低山丘陵区泥流地层岩性描述（崩解性砂岩-水泥改良膨胀土物理力学特征微观机理研究）

低山丘陵区泥流地层岩性描述（崩解性砂岩-水泥改良膨胀土物理力学特征微观机理研究）现有关于掺砂改良膨胀土的研究，主要针对石英砂、风化砂及工业矿砂等单粒结构的结晶砂，其具有一定硬度，且棱角分明，呈松散颗粒状。YONG等研究指出，在相同密度下，石英砂改良膨胀土的膨胀变形较纯的膨胀土要小得多。三峡大学研究发现，风化砂有助于改善膨胀土的胀缩特性、力学强度特性以及水稳定性 合适的掺砂比例有助于降低改良土土体对环境变化的敏感性;赵辉等针对工业废料、铁尾矿砂改良膨胀土的可行性和改良效果进行分析，发现改良土的膨胀性降低，适宜的矿砂掺量可以提高改良土的强度。引江济淮工程引江济巢段、江淮沟通段沿线广泛分布膨胀土地层，非膨胀土资源奇缺，原位膨胀土改良利用是必须的工程手段。物理改良法、化学改良法及复合改良法是常用的膨胀土改良方法。由于引江济淮工程兼具输水、航运和改善水生态三大功能，生活用水的硬度标准限制了掺拌生石灰改良膨胀土方法的使用，物理改良法及加水泥的复合改良法成为必然选择。并且，引江济淮

摘 要：

基于引江济淮工程特有的地质条件，采用常规物理力学试验及扫描电镜试验，开展渠道下层崩解性砂岩弃料及水泥改良渠道上层膨胀土的改良效果及改良机理研究。结果表明，膨胀土中掺入砂岩与水泥后，土体最大干密度与抗剪强度增大，最优含水率减小，击实曲线曲率半径增大，土体胀缩特性被有效抑制，呈现出非膨胀特性。砂岩掺入能有效改善膨胀土颗粒级配，增加土体密实度，减小土体孔隙比，其对土体击实特征的影响更为显著。水泥掺入后，水泥水化反应使土中强亲水性黏粒被侵蚀，土体微观结构被改变，胀缩性及水敏感性降低；水泥水化产物具有强吸附性，相互之间连接紧密，能有效增强土体的整体性，因此，水泥掺入对膨胀土胀缩特性及抗剪强度影响更为显著。同时掺入崩解性砂岩与水泥，膨胀土改良效果最佳。

关键词：膨胀土;崩解性砂岩;改良;扫描电镜;微观结构;

作者简介：陈伟(1992—) 男，博士研究生，主要从事岩土力学试验研究工作。E-mail:cwhh@hhu.edu.cn;*侯宇宙(1990—) 男，博士研究生，主要从事岩土力学试验研究工作。E-mail:hyzhhu@163.com;

基金：江苏省研究生科研与实践创新计划项目(KYCX19_0428);中央高校基本科研业务费(学生项目)(2019B73314);

引用：陈伟，侯宇宙，陈捷． 崩解性砂岩－水泥改良膨胀土物理力学特征及微观机理研究［J］. 水利水电技术( 中英文) ，2021，52( 8) : 132-140. CHEN Wei，HOU Yuzhou，CHEN Jie． Study on physical and mechanical properties and micro-mechanism of modified expansive soil with disintegrated sandstone-cement［J］. Water Ｒesources and Hydropower Engineering，2021，52( 8) : 132-140.

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0 引 言

膨胀土是一种富含蒙脱石、伊利石等强亲水性黏土矿物的特殊黏土，其工程性质差，遇水膨胀、失水收缩干裂 季节性干湿循环作用导致其强度连续下降，使分布地区的房屋、铁路、公路、机场、水利工程等遭受破坏和损失 采用非膨胀土封闭是工程中常用的膨胀土边坡防护方法之一。

引江济淮工程引江济巢段、江淮沟通段沿线广泛分布膨胀土地层，非膨胀土资源奇缺，原位膨胀土改良利用是必须的工程手段。物理改良法、化学改良法及复合改良法是常用的膨胀土改良方法。由于引江济淮工程兼具输水、航运和改善水生态三大功能，生活用水的硬度标准限制了掺拌生石灰改良膨胀土方法的使用，物理改良法及加水泥的复合改良法成为必然选择。并且，引江济淮工程江淮沟通段下伏地层崩解性砂岩储备丰富，常规情况下，砂岩弃料不具备植被生长的基本条件，其废料堆砌存在较为严重的环境问题。有效利用崩解性砂岩生产非膨胀土，可减少膨胀土用量，从而减少其风干破碎工艺产生的工程量，同时提高水泥掺拌的均匀性，达到保障膨胀土复合改良效果和减排环保的目的。因此，研究引江济淮工程渠道开挖弃料砂(崩解性砂岩)及其与水泥的拌和料用于膨胀土改良的可行性，并确定改良机理，对引江济淮全线工程膨胀土处治至关重要。

现有关于掺砂改良膨胀土的研究，主要针对石英砂、风化砂及工业矿砂等单粒结构的结晶砂，其具有一定硬度，且棱角分明，呈松散颗粒状。YONG等研究指出，在相同密度下，石英砂改良膨胀土的膨胀变形较纯的膨胀土要小得多。三峡大学研究发现，风化砂有助于改善膨胀土的胀缩特性、力学强度特性以及水稳定性 合适的掺砂比例有助于降低改良土土体对环境变化的敏感性;赵辉等针对工业废料、铁尾矿砂改良膨胀土的可行性和改良效果进行分析，发现改良土的膨胀性降低，适宜的矿砂掺量可以提高改良土的强度。

引江济淮工程所产砂弃料天然成块石土状，遇水极易崩解，为非单粒结构，与已有研究所涉及的单粒砂(石英砂、风化砂及工业矿砂)存在较为明显的区别。并且，现有研究主要依托改良前、后土体的物理力学指标来分析改良剂的改良效果，对改良前、后土体微观结构的探讨仍旧不足，对改良机理的研究仍需深入。本文采用常规物理力学试验，对崩解性砂岩、水泥、崩解性砂岩 水泥拌和料改良前、后膨胀土的物理力学指标进行研究，对比分析了两种改良剂单独使用及混合使用时的改良效果，并结合扫描电镜试验，分析了改良前、后膨胀土的微观结构，从微观层面对改良剂的改良机理进行研究。研究结果对引江济淮工程膨胀土的处治问题具有借鉴意义。

1 试验材料

本试验所用膨胀土取自引江济淮工程菜巢线小合分线段，桩号20 125 取样点深度为2 m 高程为16.7 m 土样为黑褐色、高液限粘土，具有强胀缩性，遇水膨胀，失水收缩，自由膨胀率62%;崩解性砂软岩取自引江济淮工程江淮沟通试验工程段，桩号41 120 取样点深度为23.5 m 高程为13.4 m 岩体呈暗红色，表面砂感强，遇水软化崩解，岩石二次循环耐崩解性指数Id2为0 为强崩解性砂软岩，如图 1所示。膨胀土与崩解性砂软岩基本物理性质参数如表 1所列，X射线衍射试验统计结果如表 2所列。水泥采用普通硅酸盐水泥(P.O 42.5)。

2 试验方案

吴建涛等依托室内物理力学试验，研究了水泥掺量对引江济淮工程弱膨胀土的物理力学性质的影响，建议引江济淮工程弱膨胀土水泥改性剂量取4%(水泥∶干土=4∶96)。李国维等则对不同掺砂率的崩解性砂岩改良土的物理力学性质开展研究，发现掺砂率为30%时(干岩∶干土=3∶7) 崩解性砂岩改良弱膨胀土效果最佳。本试验依托表 3所列的试验配料方案，分别以水泥、崩解性砂岩及水泥 崩解性砂岩为改良添加剂，对引江济淮工程弱膨胀土进行改良，并结合室内常规物理力学试验及扫描电镜试验，研究了改良剂对工程膨胀土的物理力学指标及微观结构的影响，确定了水泥、崩解性砂岩及水泥 崩解性砂岩改良膨胀土的改良效果及改良机理。

表1 膨胀土与崩解性砂软岩基本物理性质指标

Table 1 Basic physical property indexes of expansive soil and disintegrated sandstone

试验材料	自由膨胀率 /%	最大干密度 /g·cm-3	最优含水 率/%	液限 /%	塑限 /%	塑性 指数	颗粒组成/%
							砂 粒	粉 粒	黏 粒
膨胀土	62	1.56	22.8	54.4	26.8	27.6	1.1	87.7	13.2
崩解性砂软岩	24	1.78	16.8	36.0	19.0	17.0	54.1	35.2	7.7

表2 膨胀土与崩解性砂软岩X射线衍射试验结果(质量分数)

Table 2 Results of X-ray diffraction experiment of expansive soil and disintegrated sandstone(mass fraction)

%

试验材料	蒙脱石	蛭 石	水云母	高岭石	绿泥石	石 英	长 石	方解石
膨胀土	27	4	11	4	2	14	8	30
崩解性砂软岩	12	6	6	5	4	45	22	/

2.1 基本物理性质试验

取膨胀土及崩解性砂岩样若干，风干、碾碎，分别过5 mm、2 mm筛，得粒径小于5 mm的膨胀土粒及粒径小于2 mm的崩解性砂岩粒。

对过筛后的土粒、岩粒烘干处理，得干土料、干岩料。依据表 3所列的原材料配比方案配置改良土混合料，并按照《土工试验规程》(SL237-1999)制备击实土样，土样采用干法制备，击实土样不重复使用，击实试验采用轻型击实法。试验时，依据设定的原材料配比方案，每组试验取烘干后的原材料(干土 干岩)15 kg进行拌和，并加水调制成5种不同含水率的土样(各土样的含水率梯度为2% 重量为2.5 kg) 静置24 h至水分均匀。按表 3所列的配比方案，在不同含水率的土样中掺加水泥，拌和均匀后进行击实试验，获取各试验土样的击实曲线及最大干密度、最优含水率。

在击实试验得到改良前、后土体的最大干密度与最优含水率的基础上，按照《土工试验规程》(SL 237-1999)制备环刀试样，制样标准及试样数量如表 3所列，为保证试验的成功性，每组试验均预留一组备用试样。试验时，依据表3所列的配比方案，取烘干后的原材料若干，加水至最优含水率，密封静置24 h(静止后的土样需测定其实际含水率，若不是最优含水率应再次调整)。然后在土样中掺加对应质量的水泥，拌和均匀后以95%压实度压入试验环刀(制样过程控制试样间密度差异不大于0.02 g·cm-3) 再进行室内常规物理力学试验。掺加水泥的试样需在恒温恒湿箱内(见图 2)养护至28 d龄期，再取出进行上述室内物理试验，养护箱维持在温度20 ℃、湿度95%的恒定状态。

表3 改性土试样制样计划

Table 3 Modified expansive soil sample preparation schedule

试验类型	原材料配比	制样标准			试样数量/个
	水泥∶干岩∶干土	试样含水率/%	试样干密度/g·cm-3	试样尺寸/mm	胀缩性试验	强度试验	扫描电镜试验
纯膨胀土	0∶0∶100	最优含水率	0.95倍最大干密度	直径61.8 mm 高20 mm	10	8	2
水泥改良土	4∶0∶96
砂岩改良土	0∶30∶70
水泥 砂岩复合改良土	4∶28.8∶67.2

2.2 扫描电镜试验

将饱和后试样切成小块，放入冻干机中进行冷冻干燥。将冷冻干燥后的试样掰开露出新鲜面，将试样置于金属圆盘上，新鲜面朝上，底部尽量平整，放入真空镀膜仪内喷金，取出后在试样侧面涂抹导电胶，使试样上侧喷金部分与圆盘以导电胶相连。采用SU3500型日立扫描电子显微镜对试样进行扫描电镜试验，获取不同放大倍数下试样的微观结构图像。对改良前、后土体SEM图像进行定性分析，确定各添加剂对土体微观结构的影响，从微观角度解释改良添加剂的改良机理，并与宏观试验结果相比对。

3 改良膨胀土的物理力学特征3.1 击实特征

将改良前、后膨胀土的击实曲线与击实参数分别汇入图3与表4中，可知，掺入砂岩与水泥对膨胀土进行改良，能有效提高膨胀土的最大干密度，减小膨胀土的最优含水率。并且，改良后土体击实曲线的曲率半径增大，曲线趋于平缓化，土体干密度对土中水的敏感性降低，土体在更大的含水率区间，即可压实至指定压实度。

砂岩掺入能有效增加土中粗颗粒的含量，改善土体的颗粒级配，提高外力作用下土体的压实特征，并且，掺入砂岩后，土中强亲水性黏粒占比下降，因此，砂岩改良土最大干密度增大，最优含水率减小。水泥掺入后，水泥与膨胀土中强亲水性黏土矿物发生水化反应，改变了黏土颗粒的基础性能，降低了黏土颗粒的储水能力，从而导致改良土最优含水率降低，最大干密度增大。掺入4%水泥对膨胀土进行改性，能使土体最大干密度增大1.3% 最优含水率减小3.1% 而掺入30%砂岩时，膨胀土最大干密度、最优含水率的变化率分别为6.4%、14.5%;同时掺入砂岩与水泥时，该值增大至7.7%及21.8%。

表4 改良土击实试验结果

Table 4 Summary of compaction test results of improved soil

击实参数	纯膨 胀土	水泥 改性土	砂岩 改良土	水泥 砂岩 复合改良土
最大干密度/g·cm-3	1.56	1.58	1.66	1.68
最优含水率/%	22.80	22.10	19.50	17.60

3.2 胀缩指标

将改良前、后膨胀土的胀缩性指标汇总于表5 从表中可知，砂岩与水泥的掺入均能有效抑制膨胀土的胀缩性能。相较于砂岩改良土和水泥改良土，同时掺入30%砂岩与4%水泥对膨胀土进行复合改良时，改良效果最佳，改良后膨胀土胀缩性能基本消失，表现出非膨胀特性。

土体自由膨胀率主要反映土体颗粒的膨胀特性，未考虑试样结构的影响。无荷膨胀率、膨胀力等为土体试样在水分变化条件下所展示出的胀缩特性，其试验值受试样结构及胀缩性能共同影响。对比表 5中水泥改性土与砂岩改良土各胀缩性指标，发现在自由膨胀率仅相差12%的前提下，水泥改性土试样其他各胀缩性指标均远小于砂岩改良土试样。主要原因是水泥水化产物具有强吸附性，能促进土颗粒间的相互咬合作用力，增强土体整体强度，提高土体密实度，使试样吸水-失水过程变形能力受限。

表5 改良土胀缩性指标汇总表

Table 5 Summary of swelling and shrinking indexes of improved soil

试样类型	膨胀性指标				收缩性指标
	自由膨胀率/%	无荷膨胀率/%	50 kPa有荷膨胀率/%	膨胀力/kPa	线缩率/%	收缩系数
纯膨胀土	62	13.35	0.32	50.96	8.46	0.46
水泥改良土	35	3.06	0.04	8.77	0.82	0.07
砂岩改良土	47	10.70	0.11	22.18	3.43	0.30
水泥 砂岩复合改良土	8	2.69	0.02	5.80	0.65	0.03

3.3 抗剪强度

抗剪强度指标是判别土体工程性能的主要力学参数，对工程稳定性分析至关重要。对改良前、后的土体进行饱和直接剪切试验，并采用莫尔库伦强度准则进行拟合，结果如表6所列。

表6 改良土的直接剪切试验结果

Table 6 The direct shear test results of the improved soil

强度指标	纯膨 胀土	水泥 改性土	砂岩 改良土	水泥 砂岩 复合改良土
黏聚力/kPa	28.75	147.90	34.40	138.40
内摩擦角/(°)	6.97	20.90	9.39	33.38

可知，纯膨胀土中掺入砂岩对土体黏聚力参数影响不大；掺入水泥后，水泥与土中水发生水化反应，使土体发生硬化，土体黏聚力大幅增加。纯膨胀土中掺加水泥，其黏聚力从28.75 kPa 增大至147.90 kPa 增幅约为414%;砂岩改良土中掺加水泥，其黏聚力从34.40 kPa增大至138.40 kPa 增幅302%。砂岩与水泥的掺入均能增加膨胀土中粗颗粒的含量，使土体内摩擦角增大。纯膨胀土掺入水泥后，其内摩擦角从6.97°增大至20.90° 增幅200%;砂岩改良土掺入水泥后，内摩擦角从9.39°增大至33.38° 增幅为255% 水泥对掺砂膨胀土内摩擦角影响更为明显。综上，水泥的掺入对土体强度增益明显，能大幅度提高土体黏聚力与内摩擦角，提高土体的工程性能。

4 改良膨胀土的微观结构特征

分别取放大500倍和2000倍的改良土试样电镜扫描图像进行研究，见图 4—图 7 分析改良前、后土体微观结构的变化规律，确定改良机理。

对放大500倍的纯膨胀土电镜图像进行观察，见图 4(a) 发现其表面孔隙数量多，含大量蜂窝状的，具有遇水膨胀特性的伊蒙混层矿物(指蒙脱石与伊利石相互转化过程中的中间产物) 部分蜂窝状的伊蒙混层表面有石英颗粒镶嵌，整体表现出较强的膨胀潜势。放大2 000倍的电镜扫描图像如图 4(b)所示，可知，纯膨胀土的微观结构主要以面-面、边-面及边-边接触的叠聚体为主，颗粒主要呈片状及扁平状形态，边缘翘曲，以旋涡状排列，表面分散的薄片状结构非常发育，具有较大的比表面积。因此，纯膨胀土表现出外力作用下密实度低，最大干密度小，最优含水率大，胀缩性能突出等特性。

掺入4%水泥并养护28 d的水泥改性土试样电镜扫描图像如图 5所示，其中，图 5(a)、图 5(b)分别为放大500倍及2 000倍的水泥改性土表面微观结构图。从图中可知，相较于纯膨胀土，水泥改性土表面孔隙率大大减少，土体结构更为紧密，整体性变强，蜂窝状的伊蒙混层消失，未见薄片状翘曲结构，土体比表面积减小，表面有较大的颗粒团聚状结构生成。分别在5 000倍镜及10 000倍镜下观察土体孔隙间的水泥水化产物，如图 5(c)、图 5(d)所示，从图中可知，水泥水化反应生成的水化硅酸盐呈针状晶体(见图 5(d)) 且各晶体间有大量的锚片状、纤维状的C-S-H凝胶交叉攀附，形成纤维状硅酸盐聚合体，见图 5(c)。

归其原因为，在水泥掺入膨胀土后，水泥在土体中水分的作用下发生水化、水解反应(常温下水泥水化反应方程式为3CaO·SiO2 nH2O=xCaO·SiO2·(n-3 x)H2O (3-x)Ca(OH)2) 生成水化硅酸钙(也称C-S-H凝胶)、氢氧化钙及其他水化物，侵蚀土中的强亲水性黏粒，使黏粒中的片状结构瓦解，蜂窝状的伊蒙混层及片状翘曲结构消失，土体比表面积减小，粗糙程度增加，胀缩能力降低。同时，水化生成的针状硅酸盐晶体(图 5(d))在土中随机分散，对土中黏土颗粒进行包裹，对土中孔隙进行填充，使黏土颗粒亲水性能进一步降低，胀缩能力被限制，土体结构更为紧密，整体性变强，土体孔隙率减小。并且，各水泥水化产物间受锚片状、纤维状的C-S-H凝胶交叉连接，形成三维空间牢固结合的密实整体，使土体整体强度大大提升。因此，水泥改性土宏观试验结果表现为胀缩性能降低，水敏感性减小，击实曲线曲率半径增大，强度提高，土体密实度增大，孔隙比减小，最大干密度增大。

掺30%崩解性砂岩的改良土试样电镜扫描图像如图 6所示，其中，图 6(a)、图 6(b)分别为放大500倍及2 000倍的砂岩改良土表面微观结构图。从图中可知，崩解性砂岩颗粒掺入后，土中黏粒含量降低，土体微观结构杂乱分散，砂岩颗粒在土中广泛分布，并随机镶嵌于土颗粒之间，为土体提供更多粗颗粒，改善了土体原有的颗粒级配，使土体密实度提升，孔隙率减小。砂岩的掺入并未使膨胀土原有的亲水、易膨胀特性发生改变，只能在一定程度上改变土体的颗粒组成及结构排列，使土体的击实特性提高。因此，相较于纯膨胀土，砂岩改良土强度提升不明显，但由于其能有效降低土中黏粒含量，改善土体颗粒级配，降低孔隙比，最终导致土体最大干密度增大，最优含水率减小，胀缩性降低。

同时掺入4%水泥及30%崩解性砂岩的复合改良土试样电镜扫描图像如图 7所示，其中，图 7(a)、图 7(b)分别为放大500倍及2 000倍的砂岩 水泥复合改良土表面微观结构图。从图中可知，复合改良土兼具水泥的化学改性效果及砂岩的物理改良效果，改良土中强亲水性黏土矿物基本消失，土体胀缩性能小，颗粒级配优良，密实度大，孔隙比小，因此，复合改良土抗剪强度提升明显，基本无胀缩性能，是一种优良的工程土体。

5 结 论

采用常规物理力学试验，对崩解性砂岩、水泥、崩解性砂岩 水泥拌和料改良前、后膨胀土的物理力学指标进行研究，并结合扫描电镜试验，从微观层面进一步对改良剂的改良机理进行分析，得到如下结论：

(1)崩解性砂岩与水泥的掺入能有效增加土体最大干密度，降低土体最优含水率。同时，改良后土体干密度对土中水分的敏感性降低，击实曲线曲率的半径增大，土体碾压施工过程中，允许的土料含水率区间增加，施工备料过程含水率控制难度减小。

(2)崩解性砂岩与水泥的掺入均能有效抑制膨胀土的胀缩特性，砂岩 水泥复合改良效果最佳，改良后膨胀土胀缩性能基本消失，表现出非膨胀特性，自由膨胀率降至8%。

(3)砂岩的掺入对膨胀土的强度指标影响不显著；水泥的掺入能大幅度提高膨胀土的黏聚力与内摩擦角，增大土体的工程性能。

(4)SEM试验结果表明，膨胀土中掺入水泥后，水泥在土中水分的作用下发生水化、水解反应，使土中强亲水性黏粒被侵蚀，土体微观结构被改变，胀缩性及水敏感性降低。同时，水泥水化产物之间受锚片状、纤维状的C-S-H凝胶交叉连接，形成三维空间牢固结合的密实整体，使土体的整体性增强。崩解性砂岩的掺入能有效改善膨胀土的颗粒级配，降低土中黏粒占比，使土体密实度提升，孔隙率减小，但砂岩的掺入并未改变膨胀土颗粒原有的物理化学性质，土体整体性强度未有实质性提高。同时掺入砂岩与水泥时，复合改良土兼具水泥的化学改性效果及砂岩的物理改良效果，改良土颗粒级配优良，胀缩性黏粒基本消失，土体结构紧密，整体强度大，改良土效果最佳。

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水利水电技术（中英文）

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