水泥_膨润土泥浆固结体的微观孔隙结构特征

DOI :10. 16030/j . cn ki . issn . 1000-3665. 2009. 04. 019　　　　　　·90·

水文地质工程地质

2009年第4期　

水泥-膨润土泥浆固结体的微观孔隙结构特征

徐　超, 冯颖彦, 黄　亮(1. 同济大学岩土及地下工程教育部重点实验室, 上海　200092; 2. 同济大学地下建筑与工程系, 上海　200092)

摘要:采用压汞试验来研究水泥-膨润土固结体的微观孔隙结构特征, 有助于从影响因素和机理上认识固结体的强度和渗透系数等宏观特性。试验研究结果表明:固结体的总孔隙体积、最可几孔径、各级孔隙分布以及临界孔径等孔结构特征与膨润土和水泥的用量密切相关。其中固结体的较大孔隙应主要由水泥水化产物构成, 膨润土水化后会形成固结体的微小孔隙, 并充填一部分大孔隙。关键词:水泥-膨润土泥浆; 微观结构特征; 孔隙; 压汞试验

中图分类号:P642. 11+4; P642. 16+4　　　　文献标识码:A 　　　　文章编号:1000-3665(2009) 04-0095-05

1

1

2

　　水泥-膨润土泥浆材料作为一种新型的水泥基浆液材料, 目前在国内外应用并不广泛, 试验研究也只是从若干材料配比方案中优选最佳方案。从工程应用和技术研究的角度来看, 目前主要关注硬化后的水泥-膨润土泥浆的力学性能和渗透性能, 如对于垃圾卫生填埋场四周设置的这种类型防渗墙, 要求渗透系

-7

数不大于10c m s , 并根据具体工程地质条件对墙体的强度和模量提出要求

[2～4]

[1～2]

征, 并基于试验结果分析了各材料对固结体的影响。

1　压汞试验原理

压汞法测定土中孔隙分布是依据非浸润性液体在没有压力作用时不会流入固体孔隙的原理。在某一压力下, 汞能进入一定孔径大小的孔隙内, 随着压力的增

加, 汞不断进入更小的孔隙, 即可获得孔径大小与进汞压力之间的关系曲线, 以及孔隙大小分布情况。压汞法直接测得的是压力和压入孔内的汞体积。要将进汞压力、汞体积与孔径关联起来, 需借助一定的孔模型,

[7]

一般都采用圆柱形孔模型。按圆柱孔模型处理, Washburn 建立的孔径与压力的关系可用式(1) 表示

P =

r

[8]

。水泥-膨润土泥浆固结

体属于水硬性材料, 类似于水泥土。从微观尺度上看, 水泥-膨润土泥浆固结体又是各种水化物和未水化颗粒、水、气体等的多相复合体。为了认识水泥-膨润土泥浆固结体宏观特性的变化规律, 就需通过实验方法揭示固结体的微观结构特征。Plee 曾进行了水泥-膨润土泥浆的微观结构、渗透系数和流动性能的研究, 发现水泥中大量Ca 和混合液的高pH 值都会影响泥浆的宏观特性。Schoenfelder

[6]

2+

[5]

:

(1)

式中:P ———施加的压力;

σ———汞的表面张力;

θ———汞与固体材料接触角(取117～140°之间) ;

r ———圆柱形孔隙的半径。式(1) 表明了在用压汞实验测孔时, 施加的压力越大, 汞能进入的孔就越小。通过测定不同压力下汞进入孔内的体积, 可获得不同孔径的孔体积。

还利用核磁共振方法探

讨了不同配比的水泥膨润土泥浆的硬化特征及渗透性能。

水泥-膨润土固结体中, 空隙占据了一定的空间, 而且空隙大小、多少、连通性及分布特征与固结体的宏观特性存在内在的关联性。因此研究固结体的微观孔隙结构特征对从机理上研究水泥和膨润土固结体的力学性质和渗透特性有着重要意义。本文通过压汞试验测定不同配比水泥-膨润土泥浆固结体的孔隙结构特

收稿日期:2008-10-13; 修订日期:2008-12-18基金项目:上海市重点学科建设项目资助(B308)

作者简介:徐超(1965-) , 男, 博士, 教授, 主要从事岩土加固和

原位测试技术的教学和科研工作。E -mail :c -axu @mail . tongji . edu . cn

2　试验材料与试验方法

选用矿渣硅酸盐水泥和人工钠基膨润土作为试验

材料, 水泥和膨润土的指标性能见表1。

在进行正式试验前, 首先对水泥、膨润土的用量进行了探索性试验配比, 以考察研究中材料的合理用量范围。通过试验性配比确定每1000g 水中掺入膨润土的合理用量为300～400g , 水泥的合理用量为100～

　2009年第4期

表1　水泥、膨润土的性能指标

Table 1　Behaviour indexes of cement and bentonite

水泥

SO 3含量(%) 2. 12

细度(%)

3. 6

安定性合格

胶质价

膨润土膨胀容

水文地质工程地质　　　　　　·91·

吸蓝量

(ml 15g 土) (ml g 土) (mmol 100g 土)

96. 014. 095. 62

表2　试验配合比方案

Table 2　Mixture proportions in the test

配比编号

A1

A

A2A3B1

B

B2B3

C1

C

C2C3D1

D

D2D3

膨润土(g )

[***********]

[***********]

水泥(g ) [***********][***********]

水(g ) [***********][***********][1**********]0

B A 配比编号

A1A2A3B1B2B3C1C2C3D1D2D3

图1　进汞压力与孔径关系Fig . 1　Relationship between mercury

injection pressure and voids 表3　各配比固结体孔隙结构参数

Ta ble 3　Void structure parameters of a variety of slurries

累计进汞量(mL g ) 1. 221. 161. 141. 161. 111. 181. 321. 271. 281. 471. 411. 31

24. 422. 824. 124. 624. 728. 329. 829. 932. 630. 931. 9

10～100nm 35. 2

36. 035. 429. 333. 637. 034. 334. 735. 635. 535. 238. 3

>100nm 39. 9

41. 141. 846. 641. 838. 337. 435. 534. 531. 933. 929. 8

孔径分布百分比(%)

最可几孔径(nm )

8. 519. 138. 977. 868. 428. 467. 407. 567. 187. 107. 546. 03

临界孔径(nm )

67. 8565. 0262. 2768. 1561. 3757. 8166. 8359. 3655. 6465. 3558. 9653. 36

　　水泥-膨润土泥浆固结体试样的制备和养护参照文献[9]附录二的方法执行。养护28d 后, 试样可用于固结体的无侧限抗压试验、渗透试验和压汞试验。限

于篇幅, 本文仅阐述压汞试验的结果。

压汞试验要求试样完全干燥, 目前使试样脱水干燥的方法有风干、烘干以及液氮冷冻真空升华干燥法(简称冻干法) 三种。为了尽量减小由于失水导致孔隙的结构特性的改变, 本次试验中采用冻干法对试样进行干燥:先用锯条把试块锯开, 在固结体的不同部位用小刀小心地取出若干直径3～5mm 的颗粒, 立即放入液氮中快速冷却, 然后把冷冻试样在真空状态下升华除去水分。这样可以尽可能地减小因失水而导致的固结体孔隙结构的变化, 减小试验误差。

C

D

4　结果分析与讨论

4. 1　累计总孔隙体积

累计孔隙体积的含义是一次进汞过程中所探测到

的不同孔径的孔隙总体积, 单位是mL g 。图2是A 、B 、C 、D 各组试件累计孔隙体积与水泥用量的关系曲线。

3　试验结果

试验中采用进汞压力172. 4～214997kPa , 测孔的范围达到了3. 25～4266nm 。一次完整的进汞曲线表现了探测到的孔径和进汞压力变化的关系(图1) 。即

压力较小时, 探测到的孔径较大, 且随着压力的增大, 对应的孔径迅速减小; 压力进一步增大后, 能探测到的孔径更小, 但曲线趋于平缓。通过对进汞曲线进行分析计算, 可以得到一系列孔隙特征参数, 包括总孔隙体积、孔径分布、最可几孔径、临界孔径等。根据压汞试验结

果, 图2　水泥用量和总孔隙体积的关系曲线

Fig . 2　The curve of total void volume with amount of cement

从图2中可发现各组试件的曲线变化情况不尽相同。A 、B 、C 、D 组中, 当水泥用量从140g 增大到200g , 固结体总孔隙体积随水泥用量的增大而减小; 当水泥用量从200g 增大到230g , 固结体总孔隙体积随水泥用

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土用量相同的条件下, 当水泥用量较少时, 水泥-膨润土泥浆固结体的总孔隙体积随水泥含量增大而减小, 这一变化规律受膨润土用量的影响较小; 当水泥用量增加到某一程度, 水泥对总孔隙体积的影响及水泥与膨润土之间的相互作用比较复杂, 需要做进一步的探讨。再来考察膨润土用量对总孔隙体积的影响。将试验中水泥用量相同的固结体归为一组, 即A1、B1、C1、D1组成一组, 记作1组; A2、B2、C2、D2组成一组, 记作2组; A3、B3、C3、D3组成一组, 记作3组。膨润土用量与总孔隙体积关系曲线如图3示

。

图4　水泥用量和最可几孔径的关系曲线Fig . 4　The curve of probable void size with

amount of cement

图3　膨润土用量与总孔隙体积的关系曲线

Fig . 3　The curve of total void vo lume

with amount of bento nite

图5　膨润土用量和最可几孔径的关系曲线Fig . 5　The curve of probable void size with

amount of bentonite

可见, 固结体总孔隙体积在水泥用量一定的情况下会随着膨润土用量的增加而增大, 相对于水泥, 膨润土用量变化对固结体总孔隙体积的影响更加显著。4. 2　孔径分布与最可几孔径

孔径分布的含义是指水泥-膨润土泥浆固结体中各类大小孔隙体积的分布情况, 可以通过孔径分布微分曲线来反映。微分曲线反映了孔隙体积增加速率随孔径的变化, 微分曲线与横轴包围的面积表示总孔隙体积, 在一定的孔径范围内, 曲线峰值越高说明该区间内孔隙总体积越大。孔隙体积增加的速率刚开始迅速增大, 达到顶峰后又迅速减小, 其中微分曲线峰值对应的孔径就是最可几孔径。最可几孔径的物理意义是固结体试样中出现几率最大的孔径。最可几孔径随水泥、膨润土用量的变化曲线如图4和图5所示。

从图4中可以看出, 在水泥用量从140g 增加到200g 时, 最可几孔径受水泥用量的影响较小, 水泥用量的增加时最可几孔径略有增大, 水泥用量进一步增加时, 最可几孔径的变化趋势出现分化, 水泥与膨润土之间的相互作用可能起到主导作用。但最可几孔径受膨润土用量的影响较大, 随膨润土用量增加而明显减小(图5) 。这一结果也反映, 固结体的小孔隙主要由膨润土水化后构成。4

临界孔径的定义为压入汞的体积明显增加时所对

应的最大孔径。在压力和压入汞体积的曲线上, 临界孔径对应于汞体积屈服的末端点压力。图6给出了各组固结体试件临界孔径随膨润土用量的变化曲线。各配比的固结体临界孔径已列于表3。图中不同组别的水泥用量不同, 1组用量最低, 为每1000g 水中140g 水泥。3组最高, 为每1000g 水中230g 水泥。从图6中可看出, 临界孔径随着膨润土的增加而减小, 但是各组影响程度不同。在水泥量相对较小的1组中, 临界孔径受膨润土用量的影响较小, 而在水泥量最多的3组, 临界孔径减小了14. 3%,受膨润土用量的影响明显。这一结果再次说明, 固结体的孔隙结构特征受水泥和膨润土的交互影响, 膨润土对固结体总孔隙体积、最可几孔径和临界孔径等的影响, 是以水泥掺入量的多少为前提条件的。图4和图6显示, 要减小固结体的最可几孔径和临界孔径, 需要掺入一定量的水泥。

一般固体材料包含不同尺寸的孔隙, 较大的孔隙之间由较小的孔隙连通, 临界孔径就是能够将较大的孔隙连通起来的各类孔隙中的最大孔级, 反映了材料中孔隙的连通性和渗透路径的曲折性。因此, 临界孔径的变化对水泥-膨润土固结体的渗透特性具有重要意义, 随着膨润土含量的增加, 固结体的临界孔径变

[4]

, , 。

　2009年第4期水文地质工程地质　　　　　　·93·

5　结论

(1) 在一定用量范围内, 水泥-膨润土泥浆固结体

的孔隙总体积随水泥用量的增加而减小, 随膨润土用量的增加而增大; 最可几孔径和临界孔径都随着水泥用量的增加而增大, 都随着膨润土用量的增加而减小; 固结体中的较大孔隙受水泥用量控制, 而膨润土水化

图6　膨润土与临界孔径的关系曲线Fig . 6　The curve of critical void diameter

with amount of bento nite

后主要构成细小孔隙。

(2) 在水泥-膨润土泥浆形成固结体的过程中, 水泥和膨润土水化后相互影响, 膨润土对固结体孔隙结

构特征的影响程度, 是以水泥掺入量为前提。对于同时需要具备防渗性能和力学强度要求的水泥-膨润土泥浆墙, 合理的配合比非常重要。参考文献:

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admixed with bentonite , silica fume , or organic fiber [J ]. Cement and Concrete Research , 1997, 23(7) :395-399.

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4. 4　孔径分类特征

借鉴硬化水泥浆体和膨润土的孔隙特征的分类, 将固结体孔隙分为三类:微孔隙(100nm ) , 以便于讨论和分析研究。

根据孔隙累计分布曲线绘制了各孔级所占比例柱状图, 以显示水泥膨润土固结体的各类孔隙所占总孔隙的百分比含量(图7) 。从图7可以看出, 总体趋势上, 水泥-膨润土泥浆固结体中大孔隙所占比例, 是随着水泥用量和膨润土用量的增加而减小, 而中小孔隙正好相反; 相对水泥用量变化对水泥-膨润土泥浆固结体的各类孔隙占总孔隙的百分含量影响相比, 膨润土的用量变化对孔隙分布的影响较大。

以上水泥-膨润土泥浆固结体压汞试验的结果均反映, 固结体的孔结构特征与膨润土和水泥的用量密切相关, 两种成分存在相互作用和相互依存的关系。其中固结体的较大孔隙应主要由水泥水化产物构成, 膨润土水化后会形成固结体的微小孔隙, 并充填一部分大孔隙。例如随膨润土用量增加, 总孔隙体积的增大, 主要表现为孔隙数量的增多, 而孔隙体积(孔径) 则变小, 导致临界孔径减小

。

图7　孔隙累计分布的柱形图

Fig . 7　Columnar diagram of void cumulative distribution

　　　　　　·94·水文地质工程地质2009年第4期　

Microstructure features of voids in cement -bentonite slurries

XU Chao , FE NG Ying -yan , HUANG Liang

(1. Key Laboratory of G eotec hnical and Underground Enginee ring of Ministry of Education , Tongji University , Shanghai 　20092, China ;

2. Department of G e otechnical Engne ering , Tongji University , Shanghai 　200002, China )

A bstract :The micr ostructure features of voids in cement -bentonite slurrie are explored by mercury intrusion

porosimetr y (MI P ) test . The research contributes to the kno wledge of the strength and anti -seepa ge properties of cement -bentonite slurries from eac h affecting factor and mechanism . The study r esults show that the void structure characteristics , such as the total void volume , the pr obable void size , void distribution and critical void dia meter , of the slurries are in dir ect relation to the amount of bentonite and cement in the mixtur e . The bigger voids of cement -bentonite slurries ought to be mainly composed of the cement hydration products . And the bentonite after hydration containing tiny pores will fill in part of big voids in the hardened paste . Key words :cement -bentonite slurries ; microstructure feature ; void ; mercury intrusion porosimetry (MIP )

责任编辑:张明霞

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(上接第89页)

Study on construction stability of soft surrounding rock tunnel

considering time -space effect

TAN Dai -ming , QI Tai -yue , MO Yang -chun

(School of Civil Enginee ring , Southwest Jiaotong University , Che ngdu 　610031, China )

A bstract :Taking Jiaxianggou tunnel in Dazhou -Chengdu high -speed railway as background , by using the finite -3D

difference software FLAC and Bur gers rheologic constitutive model , the construction mechanical behavior of soft surrounding roc k tunnel is studied . Variation laws and magnitudes var ying with time and space of rock surrounding defor mation and r ock surrounding pressur e and support structures bearing force behavior and internal force in an object cross section are attained . And the calculation results are compar ed with the field data . The study result shows that in the range of 1. 5～2. 0times of tunnel diameter in the front of the excavation face and the range of 2. 0times of tunnel diameter of the back of the excavation face , the surr ounding r ock deformation is caused mainly by space effect . Rheological effect plays a key r ole on the defor mation out of the influence range of the spatial effect of excavation face . Because of the rheological effect of surr ounding r ock , the surr ounding r ock pressures and the contact pr essures between primar y support and secondar y lining and internal force and bearing force of support structures both vary with time . When the surrounding r ock is excavated , internal force and bearing force of support structures increase ver y quickly , and then they become steady after arriving at a certain extent . After secondary lining is be constructed , internal force and bearing force of support str uctures increase at low speed . Finally , high -stress -zone of the arch foot , hance and inverted arch has high probability of failure . The experience and conclusions pr esented can provide reference to design , construction and r esearch of similar tunnel .

Key words :tunnel engineering ; time and space effect ; soft surr ounding r ock mass ; c onstruction stability ; numerical simulation