土性對工程泥漿固化強度影響規律及微觀機理

卞 夏,葉迎春,劉 凱,李曉昭,樊朱益,郭光澤,張 偉

1)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 210098;2)深部巖土力學與地下工程國家重點實驗室,江蘇徐州 221116;3)龍游縣林業水利局,浙江衢州 324400;4)中國地質科學院,北京 100037; 5)江蘇省建筑工程質量檢測中心有限公司,江蘇南京 210028

隨著經濟的發展,大規?；A設施修建、地鐵線路站點施工、隧道開挖建設在如火如荼的進行。據交通部數據,截止至2021年1月,我國共有44座城市開通了地鐵線路,總運營里程達到7 623.3 km。更多的城市地鐵項目正在規劃當中,南京市未來的地鐵規劃里程就有632.0 km。除地鐵建設外,橋梁、隧道、房建項目更是不計其數。各類工程建設過程中,特別是基礎建設階段不免會產生體量較大工程泥漿。工程泥漿包括盾構泥漿、樁基泥漿、地連墻泥漿,其中盾構泥漿為工程泥漿的主要部分(楊凱,2020)。工程泥漿含水率較高,不便移動,往往在施工現場沉淀池中堆積,對施工現場安全性,設備進出等都具有重要影響。因此對于工程泥漿的資源化利用已經成為亟需解決的重要課題之一。

目前,國內外資源化處理工程泥漿的主要方式是化學固化處理,水泥作為一種常見的膠凝材料備受青睞,諸多學者在此基礎上進行了一系列的研究(鄭少輝等,2018; Zhang et al.,2020)。研究表明,當水泥摻量一定時,水泥固化土強度會隨著土體初始含水率的升高而降低,這是因為初始含水率的增加使得固化土中單位體積內水化膠凝產物數量減少,導致土體間難以形成高強度骨架來抵抗變形破壞。張春雷指出,水泥固化土強度與初始含水率之間呈冪指數關系下降(張春雷等,2010),即初始含水率的提高會極大降低水泥固化劑的固化效果。因此一些研究利用添加吸水材料降低含水率來提升固化效果。王東星等(2012)基于傳統水泥和石灰固化處理方法,提出了利用大摻量低鈣粉煤灰、水泥和石灰固化劑進行淤泥固化處理的方法; 丁建文等(2010)通過添加磷石膏固化處理高含水率疏浚淤泥并且效果顯著。但是這些方式對土體中的水分消耗是有限的,固化成本上的改善也微乎其微。Bian et al.(2018)將高分子吸水樹脂(SAP)應用于高含水率泥漿土資源化處理中,發現SAP顯著提高固化土的強度性狀,被證明可以作為高效處理高含水率泥漿土的外加劑之一。

然而,已有研究大多針對單一泥漿開展資源化試驗研究,實際工程中工程泥漿的性狀隨著地層的變化會有著顯著的改變,不同泥漿性狀對資源化處理后強度有著顯著影響。因此亟需探討不同土性對泥漿固化效率影響研究,從而實現工程泥漿高效處理。本文基于高分子吸水樹脂固化方法,研究了土體液限和高嶺土摻入對工程泥漿土固化強度影響規律,并探究其微觀機理。研究成果可以為實際工程中,提升高含水率泥漿土資源化利用效率提供理論依據。

1 試驗材料與試樣制備

試驗所用土樣為南京地鐵S6號線麒麟門站盾構泥漿土,取于地鐵開挖土沉淀池中。取回的土樣自然風干后破碎并過2 mm篩從而保證試樣粒徑大小的均勻性。表1列出了各不同液限值盾構泥漿土基本物理性質,其中土樣D是由土樣A添加40%高嶺土配置而成的。本文使用的水泥、石灰、高嶺土均購自惠灰實業,水泥為42.5#普通硅酸鹽水泥,石灰為生石灰,含鈣90%以上。

表1 土體基本物理性質指標Table 1 Basic physical properties of soil

高分子吸水樹脂是一種含有羧基、羥基等強親水性基團并具有一定交聯度的新型高分子材料。本文所用高分子吸水樹脂粒徑大小在30～60目之間,外觀為純白顆粒,該高分子吸水樹脂最大理論吸水率為400 g/g(g/g表示吸水質量/SAP質量)。

試樣制備: ①調節土樣初始含水率為2倍液限值,調節完成后使用攪拌器將泥漿土攪拌均勻。②將SAP顆粒分批、緩慢倒入并攪拌,攪拌完成后靜置5分鐘使SAP充分吸水。③將SAP與泥漿混合物和水泥石灰混合攪拌10 min以保證試樣的均勻性。④將水泥、石灰、泥漿、SAP混合體裝入直徑50 mm、高度100 mm、內壁均勻涂抹油性脫模劑的圓柱形PVC模具中。⑤24 h后,拆除圓柱形PVC模具,將所有試樣分別用塑料膜包裹并在溫度為(20±2) ℃、相對濕度保持95%以上的養護箱內養護。本文先后進行了固化土體的無側限抗壓強度試驗和微觀試驗,具體試驗方案列于表2,方案中水泥和石灰的摻入量分別為12%和3%。

表2 試驗方案Table 2 Test plan

無側限抗壓強度采用YSH-2型石灰土無側限壓力儀開展試驗。試驗時,應變速率為1 mm/min,每組3個試樣,取其平均值作為該條件下的無側限抗壓強度。

掃描電子顯微鏡試驗中,首先對目標試樣使用液氮進行冷凍干燥,之后將觀測樣固定于承臺上進行預抽真空以及正式抽真空并噴鍍60 s,最后放入掃描電子顯微鏡儀器中進行相關試驗。

X射線衍射試驗則是在試樣冷凍干燥后使用研缽進行研磨,研磨結束后使用酒精擦試干凈,試樣制備結束后便可開展相關試驗。微觀試驗均于南京大學地球科學與工程學院完成。

2 結果與討論

2.1 固化土強度性狀影響規律

2.1.1 液限對固化土強度影響規律

圖1a-d為各齡期無側限抗壓強度隨液限變化的影響,圖中Ap表示SAP摻量,qu表示固化泥漿土無側限抗壓強度。從圖中可以看出隨著液限的上升,固化泥漿土強度逐漸降低。這是因為在初始含水比(w0/wL)相同情況下,液限越高,固化泥漿土的含水率越高,含水率的升高將導致孔隙比上升。然而水泥水化產生的水化硅酸鈣凝膠只能起到膠結作用,并不能有效填充孔隙,無法彌補孔隙增大帶來的強度損失。因此,高分子吸水樹脂固化泥漿土隨著液限的升高,導致固化泥漿土孔隙比增大,從而使得固化泥漿土強度降低。

圖1 液限對強度增長的影響Fig.1 The influence of liquid limit on the growth of qu

此外圖1顯示,隨著液限增大,強度衰減趨勢更加顯著,并且齡期越長,影響越明顯。由于試驗中試樣擁有相同的含水比,隨著液限的上升,泥漿土內部含水率增量Δw會呈液限增量ΔwL兩倍數值增長,導致固化泥漿土含水率快速上升,通常水泥固化土無側限抗壓強度會隨著含水率的升高呈冪關系下降(楊小玲等,2020),因此隨著液限的增大,不同液限固化泥漿土之間的強度差也越大。

2.1.2 高嶺土對固化土強度影響規律

圖2a-d為各齡期高嶺土的摻入對固化泥漿土強度的影響?？梢园l現高嶺土的摻入有效提高了固化泥漿土的無側限抗壓強度。隨著齡期的增長,高嶺土對強度的增強作用也在不斷提升。這主要是由于高嶺土是不穩定態的硅鋁化合物,在水泥、石灰所提供的堿性環境中,高嶺土中富含的大量活性成分(Al2O3、SiO2)會與水泥水化以及生石灰產生的Ca(OH)2發生反應,產生水化硅酸鈣、水化鋁酸鈣等膠凝產物,從而起到提升強度的作用。

圖2 高嶺土對強度增長的影響Fig.2 The influence of kaolin clay on the growth of qu

雖然高嶺土的摻入使得泥漿土的液限增大,但其強度并未隨著液限的增大而降低,其原因為高嶺土的加入為水化反應提供更多的原材料,此時固化泥漿土的強度提升主要是由于更多的水化產物,形成了更強的膠結結構。同時孔隙比增大對強度降低的影響則顯著弱于膠結強度的提升作用。

由圖2也可以看出SAP摻量對高嶺土強度提升產生積極影響,隨著SAP摻量的增大,高嶺土的摻入對強度提升更加明顯。這是因為SAP的高吸水率在一定程度上削弱了液限提高引起的強度降低,SAP吸水可以有效的降低孔隙比,填充孔隙,優化土體內部結構,從而提升強度。

2.1.3 SAP對不同液限固化土強度的影響

隨著SAP摻量的增加,固化泥漿土強度顯著增加。這是由于SAP具有很強的吸水能力,可以吸附大量的孔隙水,吸水膨脹后的SAP填充了土體孔隙,使土體結構更密實,強度隨之提高。這也與前人的研究結果一致(Bian et al.,2018)。由圖3可以看出隨著液限的增大,SAP摻量對于強度增強的效果逐漸削弱。這可以理解為液限的增大伴隨而來的是土體更多孔隙,而SAP的吸水量與可填充的孔隙量畢竟有限,因此導致隨著液限的增大,SAP對于強度的影響逐漸減少。

圖3 SAP摻量對強度增長的影響Fig.3 The influence of SAP content on on the growth of qu

圖3中顯示SAP的摻入對不同液限的固化泥漿土強度的補償作用,隨著液限增大而顯著降低。當wL=43.2%時,添加10‰的SAP才能勉強達到wL=32.1%不加SAP時的強度; 當wL=38.0%時,僅需添加1‰的SAP就已經達到并超過wL=32.1%不加SAP時的強度。因此在實際工程中為了提升工程泥漿固化效率,可以摻入SAP消除液限增大產生的固化效率衰減的影響,但是隨著液限增大,達到相同固化效率所需SAP摻量也隨之增加。

2.2 高分子吸水樹脂固化泥漿土微觀機理

2.2.1 液限及SAP對固化泥漿土強度影響機理

圖4a、b展示了SAP摻量、液限對固化泥漿土X射線衍射結果的影響。從圖中可以發現,液限、SAP對固化泥漿土主要礦物成分并沒有產生明顯的影響。除了石英、鈉長石、羥鐵云母等固有礦物成分,水化硅酸鈣、水化鋁酸鈣、氫氧化鈣等水化產物外,并沒有產生新的礦物成分。此外可以發現液限、SAP并不會對水化產物產生量帶來顯著變化,也表明不同液限泥漿土在相同摻量下的水化產物量,以及膠結強度基本保持不變,這也與已有文獻中結果一致(Bian et al.,2018)。

圖4 X射線衍射圖Fig.4 X-ray diffraction pattern

圖5和圖6分別展示了wL=32.1%與wL=38.0%固化泥漿土掃描電子顯微鏡圖像。從圖5a和圖6a可以看出,固化泥漿土液限越低,孔隙越小,孔隙結構越致密,同時基于XRD試驗結果表明水化產物量并未發生顯著變化。這也表明液限增大引起固化強度降低的主要原因是由于液限較大固化泥漿土由于孔隙增多,將會產生較為松散的微觀結構(對比圖5b和圖6b),在相同水化產物膠結作用下,其強度隨之而降低。

圖5 掃描電子顯微鏡圖像(wL=32.1%,AP=0‰)Fig.5 Scanning electron microscope image of stabilized soil with (wL=32.1%,AP=0‰)

圖6 掃描電子顯微鏡圖像(wL=38.0%,AP=0‰)Fig.6 Scanning electron microscope image of stabilized soil with wL=38.0%,AP=0‰

圖7和圖8為wL=32.1%固化泥漿土在SAP摻量為0‰及10‰時的掃描電子顯微鏡圖像。對比圖7a和圖8a可以發現,摻入10‰SAP的固化泥漿土內部結構明顯更加致密。這說明SAP使得固化泥漿土強度增大是因為其改善了土體的微觀結構,吸水后膨脹的SAP占據了土體團聚體之間大孔隙,使得固化泥漿土整體結構更加密實(對比圖7b和圖8b)。

圖7 SAP摻量為0‰固化土掃描電子顯微鏡圖像Fig.7 Scanning electron microscope image of stabilized soil with SAP content of 0‰

圖8 SAP摻量為10‰固化土掃描電子顯微鏡圖像Fig.8 Scanning electron microscope image of stabilized soil with SAP content of 10‰

2.2.2 高嶺土對固化泥漿土強度影響機理

圖9為高嶺土對固化泥漿土礦物成分的影響?？梢钥闯?高嶺土的摻入使得水化產物CSH和CAH的三峰強度得到顯著增強,這說明高嶺土的摻入有效提高了固化泥漿土中的CSH和CAH等水化產物的產量。圖10a、b分別顯示了wL=32.1%以及摻入高嶺土的wL=61.4%固化泥漿土掃描電子顯微鏡圖片。從圖中可以看出,擁有更低液限的wL=32.1%固化泥漿土雖然更加致密,但是附著在泥漿土團粒聚體表面的絮狀水化產物量明顯較少。同時,摻入高嶺土wL=61.4%固化泥漿中清晰可見的黏粒團聚體表明有著大量的絮狀水化產物,這說明高嶺土提高固化泥漿土強度的作用機理與SAP不同,高嶺土的摻入增加了水化膠凝產物的生成,提高了固化泥漿土的膠結強度。此時固化泥漿土強度取決于水化產物形成的膠結結構強度,而固化泥漿土由液限升高引起的內部孔隙比增大對強度的影響則較小。因此高嶺土的摻入使得強度大幅度增大。

圖9 摻入與不摻高嶺土固化土X射線衍射圖Fig.9 X-ray diffraction pattern of stabilized soil with and without Kaolin clay

圖10 高嶺土的摻入對固化泥漿土微觀結構的影響Fig.10 Influence of adding kaolin on the microstructure of stabilized soil

3 工程意義

根據本文室內試驗得出的規律性質,可以用此結論指導現場工程泥漿的資源化利用。首先在工程現場可以通過調配工程泥漿土的液限,通過降低泥漿土的液限來提高固化效率。土體的液限與黏粒含量呈顯著正相關,與砂粒含量呈明顯負相關。這說明在實際現場我們可以通過調配泥漿的粒徑分布,減少黏粒含量,增大砂粒含量以此來減小液限從而提升泥漿固化效率。其次在現場同樣可以向泥漿中加入高嶺土來提高泥漿土的固化強度,我國高嶺土資源豐富,利用高嶺土提高固化強度存在可行性。同時,諸如高嶺土尾礦的一些高嶺土基廢棄物長期廢置,不僅占用土地還會污染生態,這些高嶺土基廢棄物與高嶺土性質非常相似,可以代替高嶺土來處理廢棄泥漿土,這樣既提高了泥漿土的固化效率,也實現了高嶺土基廢棄物的資源化利用,實現“以廢制廢”的綠色環保理念。最后當工程現場難以調配土體的液限或者高嶺土資源難以獲取或成本較高,可以摻入SAP來彌補固化強度效率隨著液限增大產生的損失,從而降低工程造價。

4 結論

(1)在固化劑摻量相同的條件下,工程泥漿的液限越大,固化強度越低。隨著液限的升高,其對強度衰減的影響越明顯。同時齡期越長,液限對于強度的影響更加劇烈。

(2)高嶺土的摻入使得泥漿土的液限增大,但其強度并未隨著液限的增大而降低,其原因為高嶺土的摻入顯著提高了水化產物摻量,此時固化泥漿土的強度提升主要受水化產物膠結作用的影響,而孔隙比對強度的影響次之。同時,齡期對于高嶺土摻入對強度的影響效果也很明顯,在同一高嶺土摻量下,固化泥漿土強度隨齡期增大而增大。

(3)SAP的摻入使得固化泥漿土的強度大大提高,這是因為吸水膨脹的SAP填充了土體孔隙,使得土體微觀結構更加密實。隨著液限的增大,SAP摻量對于強度增強的效果逐漸削弱,這是由于SAP吸水后填充孔隙的效率隨著液限的增大而逐漸減小,從而引起SAP對固化效率提升作用隨著液限增大而降低。

(4)基于本文研究可以發現實際工程中可以通過調配工程泥漿土液限、摻入高嶺土系尾礦以及加入SAP等方式而提升固化效率,達到降低工程造價的目的。

Acknowledgements:

This study was supported by National Natural Science Foundation of China (No.52178328),and State Key Laboratory for Geomechanics and Deep Underground Engineering,China University of Mining and Technology (No.SKLGDUEK2114).