水泥改良黃土崩解試驗研究

趙雪 谷天峰 范楠楠

收稿日期：2023-10-30

基金項目：國家自然科學基金專項項目（42041006）。

第一作者：趙雪，女，從事地質災害防治等研究，1426442594@qq.com。

通信作者：谷天峰，男，教授，從事黃土地質災害等研究，gutf@nwu.edu.cn。

摘要? 黃土具有多孔亞穩結構和水敏性，遇水時易發生崩解。黃土的崩解性是促進黃土高原地區水土流失、崩塌、滑坡等地質災害發生的主要因素之一。作為一種造價低、應用方便的材料，水泥改良黃土（cement improved loess， CIL）在黃土地基、邊坡工程中應用廣泛，但其抗崩解性研究較少。為此，該文通過原狀及不同摻量下的CIL室內崩解試驗和掃描電子顯微鏡（scanning electron microscope， SEM）試驗，分析改良前后黃土的崩解行為，探究水泥對黃土崩解性的改良效果及作用機制。結果表明，摻入水泥可大幅提升黃土的抗崩解能力，低摻量下CIL仍具有完整的崩解過程，但水泥能填充粒間孔隙，阻礙水分運移，同時水泥水化物及其與黃土顆粒的作用能增強粒間膠結，從而延緩了黃土崩解進程。隨著水泥摻量的增加，抗崩解效果愈明顯，累積崩解百分量幾乎為0。土樣不發生崩解的最小水泥摻量為3％。研究結果對黃土的抗侵蝕性研究和防災工程設計具有重要意義。

關鍵詞? 黃土;水泥；崩解性;改良土;SEM

中圖分類號： TU444? DOI：10.16152/j.cnki.xdxbzr.2024-01-003

Experimental study on disintegration of loess improved by cement

ZHAO Xue， GU Tianfeng， FAN Nannan

（State Key Laboratory of Continental Dynamics， Department of Geology， Northwest University， Xian 710069， China）

Abstract? Loess has porous metastable structure and water sensitivity， and is prone to collapse when it encounters water. The disintegration of loess is one of the main factors that promote soil erosion， collapse， landslide and other geological disasters in the Loess Plateau. As a low cost and convenient material， cement improved loess （CIL） is widely used in loess foundation and slope engineering， but there are few researches on its anti-disintegration. The disintegration behavior of loess before and after the improvement was analyzed through the laboratory disintegration test and scanning electron microsope（SEM） test under the condition of CIL and different content， and the improvement effect and mechanism of cement on loess disintegration were explored. The results show that cement can greatly improve the anti-disintegration ability of loess. At low content， CIL still has a complete disintegration process， but cement can fill the intergranular pores and hinder water transport. Meanwhile， cement hydration and its interaction with loess particles can enhance intergranular cementation， thus delaying the disintegration process of loess. With the increase of cement content， the anti-disintegration effect is more obvious， and the cumulative disintegration component is almost 0. The minimum cement content of soil sample without disintegration is 3％. The results are of great significance to the study of erosion resistance of loess and the design of disaster prevention engineering.

Keywords? loess; cement; the property of disintegration; improved soil; SEM

黃土是廣泛分布于干旱半干旱地區的黏性粉土，其典型特點是由風積形成的具有高孔隙度和大孔隙的亞穩結構［1］。與自然分散不同，黃土在遇水情況下易發生崩解［2］。黃土的崩解性是黃土高原水土流失的主要原因，也是黃土地貌演化的主要驅動力。近年來，由于極易發生的極端降雨情況加之土體自身的崩解性，黃土地區侵蝕愈發嚴重［3］。

為了提高黃土的抗崩解性，許多學者關注黃土性能改良方面的問題，通過改良劑穩定黃土以獲得優異的工程性能是一項世界性的綜合技術［4-6］。許多學者致力于尋求新型高分子材料來提高黃土的性能［7-9］。然而，大多數高分子改良材料存在黏度大、造價高、技術不成熟的缺陷，因此較難應用于工程實踐。目前在工程實踐中大多采用水泥進行黃土改良，因其能夠在少摻量條件下達到較好的加固效果，被認為是造價最低、穩定效果最好、性價比最高的改良劑之一［10］。在當前研究中主要關注水泥改良黃土（cement improved loess，CIL）的強度特性，并取得了優異效果［11-13］，但對于CIL水穩性研究較少。在已開展的黃土及CIL水穩性研究中，Wang等［14］采用自行研制的崩解儀研究了不同含水量、礦化度和組分對崩解的影響;谷天峰等［15］采用控制變量法對黃土崩解影響因素（土樣尺寸、初始含水率、水溫、酸堿度、鹽度）進行崩解測試;蔣應軍等［16］對不同摻量CIL進行崩解試驗，結果表明隨著水泥摻量和壓實度的增加，改良黃土的水穩系數有所提高;王任杰［17］對不同水泥摻量和養護齡期的CIL進行崩解試驗，認為水泥摻入能夠有效改善黃土的崩解性，28 d齡期下較低水泥摻量的改良黃土在浸水7 d時難以產生崩解現象。這些研究闡述了黃土崩解的影響因素以及水泥改良對黃土的抗崩解作用，但在CIL的崩解過程和定量研究方面存在一定不足。針對CIL的歷時崩解階段和抗崩解機制方面及需進一步深入探討。

考慮到降雨誘發黃土侵蝕對黃土高原經濟發展以及人民生產生活帶來的巨大影響，本文采用自行研制的崩解儀進行室內崩解試驗。基于崩解試驗和掃描電子顯微鏡（scanning electron microsope，SEM）結果，通過對比原狀、不同水泥摻量下黃土的崩解特性，分析崩解試驗過程，探究CIL小抗崩解性的作用機制，選擇改良黃土崩解性的最小摻量，以期實現崩解過程的細化和崩解性質的量化，并為防災減災工程提供參考。

1? 材料和方法

1.1? 材料

本研究采用的試驗樣品取自陜西省延安市。年平均降雨量為560 mm，且具有短時強降雨特征，因此該地區土壤侵蝕嚴重，導致大面積的土地不連續和土質工程構筑物的破壞。在研究區取深度為3.0～3.5 m的淺層無根黃土樣品，用保鮮膜和防震氣泡膜密封完整，并小心運輸到實驗室。根據《土工試驗方法標準》（GB／T 50123—2019），烘干法測定黃土的初始含水率（質量），環刀法測定黃土的密度，采用液塑限聯合測定儀測定黃土的液塑限，確定黃土的基本物理力學參數（見表1）。根據現行國家標準《通用硅酸鹽水泥》（GB 175—2007）的規定，選擇P.042.5級普通硅酸鹽水泥作為改良劑。

1.2? 土樣制備

采用削樣儀制備原狀樣品（直徑61.8 mm、高40 mm的圓柱樣品），根據《土工試驗方法標準》（GB／T 50123—2019）和《水泥土配合比設計規程》（JGJ／T 233—2011），在初始含水率下制備不同水泥摻量的黃土樣品，具體流程包括以下幾個步驟。首先，對原狀土樣進行干燥、粉碎、篩分處理。其次，在干燥的土樣中分別摻入0％、1％、2％、3％、4％、6％、8％（質量）的水泥充分拌合。12 h后，配置最優含水率下的CIL，密封混合24 h以上。最后，將悶料置于壓樣器中，壓實度為96％，獲得尺寸為61.8 mm×40 mm的圓柱體試樣，將試樣用保鮮膜包裹嚴實，放入20 ℃保濕缸中養護7 d。

1.3? 試驗方案

自浮筒式土壤崩解儀器提出以來［18］，為了更準確地進行定量研究，許多學者對崩解試驗裝置進行了不同程度的改進。目前，黃土崩解的定量研究方法主要有浮筒法和質量法。使用浮筒法，置換液的體積隨著浮筒的上升而減小，因此在試驗過程中難以獲得準確的水位刻度值。使用質量法，將樣品置于水中的過程會擾亂水平衡，影響讀數精度，難以獲得初始值。根據Wang等［14］提出的一種新的崩解試驗方法，即采用傳感器代替浮筒連續、高精度地獲取土壤樣品質量的變化，同時觀察試樣的動態崩解過程，揭示試樣的瞬時崩解速率，本研究試驗裝置（見圖1）包括崩解容器、吊籃、拉力傳感器、固定框架、水槽、數據采集系統。試驗開始時，利用水槽內水泵的壓力向崩解容器內注水，同時保證了較短的注水時間，減少注水過程土樣的損失。試驗過程中土樣的崩解現象由攝像機拍攝記錄，數據采集端以0.5 s為間隔實時記錄試驗數據。當傳感器示數保持穩定時，認為崩解完成。為了進一步探究CIL的崩解行為及演化機制，王任杰［17］對最優含水率下直徑61.8 mm，高40 mm的原狀黃土及摻量（質量，下同）為0％、1％、2％、3％、4％、6％、8％的CIL進行崩解測試，為保證試驗數據的準確性，每組土樣進行3次平行試驗。

2? 結果與討論

2.1? CIL崩解行為

原狀土和改良土的崩解行為如圖2所示，改良前后黃土樣品隨時間的崩解現象變化差異明顯。原狀土被水浸沒后，可見大量氣泡冒出，土顆粒隨之脫離母體，呈云霧狀、零散塊狀掉落，散入水中，直至崩解結束時，土顆粒吸水后重力大于浮力，緩緩沉淀至容器底部，容器內水再次恢復清澈。水泥摻量為0％、1％、2％的改良黃土崩解現象與原狀土類似，均經歷了完整的崩解階段，但支架上剩余的最終質量有所遞增。水泥摻量大于等于3％時，土樣始終保持完整狀態，因此崩解過程不完整。

試驗過程中，通過傳感器監測獲得黃土的實時崩解試驗結果（見圖3）。其中，黃土的典型崩解過程大致分為注水階段（AC）、吸濕增重階段（CD）、快速崩解階段（DE）和穩定階段（EF）4個階段，如圖3（a）所示。在第1階段，所有樣品的試驗規律基本一致。除了原狀樣品會出現少量碎屑以外，其他土樣的形態無明顯變化。B點時水接觸土樣，受毛細力影響，測量質量可能略有增加。B點至C點，水從接觸土樣、浸沒土樣到一定高度停止注水，在此階段儲層浮力增加，使得測量質量呈線性下降。在第2階段，土樣不斷吸水增重，且吸水量大于崩解量，所有試樣的測量質量均有所增加。原狀土樣歷時最短且吸水量最大，測得試樣質量的增加率最大，而CIL歷時長，吸水緩慢。在第3階段，能夠發生崩解的試樣崩解量超過吸水量，崩解速率不斷增加，測量質量呈非線性下降。但水泥摻量大于等于3％的試樣未發生崩解，土樣形態仍無明顯變化。在第4階段，由于崩解作用而懸浮于水中的土顆粒受到的重力大于浮力，緩緩落入容器底部，使得水恢復澄清。未發生崩解的試樣無此階段。所述原狀黃土、不同水泥摻量下CIL崩解過程如圖3（b）所示。

綜上所述，原狀黃土最易發生崩解，最終崩解百分量（質量分數）達到100％，其余最終崩解百分量分別為98.6％、92.2％、88.4％。CIL改變了黃土的崩解進程，使得水泥摻量大于等于3％時CIL不存在快速崩解階段，說明水泥的摻入能夠固化黃土，使其不發生崩解。

2.2? 黃土崩解性指標

根據文獻［14］提出的數據分析方法，有效降低了土樣初始條件差異帶來的誤差。由于在大多數試驗中D點前只發生了少量的崩解，因此本次假設注水階段和吸濕增重階段的崩解忽略不計，在崩解開始時試樣達到飽和狀態。因此從快速崩解階段開始時刻〔見圖4（a）中D點〕開始計算試樣的崩解量。累積崩解百分量（Dr）的計算公式如下

Dr=mD-mt1mD×100%（1）

瞬時崩解速率Dv定義為連續2 s內的質量損失與D點的初始質量之比［19］，公式如下

Dv=mt1-mt2mD×100%（2）

式中：mt1為快速崩解階段某一時刻的傳感器測量質量；mt2為2 s后的測量質量；mD為吸濕增重階段結束時刻的測量質量。

根據所有土樣的崩解行為，能夠發生崩解的原狀黃土，0％、1％、2％摻量下的水泥改良黃土（下文簡稱為崩解組）與摻量大于等于3％的CIL（抗崩解組）的崩解過程和崩解現象有明顯區別，同樣兩種類型黃土的崩解性指標也具有很大差異。例如，圖4描述了崩解組的黃土崩解性指標，可見達到按時崩解和最大崩解百分量的時間隨水泥摻量的增加而減小，最終累積崩解百分量均達到80％以上，時間在200～1 200 s。而抗崩解組的累積崩解百分量和瞬時崩解速率幾乎為0，無法記錄CIL的崩解發展過程，說明1％、2％水泥摻量對黃土的改良效果不明顯，試樣能夠發生崩解，但對比圖4（a）中圖像可以看出，2％摻量CIL的崩解殘積物相對于零摻時有所增加，說明摻入水泥對黃土的崩解有抑制作用，但低摻量不能完全改良黃土性質。此外，未改良黃土達到瞬時崩解速率閾值大于含摻CIL達到瞬時崩解率閾值，且P1>P2>P3>P4，T1

崩解組與抗崩解組的崩解過程的區別主要體現在吸濕增重階段和快速崩解階段。對于崩解組，吸濕增重階段歷時較短，但吸水量較大，在快速崩解階段，原狀黃土對應的崩解速率明顯更快，說明此階段原狀土樣快速瓦解，大致歷時1 min。此外，相較于原狀黃土，零摻時黃土的按時崩解百分量和崩解速率更小的原因可能是初始沉積時不均勻顆粒的隨機排列，黃土結構存在非均質性，而重新排列使原來的亞穩結構轉變為更均勻的結構，水穩性提高。瞬時崩解速率起伏變化較為緩慢，在崩解過程中后期顯著增大。同時，加摻后黃土的按時崩解百分量明顯較小，此階段歷時更長，整個崩解過程比較平緩。對于抗崩解組，由圖5可見注水完成后測量質量曲線略有上升，說明浸水后水泥改良土一直處于吸濕增重階段，崩解程度近似為0。但伴隨著水泥摻量的不斷增加，吸水量略有增加，質量分數分別為13.9％、14.7％、17.1％和22.1％，產生原因可能是水泥具有較好的親水性，摻量增多吸引水泥與水發生水化反應。總體而言，3％及以上的摻量均對本研究土樣的崩解有明顯抑制作用，經水泥改良后黃土的水穩性顯著提高。

為了分析和量化水泥改良對黃土水穩性的影響，選出最小水泥摻量，對0％、1％、2％、3％、4％、6％、8％摻量下固定時間內CIL的累積崩解百分量閾值進行擬合。隨著水泥摻量的不斷增加，CIL崩解速率近似線性遞減（見圖6）。當水泥摻量為2.85％時，能夠滿足摻量最小，改良效果最好的情況，說明3％是研究區土樣的最小改良摻量。

2.3? CIL抗崩解機制

黃土是一種多孔不連續介質，自然狀態下受一定數量的膠結制約而保持亞穩結構［20-21］，因此遇水易發生崩解。水泥的固化作用可有效改善黃土的崩解性，素土和CIL的宏觀崩解差異主要源于土體內部孔隙結構、顆粒形態和粒間膠結等微觀結構表征。圖7為水泥改良前后黃土試樣的SEM圖像，圖7（a）為零摻量黃土放大500倍圖像，可見顆粒以多孔結構和架空體系為主，結構松散，孔隙連通性好。放大2 000倍后，土壤顆粒輪廓清晰可見，粒間聯結多以點對點接觸和點對面接觸為主〔見圖7（b）〕。圖7（c）是500倍下的CIL圖像，可見孔隙度降低，土顆粒呈現大顆粒渾圓狀，水泥的摻入使粒間孔隙被填充，阻礙了水分的運移。圖7（d）中原有顆粒周圍出現了許多微小晶體物質，這些與水泥的抗崩解性有重要聯系。

黃土的崩解作用可描述為土樣浸入水中時，水分迅速進入土壤孔隙，孔隙氣體來不及全部排出，引起顆粒周圍膨脹力逐漸增大。其次，土樣內礦物成分與水反應產生膨脹力，加速黃土崩解。另外，水中的土顆粒受到浮重力，這些組成了黃土的崩解力。粒間膠結等結構吸力f5和水分引起的濕吸力f6組成了黃土的抗崩解力，當崩解合力大于抗崩解合力時，黃土就會發生崩解。而水泥的抗崩解性主要展現在水泥的水解和水化反應以及黃土顆粒與水泥水化物作用上。

1）水泥的水解和水化反應。硅酸鹽水泥通常由CaO、SiO2、Al2O3、Fe2O3及SO3等組成，在加固土的過程中，這些氧化物通過水解和水化反應形成不同的水泥礦物［17］，這些水泥化合物通過相互黏合形成包裹土顆粒的網狀結構，提高了土顆粒間的膠結力。此外，部分孔隙被水化和水解產物所填充，減小了孔隙氣體引起的膨脹力，從而提升了土顆粒的水穩性。

2）黃土顆粒與水泥水化物作用。 主要包括團粒作用、 離子交換、 硬凝反應、 碳酸化作用等［22］。 由于土顆粒結構疏松， 在摻入水泥這種堿性物質的情況下， 離子交換使原來松散土顆粒凝聚呈團粒， 使土顆粒聯結更加緊密。 隨著反應程度的加劇， 水化物在孔隙水和空氣作用下凝固成水泥土， 不易被水侵蝕。 同時， 加固過程中Ca（OH）2與空氣中CO2發生碳化反應生產不溶于水的CaCO3。因此，水泥改良主要通過改變黃土結構［23-24］，使土顆粒聯結更緊密，形成特殊的水泥改良土結構。

3? 結論

為了進一步探究CIL的性質和機制，采用改進崩解試驗裝置對原狀和不同水泥摻量下的改性黃土進行室內崩解試驗，得出以下結論。

1）從CIL的崩解現象可知，0％、1％、2％的CIL與原狀黃土均具有完整的崩解過程（注水階段、吸濕增重階段、快速崩解階段、穩定階段），但CIL減緩了黃土的吸水進程，崩解歷時更長。3％及以上摻量的CIL崩解試驗不存在快速崩解階段和穩定階段，說明水泥固化黃土的結構使其不發生崩解。

2）1％、2％摻量下的CIL不能完全改良黃土性質，累積崩解百分量可達80％以上，但對黃土崩解有抑制作用。隨著水泥摻量的增加，抗崩解效果越明顯，瞬時崩解率閾值逐漸降低同時歷時變長。抗崩解組累積崩解百分量幾乎為0，抗崩解的最小改良摻量為3％。

3）CIL主要通過物理和化學作用提高黃土的崩解性，水泥的摻入使粒間孔隙被填充，阻礙了水分的運移;此外，水泥的水解和水化反應以及黃土顆粒與水泥水化物作用產物增加了粒間膠結并填充了土體內部部分孔隙，從而提升了土顆粒的水穩性。

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（編? 輯? 邵? 煜）