基于压汞法的改良土渗透特性研究

1.3

试验方法

将试验用土盛放于托盘， 在105 ℃ 烘箱中放置8h， 土 壤 充 分 干 燥 后， 经 碎 土 器 破 碎 或 碾 散， 过5mm 细筛， 按照不同配比， 制备用于渗透试验与压汞试验的两组土样(每组3 个)。其中， 重塑土制样时， 注意先用玻璃棒将水与土拌和匀实， 放入塑料袋中密封静置24h 后再制备 土 样。由 于 水 泥 和 固 化剂遇水立即发生反应， 故改良土制样时， 拌匀即制备土样。将土样置于标准养护室养护至规定龄期后，采用室内变水头法测定土样的渗透系数， 压汞法测定土样微观形态。渗透仪为南京仪器厂生产的“ 南-55” 变水头渗透仪， 压汞仪为全自动孔径分析仪 Po -rosit yMaster33系 列， 分 为 低 压 注 汞 和 高 压 注 汞 两个过程， 可测量 压 强 范 围 为： 0.783PSI -33000PSI，测量孔径0.005～1080μm， 可 充 分 反 映 土 体 内 部的孔隙分布情况。

2

试验结果分析

2.1

改良土的试验结果分析

固化剂、 水泥与龄期皆作为相对单因素变量单独进行试验设计与结果分析， 10组不同配比土样的渗透系数见表2。水泥掺量为13%， 7d龄期时， 不同固化剂掺量的渗透曲线和压汞曲线见图2。固化剂掺量为2%， 7d龄 期 时， 不 同 水 泥 掺 量 的 渗 透 曲线和压汞曲线见图3。水泥掺量为13%， 固化剂掺量为4%时， 不 同 龄 期 的 渗 透 曲 线 和 压 汞 曲 线 见 图4。土壤内部的孔隙分布情况见表3、 图5。

2.2

不同固化剂掺量的试验结果比较

图2表示固化剂掺量为0、 1%、 2% 和4% 时的试验曲线， 由图2( a) 可知， 改良土的渗透系数随 固化剂掺量的增加呈先增大后减小趋势。当固化剂掺量在0～1%范围时， 改良土壤的渗透系数随着固化剂掺量的增 加 而 增 大。当 固 化 剂 掺 量 在1%～2%范围时， 能显著降低改良土的渗透系数; 当固化剂的掺量为2%～4%时， 随固化剂掺量的增加， 改良土渗透系数降幅较缓。原因为： 固化剂中的负离子与土壤颗粒表面的正离子发生中和反应， 造 成 土 壤 颗 粒 表面的离子缺位， 破坏了土壤颗粒表面的双电层结构。颗粒缺位区域粒子显中性， 在土壤表面迅速板化， 颗粒由亲水过渡到泌水状态， 结构趋于稳定。与此同时，Al 3+ 与土壤表面的 正 离 子(K+ 、Na + ) 迅 速 发 生交换反应， 破坏了土壤颗粒表面的吸附水膜， 削弱了土壤颗粒的吸水能力。没有水膜隔阂的颗粒之间斥力减弱， 相互吸引衔接， 形成所谓的“ 抱团” 现象。

进汞曲线反映改良土的内部孔隙体积变化， 由图2(b) 可知， 固化剂掺量为2%的进汞曲线位于掺量为0%、 1%、 4% 的 进 汞 曲 线 的 下 面， 说 明 其 改 良土内部孔隙体积最小。对比发现， 1%和4%固化剂掺量的进汞曲线都位于0%固化剂掺量的进汞曲线上面， 表明1% 和 4% 掺 量 未 能 减 小 改 良 土 内 部 孔隙。原因为： 当1% 掺 量， 固 化 剂 掺 量 较 少， 固 化 剂速凝， 颗粒间大孔、 中孔增加， 渗透系数增大; 当2%掺量时， 大孔、 中 孔 含 量 减 少， 微 孔、 极 微 孔 明 显 增多， 渗透系数大幅度降低。表明固化剂受到水泥水化的抑制力， 没有继续发生固化。当4%掺量时， 大孔和中孔相对增多， 但之前产生胶结物质堵塞了部分大孔隙， 尽管大孔、 中孔含量增多， 其并非皆为连通孔隙， 故渗透系数不升反降。孔径分布曲线反映的是孔隙空间体积的变化幅度[24]。由图2(c) 可知，配比 C13+Al1+T7和 C13+Al2+T7的改良土孔径呈单峰分 布， 孔 径 的 主 分 布 区 间 分 别 为 0.1～5μm、 0.03～0.1 μm，而 配 比 C13+ Al0+ T7 和C13+Al4+T7的改良土孔径分布曲线峰型不明显，但呈出清晰的孔隙变化趋势。

综合渗透系数和孔隙变化特征， 对比其他掺量，发现2%掺量 的 固 化 剂 对 有 效 地 改 良 土 内 部 孔 隙，降低渗透系数的效果最显著。

2.3

不同水泥掺量的试验结果比较

图3表示水泥掺量为7%、 9%和13%时的试验曲线， 由图3(a) 可知， 随着水泥掺量的增加， 改良土渗透系数呈非线性减小趋势。相对素土而言， 渗透系数减少一 个 数 量 级。当 水 泥 掺 量 在7%～9% 范围时， 渗透系数降幅较大， 减少率为11.5%; 当水泥掺量在9%～13%范围时， 渗透系数降幅较小， 减少率为9%。原 因 为：(1) 水 泥 中 的 C 3A 和 C3S 和 土中水发生水解反应， 生成水化硅酸钙(C-S-H 凝胶)、氢氧 化 钙 (Ca(OH) 2)、和 水 化 铝 酸 钙 (3CaO˙Al 2O 3˙6H2O) 等微颗粒胶凝物质。胶凝物质堵塞部分连通孔隙， 渗透路径极大地减少。(2) 土壤矿物表面吸附的 K+ 和 Na + 和游离的 Ca 2+ 、Al 3+ 离子产生交换作用， 土壤颗粒初步团粒化， 土壤颗粒收缩脱掉土壤中的水分子， 土体结构更加密实。

由图3(b) 可知， 水泥掺量越多， 进汞曲线位置越低， 说明水 泥 能 改 变 土 体 的 孔 隙 形 态， 其 掺 量 越多， 孔 隙 体 积 越 小。 由 图 3(c) 可 知， 配 比 为 C7+Al2+T7 的 改 良 土 呈 单 峰 分 布， 孔 径 主 要 分 布 在5～10μm 区间内。配比为 C9+Al2+T7改良土孔径分 布 曲 线 峰 型 不 明 显， 孔 径 主 要 分 布 在 0.3～3μm。配比为 C13+Al2+T7 改 良 土 孔 径 的 主 分 布区间为0.05～0.3μm。从图3(c) 可知， 水泥掺量增多， 孔隙入口直径相应减小， 孔径分布曲线存在由大孔径向小孔径过渡趋势。