固化剂固化疏浚土的渗透性与微观机理研究

崔勇涛，刘文白

(1.中交疏浚技术装备国家工程研究中心有限公司，上海 201208；2.上海海事大学 海洋科学与工程学院，上海 201306 )

固化剂固化疏浚土的渗透性与微观机理研究

崔勇涛1，2，刘文白2

(1.中交疏浚技术装备国家工程研究中心有限公司，上海 201208；2.上海海事大学 海洋科学与工程学院，上海 201306 )

用水泥和石灰等胶结剂及激发剂构成的固化剂对上海市横沙岛东滩的疏浚土进行改良，在不同养护龄期和固化剂掺量的条件下，用自配固化剂对岛区疏浚土进行了渗透试验。分析了固化疏浚土的渗透系数与固化剂掺量、养护龄期之间的关系, 得到了疏浚土渗透系数在不同固化剂掺入比和龄期下的变化规律。结果表明：固化疏浚土的渗透系数随固化剂掺量和龄期的增加而明显变小，但在同一龄期下，当固化剂掺量继续增加时，其渗透系数变化不大。并利用电镜扫描(SEM)对不同固化剂掺量和不同龄期下的固化疏浚土的微观结构进行观测，获得了疏浚土固化前后的微观结构SEM图，结合SEM图对疏浚土固化前后的微观结构变化做了定性的对比和分析，从固化疏浚土微观结构中发现固化疏浚土中含有水化硅酸钙(C-S-H)、氢氧化钙晶体、无定形文石、钙矾石等能够填充孔隙的胶结物，并从微观上解释了固化剂固化疏浚土的固化机理。

固化疏浚土;固化剂；渗透系数;微观结构;固化机理

1 研究背景

因为土体的宏观工程性质在很大程度上受到微观结构的系统状态或整体行为的控制[5],而土的微观结构特征是决定其宏观力学性质的本质因素[6]，所以，疏浚土固化前后力学性能的显著变化，最终是其微观结构的变化引起的。而固化疏浚土是一种介于混凝土和土之间的特殊工程材料,有其独特的物理力学性质,原状土渗透性和固化剂的固化作用共同决定了固化疏浚土的渗透系数。本文运用电镜扫描技术对疏浚土固化前后微观结构的变化进行对比和分析，解释了固化剂对疏浚土渗透性的影响机理。

2 试验材料和仪器

2.1 试验材料

所采用的固化剂由多种材料配置而成，包括水泥、石灰等无机物构成的胶结剂以及激发剂。土样取自上海崇明县横沙岛区的疏浚土，经室内试验分析，其基本物理指标如表1所示。

表1 横沙岛区疏浚土物理性质指标Table 1 Physical properties of dredged mud at Hengsha island

2.2 试验仪器

扫描电子显微镜技术已广泛应用于土的微观结构研究[7]。本试验采用日本生产的超级分辨率场发射扫描电子显微扫描仪，如图1所示。最大分辨率可达0.7 nm@15 kV(GBSH)，电子显微镜主要由电子光学系统、真空系统和图像显示系统组成。其原理是当一束电子轰击试样表面时，被激发的区域将产生二次电子、背散射电子、俄歇电子等。这些电子经探测器收集后成为信号，采用不同信息采集器，可得到试样微观结构的形貌特征和化学成分信息，并显示出SEM图像，且电子图像分辨率很高，甚至可以呈现尺寸<1 nm大小的形貌。

图1 扫描电镜Fig.1 Scanning electron microscope

3 物理试验

3.1 渗透试验

试验中疏浚土含水率设定为56%，固化剂掺量为0%,4%,8%,12%，将疏浚土和固化剂放入搅拌仪中拌合均匀。环刀内壁涂抹一层凡士林，将拌合后的固化土填入环刀中，环刀尺寸高h=40 mm、直径d=61.8 mm、面积A=30 cm2。最后将做好的试样放入温度(20±2)℃、湿度90%的养护箱，分别养护7，14，21，28 d后进行渗透试验。

3.2 电镜扫描试验

将固化土和原状土试样经烘箱干燥后切成直径<8 mm，高度<18 mm的土样，用手从中间掰开，暴露出新鲜表面以拍摄微观结构图片。先将样品粘在样品架上,喷金使其导电，然后采用扫描电子显微扫描仪对样品颗粒和孔隙的形貌进行观察，选择具有代表性的区域拍摄图像。

4 固化疏浚土的渗透性分析

本文采用南TST—55型渗透仪对固化土的渗透系数进行测定。渗透试验的操作步骤和计算分析方法完全按照《土工试验方法标准》[8]中的规定，具体操作程序在此不作赘述。为了提高试验精度，每组采取2个平行试验，然后取试验结果的平均值，试验结果如表2所示。

表2 不同龄期和固化剂掺量下的渗透系数KTable 2 Permeability coefficient K in the presence of different curving agent contents and curing ages

经过大量的试验，总结出了一般土的渗透系数数量级：黏土为10-7～10-5cm/s;淤泥质土为10-5～10-4cm/s;砂质土为10-4～ 10-2cm/s[9]。从图2可看出：未掺固化剂时，疏浚土的渗透系数在7.3×10-5cm/s左右，且随龄期基本不变；掺入固化剂后，从试验开始到第14天养护龄期时间内，固化疏浚土的渗透系数急剧下降。以7 d龄期为例，4%固化剂掺量的固化疏浚土渗透系数由7.315×10-5cm/s下降到4.867×10-5cm/s，下降了33%；8%固化剂掺量的固化疏浚土渗透系数由7.308×10-5cm/s下降到3.546×10-5cm/s，下降了48%；12%固化剂掺量的固化疏浚土渗透系数由7.299×10-5cm/s下降到1.903×10-5cm/s，降幅达73%。

图2 渗透系数K与龄期T之间的关系Fig.2 Relationship between permeability coefficient K and curing age T

从图2还可看出：14—28 d龄期后，固化疏浚土的渗透系数下降趋势开始变缓，最后都趋于稳定，由此可以推测渗透系数进一步变化的可能性不大；28 d龄期时，8%和12%固化剂掺量下的固化疏浚土的渗透系数比较接近，这说明固化剂对疏浚土的固化作用已经完全发挥，固化疏浚土的结构已趋于稳定，此时再增加固化剂掺量对固化疏浚土的渗透性的影响不会太大,只会对疏浚土的压缩性、无侧限抗压强度和内摩擦角的提高具有较大影响。

图3为固化疏浚土的渗透系数K与固化剂掺量w的关系曲线。从图3可以看出：相同龄期下，固化疏浚土的渗透系数均随固化剂掺量的增加而降低, 随着固化剂掺量的加大,固化疏浚土的渗透性变化越来越小,抗渗和防渗效果大为提高。

图3 渗透系数K与固化剂掺量w之间的关系Fig.3 Relationship between permeability coefficient K and curing agent content w

(1) 固化疏浚土渗透系数的下降也随着固化剂掺量的增加而减小，7 d龄期时变化最为缓慢，14，21，28 d龄期时变化较快，其中28 d龄期时变化最快。7 d龄期时，固化剂掺量由4%增加到8%，固化疏浚土渗透系数由4.867×10-5cm/s下降到3.546×10-5cm/s，下降了27%；固化剂掺量增到12%，固化疏浚土渗透系数下降到1.903×10-5cm/s，下降了46%。可见固化剂掺量增加一倍，固化疏浚土渗透系数降幅由27%达到46%，下降幅度是原来的1.7倍。

(2) 28 d龄期时，固化剂掺量由4%增加到8%，固化疏浚土的渗透系数由1.325×10-5cm/s下降到0.575×10-5cm/s，下降了56%；固化剂掺量增到12%，固化疏浚土的渗透系数下降到0.201×10-5cm/s，下降了65%。可见28 d龄期时，固化剂掺量增加一倍，固化疏浚土的渗透系数降幅分别是相同固化剂掺量下7 d龄期的2.1倍和1.4倍，可见固化剂掺量在8%～12%时其效果比较好。

(3) 4%，8%，12%固化剂掺量下，14，21，28 d龄期时固化疏浚土的渗透性差别不大，但与7 d龄期时固化疏浚土的渗透性差别很大。由此，可以发现如果要在短时间内大幅度降低固化土体的渗透性，固化剂掺量应该加大，但如果要在28 d龄期之后改善疏浚土的渗透性，就不需要加大固化剂掺量，但固化剂掺量应>4%。

5 固化疏浚土的微结构SEM图分析

5.1 疏浚土固化前后的孔隙分析

土的微观结构是指土中颗粒和孔隙的大小、形状、相互排列及其相互连结的情况，土体的力学性质并不取决于黏土中基本结构单元的强度,而是取决于它们之间的结构黏结力。而对于土的渗透性来讲，主要受颗粒、渗透流体(水-土-电解质体系)、孔隙大小及分布(组构)等因素的影响[10]。

从结构上看，土体渗透性受土体内部孔隙的存在形式、孔隙的结构形态特征及孔隙比的影响较大。土体孔隙按空间分布的不同，可分为粒间孔隙、粒内孔隙和孤立孔隙[11],这从土体SEM图中可以看出。如图4所示，锁定图中箭头所示区域进行拍摄，不断缩小拍摄视野，将扫描电镜放大倍数从500，1 000，2 000倍逐渐调大到12 000倍，随着放大倍数的增大，土体结构逐渐清晰。从SEM图中可以直观地观察出粒间孔隙、粒内孔隙和孤立孔隙的形貌，且粒间孔隙最为发育。

图4 不同放大倍数固化疏浚土微观结构SEM图Fig.4 SEM images of microstructure of solidified dredged mud under different magnifications

粒间孔隙形状复杂，从图4中可以看出其直径大小不一，数量较多，且具有较好的连通性，渗流速度大，是水在土体内流动的主要通道，在水力梯度i不是很大时，就可以引起其中的重力水渗透，这也符合达西渗透定律，粒间孔隙对固化疏浚土的压缩性、孔隙性及固结特征有重要影响，是其渗透性大小的决定因素。

粒内孔隙如图4(d)所示，孔径大概在1 μm左右，甚至更小，数量多，只有在单个颗粒集合体内具有较好的连通性，需要以粒间孔隙为媒介才能与其他粒内孔隙实现间接的连通，但是从土体本身来看,其连通性较好。较小的孔隙尺寸具有极大的比表面，从而使渗流阻力增加，只有水力梯度增大到某一值时,才能使重力水在其中移动，但其渗流速度远小于颗粒间孔隙水的渗流速度。

孤立孔隙大都趋于圆形或椭圆形，直径虽然较大，但其数量少，分布不连续，相互隔绝，连通性最差[12]。对土的压缩性和孔隙性有较大的影响，但对土体渗透性影响不大。

5.2 疏浚土固化前后的颗粒分析

如图5所示，锁定图中箭头所示区域进行拍摄，不断缩小拍摄视野，同样将扫描电镜放大倍数从500，1 000，2 000倍逐渐调大到12 000倍，随着放大倍数的增大，土体结构逐渐清晰。从图5中可以看出：固化前原状土颗粒整体光滑，只有稀疏的细小颗粒附着在表面，粒间孔隙也很大，基本单元为碎屑和不规则的颗粒，分布随机，无定向性排列，骨架结构较松散，颗粒大小在0.5～40 μm不等，表面比较光滑，颗粒之间主要以点-点和点-面接触的方式连接，无任何有机的联系。

图5 不同放大倍数固化前的土颗粒Fig.5 Soil grains before solidification under different maganifications

图6为14，28 d龄期时，固化剂掺量在8%和12%时固化疏浚土的微观SEM图，为了便于分析和对比，图像放大倍数均为3 000倍。

图6 不同龄期T和固化剂掺量w下的 疏浚土微观SEM图Fig.6 SEM images of microstructure of solidified dredged mud under different curing ages and curing agent contents

通过图6与图4对比可以清晰地看出，加入固化剂后，疏浚土的微观结构发生了显著变化。从图6(a)可以看出，8%固化剂掺量下，14 d龄期时，颗粒表面布满了稀疏的胶凝物质，晶体依附在颗粒表面生长，形状还不明显，颗粒表面变得粗糙，此时粒间胶结作用还很弱，粒间孔隙缩小。从表2中可知，8%固化剂掺量下固化疏浚土的渗透系数已从0 d龄期时的7.308×10-5cm/s下降到14 d龄期时的1.859×10-5cm/s，下降了74%。疏浚土的渗透性对微观结构的变化非常敏感，即低掺量固化剂便可对土的渗透性产生较大影响。28 d龄期时，棒状晶体大量生长，向空间发展，产生分叉,并相互搭接形成空间网状结构，各种水化物和结晶产物互相胶结在一起。从图7中可观察到主要有针状或者针柱状钙矾石晶体、规则片状氢氧化钙晶体及放射状的水化硅酸钙晶体和水化硅酸钙凝胶，填充在土体缝隙,形成骨架结构，此时固化疏浚土的渗透性已经下降了一个数量级。

图7 不同放大倍数固化疏浚土中的各种结晶体和胶结物Fig.7 Crystals and cementing agents in solidified dredged mud under different maganifications

从图6(b)和图6(d)可以看出，28 d龄期时胶结物质几乎将粒间孔隙已完全填充，堵塞土中的各种渗流管道，土中颗粒已无法辨认，粒间孔隙被分割，尺寸被削减，形成许多微小的孔隙，且固化剂掺量越大微结构的变化越明显。从图中标尺可以直观地看出形成的微小孔隙尺寸在1 μm左右，且数量很多。这种微小的孔隙结构大大增加了水的渗流阻力，孔隙的大小、形状及分布的改变使孔隙间连通性变差，堵塞了渗流的主要通道，宏观上表现出渗透系数的降低。

6 固化剂固化疏浚土的微观机理分析

固化剂对于疏浚土的力学性质的改善机理非常复杂，其中既有化学作用又有物理作用。化学作用主要包括水化物的水解、结晶、阳离子交换等；物理作用主要包括水化物的胶凝、结晶体的填充、骨架作用和加筋作用[13-15]。

固化剂中对疏浚土起固化作用的主要成分是水泥和石灰，激发剂的作用主要是通过中和土颗粒表面电荷，减小双电层厚度以及絮凝作用促进水泥和石灰对土体的固化速度。水泥中硅酸三钙(3CaO·SiO2)、硅酸二钙(2CaO·SiO2)的水解生成尺寸非常小的水化硅酸钙(3CaO·2SiO2·3H2O)，无定形结构，具有很强的吸附作用，不断聚集大量的土颗粒，形成的骨架起到了支撑作用。硅酸三钙(3CaO·SiO2)反应很快，导致早期固化疏浚土的SEM图像中出现大量的胶结物质而堵塞孔隙，如图6(a)和图6(c)，使固化疏浚土渗透性迅速下降，硅酸二钙(2CaO·SiO2)反应较慢，水化硅酸钙的结晶，形成放射状及纤维状凝胶，主要对疏浚土后期的渗透影响较大。形成大量的放射状及纤维状的水化硅酸钙结晶，如图7所示，分布在颗粒表面或四周，将土颗粒团包裹，形成絮凝结构和较大的结构单元体或者团粒状结构，主要起胶凝作用。

此外，水泥中的铝酸三钙(3CaO2·Al2O3)和石膏的水化反应生成较粗大的针柱状或针棒状钙矾石晶体,如图7所示，产生很大的体积膨胀，挤压土颗粒并填充孔隙，使固化疏浚土渗透性降低。

水泥和生石灰中的矿物成分CaO和MgO的水化使得溶液中OH-，Ca2+，Mg2+浓度迅速增加，pH值升高，形成碱性环境，有利于Ca2+，Al3+与土中矿物SiO2和Al2O3发生水化反应，生成不溶于水且较为稳定的CaO-AlO3-H2O和CaO-SiO2-H2O。同时，Ca2+, Mg2+具有很强的吸附作用，会与土颗粒表面低价的 Na+,K+等阳离子发生交换，使水化离子半径减小、双电层变薄，降低土颗粒胶体双电层中的扩散层厚度，从而使粒间距减少，土颗粒相互靠拢，粒间结合力增强，颗粒聚集，土体变得密实。此外，生成的片状Ca(OH)2晶体(如图7所示)填充在土颗粒间的孔隙从而使渗透性降低。

7 结 论

(1)固化疏浚土的渗透系数随固化剂掺量的增加和龄期的增长而明显变小，但在同一龄期下，当固化剂掺量继续增加时，其渗透系数变化不大。

(2)固化剂水化后与土中颗粒相互作用影响了固化疏浚土的微结构特征，且固化剂掺量不同,固化疏浚土的内部结构也不相同。固化疏浚土中含有水化硅酸钙(C-S-H)、氢氧化钙晶体、无定形文石、钙矾石等能够填充孔隙胶结颗粒的物质生成，改变了土颗粒的大小、形状及相互间的连结状态，使得土体排列变得紧密，且在颗粒表面和孔隙中出现了很多纤维状和针状晶体，固化剂掺量越多，这些变化越明显，结构越致密，其渗透性也就越低。

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(编辑：刘运飞)

Permeability and Micro-mechanism of Dredged MudSolidified with Curing Agent

CUI Yong-tao1,2, LIU Wen-bai2

(1.CCCC National Engineering Research Center of Dredging Technology and Equipment Co., LTD,Shanghai 201208, China; 2. College of Ocean Science and Engineering,Shanghai Maritime University, Shanghai 201306, China)

Dredged mud from Hengsha island in Shanghai was improved by curing agent combining exciting agent and bonding agent such as cement and lime. Permeability tests were designed to study the permeability of the improved dredged mud in the presence of different curing ages and curing agent dosages. The relations of permeability coefficient of solidified dredged mud vs. curing agent content and curing time were analyzed, and the law of changes in permeability coefficient was obtained. Furthermore, the microstructure of solidified dredged mud with different curing agent contents and curing ages was observed by Scanning Electron Microscope (SEM) and the SEM images before and after solidification were obtained. According to the SEM images, changes in the microstructure of dredged mud before and after solidification were compared and analyzed. Results show that the permeability coefficient of solidified dredged mud decreased obviously with the increase of curing agent content and curing age; while under the same curing age, permeability coefficient changed little when curing agent content kept increasing. Micro-structure analysis indicates that calcium silicate hydrated (C-S-H), Ca(OH)2crystal, CaCO3crystal, amorphous aragonite and ettringite which could fill the pores were found in solidified dredged mud. Moreover, the mechanism of solidification of dredged mud was also analyzed from microscopic viewpoint.

solidified dredged mud; curing agent; permeability coefficient; microstructure; solidification mechanism

2016-02-26；

2016-03-23

国家自然科学基金项目(51078228)；国家海洋公益性行业科研专项(201105024-5)；2013年上海市研究生教育创新计划实施项目(20131129)；上海海事大学研究生学术新人培育计划(YXR2015095)

崔勇涛(1989-)，男，山东菏泽人，助理工程师，硕士，研究方向为港口海岸与近海工程结构与岩土工程，(电话)18801769763(电子信箱)18801769763@163.com。

刘文白(1955-)，男，山东济宁人，教授，博士，研究方向为岩土工程与港口结构工程，(电话)13371987356(电子信箱)liuwb8848@163.com。

10.11988/ckyyb.20160153

2017,34(5):109-114

TU375.4

A

1001-5485(2017)05-0109-06