超高含水率泥炭土的固化機理及強度特性

王 榮，董俊全，范衍琦，史江偉，*，陳永輝

（1.中國港灣工程有限責任公司，北京 100027；2.河海大學巖土力學與堤壩工程教育部重點實驗室，江蘇南京 210024；3.江蘇省水利科學研究院 材料結構研究所，江蘇揚州 225000）

泥炭土為有機殘體、腐殖質和礦物質組成的特殊土，具有高含水率、大孔隙比和低剪切強度等特點.泥炭土分布廣泛，占總陸地面積的5%～8%［1］.因此，道路工程在遭遇泥炭土地基時，常用化學固化來解決其承載力不足或變形過大等問題［2］.

固化泥炭土的力學特性主要受固化劑類型、養護齡期、含水率、有機質含量和pH值的影響.通過開展含水率為82.5%泥炭土的固化試驗，李琴等［3］發現水泥對泥炭土的加固效果最好.Kolay等［4］研究發現，水泥為加固泥炭土的最優固化劑，泥炭土含水率介于360%～600%時，建議的水泥摻量為150～250 kg/m3.桂躍等［5］研究了微生物分解及其各向異性對含水率為64%～400%泥炭土強度的影響規律.Hobbs［6］研究發現，泥炭土的含水率取決于有機物的分解程度，低分解度的纖維狀泥炭土比高分解度的非晶質泥炭土含水率更高.通過開展含水率為400%泥炭土的固化試驗，Hebib等［7］研究發現水泥固化能明顯降低泥炭土的壓縮變形.王志良等［8］研究發現，對于含水率為227.8%的泥炭土，紅黏土的置換作用能使泥炭土結構變得緊密，提升其固化強度.張帆等［9］研究了泥炭土埋置深度、水泥強度等級和攪拌樁施工工藝對固化泥炭土強度的影響規律.

泥炭土含水率變化范圍廣，最高能達到1 400%［6］.然而，現有的化學固化大都針對較低含水率（＜300%）的泥炭土.本文針對高含水率（＞300%）、高有機質含量的泥炭土，開展了無側限抗壓強度（UCS）和掃描電子顯微鏡（SEM）試驗，研究高含水率泥炭土水泥直接固化的宏細觀機理以及泥炭土物理化學性質（含水率、有機質含量、pH 值）、水泥摻量和養護齡期對水泥固化泥炭土強度的影響，以期為類似工程提供一定的理論指導.

1 試驗方案及方法

1.1 試驗方案

試驗重點研究泥炭土自身物理指標和固化劑摻量（質量分數，文中涉及的摻量、含水率、含量等均為質量分數）對固化泥炭土強度的影響，試驗方案如表1 所示.其中：KW為泥炭土的初始含水率，KO為有機質含量，KC為水泥摻量（水泥與濕土的質量比）.

表1 泥炭土固化的試驗方案Table 1 Test plan of solidified peat

1.2 試驗土料

1.2.1 泥炭土

基于云南泥炭土、四川泥炭土、長白山草炭土和苔蘚泥炭土的基本物理特性試驗，采用灼燒法測得云南泥炭土、四川泥炭土的有機質含量低于10%；苔蘚泥炭土的有機質含量為94.3%，pH 值為5.56，且高含水率試樣固化后的保水性更好.因此，選取苔蘚泥炭土作為研究對象，如圖1 所示.基于ASTM STP 820—1983《Testing of peats and organic soils》的分類方法，此泥炭土屬于低分解度（H2～3）、低含水率（B2）、高纖維含量（F3）、極微量粗纖維（R0）和木質殘余（W0）的泥炭土（H2～3B2F3R0W0）.

圖1 苔蘚泥炭土Fig.1 Peat

1.2.2 水洗高嶺土

泥炭土的礦物組成主要為石英和伊利石.為研究不同有機質含量下固化泥炭土的強度特性，需要往苔蘚泥炭土中加入無機礦物，配置有機質含量為40%、60%和80%的泥炭土.試驗添加水洗高嶺土，為典型的無機土，其化學組成見表2.

表2 高嶺土的化學組成Table 2 Chemical composition of kaolin

1.2.3 固化劑

基于現有的研究，水泥對泥炭土的加固效果最好［3-4］.試驗選取P·O 42.5 普通硅酸鹽水泥，其基本物理性能如表3 所示.

表3 水泥的基本物理性能Table 3 Basic physical properties of cement

1.3 試樣制備

試樣制備主要步驟如下：

（1）按照設計的含水率和有機質含量，將苔蘚泥炭土、水洗高嶺土加水拌和均勻，泥炭土的pH 值采用NaOH 和HNO3溶液來配制.配置好的泥炭土裝入密封袋中悶料3 d，以確保水分均勻.悶料結束后，測定配置泥炭土的含水率和有機質含量是否達到設計值.

（2）按照設計的水泥摻量，將水泥均勻拌入泥炭土中.固化泥炭土試樣的尺寸為φ50×50 mm.為了確保試樣的均勻性，分5 次將拌和均勻的泥炭土-水泥混合液倒入圓柱狀模具中.為了降低試驗誤差，每個試樣制作2 個平行試樣，結果取其平均值.

（3）將制備的泥炭土試樣放入恒溫（（20±2）℃）、恒濕（（95±2）%）的標準箱中，養護至7、14、28 d 后采用YSH-2 型無側限壓力儀測量固化泥炭土的無側限抗壓強度.

2 固化泥炭土的強度特性分析

2.1 固化泥炭土的應力-應變關系

圖2 為不同水泥摻量固化泥炭土的應力-應變（σ-ε）曲線.固化泥炭土的含水率為400%、有機質含量為40%，養護時間為7 d.由圖2 可見：當水泥摻量為10%時，固化泥炭土的應力-應變關系為硬化型，即應力隨著應變的增長不斷發展，試樣呈現出塑性破壞模式；隨著水泥摻量的增加，破壞時固化泥炭土的抗壓強度顯著增加，但峰值應力對應的軸線應變逐漸降低；在水泥摻量增加后，應力隨著應變的增長出現回落的現象，應力-應變曲線由硬化型向軟化型轉變，固化泥炭土的破壞模式由塑性破壞轉為脆性破壞；當水泥摻量較低時，固化泥炭土的力學性質受泥炭土的特性控制；在水泥摻量增加后，固化泥炭土的力學性質向水泥土破壞模式發展，但未見峰值應力迅速回落.

圖2 不同水泥摻量固化泥炭土的應力-應變曲線Fig.2 Stress-strain curves of solidified peats under different cement contents

圖3 為不同養護齡期固化泥炭土的應力-應變關系曲線.固化泥炭土的含水率、有機質含量和水泥摻量分別為400%、80%和20%.由圖3 可見：養護齡期從7 d 增至28 d 后，固化泥炭土破壞時的峰值應力穩步增長；養護齡期為7、14 d 時，固化泥炭土的應力-應變關系為硬化型，在軸向應變達到19%時應力仍未出現峰值；養護齡期增至28 d 后，其應力-應變關系為軟化型，破壞形式由塑性破壞轉為脆性破壞；硬化型和軟化型應力-應變曲線分別取15%軸向應變對應的應力和峰值應力為固化泥炭土的破壞應力.

圖3 不同養護齡期固化泥炭土的應力-應變曲線Fig.3 Stress-strain curves of solidified peats under different curing ages

2.2 固化泥炭土的無側限抗壓強度

2.2.1 養護齡期的影響

不同有機質含量和pH 值下養護齡期對固化泥炭土強度的影響類似.因此，選取有機質含量為40%、pH 值為5.5 的試驗結果分析固化泥炭土強度隨養護齡期的變化規律.表4 為不同養護齡期固化泥炭土的UCS 值.由表4 可見：

表4 不同養護齡期固化泥炭土的UCS 值Table 4 UCS values of solidified peats under different curing age

（1）當水泥摻量為10%、20%、30%時，固化泥炭土的7 d UCS 值快速增長，14、28 d UCS 值增長速率放緩.初始含水率為200%的泥炭土，在摻入10%、20%和30%水泥后，固化泥炭土的7 d UCS值分別為196.4、436.9、640.7 kPa，14 d UCS 值分別為254.7、486.1、733.8 kPa，28 d UCS 值增至322.2、563.6、867.2 kPa.相比于7 d UCS 值，固化泥炭土14、28 d UCS值的增幅分別為9%～29%和29%～64%.

（2）當泥炭土有機質含量為40%、初始含水率為300%時，固化泥炭土的14、28 d UCS 值比7 d UCS值分別大11%～12%和17%～36%.當泥炭土初始含水率增至400%時，固化泥炭土14、28 d UCS 值的增幅分別為8%～15%和23%～26%.固化泥炭土的UCS 值與養護齡期密切相關，養護齡期越長，UCS值越大.綜合所有試驗結果，固化泥炭土的14、28 d UCS 值比7 d UCS 值分別增長了8%～29% 和17%～64%.

2.2.2 水泥摻量的影響

限于篇幅，僅給出7、28 d 齡期固化泥炭土的UCS 值隨水泥摻量的變化（見圖4）.由圖4 可見：隨著水泥摻量的增加，固化泥炭土的UCS 值呈線性增長；泥炭土的初始含水率越小，固化泥炭土UCS 值的增長速率越大，表明低含水率泥炭土的UCS 值對水泥摻量更加敏感；當泥炭土有機質含量為40%、初始含水率為200%時，摻入10%水泥后固化泥炭土的7 d UCS 值為196.4 kPa，水泥摻量增至20%后，固化泥炭土的7 d UCS 值為436.9 kPa；當泥炭土的初始含水率和水泥摻量同時增加1 倍后（即400%含水率、20%水泥摻量），固化泥炭土的7 d UCS 值僅為173.9 kPa，表明固化泥炭土強度與水泥摻量和含水率密切相關；在不同初始含水率、不同有機質含量下，當水泥摻量從10%增加到30%后，固化泥炭土的7、14、28 d UCS 值分別增加了226%～796%、188%～504%和161%～485%.

圖4 不同水泥摻量固化泥炭土的UCS 值Fig.4 UCS of solidified peats under different cement contents

2.2.3 含水率的影響

限于篇幅，僅給出有機質含量為60%時固化泥炭土UCS 值隨含水率的變化（見圖5）.由圖5 可見：隨著含水率的增加，固化泥炭土的UCS 值逐步降低；當泥炭土的初始含水率從300%增加到400%時，固化泥炭土的UCS 值迅速降低；在泥炭土初始含水率大于400%后，固化泥炭土UCS 值的降幅放緩；當水泥摻量為10%、20%和30%時，泥炭土含水率增加1倍后，固化泥炭土的28 d UCS 值分別降低了49%～79%、48%～67%和42%～58%.

圖5 不同含水率下固化泥炭土的UCS 值Fig.5 UCS values of solidified peats under different water contents

路基工程要求7、28 d 齡期水泥固化土的UCS值分別為200、300 kPa［10］.當泥炭土有機質含量為60%、初始含水率為300%～600%時，摻入10%水泥后7 d 齡期固化泥炭土的UCS 值均不滿足要求.當泥炭土初始含水率為400%和600%時，分別摻入20%和30%水泥后，7 d 齡期固化泥炭土的UCS 值方能滿足要求.如圖4 所示，泥炭土初始含水率為200%、有機質含量為40%時，摻入10%水泥后的7 d UCS 值基本滿足要求.因此，泥炭土初始含水率是決定水泥等固化劑用量的關鍵因素.當泥炭土初始含水率低于200%時，采用水泥直接固化；當泥炭土初始含水率大于200%時，直接固化需要大量的固化劑，經濟性很差.

2.2.4 有機質含量的影響

圖6 為不同有機質含量固化泥炭土的UCS 值.限于篇幅，僅給出初始含水率為400%固化泥炭土的UCS 值.由圖6 可見：當有機質含量增加時，固化泥炭土的UCS 值稍有降低；當水泥摻量為30%時，有機質含量從40%增加到80%后，固化泥炭土的28 d UCS 值降幅為6%.

圖6 不同有機質含量固化泥炭土的UCS 值Fig.6 UCS values of solidified peats under different organic contents

2.2.5 pH 值的影響

限于篇幅，僅給出泥炭土初始含水率為200%和400%、有機質含量為40% 時固化泥炭土的UCS 值，如表5 所示.由表5 可見：當泥炭土初始含水率為200%、有機質含量為40%時，摻入10%水泥后pH 值為3.5、5.5 和7.0 的固化泥炭土的7 d UCS 值分別 為154.8、196.4、223.3 kPa；泥炭土 的pH 值越低，即H+濃度越高，固化泥炭土的UCS 值越低；相比于pH 值為7.0 的固化泥炭土，pH 值為3.5 和5.5 固化泥炭土的UCS 值分別降低了30%和12%；pH 值為3.5 固化泥炭土的UCS 值比pH 值為5.5 的固化泥炭土低10%～46%；pH 值為7.0 固化泥炭土的UCS 值比pH 值為5.5 的固化泥炭土高8%～38%.

表5 不同pH 值下固化泥炭土的UCS 值Table 5 UCS values of solidified peats under different pH values

2.3 固化泥炭土微觀結構分析

2.3.1 有機質含量的影響

圖7 為不同有機質含量固化泥炭土的微觀結構.由圖7 可見：固化泥炭土內部的高嶺土顆粒呈書頁狀、蠕蟲狀或手風琴狀，晶間結構比較松；泥炭土為長條形纖維結構.水泥固化生成水化硅酸鈣（C-S-H）凝膠，提高了固化泥炭土的強度.C-S-H 凝膠一般生長成彎曲狀、扭曲的薄片狀或條帶狀，新的生長點主要出現在薄片狀產物的邊緣或條帶狀產物的兩端［10］，凝膠形態符合水泥水化產物C-S-H 凝膠的生長方式.進入加速期后，C-S-H 凝膠呈樹枝分叉狀高速生長，附著在高嶺土顆粒表面形成網狀形貌的產物，而顆粒間的孔隙里形成近球狀產物，呂鵬等［11］對此現象進行了相應的解釋.此外，在Kolay 等［4］對水泥固化泥炭土的研究結果中，凝膠形態也與本文相似.有機質含量較低時，書頁狀的高嶺土顆粒較多，纖維狀泥炭土較少，C-S-H 凝膠主要附著在高嶺土上生長.有機質含量較高時，書頁狀的高嶺土顆粒含量較少，纖維狀結構比較多，C-S-H 凝膠主要附著在纖維狀結構上生長.隨著養護齡期的不斷延長，C-S-H 凝膠也不斷生長，最終連成骨架.當固化泥炭土受到外力作用時，纖維狀結構多的土體由于孔隙較多，水化產物無法充分填充，更易于被壓縮，宏觀表現為強度低.因此，有機質含量越高，固化泥炭土的無側限抗壓強度越低.

圖7 不同有機質含量固化泥炭土的微觀結構Fig.7 Microstructure of solidified peats under different organic contents

2.3.2 pH 值的影響

泥炭土摻入水泥后，固化泥炭土的強度增長主要依賴于水泥水化反應產生的C-S-H 凝膠等水化產物的膠結作用.寧建國等［12］發現，水泥固化土中土樣的pH 值會影響固化土孔隙液中Ca2+和OH-的濃度，進而影響固化土中水化物的生成量，最終影響固化土強度的增長.式（1）為生成C-S-H 凝膠的熱力學方程式.

圖8 為不同pH 值固化泥炭土的微觀結構.固化泥炭土的pH 值越大，即H+濃度越低，高嶺土和纖維狀泥炭土表面能附著越多的水化硅酸鈣凝膠（C-S-H），宏觀表現出更高的無側限抗壓強度.土體pH 值從7.0 降低到3.5 時，土體內孔隙液H+濃度逐漸增加，將消耗相當量的水泥水化產生的OH-.固化過程中，OH-損耗與Ca（OH）2形成都發生在孔隙液中，2 個過程是同步進行的.低pH 值的泥炭土導致Ca（OH）2無法處于飽和狀態，抑制了C-S-H 凝膠產生；泥炭土的pH 值越低，C-S-H 凝膠的數量越少.因此，相同土體骨架下，pH 值越低的固化泥炭土，其無側限抗壓強度也越低.

圖8 不同pH 值固化土的微觀結構Fig.8 Microstructure of solidified peats under different pH values

3 水泥固化超高含水率泥炭土的配合比

基于DB33/T 904—2013《公路軟土地基路堤設計規范》，要求室內水泥固化土的28 d UCS 值大于300 kPa.表6 為固化泥炭土28 d UCS 值為300 kPa時的水泥摻量.由表6 可見：泥炭土初始含水率為200%時，摻入8.4%～11.7%水泥后固化泥炭土的UCS 值滿足要求.泥炭土含水率低于200%時，所需的水泥摻量不是很高，可采用水泥對其直接進行固化；一旦泥炭土的初始含水率超過300%，低pH 值下需要大量的固化劑才能滿足強度要求；泥炭土含水率為300%、pH 值為3.5 時，28 d UCS 值達到300 kPa所需的水泥摻量高達19.9%.建議在高含水率泥炭土中加入摻料，即摻入砂土或者低含水率的黏土，利用水泥水化反應產生的凝膠連接泥炭土顆粒和摻料，以達到降低水泥等固化劑用量的目的.

表6 固化泥炭土28 d UCS 值為300 kPa 時的水泥摻量Table 6 Cement contents of UCS value of 300 kPa of solidified peats at curing age of 28 d

4 結論

（1）隨著水泥摻量的增加和固化齡期的延長，固化泥炭土的應力-應變曲線從硬化型過渡到軟化型，破壞模式從塑性破壞轉為脆性破壞.固化泥炭土的7 d 無側限抗壓強度（UCS）快速增長，14、28 d UCS值增長的速率放緩.相比于7 d，固化泥炭土14、28 d UCS 值的增幅分別為8%～29%和17%～64%.

（2）水泥摻量增加后，固化泥炭土的UCS 值呈線性增長.水泥摻量從10%增加到30%后，固化泥炭土的28 d UCS 值增加了161%～485%.泥炭土的有機質含量越高，C-S-H 凝膠越容易附著于纖維狀結構上，UCS 值越低.有機質含量從40%增加到80%時，摻入30% 水泥后固化泥炭土的28 d UCS 值降幅為6%.

（3）固化泥炭土的pH 值越高，顆粒表面能附著越多的C-S-H 凝膠，其UCS 值越高.相比于pH 值為5.5 的固化泥炭土，pH 值為3.5 固化泥炭土UCS 值的降幅為10%～46%，pH 值為7.0 固化泥炭土UCS 值的增幅為8%～38%.

（4）泥炭土的初始含水率增加后，固化泥炭土的強度快速降低.泥炭土的含水率增加1 倍后，固化泥炭土的28 d UCS 值降低了42%～79%.泥炭土含水率低于200%時，可采用水泥直接固化；高含水率泥炭土可加入摻料，即往泥炭土中加入砂土或者低含水率的黏土，以達到降低固化劑用量的目的.