长江科学院院报

长江科学院院报 >

2026 , Vol. 43 >Issue 2: 140 - 147

DOI: https://doi.org/10.11988/ckyyb.20241238

岩土工程

碱激发硅酸钠增强水泥土强度及作用机理

  • 罗沈 , 1, 2 ,
  • 王俊杰 1 ,
  • 黄文聪 1, 2 ,
  • 张伟锋 , 1
展开
  • 1 华南农业大学 水利与土木工程学院, 广州 510642
  • 2 广东电网有限责任公司 中山供电局, 广东 中山 528401
张伟锋(1968-),男,河南长葛人,教授,博士,主要从事特殊土工程性质和岩土工程加固方面的研究。E-mail:

罗沈(1974-),男,广东梅州人,高级工程师,硕士,主要从事电力工程基础的研究。E-mail:

Copy editor: 陈敏

收稿日期: 2024-12-03

  修回日期: 2025-02-01

  录用日期: 2025-02-18

  网络出版日期: 2025-03-31

基金资助

南方电网公司科技项目(GDKJXM20230271)

南方电网公司科技项目(GDKJXM20230273)

华南农业大学大学生创新训练项目(2023105641125)

华南农业大学大学生创新训练项目(2023105641178)

收起

Strength Enhancement and Mechanism of Alkali-activated Sodium Silicate in Cement-stabilized Soil

  • LUO Shen , 1, 2 ,
  • WANG Jun-jie 1 ,
  • HUANG Wen-cong 1, 2 ,
  • ZHANG Wei-feng , 1
Expand
  • 1 College of Water Conservancy and Civil Engineering, South China Agricultural University, Guangzhou 510642, China
  • 2 Zhongshan Power Supply Bureau, Guangdong Power Grid Corporation, Zhongshan 528401, China

Received date: 2024-12-03

  Revised date: 2025-02-01

  Accepted date: 2025-02-18

  Online published: 2025-03-31

Fold

摘要

为探究多种固化剂和不同龄期条件下淤泥地基强度的变化规律,以木钙(LA)、三乙醇胺(TEA)、碱激发硅酸钠(AS)作为固化剂分别对淤泥进行固化试验。以试块抗压强度为指标,发现一定配比下单掺LA、TEA及AS可作为固化剂增强水泥土固化强度。选定3组固化剂的优选掺量进行三掺固化试验,发现单掺AS固化效果优于其他组及三掺试验组。同时运用扫描电镜(SEM)分析其固化机理,并采用ArcGIS将未加固土、加固土的SEM图像处理成三维图像后,计算分析土样孔隙率和颗粒分形维数。当水泥掺量为18%、AS掺量为0.9%时加固土抗压强度达到最大(2.39 MPa),此时试样孔隙率最低为27.27%,颗粒分形维数最大为1.853 5;试样孔隙率和抗压强度呈非线性递减关系,试样颗粒分形维数和抗压强度呈非线性递增关系。当施工现场不具备提供标准试样的条件时,可采用颗粒分形维数初步推断试样抗压强度的大小。

关键词： 固化剂; 淤泥地基; 抗压强度; 扫描电镜; 分形维数

本文引用格式

罗沈 , 王俊杰 , 黄文聪 , 张伟锋 . 碱激发硅酸钠增强水泥土强度及作用机理[J]. 长江科学院院报, 2026 , 43(2) : 140 -147 . DOI: 10.11988/ckyyb.20241238

Abstract

[Objective] In recent years, the increasing number of buildings constructed on soft ground has made the treatment of soft soil foundations particularly important. Investigating the strength variation characteristics of silt foundations under different types of stabilizing agents and curing ages,as well as exploring a preliminary method for identifying the strength level of non-standard soil samples obtained in the field,is of great practical significance for engineering applications. [Methods] Representative silty soil layers from the Zhongshan area were selected. Cement-only mixing tests were first conducted to optimize cement content (ratio of cement mass to the mass of treated wet soil). Subsequently,silt was stabilized using lignosulfonate acid (LA),triethanolamine (TEA),and alkali-activated sodium silicate (AS) as stabilizing agents,respectively. Scanning electron microscopy (SEM) tests were then carried out to analyze the microstructures and stabilization mechanisms of untreated and stabilized soils. Finally,ArcGIS was used to construct independent elevation models from the SEM images of untreated and stabilized soils and to process them into three-dimensional images. Scatter plots were plotted in double-logarithmic coordinates,and the soil porosity and particle fractal dimension were further calculated and analyzed. [Results] 1) Using the unconfined compressive strength of specimens as the evaluation index,under the same curing age, the cement content was positively correlated with the unconfined compressive strength. Before a curing age of 7 days, the unconfined compressive strength increased rapidly; during 7-14 days, the growth rate slowed down; and from 14 to 28 days, the unconfined compressive strength continued to increase. Considering economic cost and code requirements, the optimal cement content was 18% of the wet soil mass. 2) At certain mixing ratios, single incorporation of LA, TEA, and AS all enhanced the strength of cement-stabilized soil and could be used as stabilizing agents. Based on the optimal contents of the three stabilizers, ternary mixing stabilization tests were conducted. The results showed that single incorporation of AS exhibited better stabilization performance than the other single-additive groups and the ternary mixing group. When the cement content was 18% and the AS content was 0.9%, the unconfined compressive strength of the stabilized soil reached a maximum value of 2.39 MPa. 3) SEM tests indicated that the specimens of the 18S blank group failed to generate sufficient gel-like hydration products (C-S-H) and needle-like Aft crystals. As a result, limited cementitious material existed between soil particles, and numerous pores were observed. After stabilization with 18S-0.9AS, a large amount of gel-like C-S-H hydration products and needle-like Aft crystals were rapidly generated, which interwove to form a large-area spatial network structure and initially formed a skeleton. This process led to particle bonding and aggregation and filled the interparticle pores. Overall, the 18S-0.9AS group exhibited the best stabilization effect. 4) Three-dimensional SEM images of untreated and stabilized soils were constructed and processed using ArcGIS. Data calculation and analysis showed that the untreated soil had 97 663 226.34 pore pixels, accounting for 53.22% of the total image pixels (porosity), with a fractal dimension of 1.399 8. The 18S-0.9AS stabilized soil had 50 153 642.75 pore pixels, accounting for 27.27% of the total image pixels (porosity), decreased by 25.95 percentage points compared with the untreated soil. The fractal dimension of this group was 1.853 5, and the unconfined compressive strength reached the maximum value of 2.39 MPa. [Conclusion] 1) The larger the particle fractal dimension of a specimen, the more complex the particle structure, the higher the surface roughness, the lower the porosity, and the higher the compressive strength. 2) The porosity of specimens and the compressive strength exhibit a nonlinear decreasing relationship, whereas the particle fractal dimension and the compressive strength exhibit a nonlinear increasing relationship. 3) When standard specimens cannot be obtained at construction sites, the compressive strength of specimens can be preliminarily inferred by using the porosity and particle fractal dimension of non-standard specimens, based on the physical significance and correlations of fractal dimensions among different specimens.

Key words： stabilizing agents; silt foundation; compressive strength; scanning electron microscopy; fractal dimension

0 引言

近年来,软基建筑物的增多使得软土地基的处理变得尤为重要。如果软土地基没有经过科学合理的处理,可能会对建筑物的安全构成严重威胁[1-2]。探寻一种科学、合理、经济的淤泥地基固化剂及一种初步判别现场非标准样土体强度的方法,有着重要的工程现实意义。
国内外专家学者已对搅拌桩的宏观抗压强度、微观结构等做了大量研究。在宏观抗压强度上,张新建等[3]通过开展室内配合比试验,得出不同水泥掺量条件下淤泥水泥土的抗压强度增长规律。唐昌意等[4]通过室内试验,探索海相淤泥水泥土的无侧限抗压强度等特性指标与龄期和水泥掺量的关系。王文翀等[5]通过流动度试验,探讨了不同掺量条件下木钙等材料对流态固化淤泥流动性的影响规律。黄朝煊[6]基于现场正交试验和室内平行试验研究,绘制了三乙醇胺等材料掺量与淤泥固化土无侧限抗压强度之间的关系曲线,发现三乙醇胺对淤泥固化土抗压强度的最优掺量范围为0.03%~0.07%(水泥质量比)。何财胜等[7]研究了水玻璃等多种掺合料混合以提高水泥土抗压强度。
在微观结构上,王芮芮等[8]通过扫描电镜(Scanning Electron Microscope,SEM)试验发现,将木钙加入土体中可产生丝状物质,增强土颗粒间的连接。Qu等[9]通过混合三乙醇胺等3种材料为三元促进剂,并基于SEM试验发现,在促进剂的作用下,土体形成了更多的AFt结晶体。夏玉杰等[10]通过混合碱激发硅酸钠(由NaOH和Na2SiO3溶液制成)和偏高岭土对水泥土试样进行改性,并对试样开展SEM试验。Cao等[11]采用SEM、孔隙与裂隙分析系统(Particles (pores) and Cracks Analysis System,PCAS)等试验研究了超细水泥对水泥土微观孔隙结构的影响。但这些学者针对SEM图像多采用PCAS等软件进行二维分析,对固化土的三维结构特征还缺乏深入探究。简文彬等[12]则通过地理信息系统(Geographic Information System,GIS)等技术实现了SEM图像的三维可视化,研究了不同龄期水泥-水玻璃加固软土的微观结构特征及加固前后的土样孔隙率。
对于宏观与微观间的联系,李丽华等[13]通过结合室内宏观力学试验、微观试验,分析了固化土的孔隙尺寸和微观形貌对土体强度的影响。林天干等[14]通过无侧限抗压强度试验、SEM试验等探究了固化土的强度与结构孔隙的关系。
鉴于目前关于淤泥地基在多种固化剂组合作用下宏观力学与微观特性的研究尚显不足,本研究选取中山地区具有代表性的淤泥土层,以普通硅酸盐水泥(Ordinary Portland Cement,OPC)为基体材料,以木质素磺酸钙(木钙,Lignosulfonic Acid,LA)、三乙醇胺(Triethanolamine,TEA)、碱激发硅酸钠(Alkali-stimulated Sodium Silicate,AS)为外掺的固化剂,开展室内水泥土搅拌桩试验研究。同时利用SEM分析试样微观样貌,并运用ArcGIS地理信息软件将SEM图像三维显示,旨在探究不同固化剂对淤泥地基强度的增强效果及作用机理,揭示各试样抗压强度、孔隙率和颗粒分形维数三者间的复杂关联,为施工现场初步判断水泥搅拌桩非标准样之间的强度大小提供参考。

1 试验概况

1.1 试验土样

试验土样取自中山市某变电站基坑开挖淤泥,根据《土工试验方法标准》(GB/T 50123—2019),通过土工试验测得淤泥物理力学性质,如表1所示。
表1 淤泥物理力学性质参数

Table 1 Physical and mechanical properties of silt

参数 数值 参数 数值
含水率ω/% 66.2 孔隙比e 1.773
湿密度ρ/( g·cm-3) 1.63 压缩模量Es/MPa 1.6
相对密度Gs 2.64 内摩擦角ϕq/(°) 1.7
液限wL/% 49.6 黏结力Cq/kPa 5
塑限wP/% 26.4 饱和度Sr/% 98
从场区淤泥层挖取足量试验土样,用锉刀将土样分割成小块后装入托盘并放进烘箱,将烘箱温度设置为105 ℃,连续烘制24 h后取出,去除大颗粒、搅碎并过筛,烘干土样0.05 mm以上筛余颗粒粒径分析结果如表2所示。
表2 淤泥颗粒粒径分析结果

Table 2 Results of silt particle size analysis

粒径/mm [0.15,0.075) [0.075,0.05) ≤0.05
占比/% 4.23 6.51 89.26

1.2 试验材料

试验材料有木钙(C20H24CaO10S2)、普通硅酸盐水泥、三乙醇胺(C6H15NO3)、水玻璃(Na2SiO3)、氢氧化钠(NaOH)和蒸馏水(H2O)。其中,水泥为P.O42.5R;木钙呈棕黄色粉末状,松散重度为3.43 kN/m3;三乙醇胺为无色透明黏稠液体;水玻璃波美度为40,模数为3.2;氢氧化钠浓度为1 mol/L;蒸馏水pH值为7.3;碱激发硅酸钠由水玻璃和氢氧化钠调配而成,使用前通过掺合氢氧化钠将其模数调至1.3[1]。试验材料化学成分含量如表3所示。
表3 试验材料化学成分含量

Table 3 Chemical composition content of test materials

材料 化学成分含量/%
Al2O3 CaO MgO Fe2O3 SiO3 Na2O C20H24CaO10S2 C6H15NO3 NaOH H2O
水泥 8.94 55.64 4.02 4.36 27.04
木钙 100
三乙醇胺 100
水玻璃 27.3 8.54 64.16
氢氧化钠 4 96

1.3 试验方案

本试验研究路线如图1所示。
图1 研究路线

Fig.1 Research workflow

首先进行水泥单掺试验优选出水泥掺量(水泥质量∶被加固湿土质量),接着分别采用“水泥+木钙”、“水泥+三乙醇胺”、“水泥+碱激发硅酸钠”的组合掺入试验,以抗压强度为指标,优选出固化剂掺量(固化剂质量∶被加固湿土质量),再进行“水泥+木钙+三乙醇胺+碱激发硅酸钠”的组合掺入试验。最后,通过SEM图像分析未加固土、加固土微观结构,以ArcGIS将SEM图像构建并处理成三维图像后,进一步计算加固试样内部孔隙率与颗粒分形维数。
配合比试验设计方案如表4所示,考虑工程设计要求及经济性,水泥优选掺量为18%,水灰比(外加蒸馏水质量∶水泥质量)为0.5。组合掺入试验中,木钙掺量分别为0.001 8%、0.003 6%、0.005 4%,三乙醇胺掺量分别为0.005 4%、0.009%、0.012 6%,碱激发硅酸钠掺量分别为0.72%、0.9%、1.08%。三掺组各材料掺量由组Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ的优掺量选定。
表4 配合比试验设计方案

Table 4 Test design of mix proportion

组别 简称 水泥掺量/% LA掺量/% TEA掺量/% AS掺量/% 龄期/d
Ⅰ 15~21S 15~21 7、14、28
Ⅱ 18S-0.0018~0.0054LA 18 0.0018~0.0054 7、14、28
Ⅲ 18S-0.0054~0.0126TEA 18 0.0054~0.0126 7、14、28
Ⅳ 18S-0.72~1.08AS 18 0.72~1.08 7、14、28
Ⅴ 三掺组 18 由组Ⅱ选定优掺量 由组Ⅲ选定优掺量 由组Ⅳ选定优掺量 7、14、28

注:由于试验种类较多,采用统一编号“xS-yLA/TEA/AS”进行区分。其中x代表水泥掺量数值范围;S为水泥;y代表不同固化剂掺量数值范围。

1.4 试样制备及过程

(1)试样制备:将现场取样的淤泥经过烘干、除杂、捣碎、过筛后,设定目标含水率为60%,使用蒸馏水对其进行重塑,并密封静置超过24 h。根据试验设计方案称取定量材料并加进搅拌机,待搅拌均匀,将膏状水泥土倒入内壁刷匀凡士林的70.7 mm×70.7 mm×70.7 mm模具中,把模具放至振动台振动3 min,排出水泥土中的气泡。各组均制备9个平行试样。试样静置水中48 h后脱模,脱模试块放入水箱(温度为(20±2)℃)进行养护至28 d龄期。
(2)抗压试验:使用MTS系统公司生产的型号为Exceed E64的电液伺服万能试验机[15],以0.7 mm/min的位移速率对试样进行抗压强度测定,各组测试试样9个,取数据平均值作为该组代表值。
(3)SEM试验:将体积为0.5 cm3的非破裂新鲜面试样固定在涂有导电胶的扫描盘上,在试样表面镀上金膜并真空抽取,然后进行SEM试验(放大4 000倍)。试验仪器型号为德国ZEISS-EVO-MA-15。

2 水泥土试块抗压强度

不同龄期、不同固化剂掺量下的水泥土试块抗压强度见图2及表5。
图2 不同固化剂掺入水泥土的试块抗压强度

Fig.2 Compressive strength of cement-soil specimens with different stabilizing agents

表5 水泥土试块不同龄期抗压强度

Table 5 Compressive strength of cement-soil specimens at different ages

组别 7 d 14 d 28 d
强度/
MPa		 强度增
幅/%		 强度/
MPa		 强度增
幅/%		 强度/
MPa		 强度增
幅/%
15S 0.74 -22.11 0.84 -23.64 1.08 -21.17
18S(空白组) 0.95 1.10 1.37
21S 1.10 15.79 1.24 12.73 1.58 15.33
18S-0.0018LA 0.89 -6.32 1.13 2.73 1.27 -7.30
18S-0.0036LA 0.94 -1.05 1.19 8.18 1.43 4.38
18S-0.0054LA 0.79 -16.84 1.03 -6.36 1.22 -10.95
18S-0.0054TEA 1.09 14.74 1.45 31.82 1.64 19.71
18S-0.009TEA 1.05 10.53 1.40 27.27 1.59 16.06
18S-0.0126TEA 0.90 -5.26 1.30 18.18 1.56 13.87
18S-0.72AS 1.31 37.89 1.69 53.64 2.09 52.55
18S-0.9AS 1.55 63.16 1.95 77.27 2.39 74.45
18S-1.08AS 0.49 -48.42 0.61 -44.55 0.84 -38.69
三掺组 0.63 -33.68 0.99 -10.00 1.33 -2.92
从图2可知:①相同养护龄期条件下,水泥单掺组试块的抗压强度与水泥掺量成正相关;相同水泥掺量条件下,各组试块抗压强度随龄期增加而增大。②在7 d龄期前,各组抗压强度增长较快;7~14 d龄期间,各组抗压强度增长速度放缓;龄期为14~28 d时,各组抗压强度仍在保持增长。③不同固化剂条件下,抗压强度与LA、AS掺量的增加皆呈先增后减趋势;与TEA掺量的增加呈递减趋势。
由表5可知,在龄期28 d,18S-0.0036LA组较18S空白组强度增幅仅为4.38%;18S-0.0054TEA组较18S空白组能小幅提高水泥土试块强度,强度增幅为19.71%;而三掺组较18S空白组抗压强度有所降低,强度降幅为2.92%;只有18S-0.9AS组较18S空白组能大幅提高水泥土试块强度,其28 d抗压强度达2.39 MPa,强度增幅达到74.45%。

3 微观机理研究

3.1 SEM图像微观形貌分析

通过分析SEM图像能得出各土样内部主要水化物形态特征及整体固结情况。选取未加固土、18S、18S-0.0036LA、18S-0.0054TEA、18S-0.9AS及三掺组6组养护28 d后的试样进行SEM试验,结果如图3所示。
图3 各试样SEM二维图像

Fig.3 Two-dimensional SEM images of each specimen

通过观察各组试样的微观形貌,发现了不同固化剂固化软土的作用机理:
(1)未加固土试样(图3(a))的结构大部分呈薄片状,以扁平黏土矿物为主。
(2)18S空白组的加固试样(图3(b))存在较多孔隙,水化产物水化硅酸钙(C-S-H)较少,针状三硫型水化硫铝酸钙(Aft)结晶体较为稀少。这表明,在单掺水泥的情况下,较低的水泥掺量会导致水泥水化反应生成的Ca2+离子不足以在土粒中生成足够的胶凝物质。
(3)18S-0.0036LA组的加固试样(图3(c))水化产物C-S-H较18S空白组有所增多,胶凝状水化物呈铰链状连接,有效胶结了土颗粒,使土体结构更加紧密,少量针状Aft结晶体呈网状结构穿插在土颗粒之间,但这些晶体物质较少,不能提供足够的有效强度,表明木钙的掺入对土体结构的密实贡献较少。
(4)18S-0.0054TEA组的加固试样(图3(d))土体的孔隙较少,大量胶凝状水化物C-S-H与针状Aft结晶体交织组成了广泛的空间网状结构,并初步形成骨架,这说明掺入适量的三乙醇胺能够加速针状Aft和水化产物C-S-H的生成,这些胶凝物质有效地包裹和黏结土颗粒、填充土体孔隙,显著提升了土体结构的密实度。
(5)对于18S-0.9AS组的加固试样(图3(e)),碱激发硅酸钠的掺入使得Ca(OH)2迅速硅酸盐化,进而转化为强度更高的水化硅酸钙。水化硅酸钙凝胶体的比表面积远大于土体颗粒,其强吸附力能够促使水化物中的钙离子与其他阳离子发生离子交换反应,引起颗粒团聚,土颗粒通过附着在表面的固化膜连接细小颗粒形成较大土团,最后被胶凝状水化物C-S-H包裹胶结,以填充孔隙。同时,碱激发硅酸钠产生的苛性碱可以中和土壤中的酸性,增加水泥在土中的有效利用率,因此加固土强度相对较高。
(6)三掺组的加固试样生成了大量长条团聚颗粒(图3(f)),但未能形成有效骨架。这可能是因为LA、TEA与AS三种固化剂对水泥土协同作用时效果不好,阻碍了水泥水化反应。
从整体上讲,18S-0.9AS组的加固效果最好,优于其他组及三掺组。

3.2 SEM图像孔隙率计算

为深入探究各试样的孔隙率与抗压强度之间的关系,本文采用SEM图像孔隙率计算进一步分析各试样内部孔隙情况。
SEM图像孔隙率计算分为二维图像分析和三维图像分析,二维图像分析孔隙率主要采用PCAS的灰度直方图法,但这种方法忽略了三维空间信息,可能将本属于颗粒的一部分像素归类为孔隙,从而影响分析结果的准确性。实际上,SEM二维图像中隐藏了土体颗粒体积、孔隙分布等大量三维信息,且SEM图像的像素灰度存储方式与ArcGIS的DEM(Digital Elevation Model)存储数据方式原理相同。因此,本文引进ArcGIS软件对SEM二维图像进行三维重建和颗粒表面可视化,并进一步分析不同固化剂作用下固化土的三维图像孔隙率。三维图像孔隙率计算公式表示为
$\begin{array}{l}{n}_{3\mathrm{D}}=\stackrel{N}{\sum _{i=1}}S(M-{D}_{i})/\left(SMN\right)=\\ \stackrel{N}{\sum _{i=1}}(255-{D}_{i})/\left(255N\right)　。\end{array}$
式中:n3D为三维图像孔隙率;S为单位像素面积,S=1;M为图像最大灰度值,M=255;Di为第i个像素对应灰度值;N为图像总像素数。式(1)计算精度取决于SEM图像的拍摄精度和扫描精度[16]。
各试样SEM三维图像如图4所示,SEM三维图像的土体孔隙率计算结果如表6所示。
图4 各试样SEM三维图像

Fig.4 Three-dimensional SEM images of each specimen

表6 SEM三维图像的土体孔隙率

Table 6 Soil porosity derived from three-dimensional SEM images

组别 孔隙像素/个 图像总像素 孔隙率/%
未加固土 97 663 226.34 183 508 504.96 53.22
18S 62 166 742.04 183 387 873.15 33.90
18S-0.0036LA 60 647 670.89 182 866 319.10 33.17
18S-0.0054TEA 55 887 566.82 182 865 480.15 30.56
18S-0.9AS 50 153 642.75 183 909 825.00 27.27
三掺组 71 697 571.65 182 855 321.72 39.21
由表6分析可知,淤泥土未经固化剂加固时,孔隙像素达97 663 226.34个,占图像总像素的53.22%。加固组中18S-0.9AS组生成了大量水化硅酸钙凝胶体,引起颗粒的结合而出现团聚,填充了孔隙,故而孔隙率最低,为27.27%,较未加固土孔隙率降低了25.95个百分点。

3.3 SEM图像颗粒分形维数计算

为证明图4所示三维图像中的颗粒形态为分形,先将原始SEM图像均切分为12份,从中选择若干独立颗粒存储为图像,并通过ArcGIS软件中的ArcToolBox工具将颗粒图像转化为Grid栅格文件,再通过ArcScene模块设置图像的基本高度,创建这些颗粒的独立的高程模型,然后利用3Dan-alysis工具中的计算功能分别计算这些颗粒的高程模型的表面积和体积,最后将这些数据利用Excel软件在双对数坐标下绘制散点图,如图5所示。
图5 各试样的颗粒分形维数双对数散点图

Fig.5 Double-logarithmic plot of particle fractal dimensions of each specimen

这些数据对应的离散点在图5中均呈现明显的线性关系,即图像中颗粒的等效面积和周长具有对数相关性,说明试样微观结构中的颗粒形态是分形的。
王宝军等[17]基于表面积-体积法计算三维图像的颗粒分形维数,计算公式表示为
$\mathrm{l}\mathrm{o}\mathrm{g}\left[V\right]=\mathrm{l}\mathrm{o}\mathrm{g}\left[A\right](3/D)-\mathrm{l}\mathrm{o}\mathrm{g}\left({a}_{0}^{3}\right)　。$
式中:V为去量纲后的颗粒体积;A为去量纲后的颗粒表面积;D为颗粒分形维数;a0为和颗粒形状有关的常数。
根据式(2),只需要绘制log[V]-log[A]图,得到直线部分的斜率K,则三维图像中的颗粒分形维数为[17]
D=3/K　。
式中K为log[V]-log[A]图的直线斜率。
根据式(2)和式(3)计算得出上述土样的颗粒分形维数如表7所示。
表7 SEM三维图像的土体颗粒分形维数

Table 7 Particle fractal dimensions derived from three-dimensional SEM images

组别 颗粒分形维数 孔隙率/% 抗压强度/MPa
未加固土 1.399 8 53.22 —
三掺组 1.500 4 39.21 1.33
18S 1.571 3 33.90 1.37
18S-0.0036LA 1.676 2 33.17 1.43
18S-0.0054TEA 1.748 8 30.56 1.64
18S-0.9AS 1.853 5 27.27 2.39
由表7可知,加固组中18S-0.9AS的颗粒分形维数最大,为1.853 5,其对应的孔隙率最低、抗压强度最高。进一步分析表7不同颗粒分形维数的物理意义和相关关系可知,试样颗粒分形维数越大,颗粒结构越复杂,表面粗糙度越高,孔隙率越小,抗压强度越高。

4 结论

本文通过室内淤泥加固试验及SEM试验,探究不同固化剂对淤泥地基强度增强的作用机理,得出以下结论。
(1)同等条件下,水泥掺量与试块抗压强度呈正相关关系,考虑到经济成本及规范要求,水泥掺量以18%最优。
(2)一定配比下单掺木钙、三乙醇胺以及碱激发硅酸钠可作为固化剂增强水泥土固化强度,其中以18S-0.9AS作固化剂最优,对应试块28 d抗压强度为2.39 MPa,较18S空白组(1.37 MPa)增幅达到74.45%。
(3)SEM试验表明,18S空白组试块未能生成足够的胶凝状水化物C-S-H和针状Aft结晶体,土颗粒间胶凝物质较少;未加固土经18S-0.9AS加固后快速产生大量胶凝状水化物C-S-H与针状Aft结晶体,交织形成大面积空间网状结构并初步形成骨架,引起颗粒的结合而出现团聚,填充颗粒的孔隙。
(4)采用ArcGIS构建及处理未加固土、加固土的三维SEM图像,经计算,未加固土的孔隙率为53.22%、分形维数为1.399 8;18S-0.9AS加固土的孔隙率为27.27%、分形维数为1.853 5,且抗压强度达到最大值2.39 MPa。结果表明,试样孔隙率和抗压强度呈非线性的递减关系,试样颗粒分形维数和抗压强度呈非线性的递增关系;当施工现场不具备提供标准试样的条件时,可以采用颗粒分形维数初步推断试样抗压强度的大小。

参考文献

原文顺序 | 文献年度倒序 | 文中引用次数倒序
[1]
叶华洋, 张伟锋, 韦未, 等. 激发剂-地聚合物对软土固化试验研究[J]. 应用基础与工程科学学报, 2019, 27(4): 906-917.

(YE Hua-yang, ZHANG Wei-feng, WEI Wei, et al. Experimental Study on the Curing of Soft Soil with Activator-geopolymer[J]. Journal of Basic Science and Engineering, 2019, 27(4): 906-917.(in Chinese))

[2]
张伟锋, 陈盛原, 韦未. 堆载作用下复合软土地基的沉降规律研究[J]. 应用基础与工程科学学报, 2021, 29(3): 729-740.

(ZHANG Wei-feng, CHEN Sheng-yuan, WEI Wei. Settlement Law of Composite Soft Soil Foundation under Pile-loading[J]. Journal of Basic Science and Engineering, 2021, 29(3): 729-740.(in Chinese))

[3]
张新建, 唐昌意, 刘智. 淤泥水泥土室内配合比试验及成桩效果分析[J]. 公路, 2021, 66(6): 81-84.

(ZHANG Xin-jian, TANG Chang-yi, LIU Zhi. Indoor Mix Proportion Test of Sludge Cement-soil and Analysis of Pile-forming Effect[J]. Highway, 2021, 66(6): 81-84.(in Chinese))

[4]
唐昌意, 刘智, 问建学, 等. 海相淤泥水泥土特性室内试验研究[J]. 公路, 2022, 67(7):359-367.

(TANG Chang-yi, LIU Zhi, WEN Jian-xue, et al. Research on the Characteristics of Marine Silt Soil-cement[J]. Highway, 2022, 67(7): 359-367.(in Chinese))

[5]
王文翀, 黄英豪, 王硕, 等. 减水剂对流态固化淤泥流动性的影响试验研究[J]. 岩土工程学报, 2024, 46(8): 1605-1612.

(WANG Wen-chong, HUANG Ying-hao, WANG Shuo, et al. Experimental Study on Influence of Plasticizer on Fluidity of Convectionsolidified Silt[J]. Chinese Journal of Geotechnical Engineering, 2024, 46(8): 1605-1612.(in Chinese))

[6]
黄朝煊. 淤泥固化技术在深厚淤泥地基处理中的应用[J]. 水力发电, 2019, 45(7): 85-89.

(HUANG Chao-xuan. Application of Sludge Solidification Technology in Deep Silt Foundation Treatment[J]. Water Power, 2019, 45(7): 85-89.(in Chinese))

[7]
何财胜, 竺成明. 掺合料对淤泥质黏土水泥土抗压强度的影响[J]. 建筑结构, 2021, 51(增刊1): 1373-1376.

(HE Cai-sheng, ZHU Cheng-ming. Influence of Different Mineral Admixtures on the Compressive Strength of Muddy Clay Cemented Soil[J]. Building Structure, 2021, 51(Supp.1): 1373-1376.(in Chinese))

[8]
王芮芮, 项伟, 王菁莪, 等. 生态复合改性黄土抗水蚀与强度特性试验研究[J]. 安全与环境工程, 2019, 26(3): 44-49, 55.

(WANG Rui-rui, XIANG Wei, WANG Jing-e, et al. Experimental Study on Anti-water Erosion Ability and Strength of Loess by Ecological Composite Modification[J]. Safety and Environmental Engineering, 2019, 26(3): 44-49, 55.(in Chinese))

[9]
QU G, ZHENG M, ZHANG W, et al. Preparation and Acceleration Mechanism of a Ternary Hardening Accelerator for High-performance Concrete with Full Aeolian Sand[J]. Construction and Building Materials, 2023, 369: 130629.

DOI

[10]
夏玉杰, 贺玮. 偏高岭土对水泥土动力学性能与微观特征的影响[J]. 人民长江, 2022, 53(6): 212-216.

(XIA Yu-jie, HE Wei. Effect of Metakaolin on Dynamic Properties and Microscopic Characteristics of Cement Stabilized Soil[J]. Yangtze River, 2022, 53(6): 212-216.(in Chinese))

[11]
CAO J, HUANG C, SUN H, et al. Analysis of the Effect of Ultra-fine Cement on the Microscopic Pore Structure of Cement Soil in a Peat Soil Environment[J]. Applied Sciences, 2023, 13(23): 12700.

DOI

[12]
简文彬, 张登, 黄春香. 水泥-水玻璃固化软土的微观机理研究[J]. 岩土工程学报, 2013, 35(增刊2):632-637.

(JIAN Wen-bin, ZHANG Deng, HUANG Chun-xiang. Micromechanism of Cement-sodium Silicate-stabilized Soft Soils[J]. Chinese Journal of Geotechnical Engineering, 2013, 35(Supp.2): 632-637.(in Chinese))

[13]
李丽华, 韩琦培, 杨星, 等. 稻壳灰-水泥固化淤泥土力学特性及微观机理研究[J]. 土木工程学报, 2023, 56(12): 166-176.

(LI Li-hua, HAN Qi-pei, YANG Xing, et al. Mechanical Properties and Micro-mechanisms of RHA-cement Solidified Sludge[J]. China Civil Engineering Journal, 2023, 56(12): 166-176.(in Chinese))

[14]
林天干, 何华, 许东风, 等. 地聚合物加固软土力学性能及微观试验研究[J]. 长江科学院院报, 2018, 35(10):104-108.

DOI

(LIN Tian-gan, HE Hua, XU Dong-feng, et al. Mechanical Properties and Microscopic Test of Wenzhou Soft Soil Reinforced by Geopolymer[J]. Journal of Yangtze River Scientific Research Institute, 2018, 35(10): 104-108.(in Chinese))

DOI

[15]
郭琳, 王正君, 姜荣辉, 等. 聚丙烯纤维对水泥混凝土力学性能的影响研究[J]. 混凝土, 2021(8): 72-74, 78.

(GUO Lin, WANG Zheng-jun, JIANG Rong-hui, et al. Study on the Influence of Polypropylene Fiber on the Mechanical Properties of Cement Concrete[J]. Concrete, 2021(8): 72-74, 78.(in Chinese))

[16]
张先伟, 孔令伟, 郭爱国, 等. 基于SEM和MIP试验结构性黏土压缩过程中微观孔隙的变化规律[J]. 岩石力学与工程学报, 2012, 31(2): 406-412.

(ZHANG Xian-wei, KONG Ling-wei, GUO Ai-guo, et al. Evolution of Microscopic Pore of Structured Clay in Compression Process Based on Sem and Mip Test[J]. Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering, 2012, 31(2):406-412.(in Chinese))

[17]
王宝军, 施斌, 唐朝生. 基于GIS实现黏性土颗粒形态的三维分形研究[J]. 岩土工程学报, 2007, 29(2): 309-312.

(WANG Bao-jun, SHI Bin, TANG Chao-sheng. Study on 3D Fractal Dimension of Clayey Soil by Use of GIS[J]. Chinese Journal of Geotechnical Engineering, 2007, 29(2): 309-312.(in Chinese))

Options
文章导航

/

〈 〉

*严禁使用本系统存储、处理、传输涉密信息*
版权所有 © 《长江科学院院报》编辑部
技术支持：北京玛格泰克科技发展有限公司