不同養護齡期下凹凸棒土改良黏性土三軸壓縮試驗研究

胡國長，朱曉勇，薛建，劉瑾，江燦琿，陳志昊，王竑

(1.江蘇省地質礦產勘查局， 江蘇 南京 210018； 2.河海大學地球科學與工程學院， 江蘇 南京 211100)

0 引言

凹凸棒土是一種具有鏈層狀結構的黏土礦物，分布于江蘇、甘肅等14個省份，我國已探明的礦產儲量約占全球總儲量的50%。凹凸棒土以其陽離子交換性、吸附性、膠體性、催化性和大的比表面積等特殊的物理化學性能，廣泛應用于石油、化工、建材、造紙、醫藥，鉆探等行業(芮源隆等，2011；向遠清和陳大俊，2011；張群，2012；呂國誠等，2019；孫瑩等，2020；曹悅等，2021)。

隨著凹凸棒土被越來越多的應用于土壤中，其對土壤物理性質的影響逐漸受到重視。楊婷和吳軍虎(2017)的研究表明，隨著凹凸棒土含量的增加，土壤中黏粒和粉粒比例減小，砂粒比例增加，大于0.25 mm的團聚體含量增加，持水量增加。隨著凹凸棒土含量的增大，土壤入滲速率和累積入滲量減小，使得土壤中的大孔隙減少，并具有一定的阻滲作用(吳軍虎和楊婷，2016)。楊蘇等(2020)的研究表明凹凸棒土復合粉砂質土中大于0.25 mm團聚體含量增加約5%，持水量增加約18%，同時提高土壤中的有機碳和全氮含量，促進植物生長。但過量凹凸棒土的摻入容易引起土壤板結，反而限制了植被生長，凹凸棒土的摻入量應控制在40～80 g/kg(劉左軍等，2010)。

綜上所述，目前關于凹凸棒土對黏性土團粒結構、水力參數、保水性等研究較多，缺少了凹凸棒土對黏性土土體力學性質影響的研究，因此本文通過不固結不排水三軸壓縮試驗，探究基于凹凸棒土置換量及其養護齡期條件下黏性土強度特性的變化規律，通過掃描電鏡圖像分析凹凸棒土改良土體的作用機理。

1 試驗材料與方法

1.1 試驗材料

1.1.1 黏性土

試驗土樣的物理性質見表1，結合室內試驗結果，根據《建筑地基基礎設計規范》(GB/T 50007—2011)①對試驗土樣進行劃分，試驗土樣為黏土。在制樣之前，將試驗土樣敲碎，去除雜質后放入烘箱，105 ℃烘干8小時以上。粉碎后密封備用。

表1 試驗土樣的物理性質

1.1.2 凹凸棒土

凹凸棒石又稱坡縷石，屬海泡石族，是一種具有鏈層狀結構的含水富鎂鋁硅酸鹽黏土礦物。分子式為(Al2Mg2)Si8O20(OH)2(H2O)·4H2O，其晶體結構為纖維狀、棒狀或纖維狀集合體(圖1)，這種特殊的骨架式排列方式大大提高了它的比表面積，增加它的吸附性。本次試驗中所用的凹凸棒土(圖2)取自江蘇省常州市某礦區，顆粒大小為800目，在制樣之前放入烘箱，105 ℃烘干8小時以上，取出密封備用。

圖1 凹凸棒土晶體結構圖

圖2 凹凸棒土

1.2 試驗方法

本次研究通過不固結不排水三軸壓縮試驗探究養護齡期、凹凸棒土含量對黏性土強度特性的變化規律。試驗選用南京智龍科技開發有限公司生產TSZ-1型全自動三軸儀(圖3)，以加載速率0.8 mm/min進行試驗。試樣采用標準三軸壓縮試驗試樣(圖4)，高80 mm，直徑39.1 mm。根據黏性土物理性質，設定所有試樣干密度為1.7 g/cm3，含水率為19%。制樣采用擊實制樣法，將定量黏性土和凹凸棒土的均勻混合物與定量水充分攪拌后，用保鮮膜密封24小時均勻水分，開始制樣。制樣前將混合土均分為3份，分3次倒入模具，每層擊實至相同高度，刮毛試樣面后倒入下一份混合土，保證試樣高度達到80 mm，用千斤頂取出制好的試樣，包裹保鮮膜置于恒溫25 ℃環境下養護。

圖3 TSZ-1型全自動三軸儀

圖4 三軸壓縮試驗試樣

2 試驗結果分析

本次研究通過不固結不排水三軸壓縮試驗分析了凹凸棒土改良黏土在不同養護齡期和凹凸棒土置換量條件下的強度特性、黏聚力和內摩擦角變化規律。養護齡期設定為：0 d、1 d、3 d、7 d、14 d；凹凸棒土置換量設定為：0.00%、2.00%、4.00%、6.00%、8.00%；三軸壓縮試驗圍壓設定為：50 kPa、100 kPa、150 kPa、200 kPa。選取有效應變范圍(0～15%)內應力—應變曲線峰值應力作為該試樣在特定圍壓下的抗壓強度，參與摩爾圓的繪制與黏聚力和內摩擦角的計算。各組試樣三軸壓縮試驗結果見表2。

2.1 不同凹凸棒土置換量條件下三軸壓縮試驗結果分析

為避免養護齡期過短影響凹凸棒土改良試樣的作用效果，以養護齡期為14 d時試樣的抗剪強度參數為例，分析其在試樣養護齡期較長時隨凹凸棒土置換量的變化規律。如圖5所示，在各圍壓下，隨凹凸棒土置換量的增加，試樣彈性階段的斜率和偏應力水平整體上升，并且隨著圍壓的增加，試樣的偏應力水平增加幅度逐漸增加。同時，試樣的峰值偏應力對應的應變隨凹凸棒土置換量的增加整體表現出減小的趨勢，在低圍壓下尤為明顯。以100 kPa 圍壓的試樣為例，隨凹凸棒土置換量的增加，其峰值偏應力出現的應變分別為：12.50%、10.75%、9.50%、8.50%、4.25%，表明隨著凹凸棒土的摻入導致試樣的脆性增加，使得破壞應變提前。而隨著圍壓的增加，試樣均發生脆性—延性轉化，因此在高圍壓下，凹凸棒土對試樣峰值偏應力對應應變的影響相對較小。材料在彈性變形階段，其應力和應變呈線性關系，其斜率定義為彈性模量，彈性模量是物體彈性變形難易程度的表征。由于本文試樣在彈性階段中的偏應力—應變曲線不符合直線關系，本文用割線模量作為彈性模量的近似值進行分析。割線模量指的是試樣偏應力—應變曲線中第一個達到峰值偏應力50%的點和原點連線的斜率。養護齡期為14 d的各試樣組彈性模量見表3。在各圍壓下，試樣的彈性模量隨著凹凸棒土置換量的增加而增加，當圍壓為50 kPa時，隨凹凸棒土置換量的增加，試樣的彈性模量分別為21.78 MPa、24.57 MPa、33.50 MPa、33.01 MPa、38.52 MPa，相對于素土試樣分別提升了13%、48%、34%、50%，并且當圍壓增加時，凹凸棒土置換量對試樣彈性模量的影響更為顯著；以圍壓為 200 kPa 的試樣為例，隨著凹凸棒土置換量的增加，試樣的彈性模量分別為14.79 MPa、23.26 MPa、26.86 MPa、30.59 MPa、31.80 MPa，相對于素土試樣分別提升了57%、82%、107%、115%，可以看出改良試樣的彈性模量隨圍壓的增加而減小的幅度明顯降低。這表明凹凸棒土的摻入可以顯著提高試樣的抵抗彈性變形能力，并且減少圍壓對試樣彈性模量的影響。

表2 凹凸棒土改良試樣三軸壓縮試驗結果參數

圖5 不同圍壓條件下養護齡期為14 d時各試樣組偏應力—應變曲線a—50 kPa；b—100 kPa；c—150 kPa；d—200 kPa

表3 不同圍壓條件下養護齡期為14 d時各組試樣的彈性模量

養護齡期為14 d時各試樣組峰值偏應力變化曲線如圖6所示。可以看出在各圍壓下，隨著凹凸棒土置換量的增加，試樣的峰值偏應力整體表現出上升的趨勢。同時，試樣的峰值偏應力隨圍壓的增加上升幅度增大。前人的研究發現脆性材料相比于塑性材料在圍壓的影響下強度的提高更多，這也再次表明凹凸棒土的摻入提高了試樣的脆性。養護齡期為14 d各試樣組內摩擦角和黏聚力變化曲線見圖7，隨著凹凸棒土摻量的增加，試樣的黏聚力分別為128.21 kPa、105.20 kPa、100.29 kPa、104.92 kPa、114.09 kPa，內摩擦角分別為15.10°、24.99°、27.00°、27.87°、30.43°，表明凹凸棒土主要是通過提高試樣的內摩擦角提升了土體的強度。這一規律與凹凸棒土的形態和結構存在直接聯系，凹凸棒土的纖維狀顆粒使其具有較大的比表面積，表現出很強的吸附性，黏土顆粒附著于凹凸棒土的顆粒表面形成團聚體，團聚體—團聚體的結合方式導致了更致密的咬合狀態，增加了土體破壞時的咬合摩擦力，從而提高了土體的內摩擦角；另一方面，相對于黏土顆粒，凹凸棒土顆粒對水有更強的吸附性，土體中的水相對更多的吸附于凹凸棒土顆粒周圍，盡管素土試樣與改良試樣的含水率是一致的，但實際作用于黏土顆粒表面的水相對減少，導致試樣的黏聚力下降。

2.2 不同養護齡期條件下三軸壓縮試驗結果分析

以50 kPa圍壓下的試樣為例，各試樣的偏應力—應變曲線見圖8，隨著養護齡期增加，試樣的偏應力水平整體呈上升趨勢，并且隨著凹凸棒土置換量的增加，試樣偏應力水平上升的幅度逐漸增加，這表明凹凸棒土對試樣的作用效果受到養護齡期因素的影響顯著。改良試樣彈性階段的斜率隨養護齡期的增加而增加，在養護齡期達到7～14 d時，增加的趨勢相對減少。同時，隨著養護齡期的增加，試樣的峰值偏應力對應的應變整體表現出減小的趨勢，相對于素土，在改良試樣中應變的減小幅度增加，以凹凸棒土置換量為4%的試樣為例，其峰值偏應力對應的應變分別為：15.00%、12.50%、8.75%、5.50%、4.75%，素土試樣的破壞應變為：15.00%、14.00%、10.50%、14.00%、8.25%，這表明改良試樣隨著養護齡期的增加破壞應變提前，脆性增加。通過彈性模量分析養護齡期對試樣抵抗彈性變形能力的影響，圍壓為50 kPa條件下各試樣組彈性模量見表4，其變化曲線見圖9。隨著養護齡期增加，各試樣的彈性模量均呈現出上升的趨勢，并且隨著凹凸棒土置換量的增加，試樣的彈性模量受養護齡期的影響更加顯著。例如：當凹凸棒土置換量為8%時，試樣彈性模量隨養護齡期的增加分別為9.11 MPa、11.92 MPa、23.28 MPa、27.37 MPa、38.52 MPa，素土試樣的彈性模量分別為6.74 MPa、8.04 MPa、16.84 MPa、17.38 MPa、21.78 MPa。通過觀察發現各養護齡期下試樣的彈性模量并不總是與凹凸棒土置換量呈正相關，在養護齡期0～7 d時試樣彈性模量出現峰值點，并且隨養護齡期的增加，峰值點對應的凹凸棒土置換量逐漸增加，這表明隨著凹凸棒土置換量的增加，凹凸棒土充分發揮其作用效果所需要的養護齡期逐漸增加。

圖6 養護齡期為14 d時各試樣組峰值偏應力變化曲線

圖7 養護齡期為14 d各試樣組內摩擦角和黏聚力變化曲線

圖8 圍壓為50 kPa下不同凹凸棒土置換量試樣組偏應力—應變曲線a—0%置換量；b—2%置換量；c—4%置換量；d—6%置換量；e—8%置換量

表4 圍壓為50 kPa下各試樣組偏應力—應變曲線彈性模量

圖9 圍壓為50 kPa下各試樣組彈性模量變化曲線

各試樣組峰值偏應力變化曲線見圖10，在各圍壓下，試樣的峰值偏應力均隨著養護齡期的增加而增加，隨著凹凸棒土置換量的增加，試樣峰值偏應力上升幅度逐漸增加，試樣峰值偏應力的增長主要發生在養護前期(0～7 d)。當養護齡期為0 d時，試樣的峰值偏應力隨凹凸棒土置換量的增加分別為 330.21 kPa、313.82 kPa、322.98 kPa、312.32 kPa、290.15 kPa，表現出下降的趨勢，相對于素土試樣，凹凸棒土的摻入反而減小試樣的強度。各組試樣黏聚力和內摩擦角變化曲線如圖11所示，試樣內摩擦角均隨著養護齡期和凹凸棒土置換量的增加呈上升的趨勢，而改良試樣中黏聚力隨養護齡期的增加出現先增加后減小的規律。

這一變化規律主要是由基質吸力造成的表觀黏聚力引起的，表觀黏聚力又稱不穩定黏聚力，三軸壓縮試驗測得的黏聚力為有效黏聚力和表觀黏聚力之和。Fredlund et al.(1978)提出了以正應力與基質吸力作為變量的非飽和土抗剪強度公式，其表達式為：

τf=c′+(σ-ua)tanφ′+(ua-uw)tanφb

(1)

式(1)中τf為抗剪強度，c′為有效黏聚力，σ為正應力，ua為孔隙氣壓力，φ'為有效內摩擦角，uw為孔隙水壓力，tanφb為抗剪強度隨基質吸力(ua-uw)增加的速率。

由于在非飽和土中同時充填著水和空氣，形成的水—氣分界面具有表面張力，孔隙氣壓力大于孔隙水壓力，這一分界面承受的壓力差值稱為基質吸力。林鴻州等(2007)研究了非飽和黏性土重塑試樣的土—水特征曲線和黏聚力—基質吸力關系曲線，發現黏性土的基質吸力隨土體飽和度減小而增加，黏性土的黏聚力隨基質吸力的增加先增加后減小，內摩擦角隨基質吸力的增加而增加。凹凸棒土顆粒對水的吸附性導致試樣黏土中的實際含水率減小，基質吸力增大，而隨著養護齡期的增加，凹凸棒土顆粒對水的吸附程度逐漸增加，進一步降低了素土中的實際含水率，基質吸力繼續增加，使得改良試樣的黏聚力表現出先增加后減小的規律。

3 機理分析

素土試樣SEM圖像見圖12。在放大倍率 350×下(圖12a)，素土試樣顆粒分明，黏土顆粒尺寸較平均，顆粒之間彼此膠結在一起，許多小孔隙均分布其中，存在少量大孔隙，整體結構較為疏松。在放大倍率2300×下(圖12b)，黏土顆粒通過黏粒形成的膠結整體較為均勻，其間穿插許多孔隙。從圖13發現，凹凸棒土改良試樣中團聚體大小不一，有不少團聚體具有片狀、長條狀的形態，這可能與凹凸棒土鏈片層狀的晶體結構存在著一定聯系。團聚體的形成主要是由凹凸棒土的吸附性決定的。凹凸棒土的吸附性按成因不同主要分為三類：物理吸附、化學吸附和離子交換吸附，其中由于凹凸棒土的比表面積較大，以物理吸附最為明顯。凹凸棒土顆粒相互交織形成的網架結構充當團聚體的骨骼，其吸附著周圍的土顆粒和水，增加了團聚體的整體性。相較于素土試樣中土顆粒—土顆粒之間的均勻膠結，改良試樣中團聚體—團聚體之間的膠結具有更高的滑動摩擦力和咬合摩擦力，使得凹凸棒土改良試樣的內摩擦角顯著提高。

圖10 不同圍壓條件下各試樣組峰值偏應力變化曲線a—50 kPa；b—100 kPa；c—150 kPa；d—200 kPa

圖11 不同凹凸棒土置換量和養護齡期條件下試樣的抗剪強度參數a—黏聚力；b—內摩擦角

圖12 素土試樣SEM圖像a—放大倍率350×；b—放大倍率2300×

圖13 6%凹凸棒土置換量試樣SEM圖像a—放大倍率430×；b—放大倍率2200×

4 結論

本次研究通過不固結不排水三軸壓縮試驗評價了凹凸棒土在不同養護齡期條件下改良黏性土的強度特性表現，并通過試樣改良前后的掃描電鏡圖像分析了凹凸棒土在改良土體中的作用機理。研究發現：

(1)當養護齡期為14 d時，凹凸棒土的摻入減小試樣的破壞應變，提高了試樣的脆性；隨著凹凸棒土摻量的增加，試樣的峰值偏應力和內摩擦角顯著提升，內摩擦角最高達到了30.43°，黏聚力降低，這表明凹凸棒土主要通過增加土體的內摩擦角提高土體強度。

(2)隨著養護齡期的增加，改良試樣的內摩擦角顯著提升，這主要是由于凹凸棒土的摻入增加土體內的團聚體含量，而在團聚體穩定過程中，土顆粒間的咬合摩擦力和滑動摩擦力逐漸提高，增加了試樣的內摩擦角。

(3)隨著養護齡期的增加，改良試樣的黏聚力表現為先增后降的趨勢，這主要是由于凹凸棒土在養護過程中對水的吸附程度逐漸增加，導致試樣中實際作用于黏土顆粒的水分減少，導致基質吸力逐漸增加，引起的表觀黏聚力導致的。

注 釋

① 中華人民共和國住房和城鄉建設部，中華人民共和國國家質量監督檢驗檢疫總局.2011.建筑地基基礎設計規范：GB 50007—2011[S].北京：中國建筑工業出版社.