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膨润土对双轮铣水泥土搅拌墙体强度和渗透特性的影响

  • 工程论文
  • 2021-04-20

陈宇航 唐昊陵 章定文

摘 要:膨润土浆液常作为地下工程双轮铣水泥土搅拌墙(CSM)的铣削液来改善土体搅拌均匀性和维持槽壁稳定。通过室内试验研究膨润土水泥土试样无侧限抗压强度和渗透系数等特性随膨润土掺入量的变化情况,并结合压汞试验分析掺入膨润土对水泥土微观孔隙特征的影响,探讨掺入膨润土后试样孔隙比的变化与水泥土试样无侧限抗压强度和渗透系数的内在关联。结果表明,掺入膨润土可显著降低水泥固化砂土和粉土的渗透系数;掺入膨润土还能提高无侧限抗压强度,砂土试样的无侧限抗压强度增幅较水泥固化粉土试样更大;固化土无侧限抗压强度和孔隙比与水泥掺量的比值近似呈幂函数关系;膨润土能有效填充孔隙,同时与水泥水化产物发生化学反应,改变水泥土孔隙分布;掺入适量的膨润土可改善水泥土试样承强防渗效果,在固化粉土和砂土试样中膨润土的适宜掺入量分别为5%和2.5%~5%。

关键词:双轮铣水泥土搅拌墙;膨润土;抗压强度;渗透系数

中图分类号:TU525.9 文献标志码:A 文章编号:2096-6717(2020)06-0031-07

Abstract: Soil-bentonite mixtures are often used to maintain the stability of the deep mixed pile method for the double round milling wall (Cutter Soil Mixing, CSM). The effect of bentonite content on the unconfined compressive strength and permeability of soil-bentonite mixtures in CSM when the local soil was sand and silt. The properties including the unconfined compressive strength and permeability was measured, and microstructure was investigated using MIP. The relationship between the change of pore ratio and the unconfined compressive strength and permeability coefficient of cement soil samples was investigated. The results show that the expansion of the bentonite and chemical reaction with cement hydration products can change the pore distribution of soil-bentonite mixtures; The variation of bentonite content can significantly reduce the permeability coefficient and improve the unconfined compressive strength; The increase of unconfined compressive strength of sand samples is larger than that of silt samples;The ratio of compressive strength to porosity and cement content is approximately a power function relationship; Bentonite can effectively fill the pores, and at the same time, it reacts with cement hydration products to change the pore distribution in cement soil; A certain amount of bentonite is effective in improving the strength of the cement soil sample, but the marginal effect of improving the dosage is not obvious. The optimum content of bentonite in silt is 5% and in sand is 2.5%~5%.

Keywords:cutter soil mixing (CSM) wall; bentonite; compressive strength; permeability

膨潤土常作为地下工程墙体施工的添加剂,如欧美国家规范采用水泥膨润土和土膨润土系竖向隔离墙作为城市工业污染场地的防污防渗墙[1-2]。在施工双轮铣水泥土搅拌墙(Cutter Soil Mixing,简称CSM)时,往往也需要注入以膨润土泥浆为主的铣削液来改善土体搅拌均匀性和维持槽壁稳定[3]。

无侧限抗压强度和渗透系数是评价地下工程墙体工程性能的指标。现有水泥土搅拌墙技术规程中膨润土对水泥土搅拌墙强度和渗透系数的作用并不明确。水泥固化土颗粒的强化作用有硬凝反应、团粒化作用和结晶作用,水泥常作为提高软黏土强度和刚度的添加剂[4-5]。Lorenzo等[6]提出水泥土孔隙率与水泥掺入量的比值表征水泥土的无侧限抗压强度,然而掺入大量的水泥会增加工法成本。适量地掺入膨润土对改善水泥土墙体渗透系数和强度有积极影响。Agus等[7]和秦冰等[8]研究钙基膨润土与砂混合物的膨胀特性及膨胀量预测方法,通过建立不同竖向力和孔隙比的线性对应关系,预测不同掺砂率的膨润土砂混合物在不同竖向应力下由初始状态至浸水饱和状态产生的体变量和吸水量。Carreto等[9]研究膨润土水泥浆体的应力应变特性和渗透性,提出一种类纤维海绵介质的微观结构模型解释混合体的作用机理。Fan等[10]研究膨润土黏土混合体的工程特性,当膨润土掺量为5%~15%时,固结体的渗透系数可降至10-7 cm/s。徐超等[11]认为掺入膨润土可将水泥膨润土固结体的渗透系数在28 d龄期时降至10-7 cm/s以下。Opdyke等[12]研究矿渣水泥膨润土材料,表明混合体的渗透系数最低降至10-8 cm/s,且认为水泥等胶凝材料是贡献无侧限抗压强度的主要来源。朱伟等[13]认为掺入膨润土极大地提高水泥固化含重金属污泥的无侧限抗压强度,当水泥和膨润土的掺入量均为20%(相对于仅有的水泥掺入量为40%)时,强度可提高6倍多。

在砂土层和粉土层,掺入水泥膨润土浆液与地层原状土固结浆体的性能研究较少,且对掺入量的讨论较少。掺入膨润土对无侧限抗压强度和渗透系数的增长规律多为定性分析,无法指导现场设计和施工。笔者以粉土、砂土土样掺入膨润土和水泥的混合料为研究对象,通过室内试验研究水泥土固结体的无侧限抗压强度和渗透系数随膨润土掺入量的变化规律;研究孔隙比与水泥掺入量比值表征强度方法的适用性;结合压汞试验分析膨润土对水泥土微观孔隙的变化特征,探讨膨润土掺入量与水泥土试样孔隙变化量的关系,为CSM工法水泥土搅拌墙的施工提供理论依据。

1 试验

1.1 试验材料

选取粉土和砂土作为研究对象,其中,粉土取自山东阳谷某建设场地地层2~3 m处,呈黄褐色,简称粉土样;砂土土样由商用河砂(过2 mm筛)、高岭土按1∶1的比例配制而来,简称砂土样。试验中膨润土选用商用钙基膨润土。水泥为P·O 42.5普通硅酸盐水泥。上述试样用土的基本物理特性如图1和表1所示,膨润土膨胀指数的测定方法参照ASTM D5890-11。

1.2 试验方案及测试方法

1.2.1 试验方案

试验配合比如表2所示。室内试验水泥掺入量(C)分别为20%、22%以及24%。大量地下墙体工程应用中,膨润土掺入量常见范围是4%~7%[14]。CSM工法制浆时的膨润土掺入量通常为5%~8%,故膨润土掺入量(B)的范围为0~10%,分别取0、2.5%、5%、7.5%和10%。每种配合比制备3个平行样,取平均值作为测试结果。

1.2.2 试验步骤

1)用一定量的膨润土和蒸馏水配制膨润土浆液,搅拌均匀并密封放置24 h。将试验所用土样风干粉碎,过2 mm筛,加入相应比例的水泥,充分搅拌后加入膨润土泥浆,继续搅拌至均匀(搅拌约10 min)。

2)将搅拌均匀的混合土料灌入尺寸为高10 cm、直径5 cm的PVC管模具,分层振捣后直接放入标准养护室(温度20±2 ℃,相对湿度95%),养护48 h后脱模,继续养护至预定龄期后进行相应测试。

3)无侧限抗压强度试验前测试试样的质量与体积,计算试样密度。无侧限抗压强度的加载应变速率为1%/min。强度试验后取碎料测试试样养护后的含水率。

4)采用三轴柔性壁渗透仪进行渗透试验。将试样放入饱和缸真空饱和12 h,将饱和后的试样装入三轴柔性壁渗透仪中,反压饱和48 h后进行试验,具体方法参照《土工试验规程》(SL 237—1999)。

5)将切成小块的试样放入冻干机中冷冻24 h,将试样放入压汞仪中开展压汞试验。

2 试验结果

2.1 膨润土对水泥土无侧限抗压强度的影响

图2为养护龄期为28 d的两种水泥土试样无侧限抗压强度的变化规律。固化土无侧限抗压强度随膨润土掺入量的增加而增加;相比于未掺入膨润土,当膨润土掺入量为10%时,固化粉土样强度提高了37.3%~58.9%,固化砂土强度提高了80.1%~97.6%。在膨润土掺入量较小时,固化土强度增加率较大;当膨润土掺入量大于5%时,固化粉土样试样强度增速变缓;当膨润土掺入量大于7.5%后,固化砂土样强度增幅变缓。

无论是粉土样或砂土试样,不掺膨润土的情况下,水泥掺入量越高,无侧限抗压强度越大。随着膨润土掺入量增加,不同水泥掺入量的试样出现不同程度的增长。一般水泥掺入量越高,无侧限抗压强度增幅出现拐点越早。

从土的颗粒级配来看,砂土颗粒组成以粗颗粒中的细砂为主,而粉土属细粒土,其粉粒含量占绝对优势。水泥土试样在水泥掺入量、龄期等其他条件相同情况下,土颗粒越大,砂粒含量越大,试样无侧限抗压强度越大。掺入膨润土可使砂土试样中的粗颗粒更好吸附在水泥骨架上,形成更高的胶结强度,导致膨润土提高砂土試样抗压强度的幅度相比粉土试样更高。

需注意的是,在固化砂土试样C22B10和C24B10两种工况下,无侧限抗压强度只提高了30 kPa左右。这是由于在水泥掺入量较为接近或增加幅度不大的情况下,高掺入量(此时为10%)膨润土的填充作用对改善强度起到主要作用。

2.2 膨润土对水泥土渗透系数的影响

图3为两种水泥土试样渗透系数在养护龄期为28 d时的变化情况。由图可见,水泥土试样的渗透系数均随着膨润土掺入量的增加而降低。对比膨润土掺入量为0 和10%时,固化粉土试样渗透系数降低了91.5%~95.4%,固化砂土试样渗透系数降幅在92.4%~95.1%之间。

对于两种试样,当膨润土掺量较小(小于2.5%)时,试样渗透系数的下降幅度明显高于其他掺量下的下降幅度。固化粉土试样曲线的拐点则在膨润土掺入量为5%出现,而固化砂土试样的拐点在膨润土掺入量为2.5%处。

综合无侧限抗压强度和渗透系数试验,一味掺入膨润土提升水泥土试样性能的边际效果在减弱。水泥土墙体的28 d无侧限抗压强度应大于0.5 MPa,渗透系数应降至10-7 cm/s以下。忽略室内试验和现场施工不同的搅拌均匀程度问题。在两种水泥土试样的强度和渗透系数满足工程要求情况下,对于粉土试样,当膨润土掺入量大于5%时,渗透系数趋于平缓的直线,抗压强度的增幅也变缓。对于砂土试样,渗透系数下降至平缓的拐点在2.5%~5%之间,此时的试样强度也满足要求。综合无侧限抗压强度和渗透试验结果,无论是粉土试样或砂土试样,掺入膨润土可以显著提高水泥土的抗压强度和降低渗透系数,但膨润土掺入量超过一定范围后,改善水泥土试样性能的效果不显著,即膨润土掺入量存在边际效应。对于粉土试样,膨润土的掺入量应取5%,砂土试样在2.5%~5%之间。

孔隙比是影响渗透系数的主要因素。未掺入膨润土时,水泥水化反应的絮凝作用使原状土颗粒粒径变大,形成团粒,增加了水泥土试样的孔隙,同时,火山灰反应的胶结产物充斥在土颗粒或团粒间,使水泥土试样孔隙变小。此时,水泥土试样的孔隙是水泥水化反应和火山灰反应综合的结果[5]。掺入膨润土后,膨润土水化后均能填充封闭土颗粒或团粒间的小孔隙,降低水泥土试样的渗透系数。对于两种试样,因填充作用带来的孔隙比变化幅度较为相近,也导致两种水泥土试样渗透系数降幅也较为相近。

2.3 膨润土对水泥土微观孔隙结构的影响

选取试验方案中C20B0与C20B10固化粉土试样的压汞试验结果,其累计进汞曲线如图4所示。从图4可知,在粉土试样中掺入膨润土后,试样的最终进汞量从0.367 mL/g下降至0.344mL/g。土中曲线呈现向“左”移动趋势且趋于平滑,反映出微观孔隙更加均匀、部分孔隙被填充的效果,与孔隙比和渗透系数等宏观物理特性降低相一致。

图5所示为C20B0与C20B10的固化粉土试样孔隙分布密度曲线图。由图中两条曲线对比可知,孔径分布密度曲线形态由单峰向多峰形态转变,曲线趋于平缓;并且孔径峰值位置左移,峰值处的孔径大小由725 nm降低至77.2 nm,峰值由0.26 mL/g降低至0.23 mL/g。这反映出掺入膨润土后,改变了水泥土试样的颗粒级配,导致小孔径增多,试样更加密实。膨润土具有很好的分散性,有利于填充孔隙,从而降低孔隙比。

3 结果分析与讨论

3.1 膨润土对水泥土孔隙比的影响

试样在养护至相应龄期后的孔隙比按式(1)计算。

3.2 无侧限抗压强度与孔隙比的关系

孔隙比的降低与无侧限抗压强度的增长有很强的相关性。早期研究提出水灰比对固化土的强度特性起到控制作用。文献[6]提出e/C代替水灰比表征水泥土试样的无侧限抗压强度特性。文献[16]提出n/(Civ)exponent参数(n为孔隙率,Civ为水泥体积掺入比)表征水泥土的无侧限抗压强度。

由图8可知,单位质量膨润土的体积变化系数a=0.78。单位质量膨润土的体积变化系数a<1,可见,膨润土不仅起到填充的作用,同时参与化学反应。膨润土是以蒙脱石为主的含水硅铝酸盐,可与水泥水化产物发生反应,生成凝胶产物充斥在水泥原状土骨架中,同时,蒙脱石层带负电荷,相互排斥使得薄层之间的距离增大,引起膨胀,填充在水泥土孔隙,使得固结体更加密实。微观试验结果证实膨润土可改善水泥土试样的孔隙分布。因此得出膨润土对水泥土试样无侧限抗压强度和渗透系数改善贡献主要在其分散性、膨胀性和与水泥水化产物发生的化学反应。

3.3 渗透系数与孔隙比的关系

选取28 d龄期固化试样的孔隙比和渗透系数,并建立e-ln(k)关系如图9所示。水泥土试样的e与ln(k)有较好的线性关系。掺入膨润土减少孔隙比,可进一步降低渗透系数。

4 结论

通过室内试验分别研究了掺入膨润土对固化粉土和砂土水泥土试样强度,渗透系数的影响,通过压汞试验分析了水泥土试样内部孔隙变化,并量化掺入膨润土后试样孔隙变化过程,得出以下主要结论:

1)掺入膨润土的分散性、膨胀性和化学反应可显著提高水泥土的无侧限抗压强度和降低水泥土的渗透系数。水泥固化砂土试样的无侧限抗压强度增幅较水泥固化粉土试样更大。在粉土样中,28 d强度平均提高51%,而在砂土样中28 d强度可平均提高87%;渗透系数均最低可达到10-9 cm/s数量级。

2)膨润土能够降低水泥土孔隙比,减小孔隙(尤其是大孔隙)数量,改善孔隙分布密度,既有物理填充作用,也有化学反应作用。经计算,单位质量的膨润土体积变化系数为0.78。

3)可使用孔隙比与水泥掺入量的比值评价水泥土试样的无侧限抗压强度。研究结果可作为现场掺入膨润土的配合比试验工作参考,指导现场设计施工。

4)适当掺量的膨润土可提高强度和改善防渗性能,超过适量范围的膨润土掺入量改善水泥土试样性能的效应减弱。综合考虑强度和抗渗性能,对于粉土试样,膨润土的掺入量应取5%,对于砂土试样应在2.5%~5%之间。参考文献:

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(编辑 章润红)

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