超高含水率泥炭土的固化機(jī)理及強(qiáng)度特性

王 榮，董俊全，范衍琦，史江偉，*，陳永輝

（1.中國港灣工程有限責(zé)任公司，北京 100027；2.河海大學(xué)巖土力學(xué)與堤壩工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇南京 210024；3.江蘇省水利科學(xué)研究院 材料結(jié)構(gòu)研究所，江蘇揚(yáng)州 225000）

泥炭土為有機(jī)殘?bào)w、腐殖質(zhì)和礦物質(zhì)組成的特殊土，具有高含水率、大孔隙比和低剪切強(qiáng)度等特點(diǎn).泥炭土分布廣泛，占總陸地面積的5%～8%［1］.因此，道路工程在遭遇泥炭土地基時(shí)，常用化學(xué)固化來解決其承載力不足或變形過大等問題［2］.

固化泥炭土的力學(xué)特性主要受固化劑類型、養(yǎng)護(hù)齡期、含水率、有機(jī)質(zhì)含量和pH值的影響.通過開展含水率為82.5%泥炭土的固化試驗(yàn)，李琴等［3］發(fā)現(xiàn)水泥對泥炭土的加固效果最好.Kolay等［4］研究發(fā)現(xiàn)，水泥為加固泥炭土的最優(yōu)固化劑，泥炭土含水率介于360%～600%時(shí)，建議的水泥摻量為150～250 kg/m3.桂躍等［5］研究了微生物分解及其各向異性對含水率為64%～400%泥炭土強(qiáng)度的影響規(guī)律.Hobbs［6］研究發(fā)現(xiàn)，泥炭土的含水率取決于有機(jī)物的分解程度，低分解度的纖維狀泥炭土比高分解度的非晶質(zhì)泥炭土含水率更高.通過開展含水率為400%泥炭土的固化試驗(yàn)，Hebib等［7］研究發(fā)現(xiàn)水泥固化能明顯降低泥炭土的壓縮變形.王志良等［8］研究發(fā)現(xiàn)，對于含水率為227.8%的泥炭土，紅黏土的置換作用能使泥炭土結(jié)構(gòu)變得緊密，提升其固化強(qiáng)度.張帆等［9］研究了泥炭土埋置深度、水泥強(qiáng)度等級和攪拌樁施工工藝對固化泥炭土強(qiáng)度的影響規(guī)律.

泥炭土含水率變化范圍廣，最高能達(dá)到1 400%［6］.然而，現(xiàn)有的化學(xué)固化大都針對較低含水率（＜300%）的泥炭土.本文針對高含水率（＞300%）、高有機(jī)質(zhì)含量的泥炭土，開展了無側(cè)限抗壓強(qiáng)度（UCS）和掃描電子顯微鏡（SEM）試驗(yàn)，研究高含水率泥炭土水泥直接固化的宏細(xì)觀機(jī)理以及泥炭土物理化學(xué)性質(zhì)（含水率、有機(jī)質(zhì)含量、pH 值）、水泥摻量和養(yǎng)護(hù)齡期對水泥固化泥炭土強(qiáng)度的影響，以期為類似工程提供一定的理論指導(dǎo).

1 試驗(yàn)方案及方法

1.1 試驗(yàn)方案

試驗(yàn)重點(diǎn)研究泥炭土自身物理指標(biāo)和固化劑摻量（質(zhì)量分?jǐn)?shù)，文中涉及的摻量、含水率、含量等均為質(zhì)量分?jǐn)?shù)）對固化泥炭土強(qiáng)度的影響，試驗(yàn)方案如表1 所示.其中：KW為泥炭土的初始含水率，KO為有機(jī)質(zhì)含量，KC為水泥摻量（水泥與濕土的質(zhì)量比）.

表1 泥炭土固化的試驗(yàn)方案Table 1 Test plan of solidified peat

1.2 試驗(yàn)土料

1.2.1 泥炭土

基于云南泥炭土、四川泥炭土、長白山草炭土和苔蘚泥炭土的基本物理特性試驗(yàn)，采用灼燒法測得云南泥炭土、四川泥炭土的有機(jī)質(zhì)含量低于10%；苔蘚泥炭土的有機(jī)質(zhì)含量為94.3%，pH 值為5.56，且高含水率試樣固化后的保水性更好.因此，選取苔蘚泥炭土作為研究對象，如圖1 所示.基于ASTM STP 820—1983《Testing of peats and organic soils》的分類方法，此泥炭土屬于低分解度（H2～3）、低含水率（B2）、高纖維含量（F3）、極微量粗纖維（R0）和木質(zhì)殘余（W0）的泥炭土（H2～3B2F3R0W0）.

圖1 苔蘚泥炭土Fig.1 Peat

1.2.2 水洗高嶺土

泥炭土的礦物組成主要為石英和伊利石.為研究不同有機(jī)質(zhì)含量下固化泥炭土的強(qiáng)度特性，需要往苔蘚泥炭土中加入無機(jī)礦物，配置有機(jī)質(zhì)含量為40%、60%和80%的泥炭土.試驗(yàn)添加水洗高嶺土，為典型的無機(jī)土，其化學(xué)組成見表2.

表2 高嶺土的化學(xué)組成Table 2 Chemical composition of kaolin

1.2.3 固化劑

基于現(xiàn)有的研究，水泥對泥炭土的加固效果最好［3-4］.試驗(yàn)選取P·O 42.5 普通硅酸鹽水泥，其基本物理性能如表3 所示.

表3 水泥的基本物理性能Table 3 Basic physical properties of cement

1.3 試樣制備

試樣制備主要步驟如下：

（1）按照設(shè)計(jì)的含水率和有機(jī)質(zhì)含量，將苔蘚泥炭土、水洗高嶺土加水拌和均勻，泥炭土的pH 值采用NaOH 和HNO3溶液來配制.配置好的泥炭土裝入密封袋中悶料3 d，以確保水分均勻.悶料結(jié)束后，測定配置泥炭土的含水率和有機(jī)質(zhì)含量是否達(dá)到設(shè)計(jì)值.

（2）按照設(shè)計(jì)的水泥摻量，將水泥均勻拌入泥炭土中.固化泥炭土試樣的尺寸為φ50×50 mm.為了確保試樣的均勻性，分5 次將拌和均勻的泥炭土-水泥混合液倒入圓柱狀模具中.為了降低試驗(yàn)誤差，每個(gè)試樣制作2 個(gè)平行試樣，結(jié)果取其平均值.

（3）將制備的泥炭土試樣放入恒溫（（20±2）℃）、恒濕（（95±2）%）的標(biāo)準(zhǔn)箱中，養(yǎng)護(hù)至7、14、28 d 后采用YSH-2 型無側(cè)限壓力儀測量固化泥炭土的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度.

2 固化泥炭土的強(qiáng)度特性分析

2.1 固化泥炭土的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系

圖2 為不同水泥摻量固化泥炭土的應(yīng)力-應(yīng)變（σ-ε）曲線.固化泥炭土的含水率為400%、有機(jī)質(zhì)含量為40%，養(yǎng)護(hù)時(shí)間為7 d.由圖2 可見：當(dāng)水泥摻量為10%時(shí)，固化泥炭土的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系為硬化型，即應(yīng)力隨著應(yīng)變的增長不斷發(fā)展，試樣呈現(xiàn)出塑性破壞模式；隨著水泥摻量的增加，破壞時(shí)固化泥炭土的抗壓強(qiáng)度顯著增加，但峰值應(yīng)力對應(yīng)的軸線應(yīng)變逐漸降低；在水泥摻量增加后，應(yīng)力隨著應(yīng)變的增長出現(xiàn)回落的現(xiàn)象，應(yīng)力-應(yīng)變曲線由硬化型向軟化型轉(zhuǎn)變，固化泥炭土的破壞模式由塑性破壞轉(zhuǎn)為脆性破壞；當(dāng)水泥摻量較低時(shí)，固化泥炭土的力學(xué)性質(zhì)受泥炭土的特性控制；在水泥摻量增加后，固化泥炭土的力學(xué)性質(zhì)向水泥土破壞模式發(fā)展，但未見峰值應(yīng)力迅速回落.

圖2 不同水泥摻量固化泥炭土的應(yīng)力-應(yīng)變曲線Fig.2 Stress-strain curves of solidified peats under different cement contents

圖3 為不同養(yǎng)護(hù)齡期固化泥炭土的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線.固化泥炭土的含水率、有機(jī)質(zhì)含量和水泥摻量分別為400%、80%和20%.由圖3 可見：養(yǎng)護(hù)齡期從7 d 增至28 d 后，固化泥炭土破壞時(shí)的峰值應(yīng)力穩(wěn)步增長；養(yǎng)護(hù)齡期為7、14 d 時(shí)，固化泥炭土的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系為硬化型，在軸向應(yīng)變達(dá)到19%時(shí)應(yīng)力仍未出現(xiàn)峰值；養(yǎng)護(hù)齡期增至28 d 后，其應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系為軟化型，破壞形式由塑性破壞轉(zhuǎn)為脆性破壞；硬化型和軟化型應(yīng)力-應(yīng)變曲線分別取15%軸向應(yīng)變對應(yīng)的應(yīng)力和峰值應(yīng)力為固化泥炭土的破壞應(yīng)力.

圖3 不同養(yǎng)護(hù)齡期固化泥炭土的應(yīng)力-應(yīng)變曲線Fig.3 Stress-strain curves of solidified peats under different curing ages

2.2 固化泥炭土的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度

2.2.1 養(yǎng)護(hù)齡期的影響

不同有機(jī)質(zhì)含量和pH 值下養(yǎng)護(hù)齡期對固化泥炭土強(qiáng)度的影響類似.因此，選取有機(jī)質(zhì)含量為40%、pH 值為5.5 的試驗(yàn)結(jié)果分析固化泥炭土強(qiáng)度隨養(yǎng)護(hù)齡期的變化規(guī)律.表4 為不同養(yǎng)護(hù)齡期固化泥炭土的UCS 值.由表4 可見：

表4 不同養(yǎng)護(hù)齡期固化泥炭土的UCS 值Table 4 UCS values of solidified peats under different curing age

（1）當(dāng)水泥摻量為10%、20%、30%時(shí)，固化泥炭土的7 d UCS 值快速增長，14、28 d UCS 值增長速率放緩.初始含水率為200%的泥炭土，在摻入10%、20%和30%水泥后，固化泥炭土的7 d UCS值分別為196.4、436.9、640.7 kPa，14 d UCS 值分別為254.7、486.1、733.8 kPa，28 d UCS 值增至322.2、563.6、867.2 kPa.相比于7 d UCS 值，固化泥炭土14、28 d UCS值的增幅分別為9%～29%和29%～64%.

（2）當(dāng)泥炭土有機(jī)質(zhì)含量為40%、初始含水率為300%時(shí)，固化泥炭土的14、28 d UCS 值比7 d UCS值分別大11%～12%和17%～36%.當(dāng)泥炭土初始含水率增至400%時(shí)，固化泥炭土14、28 d UCS 值的增幅分別為8%～15%和23%～26%.固化泥炭土的UCS 值與養(yǎng)護(hù)齡期密切相關(guān)，養(yǎng)護(hù)齡期越長，UCS值越大.綜合所有試驗(yàn)結(jié)果，固化泥炭土的14、28 d UCS 值比7 d UCS 值分別增長了8%～29% 和17%～64%.

2.2.2 水泥摻量的影響

限于篇幅，僅給出7、28 d 齡期固化泥炭土的UCS 值隨水泥摻量的變化（見圖4）.由圖4 可見：隨著水泥摻量的增加，固化泥炭土的UCS 值呈線性增長；泥炭土的初始含水率越小，固化泥炭土UCS 值的增長速率越大，表明低含水率泥炭土的UCS 值對水泥摻量更加敏感；當(dāng)泥炭土有機(jī)質(zhì)含量為40%、初始含水率為200%時(shí)，摻入10%水泥后固化泥炭土的7 d UCS 值為196.4 kPa，水泥摻量增至20%后，固化泥炭土的7 d UCS 值為436.9 kPa；當(dāng)泥炭土的初始含水率和水泥摻量同時(shí)增加1 倍后（即400%含水率、20%水泥摻量），固化泥炭土的7 d UCS 值僅為173.9 kPa，表明固化泥炭土強(qiáng)度與水泥摻量和含水率密切相關(guān)；在不同初始含水率、不同有機(jī)質(zhì)含量下，當(dāng)水泥摻量從10%增加到30%后，固化泥炭土的7、14、28 d UCS 值分別增加了226%～796%、188%～504%和161%～485%.

圖4 不同水泥摻量固化泥炭土的UCS 值Fig.4 UCS of solidified peats under different cement contents

2.2.3 含水率的影響

限于篇幅，僅給出有機(jī)質(zhì)含量為60%時(shí)固化泥炭土UCS 值隨含水率的變化（見圖5）.由圖5 可見：隨著含水率的增加，固化泥炭土的UCS 值逐步降低；當(dāng)泥炭土的初始含水率從300%增加到400%時(shí)，固化泥炭土的UCS 值迅速降低；在泥炭土初始含水率大于400%后，固化泥炭土UCS 值的降幅放緩；當(dāng)水泥摻量為10%、20%和30%時(shí)，泥炭土含水率增加1倍后，固化泥炭土的28 d UCS 值分別降低了49%～79%、48%～67%和42%～58%.

圖5 不同含水率下固化泥炭土的UCS 值Fig.5 UCS values of solidified peats under different water contents

路基工程要求7、28 d 齡期水泥固化土的UCS值分別為200、300 kPa［10］.當(dāng)泥炭土有機(jī)質(zhì)含量為60%、初始含水率為300%～600%時(shí)，摻入10%水泥后7 d 齡期固化泥炭土的UCS 值均不滿足要求.當(dāng)泥炭土初始含水率為400%和600%時(shí)，分別摻入20%和30%水泥后，7 d 齡期固化泥炭土的UCS 值方能滿足要求.如圖4 所示，泥炭土初始含水率為200%、有機(jī)質(zhì)含量為40%時(shí)，摻入10%水泥后的7 d UCS 值基本滿足要求.因此，泥炭土初始含水率是決定水泥等固化劑用量的關(guān)鍵因素.當(dāng)泥炭土初始含水率低于200%時(shí)，采用水泥直接固化；當(dāng)泥炭土初始含水率大于200%時(shí)，直接固化需要大量的固化劑，經(jīng)濟(jì)性很差.

2.2.4 有機(jī)質(zhì)含量的影響

圖6 為不同有機(jī)質(zhì)含量固化泥炭土的UCS 值.限于篇幅，僅給出初始含水率為400%固化泥炭土的UCS 值.由圖6 可見：當(dāng)有機(jī)質(zhì)含量增加時(shí)，固化泥炭土的UCS 值稍有降低；當(dāng)水泥摻量為30%時(shí)，有機(jī)質(zhì)含量從40%增加到80%后，固化泥炭土的28 d UCS 值降幅為6%.

圖6 不同有機(jī)質(zhì)含量固化泥炭土的UCS 值Fig.6 UCS values of solidified peats under different organic contents

2.2.5 pH 值的影響

限于篇幅，僅給出泥炭土初始含水率為200%和400%、有機(jī)質(zhì)含量為40% 時(shí)固化泥炭土的UCS 值，如表5 所示.由表5 可見：當(dāng)泥炭土初始含水率為200%、有機(jī)質(zhì)含量為40%時(shí)，摻入10%水泥后pH 值為3.5、5.5 和7.0 的固化泥炭土的7 d UCS 值分別 為154.8、196.4、223.3 kPa；泥炭土 的pH 值越低，即H+濃度越高，固化泥炭土的UCS 值越低；相比于pH 值為7.0 的固化泥炭土，pH 值為3.5 和5.5 固化泥炭土的UCS 值分別降低了30%和12%；pH 值為3.5 固化泥炭土的UCS 值比pH 值為5.5 的固化泥炭土低10%～46%；pH 值為7.0 固化泥炭土的UCS 值比pH 值為5.5 的固化泥炭土高8%～38%.

表5 不同pH 值下固化泥炭土的UCS 值Table 5 UCS values of solidified peats under different pH values

2.3 固化泥炭土微觀結(jié)構(gòu)分析

2.3.1 有機(jī)質(zhì)含量的影響

圖7 為不同有機(jī)質(zhì)含量固化泥炭土的微觀結(jié)構(gòu).由圖7 可見：固化泥炭土內(nèi)部的高嶺土顆粒呈書頁狀、蠕蟲狀或手風(fēng)琴狀，晶間結(jié)構(gòu)比較松；泥炭土為長條形纖維結(jié)構(gòu).水泥固化生成水化硅酸鈣（C-S-H）凝膠，提高了固化泥炭土的強(qiáng)度.C-S-H 凝膠一般生長成彎曲狀、扭曲的薄片狀或條帶狀，新的生長點(diǎn)主要出現(xiàn)在薄片狀產(chǎn)物的邊緣或條帶狀產(chǎn)物的兩端［10］，凝膠形態(tài)符合水泥水化產(chǎn)物C-S-H 凝膠的生長方式.進(jìn)入加速期后，C-S-H 凝膠呈樹枝分叉狀高速生長，附著在高嶺土顆粒表面形成網(wǎng)狀形貌的產(chǎn)物，而顆粒間的孔隙里形成近球狀產(chǎn)物，呂鵬等［11］對此現(xiàn)象進(jìn)行了相應(yīng)的解釋.此外，在Kolay 等［4］對水泥固化泥炭土的研究結(jié)果中，凝膠形態(tài)也與本文相似.有機(jī)質(zhì)含量較低時(shí)，書頁狀的高嶺土顆粒較多，纖維狀泥炭土較少，C-S-H 凝膠主要附著在高嶺土上生長.有機(jī)質(zhì)含量較高時(shí)，書頁狀的高嶺土顆粒含量較少，纖維狀結(jié)構(gòu)比較多，C-S-H 凝膠主要附著在纖維狀結(jié)構(gòu)上生長.隨著養(yǎng)護(hù)齡期的不斷延長，C-S-H 凝膠也不斷生長，最終連成骨架.當(dāng)固化泥炭土受到外力作用時(shí)，纖維狀結(jié)構(gòu)多的土體由于孔隙較多，水化產(chǎn)物無法充分填充，更易于被壓縮，宏觀表現(xiàn)為強(qiáng)度低.因此，有機(jī)質(zhì)含量越高，固化泥炭土的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度越低.

圖7 不同有機(jī)質(zhì)含量固化泥炭土的微觀結(jié)構(gòu)Fig.7 Microstructure of solidified peats under different organic contents

2.3.2 pH 值的影響

泥炭土摻入水泥后，固化泥炭土的強(qiáng)度增長主要依賴于水泥水化反應(yīng)產(chǎn)生的C-S-H 凝膠等水化產(chǎn)物的膠結(jié)作用.寧建國等［12］發(fā)現(xiàn)，水泥固化土中土樣的pH 值會(huì)影響固化土孔隙液中Ca2+和OH-的濃度，進(jìn)而影響固化土中水化物的生成量，最終影響固化土強(qiáng)度的增長.式（1）為生成C-S-H 凝膠的熱力學(xué)方程式.

圖8 為不同pH 值固化泥炭土的微觀結(jié)構(gòu).固化泥炭土的pH 值越大，即H+濃度越低，高嶺土和纖維狀泥炭土表面能附著越多的水化硅酸鈣凝膠（C-S-H），宏觀表現(xiàn)出更高的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度.土體pH 值從7.0 降低到3.5 時(shí)，土體內(nèi)孔隙液H+濃度逐漸增加，將消耗相當(dāng)量的水泥水化產(chǎn)生的OH-.固化過程中，OH-損耗與Ca（OH）2形成都發(fā)生在孔隙液中，2 個(gè)過程是同步進(jìn)行的.低pH 值的泥炭土導(dǎo)致Ca（OH）2無法處于飽和狀態(tài)，抑制了C-S-H 凝膠產(chǎn)生；泥炭土的pH 值越低，C-S-H 凝膠的數(shù)量越少.因此，相同土體骨架下，pH 值越低的固化泥炭土，其無側(cè)限抗壓強(qiáng)度也越低.

圖8 不同pH 值固化土的微觀結(jié)構(gòu)Fig.8 Microstructure of solidified peats under different pH values

3 水泥固化超高含水率泥炭土的配合比

基于DB33/T 904—2013《公路軟土地基路堤設(shè)計(jì)規(guī)范》，要求室內(nèi)水泥固化土的28 d UCS 值大于300 kPa.表6 為固化泥炭土28 d UCS 值為300 kPa時(shí)的水泥摻量.由表6 可見：泥炭土初始含水率為200%時(shí)，摻入8.4%～11.7%水泥后固化泥炭土的UCS 值滿足要求.泥炭土含水率低于200%時(shí)，所需的水泥摻量不是很高，可采用水泥對其直接進(jìn)行固化；一旦泥炭土的初始含水率超過300%，低pH 值下需要大量的固化劑才能滿足強(qiáng)度要求；泥炭土含水率為300%、pH 值為3.5 時(shí)，28 d UCS 值達(dá)到300 kPa所需的水泥摻量高達(dá)19.9%.建議在高含水率泥炭土中加入摻料，即摻入砂土或者低含水率的黏土，利用水泥水化反應(yīng)產(chǎn)生的凝膠連接泥炭土顆粒和摻料，以達(dá)到降低水泥等固化劑用量的目的.

表6 固化泥炭土28 d UCS 值為300 kPa 時(shí)的水泥摻量Table 6 Cement contents of UCS value of 300 kPa of solidified peats at curing age of 28 d

4 結(jié)論

（1）隨著水泥摻量的增加和固化齡期的延長，固化泥炭土的應(yīng)力-應(yīng)變曲線從硬化型過渡到軟化型，破壞模式從塑性破壞轉(zhuǎn)為脆性破壞.固化泥炭土的7 d 無側(cè)限抗壓強(qiáng)度（UCS）快速增長，14、28 d UCS值增長的速率放緩.相比于7 d，固化泥炭土14、28 d UCS 值的增幅分別為8%～29%和17%～64%.

（2）水泥摻量增加后，固化泥炭土的UCS 值呈線性增長.水泥摻量從10%增加到30%后，固化泥炭土的28 d UCS 值增加了161%～485%.泥炭土的有機(jī)質(zhì)含量越高，C-S-H 凝膠越容易附著于纖維狀結(jié)構(gòu)上，UCS 值越低.有機(jī)質(zhì)含量從40%增加到80%時(shí)，摻入30% 水泥后固化泥炭土的28 d UCS 值降幅為6%.

（3）固化泥炭土的pH 值越高，顆粒表面能附著越多的C-S-H 凝膠，其UCS 值越高.相比于pH 值為5.5 的固化泥炭土，pH 值為3.5 固化泥炭土UCS 值的降幅為10%～46%，pH 值為7.0 固化泥炭土UCS 值的增幅為8%～38%.

（4）泥炭土的初始含水率增加后，固化泥炭土的強(qiáng)度快速降低.泥炭土的含水率增加1 倍后，固化泥炭土的28 d UCS 值降低了42%～79%.泥炭土含水率低于200%時(shí)，可采用水泥直接固化；高含水率泥炭土可加入摻料，即往泥炭土中加入砂土或者低含水率的黏土，以達(dá)到降低固化劑用量的目的.