云母影响水泥软黏土强度的试验研究

张亚玲，赵晓彦，严 群

（西南交通大学地球科学与环境工程学院，四川 成都 610031）

用水泥作为固化剂进行软黏土地基处理的技术具有较高的经济性、环保性、高效性以及便捷性，在实际工程中被广泛应用。将水泥与地基土拌合会产生各种物理化学反应使得软黏土地基的承载力得到提高、沉降量减小。然而，水泥对软黏土的加固效果会受到各种因素的影响。赵春彦[1]研究了不同的养护龄期、含水率以及水泥掺量下的水泥软黏土无侧限抗压强度的变化情况并建立了相关的强度预测公式。刘宝臣等[2]进行水泥改良红黏土力学性质的研究，研究显示水泥对软弱红黏土强度的提高与水泥的掺入量、龄期之间存在较好的相关性，随着水泥掺量和龄期的增加，水泥红黏土的黏聚力持续增加,抗拉强度则呈现先增大后减小的趋势。可见，以往对水泥土强度的研究多集中于水泥掺量和龄期的影响，且成果颇丰[3−8]。

实际上，除了水泥的掺入量和养护龄期之外，土质也是决定水泥对软黏土加固效果的重要因素，土质对水泥土的加固效果即水泥土强度的影响主要是源于不同的土质所具有的粒度成分、有机质含量、可溶盐类型以及酸碱度会有所差异。芮凯军等[9]的实验研究表明当其它条件一致时，水泥加固以粉质黏土为主的土层时效果要好于以淤泥质粉质黏土为主的土层。陈慧娥等[10]的试验显示土中的有机质对水泥水化物的产生具有不利影响，随着有机质含量的增加，水泥土试样的抗剪强度和无侧限抗压强度均减小。邢皓枫等[11]着眼于被加固土中可溶盐离子对水泥软黏土强度的影响，研究结果表明Mg2+、Cl−、SO24−离子的含量与水泥软黏土强度呈负相关,上述离子的存在除了会使得水泥软黏土在微观结构上发生变化，同时还会阻碍水泥的水化产物C-S-H以及C-A-H生成。傅小姝等[12]的研究显示酸性环境下水泥土的渗透系数更大，无侧限抗压强度更低，在碱性环境下则相反。杨爱武[13]在天津海相沉积软土为原料的水泥土中加入Na(OH)2，试验表明碱性环境有助于水泥土强度的提高。上述研究成果表明，软黏土的粒度成分、有机质含量、可溶盐类型及酸碱度均对水泥土的强度有显著影响，但是关于被加固软黏土中特定矿物成分对水泥土强度影响的研究目前来说还较少。

云母是软黏土特别是滨海相软黏土中常见的矿物成分，表1为我国部分沿海地区软黏土中云母含量统计表。云母作为一种广泛存在于软黏土中的矿物，其含量和颗粒大小的不同会导致软黏土性质的差异。因此，研究云母影响下水泥软黏土的强度，探究以云母含量和云母目数为变量的水泥软黏土无侧限抗压强度、抗剪强度指标值变化规律，对此类土质的加固设计具有实际的工程意义。

表1 我国部分沿海地区软黏土中云母含量占比情况Table 1 Percentage of mica content in soft clay in some areas

1 试验方案

1.1 试验设计

本文研究云母对水泥软黏土强度影响的试验包括直接剪切试验和无侧限抗压强度试验。试验中云母目数和云母含量为2个变量，其中云母目数设定为10，20，40，80目共4个梯度，对应粒径分别为1.70，0.83，0.38，0.18 mm，图1所示是不同目数的云母。此外，云母含量设置5个梯度，分别是0%、8%、16%、24%、32%。参照《水泥土配合比设计规程》（JGJ/T 233—2011）[19]，本次试验水泥软黏土配合比设计为：水灰比0.45，水泥掺量12%，含水量45%，养护龄期28 d。

图1 不同目数的云母Fig.1 Mica of different particle sizes

1.2 试样制备

表2是试验用云母的化学成分及含量，水泥为M32.5普通硅酸盐水泥，试验用水为自来水。

表2 云母的主要化学成分Table 2 Chemical compositions of mica

试验用软黏土的物理力学性质如表3所示。为了更好的控制式样中云母的含量选择了不含云母的软黏土，表4是利用x射线衍射分析确定的软黏土的矿物组分。将现场取回的土样放置在干燥通风处，待风干后碾碎过5 mm筛，过筛后的土进行含水率测试然后放置在密封的塑料桶中备用。无侧限抗压强度试验所用试模为内径40 mm、内高80 mm、壁厚2 mm的圆柱型试模；剪切试验用的是70 mm×70 mm×70 mm的立方体试模以及φ61.8×20 mm的不锈钢环刀。按照设计配比将材料拌合均匀后置于试模中成型，拆模后养护到要求龄期立刻进行强度试验。

表3 软土的基本物理性质Table 3 Physic-mechanical indices of soft soil

表4 软黏土的矿物成分Table 4 Mineral compositions of soft clay/%

1.3 试验方法及试验数据

水泥软黏土无侧限抗压强度试验使用YYW-Ⅲ型无侧限压力仪。根据不同云母目数和含量共制作17组试样，每组试件6个共102个试样，取6个试件的平均值为该组试件无侧限抗压强度值。水泥软黏土剪切试验使用DSJ—2型电动四联等应变直剪仪，根据不同云母目数和含量共制作17组试样，每组试件为12个共204个试样。试验时垂向荷载分100，200，300，400 kPa 共4级加载，各级荷载下进行3次重复试验，取3个试件的平均值为该组试件在给定竖向压力下的抗剪强度值。每组试验样品均需在密封透明袋中进行为期28 d的养护（图2），达到养护龄期后立即开始试验，表5是水泥软黏土无侧限抗压强度（qu）和抗剪强度（c、φ）试验结果。图3是试样被剪断后的断面图，云母含量为零的试样断面光滑整齐（图3a），云母目数为10目、含量为32%的试样剪断后的断面，可明显看到大量云母颗粒的存在，且断面呈现非光滑的参差状（图3b）。

表5 水泥软黏土强度试验结果Table 5 Results of the cement-reinforced soft clay strength

图2 试样密封养护Fig.2 Samples sealed for preservation

图3 剪切面形态Fig.3 Morphology of shear surfaces

2 试验结果分析

2.1 云母含量对水泥软黏土抗压强度的影响

图4是随着云母含量w的变化水泥软黏土无侧限抗压强度qu的变化规律。如图4所示，云母含量与水泥软黏土无侧限抗压强度呈负相关，具体表现为：不添加云母时，龄期为28 d的水泥软黏土无侧限抗压强度为1.28 MPa。当其余变量保持一定时，随着云母含量的增加，水泥软黏土的无侧限抗压强度明显降低，云母含量由0%增加至8%，抗压强度减小得较为缓慢，而云母含量由8%增加至16%，水泥软黏土抗压强度下降较快，云母含量大于16%以后抗压强度的减小速率略有减缓。

图4 水泥软黏土qu-w曲线Fig.4 qu-w curves of the cement-reinforced soft clay

加入10目含量分别为8%、16%、24%和32%的云母时，水泥软黏土的强度由1.28 MPa降低至1.11，0.63，0.42，0.33 MPa，强度分别为未加云母时的86.7%、49.2%、32.8%、25.8%，云母含量为32%时的抗压强度比8%时多减少了0.78 MPa。

2.2 云母目数对水泥软黏土抗压强度的影响

图5为云母目数a与水泥软黏土无侧限抗压强度qu之间的关系，如图5所示，云母目数和水泥软黏土抗压强度呈正相关。含量为32%、云母目数分别为80，40，20，10目时，水泥软黏土的抗压强度由1.28 MPa降低至0.58，0.52，0.45，0.33 MPa，强度分别损失了54.7%、59.4%、64.8%、74.2%，含有10目、32%云母的试样，其抗压强度损失量比含80目、32%的多19.5%。

图5 水泥软黏土qu-a曲线Fig.5 qu-a curves of the cement-reinforced soft clay

云母目数由80目降低至40目，抗压强度最大减小量为0.08 MPa，强度下降幅度较小；当云母目数从20目降低到10目时，抗压强度的降低速率加快，最大减小量达到0.12 MPa。

云母含量为8%时，云母目数对于水泥软黏土抗压强度的影响不显著。掺入80目云母与10目云母的水泥软黏土，两者抗压强度的差值很小，只有0.03 MPa，推测可能是因为此时试样中云母含量较低，在搅拌较均匀的情况下，云母粒径的改变还不足以引起水泥软黏土强度大幅度的变化，结合图4所示云母含量由0至8%这个区段内抗压强度的变化规律，可以将含量8%作为云母目数影响水泥软黏土抗压强度的一个临界值，即当软黏土中云母含量小于8%时可不考虑云母粒径对抗压强度的影响。

2.3 云母含量对水泥软黏土抗剪强度的影响

图6是水泥软黏土黏聚力c和内摩擦角φ随着云母含量w变化的规律。当云母目数一定时，随着云母含量的增加，水泥软黏土的黏聚力逐渐减小。当加入10目含量分别为8%、16%、24%、32%的云母时，水泥软黏土的黏聚力从88.74 kPa减少至84.15，81.86，79.56，76.50 kPa，含量为32%时的黏聚力比未加云母时的减小了12.21 kPa（图6a）。此外，随着云母含量的增加，虽整体上内摩擦角呈下降趋势，但减少量相对较小，80目、32%云母含量水泥软黏土的内摩擦角为23.34°时，比未加云母时减小0.37°，10目、32%云母含量水泥软黏土的内摩擦角为21.77°时比未加云母时测得的小1.94°(图6b)。

图6 水泥软黏土c、φ随云母含量w变化的规律Fig.6 Variation of cohesion and internal friction angle of the cement soft clay with mica content

2.4 云母目数对水泥软黏土抗剪强度的影响

图7是云母目数a与水泥软黏土黏聚力c、内摩擦角φ之间的关系。当仅有云母目数作为变量时，随着云母目数的减小，水泥软黏土的黏聚力降低（图7a）。例如，当含量均为32%时，所含云母的目数为80目的水泥软黏土其黏聚力比含云母目数为10目的大6.10 kPa。此外，云母目数从80目变化至10目，水泥软黏土黏聚力的变化规律也符合云母粒径的变化趋势：云母含量从80目减小到40目黏聚力下降的速度较为缓慢，而云母含量由40目降低至10目的这个过程中，黏聚力的减小速度逐渐加快。当云母含量一定时改变云母的目数，内摩擦角随着云母目数的减小同样呈减小趋势，并且，当含量由8%变化至32%，云母目数为80目水泥软黏土的内摩擦角变化范围最小，随着云母目数减小、云母粒径增大，云母含量对水泥软黏土内摩擦角的影响变得愈加显著（图7b）。

图7 水泥软黏土c、φ随云母目数a的变化规律Fig.7 Variation of cohesion and internal friction angle of the cement soft clay with mica mesh number

2.5 讨论

综上所述，随着云母含量的增加和云母目数的降低，水泥软黏土无侧限抗压强度与抗剪强度指标值均减小，但三者所受到的影响程度不尽相同。试验测得抗压强度和抗剪强度指标的最大值都是在未加云母时，分别为1.28 MPa、88.74 kPa以及23.71°，最小值是出现在加入10目含量为32%的云母时，测得的最小抗压强度为0.33 MPa，相比最大值强度损失了74.5%；测得的最小黏聚力为76.5 kPa，相比最大值强度损失13.8%；测得的最小内摩擦角为21.77°，强度损失量为8.2%。由此可见，云母对水泥软黏土无侧限抗压强度的不利影响更为显著（表6）。

表6 水泥软黏土强度试验统计值Table 6 Test statistics of strength of the cement soft clay

考虑双因素作用时云母对水泥软黏土强度的影响，以云母含量w和云母目数a为2个自变量，分别以无侧限抗压强度qu、黏聚力c、内摩擦角φ为因变量进行二元拟合，得到3组拟合式。式(1)和式(2)为云母含量、目数与水泥软黏土无侧限抗压强度、黏聚力的拟合模型，相关系数分别为0.938和0.911，该相关系数表明模型与实际情况拟合较好，用此模型可以反映云母含量、云母目数这2个变量对水泥软黏土无侧限抗压强度和黏聚力的影响规律。同样地，式（3）为云母含量、目数与水泥软黏土内摩擦角的拟合模型，相关系数为0.806，对比式（1）以及式（2），拟合模型表现出的相关性弱一些，这一点通过图7（a）所呈现的抗压强度(图8a)、黏聚力（图8b）以及内摩擦角（图8c）的试验实测值与数据拟合值的对比图也可以反映出来，但是依然可以在一定程度上反映云母含量和目数这2组变量与水泥软黏土内摩擦角之间的关系，这3组模型可以运用于处理类似土质的工程实践当中。

图8 水泥土强度的试验值与拟合值对比Fig.8 Comparison between the test values and the fitted values of the soil-cement strength

3 云母影响水泥软黏土强度的原因

3.1 云母影响水泥的水解水化作用

水泥的水化水解作用是水泥软黏土强度得到提高的一个重要原因，水泥中的主要孰料矿物C2S、C3S、C3A、C4AF遇水以后会生成Ca(OH)2、介稳状态的水化铝酸钙以及无定形的C-S-H凝胶等。随着反应的不断进行，生成的水化物逐渐积累，待溶液达到饱和后再生成的水化物无法继续溶解，先是以胶体的形式存在，然后逐渐凝聚成坚硬的块状体，这些块状体充填在土颗粒间孔隙中，形成互相连接的坚硬骨架，这样水泥软黏土的强度便得到了增强[20]。但是，当含有云母时，云母会抢夺水泥进行水化水解反应所需要的水分，硅酸三钙的水化水解作用提前进入稳定期，水化产物减少，不仅直接影响胶结作用，还不利于后续一系列反应的进行。

3.2 云母影响水泥水化物与黏粒相作用

水泥中的孰料矿物与水发生反应后的部分产物还会与软黏土中的黏粒相作用。软黏土中存在着大量黏土颗粒，这些颗粒极其细小，具有较大的比表面积和带电性，当与水相遇时将产生复杂的物理化学变化，从而获得胶体分散系的一些特征，其表面带有的Na+、K+等离子会与Ca(OH)2中的Ca2+发生离子交换作用，形成更大的团粒结构，由此增强水泥软黏土的强度[21]。但当含有大量云母时，不仅水泥水化水解作用的产物Ca(OH)2会减少，而且软黏土中的黏粒也会更难和水充分接触形成胶体，从而影响到离子交换作用形成更大团粒结构的这个过程，因此水泥软黏土强度的提高就变得十分有限。

3.3 云母的定向排列形成软弱面

云母属层状硅酸盐矿物，表面光滑,可沿节理面发生错裂，常具片状形态（图9）。由于片状形态的云母比表面积很大，所以极易吸附结合水形成较厚的结合水膜，使得颗粒与颗粒之间的接触面积减小，从而造成土颗粒的粒间连结力变弱。除此之外，高含量大颗粒的云母还很容易定向排列形成软弱面。当云母颗粒和含量较小时，在拌合充分的条件下，云母均匀地分布在水泥软黏土中，这时云母对水泥软黏土强度的影响并不明显。但是随着云母含量和云母粒径的增加，在竖向压力的作用下云母颗粒可能会形成定向排列，出现明显的滑动面（图10），而结合水膜又能起到润滑作用，如此在外力作用时，就很容易沿着软弱面发生破坏，从而导致水泥软黏土的强度降低。

图9 片状云母颗粒粒间水分子赋存示意图Fig.9 Occurrence diagram of water molecules among flake mica particles

图10 水泥软黏土中的云母竖向压力作用下的定向排列Fig.10 Directional arrangement of mica in cement soil under the vertical force

4 结论

（1）云母目数一定，随着云母含量的增大，水泥软黏土的抗剪强度和无侧限抗压强度均降低。云母含量为32%的水泥软黏土，其28 d龄期的无侧限抗压强度可低至不含云母时的25.8%，黏聚力可减小12.24 kPa，内摩擦角影响相对较小，约降低2°。

（2）云母含量一定，随着云母目数的减小，水泥软黏土的抗剪强度和无侧限抗压强度均降低。当云母含量小于8%时，云母目数对无侧限抗压强度的影响非常小。在本文所设定的2组自变量变化范围内，可以将云母含量为8%作为云母目数影响水泥软黏土抗压强度的一个临界值。

（3）云母对水泥软黏土无侧限抗压强度的影响更为显著，加入10目32%云母水泥软黏土的无侧限抗压强度降低了74.2%。

（4）云母影响水泥软黏土强度的主要原因是云母的存在不利于水泥水解水化反应和离子交换作用的进行，并且云母自身为片状形态，大量存在于软黏土中会使得颗粒间的连接力降低，若定向排列还会形成软弱面从而降低水泥软黏土的强度。