水泥改性膨胀土基本特性试验

王 佩，宋新江，徐海波，周文渊

(安徽省(水利部淮河水利委员会)水利科学研究院，安徽 合肥 230000)

膨胀土含有大量的蒙脱石和伊利石等矿物成分，由于蒙脱石和伊利石具有非常强的吸水膨胀能力，在反复的吸水膨胀和失水收缩过程中，膨胀土内部结构发生变形，产生大量裂隙，土体结构遭到破坏，加之水的软化作用，使得土体的抗剪强度骤降，进而导致膨胀土边坡容易发生崩塌、滑坡等失稳现象[1-5]。由于膨胀土在我国分布广泛，通过换填改良地质条件是不可行的[2]。

水泥作为改性剂已被广泛用于膨胀土改良工程中，水泥改性膨胀土具有良好的水稳性、污染小等优点，国内多位学者以水泥作为外掺剂，对各地膨胀土的力学特性和微观结构等进行了试验研究[6-9]。宋新江等[10-12]通过平面应变试验、三轴压缩固结排水试验及真三轴试验对水泥改性粉土力学性质进行了系统性研究。徐菲等[13]从宏观和微观两个角度系统地研究离子固化剂改性水泥土的机理。土体微观结构的改变导致其宏观物理力学特性发生变化，通过对土体的微观结构的定性分析和定量研究，可以有效地了解土体的微观结构特征，从微观层面解释土体的宏观力学性质变化的机理[14-15]；Horpibulsuk等[16]发现水泥土中通过水泥与水发生水化反应产生的水化产物能够黏结土颗粒以达到减少孔隙、改善土体结构的作用；Peethamparan等[17]通过XRD试验、热重分析(TGA)和SEM试验等对水泥窑粉尘加固的钠基蒙脱土的微观结构进行了系统性研究。

由于膨胀土较普通黏土含有更多的伊利石等亲水性物质，在反复的吸水膨胀和失水收缩过程中，膨胀土内部结构变化与普通黏土存在明显的差异。将水泥掺入膨胀土后，水泥与土体中自由水发生水化反应，水化产物吸附在土体颗粒表面，导致矿物成分和微观孔隙组成结构发生变化，其规律尚待深入研究。本文采用室内试验测试水泥改性膨胀土的自由膨胀率、抗压强度和收缩特性，并利用XRD试验、MIP试验、SEM测试进一步研究水泥改性膨胀土微观结构变化规律，分析水泥改性膨胀土的工作机理。

1 试验材料与试验方案

1.1 试验材料

试验所需膨胀土取自安徽省驷马山分洪道切岭段，驷马山膨胀土是皖东地区膨胀土的典型代表。土的液限为47.6%，塑限为20.0%，塑性指数为27.6，自由膨胀率为52.5%，粒径为0～0.005 mm、0.005～0.075 mm和0.072～2 mm的颗粒的质量分数分别为34.47%、50.48%和15.05%。水泥采用海螺P·O 32.5普通硅酸盐水泥。

1.2 试样准备

依据JGJ/T 233—2011《水泥土配合比设计规程》，水泥土试配时，宜采用3个配合比，其中一个配合比的水泥掺入比为基准值，另外两个配合比的水泥掺入比宜比基准值分别减少和增加3%。水泥改性膨胀土水泥掺入比基准值确定为5%，结合实际情况，另外两个配合比的水泥掺入比分别为3%和8%。

向风干后的膨胀土土样中依次掺入3%、5%和8%比例的水泥，根据土的塑限制备不同含水率的试样，密封养护24 h后进行轻型击实试验，测定素土和3组水泥改性膨胀土的最大干密度和最优含水率等，为相关试验提供准备。

根据击实试验结果，采用一次成型压样仪，制备无侧限抗压强度试样，试样为直径3.91 cm、高8.0 cm的圆柱样，压实系数为0.95。将制备好的试样放入恒温恒湿标准养护箱内养护28 d(温度(20±2)℃，相对湿度≥95%)。

1.3 宏观特性测试

对试样的无侧限抗压强度、自由膨胀率、收缩特性进行测试，具体步骤参照GB/T 50123—2019《土工试验方法标准》，测试龄期为28 d。每组无侧限抗压强度试验中制作3个平行样，取平均值作为试样的抗压强度值。

1.4 微观特性测试

1.4.1XRD测试

将无侧限抗压强度试验碎块进行研磨，过200目筛后进行XRD测试，对水泥改性膨胀土的矿物成分组成变化进行研究，扫描速率为5°/min。

1.4.2微观结构孔测试

选取无侧限抗压强度试验芯部试样，样品尺寸不超过15 mm×15 mm×15 mm，采用压汞仪对所选样品的微观孔结构进行分析，测试设备为AutoPore Iv 9510，可分析孔径范围为5～340 000 nm。

1.4.3SEM测试

选取无侧限抗压强度试验芯部试样，样品尺寸不超过10 mm×10 mm×10 mm，对样品表面进行喷金，然后进行SEM测试，对所选样品的微观结构进行分析，试样龄期为28 d，测试设备为KYKY-EM6200。

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2 试验结果与分析

2.1 击实特性

击实试验结果见表1。由表1可见，改性膨胀土的最大干密度和最优含水率随水泥掺入量的增加逐渐增大。这是因为膨胀土掺入水泥后，水泥与土体颗粒表面的自由水发生水化反应，形成Ca(OH)2和C-S-H等水化合物，晶体和孔隙液体中的Ca2+与二氧化碳继续反应生成CaCO3，将土体颗粒黏结，使得土体颗粒得到加固，提高了土体的稳定性和耐水性[18]。

表1 击实试验结果

2.2 抗压强度

膨胀土改性前后土体的抗压强度对比如图1所示。水泥掺入量为3%时，改性膨胀土的抗压强度较素土提高了88.55%；水泥掺入量为5%时，土体抗压强度较水泥掺入量为3%时提高213.12%；水泥掺入量为8%时，土体抗压强度较水泥掺入量为5%时继续增大126.74%。由此可见，水泥的掺入使得膨胀土的抗压强度显著增大，对膨胀土有着良好的改性效果。当水泥掺入量较少时，水化反应产物较少，黏土颗粒与水泥反应不完全导致强度较低；随着水泥掺入量的提高，水泥与土体颗粒表面的自由水发生水化反应更加充分，土体颗粒得到进一步加固，强度不断提高。

图1 膨胀土抗压强度与水泥掺入量的关系

2.3 自由膨胀率

膨胀土素土的自由膨胀率为52.5%，掺入3%、5%、8%比例的水泥后，膨胀土的自由膨胀率依次为43.5%、33.5%和32.5%，说明水泥对膨胀土的自由膨胀率特性有明显的改性作用，但是水泥掺入量达到5%后，若继续增加到8%，膨胀土的自由膨胀率降低幅度很小，说明水泥改性膨胀土的水泥掺入量存在最优值。

膨胀土中掺入水泥后，水泥与土体颗粒表面的自由水发生水化反应，产生水化产物，水化产物在与膨胀土中黏土颗粒发生反应过程中使水泥和土从最初的离散颗粒状态变成一种胶结的均匀结构，土颗粒由较小形态形成较大的土团粒，减少了颗粒团之间的孔隙，同时增加了胶结键，降低了土体的自由膨胀率。

2.4 收缩特性

水泥改性膨胀土收缩试验结果见表2。由表2可知，膨胀土的线收缩率和收缩系数均随水泥掺入量的增大逐渐减小，水泥对膨胀土的胀缩特性有明显的改性作用；水泥掺入量达到5%后，若继续增加到8%，膨胀土的收缩性下降幅度较低，说明水泥改性膨胀土的水泥掺入量可能存在最优值。

表2 收缩试验结果

当水泥掺入量较低时，土体中水化反应产物较少，土体颗粒表面吸附的水化产物较少，水化产物的加固土体效果较低，改性膨胀土的收缩性仍然较强；随着水泥掺入量的提高，水泥水化反应产物进一步加固土体颗粒，因此收缩性不断降低。

2.5 XRD分析

XRD测试结果如图2所示。由图2可知，驷马山膨胀土素土的主要矿物成分包括高岭石、伊利石、石英、长石和绿泥石[19]。掺入水泥后，膨胀土与水泥水化反应产生硅酸钙水化物(C-S-H)，其衍射峰为衍射角2θ=29.3°所对应的衍射峰。随着水泥掺入量的增加，更多的水泥与土颗粒表面的自由水发生水化反应，产生更多的C-S-H，X射线衍射强度增强。

I—伊利石；K—高岭石；Q—石英；F—长石；C—绿泥石图2 所选试样XRD测试结果

2.6 微观结构SEM分析

选取有代表性、能反映微观结构实际情况的SEM图像，经过降噪、滤波等前期预处理，得到素土及水泥改性膨胀土的SEM图像如图3所示。由图3可见，素土的孔隙由大量的裂隙等粗孔构成，这是由于膨胀土的干缩特性导致的，颗粒之间的黏结、搭接现象较少。掺入水泥后，SEM图像表面变得崎岖、陡峭，水泥水化反应产生的C-S-H凝胶与土颗粒发生团聚，土颗粒之间逐渐黏结形成体积较大的絮状物或者絮状体，使得土体得到加固，土体更加密实。当水泥掺入量为5%时，孔隙较水泥掺入量3%时小，絮状体之间产生明显的丝状物质，使得絮状体进一步互相黏结，形成呈块状分布、体积更大的复杂絮状体；而当水泥掺入量达到8%时，颗粒之间的孔隙及絮状体进一步黏结，土体孔隙结构得到进一步优化。

图3 素土及水泥改性膨胀土的SEM图像

2.7 微观孔结构分析

所选试样的MIP测试结果如图4所示。根据图4可知，驷马山膨胀土素土试样的孔隙直径主要表现为“三峰形态”，第一个“峰”出现在孔径大于8 000 nm附近，这是由于膨胀土失水发生干缩，产生大量的宏观裂隙；在孔径555 nm附近出现低矮平缓“峰”，说明素土试样中的细观孔隙相对较少，这是由于制备试样时，将膨胀土素土配置最优含水率后经过2 mm筛，压实度控制为0.95，采用一次成型压样仪制备无侧限抗压强度试样，试样土颗粒十分密实，细观孔隙较少；第三个“峰”出现在10 nm附近，这是由于土颗粒表面间存在微细孔。掺入水泥后，试样孔径主要分布在10 nm和10 000 nm附近，整体呈现“双峰”形态，并且10 nm附近的微细孔明显逐渐增多，孔隙直径显著降低。改性膨胀土的孔径小于100 nm的微细孔随着水泥掺入量的增加明显增多，这是由于随着水泥水化反应的进行，C-S-H在黏土中的含量逐渐增加，逐渐填充土体中孔径为100～10 000 nm的孔隙。

图4 所选试样MIP测试结果

根据Horpibulsuk等[20]的研究结果，将试样中孔隙按照孔径尺寸划分为5组：<10 nm、10～100 nm、100～1 000 nm、1～10 μm和>10 μm，试样的孔隙体积及各组孔隙体积分数如表3所示。

表3 孔隙体积及各组孔隙体积分数

由表3可知，素土试样中孔径大于1 000 nm粗孔孔隙体积分数达到48.30%，其原因是膨胀土失水发生干缩，产生大量的宏观裂隙及细观孔隙；而经过掺入水泥改性的膨胀土，水化反应产生的C-S-H凝胶态产物总量增多，对土体起到一定程度的胶结作用，土颗粒之间逐渐黏结形成体积较大的絮状物或者絮状体，使得土体颗粒得到加固，土体更加密实，试样内的孔隙主要吸附在土体颗粒上水化产物之间的孔隙，表现为孔径小于100 nm的微细孔，这也从侧面反映水泥改性膨胀土的收缩特性得到明显改善，其线收缩率和收缩系数较膨胀土素土小得多。

另外由表3可知，素土的孔隙体积仅有0.091 mL/g，小于水泥改性膨胀土的孔隙体积，但由于其内孔径大于100 nm的粗孔的孔隙体积分数达到63.73%，孔径小于100 nm的微细孔孔隙体积分数仅有36.27%，孔隙结构较松散，因而力学性能最差。水泥掺入量为3%、5%、8%的改性膨胀土的孔径小于100 nm微细孔孔隙体积分数分别为41.31%、48.85%和59.55%，表明改性膨胀土样品中孔径小于100 nm的微细孔孔隙体积分数与水泥掺入量呈良好的正相关关系。随着水泥掺入量的增加，孔径大于10 μm 的宏观裂隙体积分数逐渐降低。水泥掺入量的增加，水化反应的进行，C-S-H凝胶态产物总量增多，对土体起到一定程度的胶结作用。

此外，水化产物间隙孔的总量与抗压强度试验结果、自由膨胀率试验结果、收缩试验结果及SEM图像测试结果具有良好的相关性，说明水化产物的总量是决定水泥改性膨胀土微观孔隙结构特征、土体强度及胀缩特性的关键因素。

3 结 论

a.掺入水泥可以有效地改善膨胀土的性能，随水泥掺入量的增加，土体强度显著增加、胀缩特性明显降低，但水泥掺入量达一定程度后，掺入量的增加对土体强度的提升效果及对胀缩性的抑制效果并不明显。

b.从水泥改性膨胀土的XRD图谱可以发现有代表C-S-H矿物的新的衍射峰出现；随着水泥掺入量的增加，更多的水泥与土颗粒表面的自由水发生水化反应，产生更多的C-S-H，X射线衍射强度增强。

c.掺入水泥对膨胀土进行改性处理后，土体的微观结构发生显著变化，水泥水化反应产生的C-S-H凝胶与土颗粒发生团聚，土颗粒之间逐渐黏结形成体积较大的絮状物或者絮状体，优化土体孔隙结构，使土体得到加固。

d.膨胀土具有明显的胀缩特性，素土孔隙主要由裂隙(孔径大于1 000 nm的粗孔)组成，随水泥掺入量的增加，水化反应产生的C-S-H凝胶态产物总量增多，对土体起到一定程度的胶结作用，土颗粒之间逐渐黏结形成体积较大的絮状物或者絮状体，使土体颗粒得到加固，土体更加密实，改性膨胀土土体内孔径<100 nm的微细孔体积分数逐渐增大，说明水化产物的总量是决定水泥改性膨胀土微观孔隙结构特征、土体强度及收缩特性的关键因素。