南京长江漫滩粉土地层止水帷幕改良室内试验研究

丁建文 郭 晨 王 涛 张 赛 郝 钢 焦 宁

(1东南大学交通学院， 南京211189)(2北京市政路桥股份有限公司， 北京100073)

水泥搅拌桩具有成本低、工期短、施工简便等优势[1]，因此被广泛应用在基坑工程止水帷幕建设中.但在一些地质条件复杂、地下水位较高的基坑工程中，承压水的渗流导致粉土或粉砂地层中固化土颗粒间胶结效果差，水泥搅拌桩成桩质量低，从而造成止水帷幕渗漏、基坑失稳、地面沉降等事故频发[2]，对粉土及粉细砂地层中水泥固化土的强度和抗渗性能提出了一定的挑战[3].

由于水泥水化产生的凝胶物质不仅可以胶结土体，形成土骨架，还可以较好地填充土颗粒之间的孔隙，起到提高土体强度和抗渗性能的作用.因此，搅拌桩施工过程中常通过提高水泥掺量来降低潜在风险.但水泥生产需要消耗大量的黏土矿物和能源，并伴随着大量CO2、SO2和NO2等温室气体的排放[4-5].据统计，目前全球5%～8%的CO2来源于水泥的生产，对环境造成了严重的威胁[6-8]；同时，水泥的高成本也会导致基坑开挖成本的增加.因此，在水泥搅拌桩中掺入一些经济环保的添加剂，如粉煤灰、磷石膏、钢渣等，可在提高止水帷幕工程特性的同时，降低水泥的用量，减少碳排放[9-12].

磷石膏是磷酸生产过程中的主要副产品之一，其主要成分为CaSO4·2H2O.据报道，磷石膏全球累计排放量已达到60亿t，并以每年1.5亿t的速度增长，但其有效利用率只有4.3%～4.6%，大多数磷石膏只能堆存处理，预计2025—2045年磷石膏的堆存量将翻倍[13].这些堆存的磷石膏不仅占用大量的土地，其含有的有害微量元素也会对环境造成一定的危害[14].研究表明，由于磷石膏与水泥共同作用促进了钙矾石(AFt)的生成，进一步提升了土颗粒之间的胶结，故适量磷石膏的掺入可有效提高水泥固化土的强度[15-16].

膨润土是一种主要由蒙脱石组成的碱性黏土矿物，因其良好的膨胀密封性被广泛运用在土木工程建设中，如膨润土泥浆护壁、膨润土垂直防渗墙[17-18]等.一般工程使用的膨润土主要有钙基膨润土和钠基膨润土2种，其中钠基膨润土具有更高的膨胀效果和密封性能[19]，在抗渗工程中具有更好的止水效果.

横江大道行知路隧道基坑项目位于南京市浦口区，隶属于长江漫滩地貌单元，该基坑开挖深度为2.32～9.81 m，处于深厚粉土地层，土体渗透性大且地下水丰富，承压水头在地面以下1.03～2.45 m，基坑开挖过程中易发生渗漏、管涌等风险，对其稳定性产生了较大的威胁，基坑一旦渗漏破坏，可能造成大量经济财产损失.为此，本文依托该项目，对不同磷石膏、膨润土配比下的粉土试样进行无侧限抗压强度(UCS)试验和柔性壁渗透试验，研究固化粉土的强度和渗透性变化规律，并结合电镜扫描试验探究其微观结构，分析磷石膏和膨润土改良止水帷幕作用机理，为实现废弃磷石膏资源化利用和指导南京江北新区行知路隧道基坑止水帷幕建设提供参考.

1 试验材料和方法

1.1 试验材料

试验用粉土取自南京行知路隧道明挖基坑，取土深度为地面以下8 m左右，粉土的物理性能指标如表1所示，根据界限含水率判断其为低液限粉土(ML).

表1 试验粉土的基本物理指标

采用水泥、磷石膏、膨润土3种添加剂进行粉土地层水泥搅拌桩配比改良，水泥选用行知路隧道施工现场P·O 32.5普通硅酸盐水泥；膨润土选用蒙脱石质量分数为52.3%的钠基膨润土；磷石膏取自南京市六合区某磷石膏堆放场地，风干研碎后呈灰白色粉末状.采用X荧光光谱仪对这3种添加剂进行氧化物成分分析，结果如表2所示.由表可知，膨润土的氧化物成分主要为SiO2和Al2O3，水泥的氧化物成分主要为CaO、SiO2和Al2O3，而磷石膏的氧化物成分主要为CaO和SO3.

表2 试验材料化学成分 %

粉土和膨润土颗粒分布曲线如图1所示.可以看出，粉土颗粒粒径均匀，级配较差，膨润土颗粒明显小于粉土颗粒粒径，黏粒含量丰富，理论上具有填充土体孔隙、改善粉土地层水泥搅拌桩抗渗性能的可行性.

图1 颗粒分布曲线

1.2 配比设计

为研究磷石膏-膨润土共同作用下止水帷幕的强度和抗渗性能，选定水泥掺量为天然湿土质量的20%，记作C20，根据现场实际情况配制成水灰质量比为0.5的浆液进行掺加.在此基础上，改变磷石膏和膨润土配比，探究其最佳掺量(本文掺量均为质量分数).磷石膏主要作用是与水泥发生反应以增强固化土强度，因此本试验参照水泥掺量进行磷石膏配比设计，磷石膏掺量取水泥质量的0、10%、20%、30%，分别记作P0、P10、P20、P30.钠基膨润土具有膨胀性好、黏度大等特点，在提升止水帷幕抗渗性能的同时，对搅拌桩浆液流动性存在较大影响，膨润土掺量不宜过大，故确定膨润土掺量为干土质量的0、2.5%、5%，记作B0、B2.5、B5，具体配比如表3所示.

表3 试验材料配比

1.3 试验方法

室内试验主要用于研究改良土体标准养护7、28 d后的无侧限抗压强度和渗透系数.采用电动应变控制式无侧限压力仪和柔性壁渗透仪进行测试.

将现场土样风干过2 mm筛备用，并测得其含水率为2.0%.取适量风干土，加入蒸馏水调整其含水率至土体天然含水率(w=23.0%)并搅拌均匀，按表3配比制成水灰质量比为0.5的浆液进行掺加并搅拌均匀.将配好的土样分别装入2种规格的圆柱体塑料模具中制样.模具规格分别为直径39.1 mm、高80 mm和直径50 mm、高100 mm，前者用于无侧限抗压强度试验，每种配比同一龄期制备6个平行样，共计144个试样；后者用于柔性壁渗透试验，每种配比同一龄期制备3个平行样，共计72个试样.待其具有一定强度后脱模，并用保鲜膜密封.按照《土工试验方法标准》(GB/T 50123—2019)规定，置于温度(20±2)℃、湿度95%的养护室中分别养护7、28 d后进行无侧限抗压强度试验、柔性壁渗透试验，平行样取其平均值作为该配比下改良土的无侧限抗压强度和渗透系数.28 d 无侧限抗压强度试验结束后，从试样破坏面处取体积1 cm3的正方体试样，冻干并修平表面，喷镀金膜后进行电镜扫描(SEM)试验，研究水泥、膨润土、磷石膏作用下改良止水帷幕的微观结构.

2 试验结果与分析

2.1 无侧限抗压强度试验

图2(a)和(b)分别给出了7和28 d养护龄期下试样无侧限抗压强度随磷石膏掺量的变化，从图中可以看出，在2个不同养护龄期下，试样无侧限抗压强度随磷石膏掺量呈现先增大后减小的特征，在10%磷石膏掺量时达到最大值.7 d养护龄期下，磷石膏掺量从0增加到10%时无侧限抗压强度增长较快，较未掺加磷石膏时增长了50%以上；但随着磷石膏掺量的继续增加，试样无侧限抗压强度逐渐降低，说明磷石膏的掺加对试样无侧限抗压强度具有一定的增强作用，且存在最佳掺量.28 d养护龄期下试样无侧限抗压强度也呈现类似的规律，不同的是，试样无侧限抗压强度变化趋势较缓，10%磷石膏掺量仅能使试样无侧限抗压强度增长10%以内.

(a) 7 d

分析水泥反应机理可知，水泥的主要成分为硅酸三钙(C3S)、硅酸二钙(C2S)、铁铝酸四钙(C4AF)和铝酸三钙(C3A)，其水化反应方程式如下：

(1)

(2)

(3)

(4)

(5)

根据无侧限抗压强度试验结果可知，适量的磷石膏掺量可以生成更多的AFt，提高水泥固化土的强度；而过量的磷石膏掺加对固化土的强度增长会起反作用.主要原因是：①磷石膏中含有机物、氟等杂质，过高的有机质会导致土体结构疏松[21]；②水泥和磷石膏生成的AFt具有显著的膨胀性，掺加过多导致土体固有的胶结破坏，力学性能降低[22-24].结合上述试验结果，在20%水泥掺量固化土中加入水泥质量10%的磷石膏对止水帷幕的强度，尤其是早期强度有较好的提升作用，因此建议磷石膏掺量为水泥质量的10%左右.

图3(a)和(b)分别反映了试样7和28 d 无侧限抗压强度随膨润土掺量的变化规律.可以看出，在水泥、磷石膏掺量一定时，固化土7和28 d无侧限抗压强度均随膨润土掺量的增加而增大.主要原因在于，膨润土本身具有一定的膨胀性，在粉土中掺加膨润土可以有效地填充土体孔隙，提高土体密实程度；另一方面，钠基膨润土本身可以为水泥水解水化提供碱性条件，促进更多胶结体的生成.因此，膨润土的掺加在一定程度上有助于提高固化土的密实程度和强度特性.对比2种龄期下膨润土掺量对强度的影响可以发现，虽然膨润土的掺量对固化土强度具有一定的促进作用，但在7 d养护龄期下，膨润土掺量从0增加至2.5%时试样强度的增长速率小于掺量从2.5%增加至5%时的增长速率；而28 d养护龄期下增长速率则呈现相反的变化规律.其原因在于，试样养护初期，水泥强度未完全发挥，膨润土填充孔隙、密实土体从而促进试样强度增长的效果相对明显，加之膨润土为水泥水化反应提供碱性条件，促进了水泥早期水化产物的生成，因此养护初期试样强度呈现出随膨润土掺量增加而增大且趋势加快的规律.由于膨润土对水泥水化反应的促进作用有限，当养护至28 d后，水泥本身持续水化所生成的胶结物增多，并逐渐在试样强度发展中起主导作用.故由图3(b)可以明显看出，膨润土的掺加对试样的强度起到一定的提升作用，但随着掺量的进一步增加，试样强度受膨润土掺量的影响逐渐减弱，提升幅度也不明显，呈现出随膨润土掺量增加而增大但趋势变缓的规律.

(a) 7 d

2.2 柔性壁渗透试验

不同养护龄期和试样配比对应的渗透系数如图4和图5所示.总体而言，随着水泥、膨润土和磷石膏的掺加，土体的抗渗性能有了较大的改善，相较于渗透系数8×10-3cm/s的天然粉土，固化土的渗透系数普遍降低3～5个数量级，且随着养护龄期的增加，水泥水化反应持续进行，土体孔隙得到进一步填充，其抗渗性能也得到进一步改善，试样渗透系数从7 d养护龄期时的1.27×10-7～1.11×10-5cm/s降低至28 d养护龄期时的2.34×10-8～5.73×10-6cm/s.

(a) 7 d

(a) 7 d

图4(a)和(b)分别为不同磷石膏掺量下固化土试样养护7和28 d的渗透系数.可以看出，随着磷石膏掺量的增加，固化土的渗透系数明显变大.这说明虽然磷石膏的掺加对止水帷幕强度有较好的提升作用，但其对止水帷幕抗渗性能存在一定的削弱，尤其磷石膏掺量超过20%时，试样的渗透系数较同等龄期、不同配比的试样普遍增加2倍以上，因此在确定磷石膏掺量时应避免超过20%.

不同膨润土掺量下固化土试样养护7和28 d的渗透系数变化规律如图5所示.可以看出，试样在不同养护龄期下的渗透系数均随膨润土掺量的增加呈先减小后增大的趋势，且随着磷石膏掺量的增加，作用效果越发明显.当膨润土掺量从0增加到2.5%时，由于其对土体孔隙中的水分子吸收效果显著，膨润土吸水膨胀，使得原有的孔隙得到较好填充，试样的抗渗性能得到有效提升，因此在水泥搅拌桩中掺加适当的膨润土有利于减小其渗透性；当膨润土掺量从2.5%增长到5%时，由于其掺量过大，不利于与土体均匀拌和，试样中可能会出现部分膨润土团聚而部分土体孔隙得不到填充的现象，导致试样的渗透系数急剧增长.实际施工时，过量的膨润土掺量表现为水泥搅拌桩施工时浆液流动性和搅拌桩成桩均匀性降低[25].结合本文研究，建议控制钠基膨润土掺量在2.5%左右.

2.3 电镜扫描试验

为探究磷石膏、膨润土改良水泥搅拌桩的微观作用机理，对试验试样进行电镜扫描试验，结果如图6所示.根据10 000倍的电镜扫描图像(见图6(a)、(b))可以看出，水泥水化产物吸附并包裹粉土颗粒，起到胶结土颗粒、填充孔隙的作用，生成物主要包括AFt、AFm、C-S-H和Ca(OH)2结晶.

图6 固化土微观扫描电镜图

AFt和AFm微观结构分别呈现针棒状和花瓣状.未掺加磷石膏时，由于CaSO4含量较低，部分AFt分解为AFm，导致土体中AFt和AFm含量相当，且AFm略多于AFt，表现为花瓣状AFm裹挟针棒状AFt共同填充土体孔隙，形成水泥-土骨架结构；掺加磷石膏后，AFm的生成量急剧降低，而AFt的生成量则显著增加，同时形态更加细长，说明掺加磷石膏可以促进AFt发育，对土体力学性能提升更加有利.

C-S-H主要为不规则扁平粒子，表面较粗糙，随着磷石膏的掺加，C-S-H的生成量增加；而Ca(OH)2结晶的生成量则表现出相反的规律.从图6(a)中可以看出，凝胶体中含有部分六角板状Ca(OH)2结晶，磷石膏掺加后，Ca(OH)2结晶生成量减小(见图6(b)).这主要是因为磷石膏的掺加促进了水解水化反应向正方向移动，其对 Ca(OH)2和C-S-H生成量的影响如下：①磷石膏的掺加推动了式(3)和式(4)反应的进行，加快了Ca(OH)2的消耗，导致固化土中Ca(OH)2结晶数量减少；②作为反应(1)和反应(2)的生成物，Ca(OH)2的消耗促进了反应(1)和反应(2)向正方向移动，从而提高了C-S-H生成量，在微观图中表现为随着磷石膏的掺加，Ca(OH)2结晶减少，而C-S-H凝胶物质增加.

图6(c)、(d)和(e)为不同膨润土掺量下土体的微观形态.虽然水泥的掺加有利于提高土体的抗渗性能，但是其水化产物之一AFt具有一定的膨胀性，对已生成的胶结物质产生破坏作用，往往造成土体结构破坏，渗透性提高，尤其随着土体中磷石膏掺量提高，AFt生成量增加，这一特性也随之被放大.从图6(c)可以看出，加入磷石膏的试样固化成型后土颗粒之间存在胶结破坏，土体内部产生一定裂缝，一旦裂缝扩展则可能导致贯通孔隙的形成，造成止水帷幕的渗漏，酿成工程事故.从图6(d)中可以看出，随着膨润土的掺加，土颗粒之间被胶结物质和膨润土均匀包裹，孔隙得到进一步填充，固化土中未见明显裂隙.因此，膨润土的掺加弥补了AFt对固化土渗透性的提升作用，对提高止水帷幕的抗渗性能具有积极意义[26].当膨润土掺量进一步增加到5%时(见图6(e))，虽然试样中大部分土颗粒被水泥水化产物和膨润土较严密地包裹，但由于膨润土掺量的提高，其颗粒间的团聚导致浆液流动性降低，易出现部分土体孔隙无法得到有效填充的现象，且颗粒间孔隙相比于AFt膨胀所生成的裂隙更为明显，此时水分易从颗粒间渗透，从而导致固化土渗透系数增大，对成桩质量产生一定的影响.

总体而言，磷石膏、膨润土掺加前后土体的微观表现与其力学性能、渗透性质相一致.

3 结论

1) 磷石膏掺量小于10%时，其与水泥共同作用，促进了AFt的生成，提升了水泥搅拌桩的强度，尤其是早期强度，提升效果可达50%以上；磷石膏掺量大于10%时，由于生成的AFt过多，AFt膨胀导致土体中胶结物质被破坏，产生细小裂隙，使水泥搅拌桩强度降低，渗透系数增加.

2) 膨润土颗粒细小，可有效填充粉土颗粒间的空隙，提高土体密实程度；同时，膨润土可以为水泥水解水化反应提供碱性条件，促进胶结物质生成，对提升固化土的强度具有一定作用.

3) 膨润土的掺加一定程度上弥补了磷石膏对水泥搅拌桩抗渗性能产生的负面效果，但过量的膨润土则会降低浆液流动性和成桩均匀性，当膨润土掺量从2.5%增加至5%时，土体渗透系数急剧增大，因此建议膨润土掺量控制在2.5%左右.

4) 根据试验结果，建议20%水泥掺量的搅拌桩施工中，掺加干土质量2.5%左右的钠基膨润土，并掺加水泥质量10%左右的磷石膏，以期实现磷石膏资源化利用，同时有效提升止水帷幕的强度和抗渗性能，保障粉土地层基坑开挖的安全性，同时促进低碳环保.