徐 超，李 丹，黃 亮

（1.同濟(jì)大學(xué) 巖土與地下工程教育部重點(diǎn)試驗(yàn)室，上海200092；2.上海市基礎(chǔ)工程公司，上海200002）

垂直防滲墻在水利工程和環(huán)境巖土工程應(yīng)用比較廣泛，如防洪大堤加固治理中的垂直防滲墻；垃圾填埋場(chǎng)和尾礦壩周圍防止?jié)B濾液擴(kuò)散的地下徑流垂直隔斷墻.水泥-膨潤(rùn)土泥漿隔斷墻（cementbentonite slurry cutoff wall）是垂直防滲墻中應(yīng)用最為普遍的一種.這種墻體以水泥和膨潤(rùn)土為基本材料，有時(shí)也摻入粉細(xì)砂或當(dāng)?shù)厮赝?，固化后的泥漿固結(jié)體具有較好的力學(xué)與防滲特性［1］.

作者曾對(duì)水泥-膨潤(rùn)土固結(jié)體的微觀孔隙結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)固結(jié)體的總孔隙體積、最可幾孔徑和臨界孔徑等孔結(jié)構(gòu)特征與膨潤(rùn)土和水泥的用量密切相關(guān)［2］.Plee曾進(jìn)行水泥-膨潤(rùn)土泥漿的微觀結(jié)構(gòu)、滲透系數(shù)和流動(dòng)性能的研究，發(fā)現(xiàn)水泥中大量Ca2+和混合液的高pH 值都會(huì)影響泥漿的宏觀特性［3］；Schoenfelder利用核磁共振方法分析了不同配合比的水泥-膨潤(rùn)土泥漿的硬化特征及滲透性能［4］；Rafalski和Jefferis也曾對(duì)歐美等國(guó)垃圾填埋場(chǎng)采用的水泥、膨潤(rùn)土、粉煤灰泥漿墻的防滲性能進(jìn)行過(guò)研究［5-6］.

水泥-膨潤(rùn)土泥漿固結(jié)體的孔隙結(jié)構(gòu)特征與其宏觀特性存在內(nèi)在的關(guān)聯(lián)性，因此研究固結(jié)體的微觀孔隙結(jié)構(gòu)特征對(duì)從機(jī)理上認(rèn)識(shí)水泥-膨潤(rùn)土固結(jié)體的滲透特性有著重要意義.本文主要分析漿液材料構(gòu)成對(duì)臨界孔徑的影響，探討固結(jié)體微觀結(jié)構(gòu)特征與其滲透性能之間的關(guān)系，為水泥-膨潤(rùn)土泥漿防滲墻的實(shí)際工程應(yīng)用提供一定的依據(jù)和借鑒.進(jìn)一步揭示水泥-膨潤(rùn)土泥漿固結(jié)體的物質(zhì)構(gòu)成與固結(jié)體臨界孔徑之間的關(guān)系，可以為通過(guò)調(diào)整原材料配比控制固結(jié)體的臨界孔徑進(jìn)而提高固結(jié)體的抗?jié)B能力提供依據(jù).

1 試驗(yàn)材料與試驗(yàn)方法

1.1 試驗(yàn)材料

本次試驗(yàn)工作在同濟(jì)大學(xué)巖土及地下工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室和先進(jìn)土木工程材料教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室中完成.試驗(yàn)中，泥漿原材料采用425＃礦渣硅酸鹽水泥和人工鈉基膨潤(rùn)土.原材料的實(shí)測(cè)基本性能指標(biāo)見(jiàn)表1.

表1水泥 膨潤(rùn)土泥漿原材料的性能指標(biāo)Tab.1 Behaviour indexes of raw materials for cement-bentonite slurries

1.2 試驗(yàn)方案與試驗(yàn)方法

根據(jù)前期研究工作和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)［1］，經(jīng)過(guò)初步配比試驗(yàn)，確定了本次試驗(yàn)研究的配比范圍：每1 000 g水中所需的膨潤(rùn)土為300～390g，水泥為140～230g.具體配合比方案見(jiàn)表2.在此方案中，按每1 000g水中加入的膨潤(rùn)土的質(zhì)量分為A，B，C，D 四組；各組內(nèi)，按水泥用量又分為1，2，3，4四種情況.每個(gè)配比制備2組試樣，每組6個(gè)試件，試件采用室內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)，每組配比試件均測(cè)定28d和60d的滲透系數(shù)，再切取部分試件碎塊進(jìn)行壓汞試驗(yàn).滲透試驗(yàn)采用測(cè)定土體滲透系數(shù)的QYI-2型土工滲壓儀，壓汞試驗(yàn)采用美國(guó)康塔公司的Autoscan 60型自動(dòng)壓汞儀，孔半徑測(cè)定范圍：0.002～213μm.本次壓汞試驗(yàn)采用液氮冷凍真空升華干燥法（簡(jiǎn)稱凍干法）對(duì)試件進(jìn)行干燥，盡可能減小因失水而導(dǎo)致的固結(jié)體孔隙結(jié)構(gòu)變化，降低試驗(yàn)誤差.

表2 試驗(yàn)配合比方案及滲透試驗(yàn)結(jié)果Tab.2 Mixing ratios of raw materials for cement-bentonite slurries and results of permeability test

2 試驗(yàn)結(jié)果

2.1 水泥-膨潤(rùn)土泥漿固結(jié)體滲透試驗(yàn)結(jié)果

水泥-膨潤(rùn)土泥漿固結(jié)體的滲透試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表2，不同齡期泥漿固結(jié)體試樣滲透系數(shù)隨水泥用量變化情況見(jiàn)圖1～圖2.可以看出：各組試件中，滲透系數(shù)均隨水泥用量的增加而降低；對(duì)比圖1～圖2可以發(fā)現(xiàn)隨著固結(jié)體齡期的增長(zhǎng)，其滲透系數(shù)隨之減小.減小的幅度在15.3%～71.2%，平均減小了52.1%.

2.2 水泥-膨潤(rùn)土泥漿固結(jié)體壓汞試驗(yàn)結(jié)果

壓汞試驗(yàn)進(jìn)汞壓力范圍約為0.172 4～214.997 MPa，測(cè)得孔徑的分布范圍為3.25～4266nm.隨著進(jìn)汞壓力的增大，汞液被壓入的孔隙尺寸越小，進(jìn)汞壓力的增長(zhǎng)速率也越緩，直至進(jìn)汞壓力趨于恒定.在一次完整的進(jìn)汞曲線上（見(jiàn)圖3），可得到泥漿固結(jié)體的孔隙特征參數(shù)，包括固結(jié)體的孔隙累計(jì)體積、孔徑分布、最可幾孔徑、臨界孔徑等.累計(jì)孔隙體積是一次進(jìn)汞過(guò)程中所探測(cè)到的不同孔徑的孔隙總體積；臨界孔徑是指能夠?qū)⑤^大孔隙連通起來(lái)的所有孔隙中最大尺寸孔隙的孔徑［7］；最可幾孔徑即出現(xiàn)幾率最大的孔徑，孔徑分布微分曲線峰值對(duì)應(yīng)的孔徑即為最可幾孔徑.在對(duì)壓汞試驗(yàn)結(jié)果分析時(shí)發(fā)現(xiàn)，每1 000g水的水泥摻量為170g的部分試件壓汞曲線未出現(xiàn)峰值，無(wú)法用于微觀結(jié)構(gòu)分析.其余12 組配合比試樣基于壓汞試驗(yàn)結(jié)果得到的孔隙結(jié)構(gòu)特征參數(shù)見(jiàn)表3.

圖1 28d齡期試件滲透試驗(yàn)結(jié)果Fig.1 Permeability test results of slurry concretion specimens on 28d

圖2 60d齡期試件滲透試驗(yàn)結(jié)果Fig.2 Permeability test results of slurry concretion specimens on 60d

圖3 進(jìn)汞壓力與孔徑曲線Fig.3 Mercury injection pressure and void size curve

表3 泥漿固結(jié)體孔隙結(jié)構(gòu)特征參數(shù)Tab.3 Structure parameters of pores in the concretions of slurries

3 試驗(yàn)結(jié)果分析與討論

3.1 固結(jié)體微觀孔隙結(jié)構(gòu)特征與滲透性的關(guān)系

根據(jù)表2和表3的試驗(yàn)結(jié)果，以固結(jié)體滲透系數(shù)為縱坐標(biāo)，分別繪制泥漿固結(jié)體孔隙累計(jì)體積、最可幾孔徑和臨界孔徑的散點(diǎn)圖，如圖4～圖6所示.

這些散點(diǎn)圖顯示：固結(jié)體的滲透系數(shù)變化與孔隙累計(jì)體積和最可幾孔徑的相關(guān)性不顯著，而滲透系數(shù)變化與臨界孔徑之間具有較強(qiáng)的相關(guān)性.滲透系數(shù)隨著臨界孔徑的增大而增大，二者之間的關(guān)系曲線如圖6所示.由于試驗(yàn)數(shù)據(jù)偏少，還難以給出二者的定量關(guān)系.

3.2 膨潤(rùn)土用量與水泥用量對(duì)臨界孔徑的影響

圖7和圖8分別表示了固結(jié)體的臨界孔徑隨水泥、膨潤(rùn)土摻入量變化的情況.圖7顯示各組試樣的臨界孔徑隨著水泥用量的增加而減小，其中A 組降幅最小，可能是A 組中膨潤(rùn)土用量最少.圖8顯示臨界孔徑隨著膨潤(rùn)土用量的減少而減小，尤其水泥用量最少的1組試樣，膨潤(rùn)土用量對(duì)固結(jié)體的臨界孔徑影響最小.固結(jié)體的臨界孔徑與水泥和膨潤(rùn)土用量有關(guān)，但水泥用量的影響更大一些.此外，水泥和膨潤(rùn)土用量對(duì)泥漿固結(jié)體臨界孔徑的影響是交互的，表現(xiàn)在一種材料用量偏低時(shí)，另一種材料對(duì)臨界孔徑的影響也會(huì)降低，其原因文獻(xiàn)［2］已經(jīng)作了分析和說(shuō)明.

3.3 固結(jié)體滲透性影響因素的機(jī)理分析

國(guó)內(nèi)外關(guān)于混凝土的孔隙與滲透性間關(guān)系的研究［8-10］表明：混凝土的滲透性一般隨孔隙率的增加而提高，但孔隙率不是影響滲透性的主要因素.即使孔隙率相同的混凝土，滲透性能也會(huì)存在較大差別，只有孔徑較大且孔隙連通才對(duì)滲透性產(chǎn)生影響.水泥-膨潤(rùn)土泥漿固結(jié)體具有良好的防滲效果，本次研究發(fā)現(xiàn)其滲透性與內(nèi)部孔隙率、孔隙的孔徑分布等關(guān)系不大，而主要與臨界孔徑有關(guān).

圖9說(shuō)明了多孔材料的滲透性與孔隙率之間的關(guān)系.如果多孔材料內(nèi)部的孔隙都是球形或者雖然是管狀但彼此互不連通且封閉，則滲透系數(shù)很小.即使是不封閉的管狀孔隙，只要孔徑小到一定程度，水也是不易通過(guò)的，同樣表現(xiàn)出較低的滲透性.只有具有較大孔徑的連通孔隙才會(huì)使得材料具有較大的滲透性.

從水力聯(lián)系的角度，臨界孔徑反映材料中孔隙的連通程度和滲透路徑的曲折程度，這應(yīng)該是滲透性與臨界孔徑相關(guān)的本質(zhì).因此認(rèn)識(shí)固結(jié)體臨界孔徑及其變化對(duì)水泥-膨潤(rùn)土泥漿固結(jié)體抗?jié)B性能的影響和控制作用具有重要意義，可以從降低臨界孔徑的角度控制固結(jié)體的滲透能力.隨著水泥用量的增加，水泥水化產(chǎn)物增多，固結(jié)體的骨架結(jié)構(gòu)更為完整；在一定水泥用量前提下，膨潤(rùn)土用量增加，遇水膨脹，固結(jié)體的大孔隙減少，微觀孔隙則增多，臨界孔徑會(huì)進(jìn)一步減小，連通的孔隙數(shù)量也會(huì)減少.本次試驗(yàn)結(jié)果顯示，當(dāng)水泥用量控制在每1 000g水200～230g范圍內(nèi)時(shí)，膨潤(rùn)土用量每1 000g水360～390g，泥漿固結(jié)體的臨界孔徑就減小到60nm 以下，滲透系數(shù)減小至10-8數(shù)量級(jí).

4 結(jié)論

本文從水泥-膨潤(rùn)土泥漿固結(jié)體的材料配比對(duì)臨界孔徑的影響著手，根據(jù)水泥-膨潤(rùn)土泥漿固結(jié)體的滲透試驗(yàn)和壓汞試驗(yàn)結(jié)果，分析了泥漿固結(jié)體的滲透性與孔隙結(jié)構(gòu)之間的關(guān)系，可以得出如下結(jié)論：

（1）隨著水泥、膨潤(rùn)土用量的增加，水泥-膨潤(rùn)土泥漿固結(jié)體的臨界孔徑會(huì)逐漸減小.水泥和膨潤(rùn)土對(duì)臨界孔徑存在交互影響，其中水泥用量對(duì)臨界孔徑的影響比膨潤(rùn)土要顯著.

（2）在水泥-膨潤(rùn)土泥漿固結(jié)體的微觀結(jié)構(gòu)參數(shù)中，臨界孔徑與滲透性顯著相關(guān).臨界孔徑越小，滲透系數(shù)越小.本文定性分析了臨界孔徑與滲透系數(shù)之間的關(guān)系，建立孔隙參數(shù)與滲透系數(shù)之間的數(shù)量關(guān)系還需要更多的試驗(yàn)研究工作.

（3）本文獲得的配制泥漿的水泥、膨潤(rùn)土較佳用量范圍可以為實(shí)際工程提供依據(jù).

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