冻融作用下水泥改良土未冻水含量及孔隙特征试验研究.pdf
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1、刘波,高荣,何艳清,等.冻融作用下水泥改良土未冻水含量及孔隙特征试验研究J.矿业科学学报,2023,8(6):791-802.DOI:10.19606/ki.jmst.2023.06.006Liu Bo,Gao Rong,He Yanqing,et al.Experiment research on unfrozen water content and pore characteristic of cement improved soil under freeze-thawcycleJ.Journal of Mining Science and Technology,2023,8(6):791
2、-802.DOI:10.19606/ki.jmst.2023.06.006冻融作用下水泥改良土未冻水含量及孔隙特征试验研究刘波1,2,高荣1,何艳清1,赵璐1,李东阳1,孙颜顶31.中国矿业大学(北京)力学与土木工程学院,北京 100083;2.隧道工程灾变防控与智能建养全国重点实验室,北京 100083;3.中国建筑第二工程局有限公司,北京 100160收稿日期:2023-03-17 修回日期:2023-08-31基金项目:国家自然科学基金(42172319,41771083);北京市国资委创新研究重点项目(201908)作者简介:刘波(1970),男,湖南湘潭人,教授,博士生导师,主要从事
3、矿山建设和城市地下工程等方面的教学与研究工作。E-mail:liub 摘 要:水泥基材料注浆是控制人工冻结地层冻融变形普遍有效的措施。基于核磁共振技术,对冻融作用下不同水泥掺量的粉质黏土未冻水含量及冻融前后孔隙特征进行测试,结合扫描电镜和压汞技术分析了冻融前后水泥改良土的孔隙特征变化规律及冻融损伤微观机理。结果表明:含水量一定时,随着水泥掺量的增大,孔隙中水分子磁化程度对温度的敏感性先增大后减小;当水泥掺量为 0 10%时,正融过程同一温度下,随着水泥掺量的增加,冻结土体中未冻水含量先减小后增大;相比于未掺水泥的粉质黏土,水泥改良粉质黏土冻融前后孔隙的变化程度较小,当水泥掺量为 5%时,其孔隙
4、特征及微观结构受冻融循环影响较小。研究结果可为改良土体抗冻融损伤研究及人工冻结工程地层冻胀融沉稳定性控制提供参考。关键词:水泥改良;粉质黏土;未冻水含量;孔隙特征;核磁共振中图分类号:TU 411.92 文献标志码:A文章编号:2096-2193(2023)06-0791-12Experiment research on unfrozen water content and porecharacteristic of cement improved soil under freeze-thaw cycleLiu Bo1,2,Gao Rong1,He Yanqing1,Zhao Lu1,Li D
5、ongyang1,Sun Yanding31.School of Mechanics and Civil Engineering,China University of Mining and Technology-Beijing,Beijing 100083,China;2.National Key Laboratory for Disaster Prevention,Control and Intelligent Construction of Tunnel Engineering,Beijing 100083,China;3.China Construction Second Engine
6、ering Bureau Ltd.,Beijing 100160,ChinaAbstract:Grouting with cementitious materials is a commonly-recognized measure to control the freezingand thawing deformation of artificial freezing strata.This study investigated the unfrozen water content ofsilty clay with different cement content under freeze
7、-thaw condition,as well as the pore characteristics ofthe silty clay before and after freeze-thaw cycle based on nuclear magnetic resonance.It analyzed porecharacteristics variation patterns of cement improved soil before and after freeze-thaw cycle and the mi-cro-mechanism of freeze-thaw damage thr
8、ough scanning electron microscopy and mercury intrusion poro-simetry.Results showed that:With the same water content,the increase of cement content would lead第 8 卷 第 6 期2023 年 12 月矿 业 科 学 学 报JOURNAL OF MINING SCIENCE AND TECHNOLOGYVol.8 No.6Dec.2023to the initial increase and subsequent decrease in
9、the sensitivity to temperature of water molecule mag-netization in the pores.When the cement content is between 0%10%and at the same temperatureduring thawing process,the increase of cement content would lead to the initial decrease and subsequentincrease of the unfrozen water content in the frozen
10、soil.Compared with the silty clay without cement,cement improved silty clay shows little changes in its pores before and after the freeze-thaw cycle.Thepore characteristics and microstructure of improved silty clay with cement content of 5%are less affect-ed by freeze-thaw cycle.This research can pr
11、ovide references for the study of freeze-thaw resistance ofimproved soil and the stability control of strata frost heave and thaw settlement in artificial frozen engi-neering.Key words:cement improvement;silty clay;unfrozen water content;pore characteristic;nuclearmagnetic resonance 随着我国矿井工程建设和城市地下空
12、间的不断发展,新建地下矿井和隧道工程施工时穿越富水地层的情况不可避免。为解决施工中的涌水和坍塌等难题,一些工程引入人工冻结法并取得了良好的经济价值和社会效益1-3。人工冻结过程土体中的水分冻结成冰体积发生膨胀,而在融化过程中体积收缩,产生冻胀融沉变形,对周边建构筑物产生不同程度的影响4-6。为保证冻结后土体具有良好的稳定性,人工冻结工程常采用水泥注浆技术进行土体改良与融沉控制。研究水泥改良粉质黏土冻融过程中的孔隙结构演化及冻融前后的孔隙特征变化,对评价人工冻结工程的稳定性和控制冻胀融沉变形具有重要的工程意义和实用价值7-10。近年来,围绕冻土未冻水含量受各类因素的影响规律,众多学者采用声发射(
13、AE)、扫描电镜(SEM)、计算机断层扫描(CT)、压汞(MIP)、核磁共振(NMR)等技术开展了研究。Liu 等11、李东阳等12基于传热学中集总参数法提出了一种测定冻土中未冻水含量随温度变化的模型。张立新等13测试了不同压力下冻土的冻结温度和未冻水含量,发现冻结温度随压力的增大呈非线性降低的趋势,对应冻结温度下的未冻水含量也相应增加。王大雁等14通过对不同类型的冻土在不同负温下的超声波波速特征研究,建立了超声波波速与未冻水含量之间的关系。尹振华等15通过扫描电镜研究了融化压缩过程中水泥改良冻土的孔隙变化特征。Liu 等16提出了一个土壤冻结特性曲线的理论公式。Wang 等17基于土壤冻结特
14、性曲线的形状主要取决于土壤孔隙分布的假设,提出了一种估算土壤冻结特性曲线的数学模型。为减小冻融过程对土体内部结构的劣化损伤以控制地层变形,同时保证冻结壁达到较好的冻结效果,冻结施工前对土体进行改良是一种行之有效的方法18。众多学者围绕不同种类改良剂对土体的物理力学性质影响规律进行了研究。黄建华等19对水泥改良土地层冻结温度场进行数值分析,结果表明,土体冻结效果随水泥掺量的增大呈先增大后减弱的趋势;水泥掺量为 10%时,土体的冻结效果最佳。王天亮等20通过静三轴试验研究了水泥改良土和石灰改良土的强度特性,结果表明改良土的峰值强度随着围压的增加而增加,黏聚力随冻融次数的增加而逐渐减小,冻融作用下水
15、泥土的改良效果要优于石灰土。崔宏环等21测试了不同水泥掺量改良土的应力-应变关系曲线,获得了水泥固化土中水泥掺量对冻融循环后土体冻融损伤的规律。张向东等22测试了冻融循环作用后EPS(泡沫粒子)颗粒改良土的冻胀率及割线模量,结果表明 EPS 颗粒可有效提升土体的抗冻性,降低土体的冻胀变形。任昆等23对水泥煤渣改良土进行了冻融循环作用下的循环加载试验,建立了考虑冻融循环次数影响的水泥煤渣改良土累计变形预测模型。目前,土体孔隙结构受冻融损伤的研究主要集中于未改良土体冻融前后微观结构的变化24-26,较少涉及冻融过程中改良土体孔隙结构及未冻水含量的演化规律及其与冻融损伤之间的关联性研究。鉴于此,本文
16、以北京地区富水粉质黏土为研究对象,通过核磁共振技术、扫描电镜技术和压汞技术,研究了不同掺量水泥对粉质黏土在融化过程中未冻水含量的影响规律,并分析了冻融前后改良土孔隙特征变化受水泥掺量影响的微观机理。研究结果可为探究人工冻结水泥改良土冻融过程孔隙结构变化规律及人工冻结工程的优化设计提供参考。792矿 业 科 学 学 报第 8 卷1 试验材料及方法1.1 试验材料试验用土为粉质黏土,取自北京地铁某联络通道冻结施工现场,取样深度为地下 21.48 m。根据土工试验方法 GB/T 501232019对原状土进行物理性质试验测试,测得主要物理力学指标见表1。试验所用水泥为 42.5 级普通硅酸盐水泥,初
17、凝时间为 156 min,终凝时间为 293 min,养护 7 d 抗压强度为 32.75 MPa。表 1 土样基本物理性质指标Table 1 Basic physical property index of soil土类天然含水率/%天然干密度/(gcm-3)孔隙比液限塑限粉质黏土28.921.540.7232.918.7将现场所取的粉质黏土风干、碾碎,过 2 mm筛后,置于密封箱中备用。基于已有文献中对水泥改良土的研究方法及改良土物理力学性质随水泥掺量变化的研究结果20,27,样品制备时控制初始干密度为 1.54 g/cm3,按照 5 种水泥掺量(质量分数)0、2.5%、5.0%、7.5%
18、、10.0%,分别称取相应质量的干土、蒸馏水、水泥,充分搅拌混合均匀,并分三层击实制样,得到 A、B、C、D、E 共 5 组水泥改良土试样。经 ZYB-型真空压力饱和装置对试样进行真空饱和 24 h。试样静置养护 7 d,此时水泥土中水化反应已达完全水化的 70%90%。获得 5 组共 15 个试样,试样的直径为 20 mm,高度为25 mm,如图 1 所示。图 1 粉质黏土试样Fig.1 Silty clay samples1.2 试验方案核磁共振试验采用中国矿业大学(北京)城市地下工程实验室的冻结岩土核磁共振孔隙分析试验系统,该系统由 MicroMR02-025V 型核磁共振孔隙分析仪和
19、HX-4010 低温冷浴试验箱组成(图 2)。图 2 核磁共振及低温冷浴装置Fig.2 Nuclear magnetic resonance and cooling system待改良粉质黏土养护完成后,分别对 5 组试样进行正融全过程的核磁共振测试。(1)试验前用标准样先对仪器进行标定,然后用聚四氟乙烯将试样完全包裹。试验时控制磁体强度为 0.29 T,磁体温度为(32.000.01)。将装有试样(A1 E1、A2 E2)的试管依次放入核磁共振孔隙分析仪中,标定不同试样的 Carr-Purcell-Meiboom-Gill(CPMG)序列参数,得到冻融前各试样的 T2(横向弛豫时间)分布曲线
20、。(2)将 NTC 热敏电阻温度传感计(直径1 mm,精度 0.1)插入制备好的饱和试样(A3 E3)中心。将所有试样置入-20 的冷浴试验箱内进行冻结,每隔 6 s 对试样 A3 E3 监测一次温度。待温度达到(-20.00.1)后再冻结 1 h,使试样处于完全冻结稳定状态。(3)依次将所有冻结试样迅速放置于核磁共振孔隙分析仪中进行自然对流融化。融化过程中每隔6 s 监测一次试样的 T2分布曲线及温度,直至试样温度达到室温后 1 h 再对其进行饱和,并测定其 T2分布曲线,最后采用烘干法测定试样的含水量。(4)重复步骤(2)和(3),直至 15 个试样全部完成,得到不同试样在不同温度及冻融前
21、后的一系列 T2分布曲线。2 试验结果2.1 水泥改良粉质黏土正融过程未冻水含量变化规律2.1.1 核磁共振测定冻土未冻水含量的温度修正不同水泥掺量粉质黏土试样的核磁共振信号量随温度的变化曲线如图 3 所示,其中Mxyi为核磁共振总信号量。793第 6 期刘波等:冻融作用下水泥改良土未冻水含量及孔隙特征试验研究图 3 不同水泥掺量粉质黏土的 NMR 信号量与温度关系Fig.3 NMR signal population-temperature of improvedsilty clay with different cement content由图 3 可以看出,尽管改良粉质黏土的水泥掺量不同
22、,但其核磁共振信号量与温度之间均为线性关系。通过归一化温度修正,得到顺磁回归线的相关参数。每组试样的斜率 a、截距 b 及烘干法测定的含水率 w 见表 2。表 2 不同水泥掺量改良粉质黏土顺磁回归线参数Table 2 Paramagnetic regression parameters of improvedsilty clay with different cement content参数土样试样 A试样 B试样 C试样 D试样 Ea-43.64-50.53-65.38-50.17-47.76b19 968.22 21 366.12 22 272.32 22 231.37 22 372.91
23、w/%28.9329.0428.8629.1228.98由表 2 可知,在含水率 w 变化不大的情况下,随着水泥掺量的增大,改良粉质黏土核磁共振测试得到的顺磁回归线的截距 b 逐渐增大,即试样水分子中氢原子总信号量逐渐增大。随着水泥掺量的增大,水泥水化产物中铁、铝等顺磁性物质的存在使得饱和土体中质子的松弛速率明显加快,最大横向磁化矢量增加。质子自旋回波衰减曲线公式如下:Mxyi(t)=Mxyi(0)exp-tT2i()(1)式中,Mxyi(t)为i 类质子t 时刻横向磁化矢量;Mxyi(0)为该质子弛豫开始时刻最大横向磁化矢量;T2i为质子 i 横向磁化矢量从最大值减小63%所消耗时间。弛豫时
24、间 T2的减小和最大横向磁化矢量的增加将会导致测试序列信号量的增加28,引起反演后氢原子的总信号量逐渐增大。然而,随着水泥掺量的增加,氢原子的横向磁化矢量对温度的敏感程度不同。水泥掺量从 0 逐渐增加到 5%时,改良粉质黏土核磁共振测试得到的顺磁回归线的斜率 a的绝对值逐渐增大,表明水泥掺量的增加使得孔隙中的水分子磁化程度对温度的敏感性逐渐增大。水泥掺量从 5%继续增加至 10%时,顺磁回归线斜率 a 的绝对值又逐渐减小,表明孔隙中的水分子磁化程度对温度的敏感性逐渐减小。2.1.2 水泥掺量对粉质黏土正融过程未冻水含量-温度的影响规律依据图 3,采用文献4中的方法将正融过程负温下测定的冻土 N
25、MR 信号量转换为相应的未冻水含量,并通过拟合得到未冻水含量随温度的变化曲线(图 4)。已有研究表明,冻土冻结过程未冻水含量与温度的绝对值-T 之间可用幂函数 wu=c(-T)e来近似描述29-30。由于正融过程部分未冻水在 0 以上才融化,因此将曲线中温度的绝对值-T 均加了一个正值参数 d 作为幂函数的底。由图 4 可以看出,不同水泥掺量改良粉质黏土正融过程的未冻水含量与温度有着较好的修正幂函数关系:wu=c(d-T)e(2)式中,wu表示试样中的未冻水含量;T 为试样的摄氏温度;c,d,e 为与土质及水泥掺量有关的参数。拟合曲线的方差 R2均在 0.99 以上,说明修正的幂函数能够较好地
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