表面的離子缺位，破壞了土壤顆粒表面的雙電層結構。顆粒缺位區域粒子顯中性，在土壤表面迅速板化，顆粒由親水過渡到泌水狀態，結構趨于穩定。與此同時，Al3+與土壤表面的正離子（K+、Na+）迅速發生交換反應，破壞了土壤顆粒表面的吸附水膜，削弱了土壤顆粒的吸水能力。沒有水膜隔閡的顆粒之間斥力減弱，相互吸引銜接，形成所謂的“抱團”現象。

進汞曲線反映改良土的內部孔隙體積變化，由圖2（b）可知，固化劑摻量為2%的進汞曲線位于摻量為0%、1%、4%的進汞曲線的下面，說明其改良土內部孔隙體積最小。對比發現，1%和4%固化劑摻量的進汞曲線都位于0%固化劑摻量的進汞曲線上面，表明1%和4%摻量未能減小改良土內部孔隙。原因為：當1%摻量，固化劑摻量較少，固化劑速凝，顆粒間大孔、中孔增加，滲透系數增大；當2%摻量時，大孔、中孔含量減少，微孔、極微孔明顯增多，滲透系數大幅度降低。表明固化劑受到水泥水化的抑制力，沒有繼續發生固化。當4%摻量時，大孔和中孔相對增多，但之前產生膠結物質堵塞了部分大孔隙，盡管大孔、中孔含量增多，其并非皆為連通孔隙，故滲透系數不升反降。孔徑分布曲線反映的是孔隙空間體積的變化幅度[24]。由圖2（c）可知，配比C13+Al1+T7和C13+Al2+T7的改良土孔徑呈單峰分布，孔徑的主分布區間分別為01～5 μm、003～01 μm，而配比C13+Al0+T7和C13+Al4+T7的改良土孔徑分布曲線峰型不明顯，但呈出清晰的孔隙變化趨勢。

綜合滲透系數和孔隙變化特征，對比其他摻量，發現2%摻量的固化劑對有效地改良土內部孔隙，降低滲透系數的效果最顯著。

23不同水泥摻量的試驗結果比較

圖3表示水泥摻量為7%、9%和13%時的試驗曲線，由圖3（a）可知，隨著水泥摻量的增加，改良土滲透系數呈非線性減小趨勢。相對素土而言，滲透系數減少一個數量級。當水泥摻量在7%～9%范圍時，滲透系數降幅較大，減少率為115%；當水泥摻量在9%～13%范圍時，滲透系數降幅較小，減少率為9%。原因為：（1）水泥中的C3A和C3S和土中水發生水解反應，生成水化硅酸鈣（CSH凝膠）、氫氧化鈣（Ca（OH）2）、和水化鋁酸鈣（3CaO·Al2O3·6H2O）等微顆粒膠凝物質。膠凝物質堵塞部分連通孔隙，滲透路徑極大地減少。（2）土壤礦物表面吸附的K+和Na+和游離的Ca2+、Al3+離子產生交換作用，土壤顆粒初步團粒化，土壤顆粒收縮脫掉土壤中的水分子，土體結構更加密實。

由圖3（b）可知，水泥摻量越多，進汞曲線位置越低，說明水泥能改變土體的孔隙形態，其摻量越多，孔隙體積越小。由圖3（c）可知，配比為C7+Al2+T7的改良土呈單峰分布，孔徑主要分布在5～10 μm區間內。配比為C9+Al2+T7改良土孔徑分布曲線峰型不明顯，孔徑主要分布在03～3 μm。配比為C13+Al2+T7改良土孔徑的主分布區間為005～03 μm。從圖3（c）可知，水泥摻量增多，孔隙入口直徑相應減小，孔徑分布曲線存在由大孔徑向小孔徑過渡趨勢。endprint

24不同齡期的試驗結果比較

圖4表示齡期為3 d、7 d和28 d時的試驗曲線，由圖4（a）可知，改良土的滲透系數隨著齡期的延長整體呈降低趨勢。7 d齡期之前的改良土滲透系數降幅較小，7 d以后改良土滲透系數降幅較大，但仍維持在同一數量級之間。原因為：（1）短時間內，固化劑速凝，使內部孔隙體積變大，抑制了水泥水化。（2）隨著齡期的增長，水泥水化產物鋁酸鈣和土壤溶液中的硫酸根離子進一步結合，消耗一部分水分子，生成鈣礬石（AFt）晶體。另外顆粒表層碳化產生的CaCO3物質，也會對水流產生一定的阻滯作用。

由圖4（b）可知，相比于3 d、7 d齡期的進汞曲線，28 d齡期的進汞曲線位于最下面，說明隨著齡期的增長，孔隙體積逐漸減小。而3 d與7 d齡期的進汞曲線存在部分交集，說明3 d到7 d期間，土體內部反應比較劇烈，孔隙轉化相對集中。表明只要齡期得當，便可達到減小孔隙體積的目的。由圖4（c）可知，不同齡期的改良土孔徑分布曲線整體上呈雙峰分布，28 d齡期的最大分布孔徑明顯小于3 d、7 d的最大分布孔徑。表明隨著齡期的增長，改良土內部不斷地進行物理化學反應，生成物不斷地堵塞孔隙，孔隙體積逐漸減小，結構趨于密實，滲透系數呈現出降低趨勢。

25孔隙分布情況

國內外學者對土壤內部孔隙的劃分有不同標準。Shear[25]在以往學者的研究基礎上，從土壤顆粒、團粒層面對土壤孔隙進行微觀劃分；張平[26]根據不同的干燥方法，對重塑膨潤土孔隙進行劃分。本文在試驗的基礎上，結合土質特點以及實測的孔隙分布規律，將改良粉質黏土微觀孔隙劃分為：極微孔隙、微孔隙、小孔、中小孔、中大孔、大孔六類。其中直徑小于50 nm的孔隙為極微孔隙，主要為顆粒內孔隙；直徑為50～300 nm的孔隙為微孔隙，主要為顆粒間孔隙；直徑為300～3 000 nm的孔隙為小孔隙，主要為團粒內和顆粒間孔隙；直徑為3 000～6 000 nm的孔隙為中小孔隙，大部分為團粒內孔隙，但是存在少許顆粒間孔隙；直徑為6 000～10 000 nm的孔隙為中大孔隙，主要為團粒內孔隙；直徑大于10 000 nm的孔隙為大孔隙，主要為團粒間孔隙。

根據上述的孔隙劃分標準，利用壓汞試驗數據，可分別計算出每組改良土的孔隙分布情況。圖5為不同類型孔隙的相對含量柱狀圖，表3為每組土樣不同孔隙的孔隙率情況。

短時間內，水泥與固化劑皆可改變土體內部孔隙結構。由圖5（a）可知，當固化劑摻量分別為1%與4%時，水泥和固化劑與土中水、土顆粒之間的結合較快。土體內部的大中孔隙占比皆高于未摻固化劑時的占比，說明此時固化劑與水泥的抑制作用較小；當固化劑摻量為2%時，改良土體內部的大中孔隙占比最少，而此時固化劑與水泥之間的相互抑制作用較大，能有效減緩對方水化的速度，防止“抱團”現象，從而固化劑和土壤生成的膠結物質不斷填充于孔隙之間，顆粒間孔隙減少，微孔和極微孔含量增多，占孔體積的60%左右。由圖5（b）可知，水泥摻量從7%增加到9%時，大孔、小孔數量增多，中孔數量減少（小孔隙增幅最大，為323%），對于微孔和極微孔影響甚小。當摻量為13%時，土體內部大、中、小孔數量皆存在不同幅度的減小（小孔隙減幅最大，為343%），極微孔和微孔明顯增多。由圖5（c）可知，在一定的配比下，7 d齡期之前，對團粒內和顆粒間孔隙影響較大，滲透系數減幅較小；7 d齡期之后，對大、中孔隙影響較顯著，滲透系數減幅較大。由圖5（d）可知，配比C13+Al4+T7的大孔、中孔含量多于配比C9+Al2+T7，而配比C13+Al2+T7的大孔、中孔含量少于配比C9+Al2+T7，表明2%摻量的固化劑與13%摻量的水泥之間相互抑制作用尤為顯著，使土體的大孔、中孔急劇減少，短時間內提高土體抗滲性，對于工程的搶險保修提供了保障。

由圖5（a）可知，當固化劑為1%時，土體內大孔、中孔的含量明顯增多，滲透系數增大；由圖5（b）與圖5（c）可知，水泥的增加和齡期的延長使大孔、中孔的含量降低，滲透系數減小，與有關學者得出的大、中孔隙對滲透系數有決定意義結論相吻合[27]。在本文中，改良土的滲透系數與大孔、中大孔孔隙率的相關性較高，通過多元非線性回歸（符合t檢驗與F檢驗）分析，建立了滲透系數與孔隙間的函數關系：

k=1129-440m-1191n-1979mn+2361m2+1156n2（1）

式中：k為滲透系數（e6 cms）；m為中大孔孔隙率（%）；n為大孔孔隙率（%）。

3結論

以平原水庫粉質黏土為研究對象，采用室內滲透、壓汞試驗方法，對改良后粉質黏土的滲透系數與微觀孔隙分布規律進行了研究，得到以下結論。

（1）借助壓汞試驗，從微觀上解釋了改良土滲透機理，實現了微觀和宏觀的有機結合。分析發現，水泥、固化劑和齡期等因素使天然密度下土壤的滲透系數降低一個數量級，使極微孔隙、微孔隙數量增多，大、中孔隙數量減少，滿足防滲要求。

（2）固化劑摻量對滲透系數量級影響幅度較小，使改良土在較小范圍內浮動。固化劑和水泥之間存在相互抑制作用，當固化劑摻量2%、水泥摻量13%時，抑制作用最大。此時改良土內部大、中大孔隙數量較少，結構較密實。該類離子固化劑的速凝作用，具有實際工程意義。

（3）水泥摻量對土壤滲透性及小孔隙含量的影響較大，摻量越多，土壤滲透系數越小；當摻量為9%時，滲透系數顯著減小。

（4）齡期7 d后，改良土內部反應開始趨緩。根據實際工程，建議將改良土養護7天以上。

（5）根據滲透系數與大孔、中大孔孔隙率之間的函數關系，由土體滲透系數的變化可反映內部孔隙形態的演變，為實際工程的滲流安全性評價提供了一定的理論支持。

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[22]王升福，楊平，劉貫榮， 等人工凍融軟黏土微觀孔隙變化及分形特性分析[J]巖土工程學報，2016，38（7）：12541261（WANG S F，YANG P，LIU G R，et alMicro pore change and fractal characteristics of artificial freeze thaw soft clay[J]Chinese Journal of Geotechnical Engineering，2016，38（7）：12541261（in Chinese）） DOI：1011779CJGE201607012

[23]張濤，劉松玉，蔡國軍，等木質素改良粉土熱學與力學特性相關性試驗研究[J]巖土工程學報，2015，37（10）：18761885（ZHANG T，LIU S Y，CAI G J，et alExperimental study on relationship between thermal and mechanical properties of treated silt by lignin[J]Chinese Journal of Geotechnical Engineering，2015，37（10）：18761885（in Chinese）） DOI：1011779CJGE201510016

[24]丁建文，洪振舜，劉松玉疏浚淤泥流動固化土的壓汞試驗研究[J]巖土力學，2011，32（12）：35913596，3603（DING J W，HONG Z S，LIU S YMicrostructure study of flowsolidified soil of dredged clays by mercury intrusion porosimetry[J]Rock and Soil Mechanics，2011，32（12）：35913596，3603（in Chinese）） DOI：1016285jrsm201112006

[25]SHEAR D L，OLSEN H W，NELSON K REffects of desiccation on the hydraulic conductivity versus void ratio relationship for a natural clay[R]Washington D C：National Academy Press，1993：13651370

[26]張平，房營光，閆小慶，等不同干燥方法對重塑膨潤土壓汞試驗用土樣的影響試驗研究[J]巖土力學，2011，32（S1）：388391（ZHANG P，FANG Y G，YAN X Q，et alStudy of different dry methods for drying remolded bentonite sample with mercury intrusion test[J]Rock and Soil Mechanics，2011，32（S1）：388391（in Chinese）） DOI：1016285jrsm2011s1044

[27]楊博，張虎元，趙天宇，等改性黃土滲透性與孔隙結構的依存關系[J]水文地質工程地質，2011，38（6）：96101（YANG B，ZHANG H Y，ZHAO T Y，et alResponsibility of permeability of modified loess soil on microstructure[J]Hydrogeology & Engineering Geology，2011，38（6）：96101（in Chinese）） DOI：1016030jcnkiissn10003665201106024endprint