D0I:10.13374/1.issm100103.2008.03.015 第30卷第3期 北京科技大学学报 Vol.30 No.3 2008年3月 Journal of University of Science and Technology Beijing Mar,2008 击实水泥土强度随养护龄期增长的微观机理 王兵1)杨为民)李占强) 1)北京理工大学管理学院，北京1000812)河北冀威公路工程咨询有限公司，石家庄050011 3)中国地质科学院地质力学研究所，北京1000814)河北大地土木工程有限公司，石家庄050011 摘要通过室内夯实水泥土桩无侧限抗压强度实验和微观结构观测，研究了击实水泥土强度随养护龄期增长的微观机理· 实验结果表明：随养护龄期的增长，击实水泥土块的无侧限抗压强度增加，渐趋于一个稳定值：60龄期强度即可作为击实水 泥土的设计强度，水泥土强度随龄期增长实质上反映了水泥水化凝胶体与拌和土料中的活性物质之间的离子交换和团粒化 作用，以及硬凝反应程度由弱变强，在微观结构上表现为水泥土块中水化物结晶体由絮状、纤维状结构逐渐变为菊花状结构， 最终形成网格状结构：粒间孔隙由大变小，分散状的土颗粒发生团粒化，随着水化作用的持续进行，相邻团粒被网格状水化物 晶体联接形成水泥土结石体，从而导致水泥土强度的提高， 关键词水泥土：击实；无侧限抗压强度：微观结构：养护龄期 分类号TU472.3+1 Micromechanism of strength increase with curing time for compacted cement-soil WANG Bing).YANG Weimin,LI Zhangqiang 1)Management College.Beijing Institute of Technology.Beijing 100081.China 2)Hebei Jiwei Highw ay Engineering Consultation Corp.Ltd.,Shijiazhuang 050011.China 3)Institute of Geomechanics.Chinese Academy of Geological Sciences,Beijing 100081,China 4)Hebei Dadi Civil Engincering Corp.Ltd..Shijiazhuang 050011.China ABSTRACT The micromechanism of strength increase with curing time for compacted cement-"soil was investigated by unconfined compressive strength experiment and microstructure observation.The results show that the unconfined compressive strength increases with increasing curing time,and the extent of the strength gradually decreases and then tends to steady.The strength of 60d curing time can be used for engineering design of compacted cement soil.The change in strength with curing time substantively is cement hydration from weak to strong,ion exchange and agglomeration between hydrated gelatin and active substance of mixed soil.and in- duration reaction.The microstructure of hydrated crystals is from floccule and fibre-like to mum-like,finally to gridding.The pore a- mong grains is from large to small.Cement hydration makes dispersed soil grains to agglomerate.With durative cement hydration. soil and hydrated substance agglomerations join each other to form cement"soil concretion by gridding hydrated crystals,which results in the increase of cement"soil strength. KEY WORDS cement soil:compact:unconfined compressive strength:microstructure:curing time 夯实水泥土桩复合地基是近年来发展起来的一 强度作为设计强度，但实际工期常不允许，而短龄期 种地基处理方法，桩身是由水泥和土料拌和夯实而 抗压强度能否满足工程要求尚难确定，本文通过击 成，其强度特性与单一材料的地基土体或水泥体的 实水泥土块无侧限抗压强度实验和微观结构观测， 强度特性差别很大，一般通过室内无侧限抗压强度 探讨了不同养护龄期下水泥土强度随龄期增长的微 实验进行研究山.，目前，进行夯实水泥土桩复合地 观机理，以期为夯实水泥土桩短龄期强度的确定提 基设计时一般均取90d龄期击实水泥土块的抗压 供科学依据， 水泥土虽然是由水泥和土料拌合而成，但拌和 收稿日期：2006-12-24修回日期：2007-05-18 料仍以土料为主，因而在研究水泥土的微观结构时， 基金项目：河北省交通厅基金资助项目(N。,Y060236) 可以借鉴土的微观结构分类方法，天然工程土的微 作者简介：王兵(1968一)，男，高级工程师，博士研究生 组构特征最初由Terzaghi和Casagrande提出，20
击实水泥土强度随养护龄期增长的微观机理 王 兵12） 杨为民3） 李占强4） 1） 北京理工大学管理学院北京100081 2） 河北冀威公路工程咨询有限公司石家庄050011 3） 中国地质科学院地质力学研究所北京100081 4） 河北大地土木工程有限公司石家庄050011 摘 要 通过室内夯实水泥土桩无侧限抗压强度实验和微观结构观测研究了击实水泥土强度随养护龄期增长的微观机理． 实验结果表明：随养护龄期的增长击实水泥土块的无侧限抗压强度增加渐趋于一个稳定值；60d 龄期强度即可作为击实水 泥土的设计强度．水泥土强度随龄期增长实质上反映了水泥水化凝胶体与拌和土料中的活性物质之间的离子交换和团粒化 作用以及硬凝反应程度由弱变强在微观结构上表现为水泥土块中水化物结晶体由絮状、纤维状结构逐渐变为菊花状结构 最终形成网格状结构；粒间孔隙由大变小分散状的土颗粒发生团粒化随着水化作用的持续进行相邻团粒被网格状水化物 晶体联接形成水泥土结石体从而导致水泥土强度的提高． 关键词 水泥土；击实；无侧限抗压强度；微观结构；养护龄期 分类号 TU472∙3＋1 Micromechanism of strength increase with curing time for compacted cement-soil W A NG Bing 12）Y A NG Weimin 3）LI Zhanqiang 4） 1） Management CollegeBeijing Institute of TechnologyBeijing100081China 2） Hebei Jiwei Highway Engineering Consultation Corp．Ltd．Shijiazhuang050011China 3） Institute of GeomechanicsChinese Academy of Geological SciencesBeijing100081China 4） Hebei Dadi Civil Engineering Corp．Ltd．Shijiazhuang050011China ABSTRACT T he micromechanism of strength increase with curing time for compacted cement-soil was investigated by unconfined compressive strength experiment and microstructure observation．T he results show that the unconfined compressive strength increases with increasing curing timeand the extent of the strength gradually decreases and then tends to steady．T he strength of 60d curing time can be used for engineering design of compacted cement soil．T he change in strength with curing time substantively is cement hydration from weak to strongion exchange and agglomeration between hydrated gelatin and active substance of mixed soiland induration reaction．T he microstructure of hydrated crystals is from floccule and fibre-like to mum-likefinally to gridding．T he pore among grains is from large to small．Cement hydration makes dispersed soil grains to agglomerate．With durative cement hydration soil and hydrated substance agglomerations join each other to form cement-soil concretion by gridding hydrated crystalswhich results in the increase of cement-soil strength． KEY WORDS cement soil；compact；unconfined compressive strength；microstructure；curing time 收稿日期：2006-12-24 修回日期：2007-05-18 基金项目：河北省交通厅基金资助项目（No．Y060236） 作者简介：王 兵（1968—）男高级工程师博士研究生 夯实水泥土桩复合地基是近年来发展起来的一 种地基处理方法桩身是由水泥和土料拌和夯实而 成其强度特性与单一材料的地基土体或水泥体的 强度特性差别很大一般通过室内无侧限抗压强度 实验进行研究［1］．目前进行夯实水泥土桩复合地 基设计时一般均取90d 龄期击实水泥土块的抗压 强度作为设计强度但实际工期常不允许而短龄期 抗压强度能否满足工程要求尚难确定．本文通过击 实水泥土块无侧限抗压强度实验和微观结构观测 探讨了不同养护龄期下水泥土强度随龄期增长的微 观机理以期为夯实水泥土桩短龄期强度的确定提 供科学依据． 水泥土虽然是由水泥和土料拌合而成但拌和 料仍以土料为主因而在研究水泥土的微观结构时 可以借鉴土的微观结构分类方法．天然工程土的微 组构特征最初由 Terzaghi 和 Casagrande 提出．20 第30卷 第3期 2008年 3月 北 京 科 技 大 学 学 报 Journal of University of Science and Technology Beijing Vol．30No．3 Mar．2008 DOI:10．13374／j．issn1001－053x．2008．03．015
,234 北京科技大学学报 第30卷 世纪60年代末，扫描电子显微镜(SEM)和透射电 化24h·土料湿化后，按计算出的相应水泥量配比 子镜(TEM)的发展为材料微组构特征的研究提供 拌匀，每次取单个试样质量的1/4倒入试模内，分四 了强有力的工具.Collins和MeGown!②，Sergeyev 层击实，击实后每层高度均为37.5mm,制样时各分 和Osipov等3]、Al-Rawas等通过对土组构的系统 层交界处的水泥土面刨毛处理，试块脱模时间为 研究，提出了土体组构的分类，这种分类方案已被广 24h,脱模后立即送养护室，在标准养护条件下按实 泛地应用到各种工程土的研究中].近年来，电 验要求分别养护7,14,28,60,90d,到要求养护龄 镜技术也开始应用于水泥土的微观结构研究，特别 期后分别测定水泥土块的无侧限抗压强度，并观测 是在建筑材料领域已有报道[$]. 不同龄期水泥土块的微观结构 1试样制备 2不同养护龄期水泥土块的无侧限抗压 击实水泥土试块的制作采用规范(JGJ50007一 强度 2002)给出的方法，试样尺寸为150mm×150mm× 击实水泥土块的强度一般用无侧限抗压强度指 150mm,干密度为1.80gcm-3,水泥掺入比为1：6 标表示，与水泥掺入比、水泥标号、拌和土的种类、击 (质量比)·拌和土料为石家庄某地粉土和粉质粘 实能量的大小、养护龄期、外掺剂等因素有关[9.击 土.将野外取回的土样风干碾碎，过5mm筛拌匀， 实水泥土的水泥掺入比、击实能越大，水泥标号越 并测定土样的风干含水量，根据水泥土击实实验结 高，拌和土料的土性越好，则其强度越高9] 果求出的最大干密度和最优含水量，计算制作击实 表1是在不同养护龄期下粉土和粉质粘土击实水泥 水泥土块样品需加的水量和风干后的土料、水泥量. 土块的无侧限抗压强度实验结果，表1显示击实水 称量每组风干土料，并加入所需水，放入塑料袋中湿 泥土块无侧抗压强度随养护龄期的增长而增加 表1不同土类、不同养护龄期水泥土块无侧限抗压强度实验结果 Table I Unconfined compressive strength test results of compacted cement-soils with different soils and curing time 养护龄 水泥掺入 粉质粘土 粉土 期/a 质量比 无侧限抗压强度/MPa 与90d强度的比/% 无侧限抗压强度/MPa 与90d强度的比/% 7 1±6 1.87 38 3.39 65 14 1:6 2.73 56 3.96 76 28 1:6 2.97 61 4.84 93 60 1±6 4.43 91 5.21 100 90 1:6 4.86 100 5.22 100 由表1可知，不同拌和土料短龄期的击实水泥 关，各养护龄期的水泥土表现出不同的微观结构特 土块无侧限抗压强度增长幅度较大·粉质粘土水泥 征.待击实水泥土块试块达养护龄期后，在每个试 土块7d抗压强度是90d的38%，粉土水泥土块7d 块上取3~4个小样，将小样粘贴到电镜的铝制托盘 抗压强度是90d的65%.粉质粘土水泥土块28d 上，干燥后镀制金膜，样品制备好后立即进行水泥土 抗压强度是90d的61%，粉土水泥土块28d抗压强 微观结构观测，所有微观结构观测均在中国地质大 度是90d的93%.随养护龄期增长，抗压强度值持 学扫描电镜室完成， 续增加，但增加幅度减小.粉质粘土水泥土块60d 在扫描电镜下观测，养护7d的粉土水泥土块 抗压强度是90d的91%，粉土水泥土块60d抗压强 中，水泥粉粒已发生水化水解反应，形成絮状或纤维 度与90d的基本一致.已有资料表明9，龄期90d 状水泥水化物，但尚未完全结晶成水化物晶体 以后击实水泥土抗压强度仍然会继续增长，但从本 (图1)·水化物主要生长于碎屑颗粒周围、粒间孔 次实验结果来看，60d龄期的强度基本上可以代表 隙或土团粒之间的孔隙中.此阶段≥50m的孔隙 击实水泥土块的长期强度 少见，≤5m的孔隙较多，特别是≤23Hm的微孔 3不同养护龄期击实水泥土块微观结构 普遍存在，介于二者之间的孔隙也可以见到.粉土 水泥土块粒间仍以颗粒接触关系为主，粒间及颗粒 特征 周围大都被水泥粉粒包裹，从而使颗粒边界模糊 击实水泥土的强度高低与其微观结构密切相 粉质粘土由于粘土矿物含量较高，土颗粒常发生团
世纪60年代末扫描电子显微镜（SEM）和透射电 子镜（TEM）的发展为材料微组构特征的研究提供 了强有力的工具．Collins 和 McGown ［2］、Sergeyev 和 Osipov 等［3］、A-l Rawas 等［4］通过对土组构的系统 研究提出了土体组构的分类这种分类方案已被广 泛地应用到各种工程土的研究中［5—6］．近年来电 镜技术也开始应用于水泥土的微观结构研究特别 是在建筑材料领域已有报道［7—8］． 1 试样制备 击实水泥土试块的制作采用规范（JGJ50007— 2002）给出的方法试样尺寸为150mm×150mm× 150mm干密度为1∙80g·cm —3水泥掺入比为1∶6 （质量比）．拌和土料为石家庄某地粉土和粉质粘 土．将野外取回的土样风干碾碎过5mm 筛拌匀 并测定土样的风干含水量．根据水泥土击实实验结 果求出的最大干密度和最优含水量计算制作击实 水泥土块样品需加的水量和风干后的土料、水泥量． 称量每组风干土料并加入所需水放入塑料袋中湿 化24h．土料湿化后按计算出的相应水泥量配比 拌匀每次取单个试样质量的1／4倒入试模内分四 层击实击实后每层高度均为37∙5mm制样时各分 层交界处的水泥土面刨毛处理．试块脱模时间为 24h脱模后立即送养护室在标准养护条件下按实 验要求分别养护714286090d到要求养护龄 期后分别测定水泥土块的无侧限抗压强度并观测 不同龄期水泥土块的微观结构． 2 不同养护龄期水泥土块的无侧限抗压 强度 击实水泥土块的强度一般用无侧限抗压强度指 标表示与水泥掺入比、水泥标号、拌和土的种类、击 实能量的大小、养护龄期、外掺剂等因素有关［9］．击 实水泥土的水泥掺入比、击实能越大水泥标号越 高拌和土料的土性越好则其强度越高［19—10］． 表1是在不同养护龄期下粉土和粉质粘土击实水泥 土块的无侧限抗压强度实验结果．表1显示击实水 泥土块无侧抗压强度随养护龄期的增长而增加． 表1 不同土类、不同养护龄期水泥土块无侧限抗压强度实验结果 Table1 Unconfined compressive strength test results of compacted cement-soils with different soils and curing time 养护龄 期／d 水泥掺入 质量比 粉质粘土 粉土 无侧限抗压强度／MPa 与90d 强度的比／％ 无侧限抗压强度／MPa 与90d 强度的比／％ 7 1∶6 1∙87 38 3∙39 65 14 1∶6 2∙73 56 3∙96 76 28 1∶6 2∙97 61 4∙84 93 60 1∶6 4∙43 91 5∙21 100 90 1∶6 4∙86 100 5∙22 100 由表1可知不同拌和土料短龄期的击实水泥 土块无侧限抗压强度增长幅度较大．粉质粘土水泥 土块7d 抗压强度是90d 的38％粉土水泥土块7d 抗压强度是90d 的65％．粉质粘土水泥土块28d 抗压强度是90d 的61％粉土水泥土块28d 抗压强 度是90d 的93％．随养护龄期增长抗压强度值持 续增加但增加幅度减小．粉质粘土水泥土块60d 抗压强度是90d 的91％粉土水泥土块60d 抗压强 度与90d 的基本一致．已有资料表明［9］龄期90d 以后击实水泥土抗压强度仍然会继续增长．但从本 次实验结果来看60d 龄期的强度基本上可以代表 击实水泥土块的长期强度． 3 不同养护龄期击实水泥土块微观结构 特征 击实水泥土的强度高低与其微观结构密切相 关各养护龄期的水泥土表现出不同的微观结构特 征．待击实水泥土块试块达养护龄期后在每个试 块上取3～4个小样将小样粘贴到电镜的铝制托盘 上干燥后镀制金膜样品制备好后立即进行水泥土 微观结构观测所有微观结构观测均在中国地质大 学扫描电镜室完成． 在扫描电镜下观测养护7d 的粉土水泥土块 中水泥粉粒已发生水化水解反应形成絮状或纤维 状水泥水化物但尚未完全结晶成水化物晶体 （图1）．水化物主要生长于碎屑颗粒周围、粒间孔 隙或土团粒之间的孔隙中．此阶段≥50μm 的孔隙 少见≤5μm 的孔隙较多特别是≤2～3μm 的微孔 普遍存在介于二者之间的孔隙也可以见到．粉土 水泥土块粒间仍以颗粒接触关系为主粒间及颗粒 周围大都被水泥粉粒包裹从而使颗粒边界模糊． 粉质粘土由于粘土矿物含量较高土颗粒常发生团 ·234· 北 京 科 技 大 学 学 报 第30卷
第3期 王兵等：击实水泥土强度随养护龄期增长的微观机理 .235. 粒化，水泥粉与土料拌和的均匀性比粉土水泥土块 泥土块中粒间孔隙均匀性较差，孔隙有时较大，沿颗 均匀性差，而团粒之间的孔隙则被更细小的矿物碎 粒边缘延伸较远 屑、水泥粉粒所充填，养护7d后，沿粉质粘土颗粒 边界或团粒边缘孔隙内开始生长絮状的水泥水化物 (图2)，少见水泥水化物形成的网状结构， e5927 20KU 5jm 图314d粉土水泥土水泥土孔隙中菊花状水化物结晶体 e5898 26KU 5Hm Fig.3 Mum-like cement hydrated substance crystals in pores of 14d silt cement soil 图17粉土水泥土中颗粒边界及孔隙中初长絮状水泥水化物 Fig-1 Grain boundary and floccule cement hydrated substance pri- marily in pores of 7d silt cement soil 059382oKU5μm 图414粉质粘土水泥土水化物沿颗粒边缘生长，似网格状结构 Fig.4 Cement hydrated substance like gridding structure developed 859日828KU5m along grain boundary in 14d silty clay cement soil 经28d养护，粉土水泥土块粒间孔隙内充填的 图27粉质粘土水泥土边界及孔隙中絮状水泥水化物 水泥水化作用明显，水化物晶体将相邻土颗粒连接 Fig.2 Grain boundary and floccule cement hydrated substance in pores of 7d silty clay cement soil 起来，土粒大都团粒化，形成更大的水泥土粒，粒间 水化物仍呈絮状或纤维状生长（图5），形成菊花状 养护14d后，粉土水泥土块粒间孔隙内充填的 水化物晶体，粉质粘土水泥土块中水泥水化物基本 水泥粉粒水化作用较明显，形成菊花状水泥水化物 上垂直颗粒边界生长，或沿颗粒边界大角度生长，水 (图3)，并将相邻碎屑颗粒相互塔接起来，土粒开始 化物晶体呈针状、纤维状，将相邻的土颗粒相互连 发生团粒化作用.粉质粘土水泥土块因含大量的片 接，逐渐形成网格状结构（图6）· 状粘土矿物，湿化时易团粒化，使得在制样时土颗粒 60d龄期时，粉土水泥土块粒间水泥水化作用 难以粉碎，故土颗粒与水泥粉粒常常难以拌匀，在土 基本完成，水化物围绕颗粒周围或在孔隙中生长，可 颗粒间大孔隙内可见大量的水泥粉粒，粒间孔隙内 见明显的团粒化作用，颗粒之间的接触关系变得模 充填的水泥已发生水化水解反应，形成似网格状水 糊，粒间孔隙基本上被水泥水化物充填，水化物成纤 化物晶体（图4），有时可见到沿颗粒表面生长的絮 维状、网格状，纤维状水化物晶体可垂直颗粒边界生 状水化物晶体。相比于粉土水泥土块，粉质粘土水 长或与边界成大角度相交（图7），在颗粒表面也可
粒化水泥粉与土料拌和的均匀性比粉土水泥土块 均匀性差而团粒之间的孔隙则被更细小的矿物碎 屑、水泥粉粒所充填养护7d 后沿粉质粘土颗粒 边界或团粒边缘孔隙内开始生长絮状的水泥水化物 （图2）少见水泥水化物形成的网状结构． 图1 7d 粉土水泥土中颗粒边界及孔隙中初长絮状水泥水化物 Fig．1 Grain boundary and floccule cement hydrated substance primarily in pores of 7d silt cement soil 图2 7d 粉质粘土水泥土边界及孔隙中絮状水泥水化物 Fig．2 Grain boundary and floccule cement hydrated substance in pores of 7d silty clay cement soil 养护14d 后粉土水泥土块粒间孔隙内充填的 水泥粉粒水化作用较明显形成菊花状水泥水化物 （图3）并将相邻碎屑颗粒相互塔接起来土粒开始 发生团粒化作用．粉质粘土水泥土块因含大量的片 状粘土矿物湿化时易团粒化使得在制样时土颗粒 难以粉碎故土颗粒与水泥粉粒常常难以拌匀在土 颗粒间大孔隙内可见大量的水泥粉粒粒间孔隙内 充填的水泥已发生水化水解反应形成似网格状水 化物晶体（图4）有时可见到沿颗粒表面生长的絮 状水化物晶体．相比于粉土水泥土块粉质粘土水 泥土块中粒间孔隙均匀性较差孔隙有时较大沿颗 粒边缘延伸较远． 图3 14d 粉土水泥土水泥土孔隙中菊花状水化物结晶体 Fig．3 Mum-like cement hydrated substance crystals in pores of14d silt cement soil 图4 14d 粉质粘土水泥土水化物沿颗粒边缘生长似网格状结构 Fig．4 Cement hydrated substance like gridding structure developed along grain boundary in14d silty clay cement soil 经28d 养护粉土水泥土块粒间孔隙内充填的 水泥水化作用明显水化物晶体将相邻土颗粒连接 起来土粒大都团粒化形成更大的水泥土粒粒间 水化物仍呈絮状或纤维状生长（图5）形成菊花状 水化物晶体．粉质粘土水泥土块中水泥水化物基本 上垂直颗粒边界生长或沿颗粒边界大角度生长水 化物晶体呈针状、纤维状将相邻的土颗粒相互连 接逐渐形成网格状结构（图6）． 60d 龄期时粉土水泥土块粒间水泥水化作用 基本完成水化物围绕颗粒周围或在孔隙中生长可 见明显的团粒化作用颗粒之间的接触关系变得模 糊粒间孔隙基本上被水泥水化物充填水化物成纤 维状、网格状纤维状水化物晶体可垂直颗粒边界生 长或与边界成大角度相交（图7）在颗粒表面也可 第3期 王 兵等： 击实水泥土强度随养护龄期增长的微观机理 ·235·
·236 北京科技大学学报 第30卷 要表现在以下方面 g595928KU5m 66g5620K05μm 图528d粉土水泥土孔隙中生长的水化物结晶体 Fig5 Cement hydrated substance crystals developed in pores of 28 图760d粉土水泥土孔隙中垂直颗粒边界生长的水化物 d silt cement soil Fig.7 Cement hydrated substance perpendicular to grain boundary in pores of 60d silt cement soil E06820KU 图628d粉质粘土水泥土孔隙中垂直颗粒边界生长的针状水化 李 图860d粉质粘土水泥土水化物结晶体 Fig.6 Spiculate cement hydrated substance perpendicular to grain Fig.8 Cement hydrated substance crystals in 60d silty clay cement boundary in pores of 28d silty clay cement soil soil 见网格状水化物晶体，粉质粘土水泥土块水泥水化 作用也基本完成，在颗粒表面形成纤维状、放射状或 仙人球状的水化物晶簇，而粒间孔隙基本被水化物 充填，水化物晶体成网格状结构（图8） 90d龄期时，水泥土块试样中颗粒表面、粒间及 孔隙中普遍生长纤维状硅酸盐水化物，把相邻土颗 粒牢牢地连结在一起，可见单个粒状矿物碎屑（如石 英或长石)被水化物晶体包围（图9）·无论是粉土还 是粉质粘土水泥土块，其水化作用均已基本完成，针 状、纤维状水化物晶体共同构成网格状结构（图9和 8708420KU 5 um 图10)，将粉土或粉质粘土碎屑颗粒相互连接固化， 形成水泥土块结石体 图990d粉土水泥土颗粒表面及孔隙中生长的水化物结晶体 Fig.9 Cement hydrated substance crystals developed along grain 4击实水泥土块强度随时间增长的微观 surface and in pores of 90d silt cement soil 机理 (1)水泥的水化水解作用，水泥遇水会发生水 无侧限抗强度实验和微观测试结果表明，击实 化水解反应形成水化物一水化硅酸钙和水化铝酸 水泥土块强度随养护龄期的增长而增高，其原因主 钙，将水泥粉、土料和水拌和击实后，水泥发生水化
图5 28d 粉土水泥土孔隙中生长的水化物结晶体 Fig．5 Cement hydrated substance crystals developed in pores of 28 d silt cement soil 图6 28d 粉质粘土水泥土孔隙中垂直颗粒边界生长的针状水化 物 Fig．6 Spiculate cement hydrated substance perpendicular to grain boundary in pores of 28d silty clay cement soil 见网格状水化物晶体．粉质粘土水泥土块水泥水化 作用也基本完成在颗粒表面形成纤维状、放射状或 仙人球状的水化物晶簇而粒间孔隙基本被水化物 充填水化物晶体成网格状结构（图8）． 90d 龄期时水泥土块试样中颗粒表面、粒间及 孔隙中普遍生长纤维状硅酸盐水化物把相邻土颗 粒牢牢地连结在一起可见单个粒状矿物碎屑（如石 英或长石）被水化物晶体包围（图9）．无论是粉土还 是粉质粘土水泥土块其水化作用均已基本完成针 状、纤维状水化物晶体共同构成网格状结构（图9和 图10）将粉土或粉质粘土碎屑颗粒相互连接固化 形成水泥土块结石体． 4 击实水泥土块强度随时间增长的微观 机理 无侧限抗强度实验和微观测试结果表明击实 水泥土块强度随养护龄期的增长而增高其原因主 要表现在以下方面． 图7 60d 粉土水泥土孔隙中垂直颗粒边界生长的水化物 Fig．7 Cement hydrated substance perpendicular to grain boundary in pores of 60d silt cement soil 图8 60d 粉质粘土水泥土水化物结晶体 Fig．8 Cement hydrated substance crystals in60d silty clay cement soil 图9 90d 粉土水泥土颗粒表面及孔隙中生长的水化物结晶体 Fig．9 Cement hydrated substance crystals developed along grain surface and in pores of 90d silt cement soil （1） 水泥的水化水解作用．水泥遇水会发生水 化水解反应形成水化物———水化硅酸钙和水化铝酸 钙．将水泥粉、土料和水拌和击实后水泥发生水化 ·236· 北 京 科 技 大 学 学 报 第30卷
第3期 王兵等：击实水泥土强度随养护龄期增长的微观机理 ·237 力机械夯击形成结构致密的水泥土桩体，水分不易 渗入其中，从而使夯实水泥土具有足够好的水稳性 这样的水泥土桩体同时具有结构致密、孔隙率低、强 度高、压缩性低及整体性好等特点 (4)水泥水化水解作用使得水泥土的结构得到 根本改善，随着养护龄期的增长，水泥土块中水泥 水化作用逐渐增强，由短龄期(7d)时的絮状水化物 晶体，到14d和28d的菊花状、纤维状水化物晶体， 逐渐到长龄期(60~90d)的网格状结构水化物，水 3 um 化物晶体的生长使土体中分散的土粒子相互联结， 图1090：粉质粘土水泥土网格状水化物结晶体 结果导致土颗粒变大（团粒化），土颗粒之间的联结 Fig-10 Cement hydrated substance crystals with gridding structure 更牢，形成极强的结构联结，构成“粒状一镶嵌一胶 in 90d silty clay cement soil 结”结构，这种结构具有较高的强度和承载力，致使 水泥土的强度得以大幅度提高。再者，水化物主要 作用，刚生成的水化物能够迅速溶于水，使水泥颗粒 沿颗粒表面和粒间孔隙中生长，使粒间孔隙变小，水 表面继续暴露于水分中，从而连续进行水解和水化 泥土的孔隙率降低，抗变形能力及抗剪切能力得以 作用直至反应终止，此时水分子虽然能够继续深入 提高， 到水泥颗粒表面，与水泥矿物质发生反应，但新生成 (5)同龄期粉土水泥土水化作用强于粉质粘土 的水化物已经不能再溶解，而只能以细小分散状态 水泥土·比较粉土、粉质粘土水泥土块的微观结构 的凝胶体析出，自身能够相互凝结硬化而形成水泥 特征可知，同龄期粉土水泥土的水化水解作用明显 石骨架 强于粉质粘土水泥土·这是由于粉质粘土粘粒含量 (2)水泥土的离子交换和团粒化作用，水泥水 较高，水泥粉粒水化所生成的Ca2+被粘粒表面交换 化作用析出的部分凝胶微粒可与其周围土料中具有 吸附，剩余的Ca2+不足以生成更多的纤维状水化物 一定活性的粘粒及粉粒发生离子交换和团粒化作 所致，因而，同龄期粉土水泥土块的无侧限抗压强 用，粉土及粉质粘土矿物碎屑主要为石英、长石、粘 度也明显高于粉质粘土水泥土块， 土矿物，具有一定的活性，遇水后形成硅酸胶体微 (6)水泥土块受轴向荷载作用时表现为脆性破 粒，这些胶体微粒的表面带有负电荷，从而会吸附 坏的特点，击实水泥土块在进行无侧限抗压强度实 溶液中带正电荷的钠离子或钾离子，形成双电层， 验过程中，当轴向荷载超过水泥土的屈服荷载时，水 它们能和水泥水解及水化反应生成的Ca(OH)2等 泥土块均发生轴向劈裂破坏，表现为脆性变形破坏 凝胶粒子在溶液中析出的钙离子继续进行当量吸附 的特征，这与水泥土结石体主要依靠水化物结晶体 交换，使凝胶粒子的双电层变薄，于是原来较小的水 联结有关，因而，水泥土的强度主要取决于水泥水 泥土颗粒形成较大的团粒.而且由于水泥水化物的 化物结晶体的联结力大小，水泥水化物晶体受荷载 凝胶粒子的比表面积要比原来水泥颗粒的比表面积 破坏一般表现为脆性破坏，故水泥土结石体受轴向 大得多，因而产生很大的表面能，使之具有强烈的吸 荷载破裂时产生脆性破坏. 附活性，致使已形成的水泥土团粒进一步凝聚结合， 并封闭各水泥土团粒之间的孔隙，从而形成较为坚 5结论 固的水泥土大团粒结构，此时水泥土开始逐渐形成 (1)随养护龄期的增长，击实水泥土块的无侧 的网格状结构起主骨架作用. 限抗压强度提高，但增长的幅度逐渐降低，渐趋于一 (③)水泥土的硬凝反应.随着水泥水解和水化 个稳定值，对比不同龄期水泥土的强度和微观结构 反应的深入，溶液中析出大量的钙离子，当钙离子 特征，认为60d龄期的强度可以作为击实水泥土的 数量超过离子交换的需要时，在偏碱性环境中则能 设计强度， 使组成粘土矿物的部分氧化硅、氧化铝与钙离子进 (2)随养护龄期的增长，击实水泥土的微观结 行化学反应，生成稳定的不溶于水的结晶化合物等， 构表现为水泥土块中水化物结晶体结构由絮状、纤 这些新生的结晶化合物在水及空气中会逐渐硬化固 维状结构逐渐变为菊花状结构，最终形成网格状结 结，实际工程制作夯实水泥土桩时，由于持续的外 构，粒间孔隙由大变小，水泥的水化作用使分散状
图10 90d 粉质粘土水泥土网格状水化物结晶体 Fig．10 Cement hydrated substance crystals with gridding structure in90d silty clay cement soil 作用刚生成的水化物能够迅速溶于水使水泥颗粒 表面继续暴露于水分中从而连续进行水解和水化 作用直至反应终止．此时水分子虽然能够继续深入 到水泥颗粒表面与水泥矿物质发生反应但新生成 的水化物已经不能再溶解而只能以细小分散状态 的凝胶体析出自身能够相互凝结硬化而形成水泥 石骨架． （2） 水泥土的离子交换和团粒化作用．水泥水 化作用析出的部分凝胶微粒可与其周围土料中具有 一定活性的粘粒及粉粒发生离子交换和团粒化作 用．粉土及粉质粘土矿物碎屑主要为石英、长石、粘 土矿物具有一定的活性遇水后形成硅酸胶体微 粒．这些胶体微粒的表面带有负电荷从而会吸附 溶液中带正电荷的钠离子或钾离子形成双电层． 它们能和水泥水解及水化反应生成的 Ca（OH）2 等 凝胶粒子在溶液中析出的钙离子继续进行当量吸附 交换使凝胶粒子的双电层变薄于是原来较小的水 泥土颗粒形成较大的团粒．而且由于水泥水化物的 凝胶粒子的比表面积要比原来水泥颗粒的比表面积 大得多因而产生很大的表面能使之具有强烈的吸 附活性致使已形成的水泥土团粒进一步凝聚结合 并封闭各水泥土团粒之间的孔隙从而形成较为坚 固的水泥土大团粒结构此时水泥土开始逐渐形成 的网格状结构起主骨架作用． （3） 水泥土的硬凝反应．随着水泥水解和水化 反应的深入溶液中析出大量的钙离子．当钙离子 数量超过离子交换的需要时在偏碱性环境中则能 使组成粘土矿物的部分氧化硅、氧化铝与钙离子进 行化学反应生成稳定的不溶于水的结晶化合物等． 这些新生的结晶化合物在水及空气中会逐渐硬化固 结．实际工程制作夯实水泥土桩时由于持续的外 力机械夯击形成结构致密的水泥土桩体水分不易 渗入其中从而使夯实水泥土具有足够好的水稳性． 这样的水泥土桩体同时具有结构致密、孔隙率低、强 度高、压缩性低及整体性好等特点． （4） 水泥水化水解作用使得水泥土的结构得到 根本改善．随着养护龄期的增长水泥土块中水泥 水化作用逐渐增强由短龄期（7d）时的絮状水化物 晶体到14d 和28d 的菊花状、纤维状水化物晶体 逐渐到长龄期（60～90d）的网格状结构水化物水 化物晶体的生长使土体中分散的土粒子相互联结 结果导致土颗粒变大（团粒化）土颗粒之间的联结 更牢形成极强的结构联结构成“粒状—镶嵌—胶 结”结构这种结构具有较高的强度和承载力致使 水泥土的强度得以大幅度提高．再者水化物主要 沿颗粒表面和粒间孔隙中生长使粒间孔隙变小水 泥土的孔隙率降低抗变形能力及抗剪切能力得以 提高． （5） 同龄期粉土水泥土水化作用强于粉质粘土 水泥土．比较粉土、粉质粘土水泥土块的微观结构 特征可知同龄期粉土水泥土的水化水解作用明显 强于粉质粘土水泥土．这是由于粉质粘土粘粒含量 较高水泥粉粒水化所生成的 Ca 2＋被粘粒表面交换 吸附剩余的 Ca 2＋不足以生成更多的纤维状水化物 所致．因而同龄期粉土水泥土块的无侧限抗压强 度也明显高于粉质粘土水泥土块． （6） 水泥土块受轴向荷载作用时表现为脆性破 坏的特点．击实水泥土块在进行无侧限抗压强度实 验过程中当轴向荷载超过水泥土的屈服荷载时水 泥土块均发生轴向劈裂破坏表现为脆性变形破坏 的特征这与水泥土结石体主要依靠水化物结晶体 联结有关．因而水泥土的强度主要取决于水泥水 化物结晶体的联结力大小水泥水化物晶体受荷载 破坏一般表现为脆性破坏故水泥土结石体受轴向 荷载破裂时产生脆性破坏． 5 结论 （1） 随养护龄期的增长击实水泥土块的无侧 限抗压强度提高但增长的幅度逐渐降低渐趋于一 个稳定值．对比不同龄期水泥土的强度和微观结构 特征认为60d 龄期的强度可以作为击实水泥土的 设计强度． （2） 随养护龄期的增长击实水泥土的微观结 构表现为水泥土块中水化物结晶体结构由絮状、纤 维状结构逐渐变为菊花状结构最终形成网格状结 构．粒间孔隙由大变小水泥的水化作用使分散状 第3期 王 兵等： 击实水泥土强度随养护龄期增长的微观机理 ·237·
.238 北京科技大学学报 第30卷 的土颗粒发生团粒化，随着水化作用的持续进行，相 ters of cement-soil.JChengdu Univ Technol,2000.27(4):388 邻团粒被网格状水化物晶体联接形成水泥土结 (李俊才，赵泽三，高国瑞.水泥土的微结构特征及分析·成都 理工学院学报，2000,27(4)：388) 石体。 [6]Yan Z P.SEM study of microstructure of soft soil mixed with (3)击实水泥土的强度随龄期增长是由于水泥 high water content and quick setting materials.Rock Soil Mech. 的水化水解作用生成水泥水化物，水化物凝胶体与 2004,25(2):10 土中的活性物质发生离子交换和团粒化作用，以及 (颜志平.高水速凝材料软土微观结构的$EM研究·岩土力 水泥土的硬凝反应，水化物结晶体将分散状的土颗 学，2004,25(2)：10) 粒联结成整体，增强了土颗粒之间的联结力，导致水 [7]Shi B.Quantitative assessment of changes of microstructure for clayey soil in the process of compaction.Chin J Geotech Eng. 泥土的强度和抗变形能力得到显著提高， 1996,18(4):57 (4)水泥水化物晶体的生成使得水泥土的脆性 (施斌.粘性土击实过程中微观结构的定量评价，岩土工程学 增强，因而水泥土受荷后都呈现脆性劈裂破环， 报，1996,18(4)：57) [8]Hu R L.Wang S J.Li X Q et al.Consolidation deformation 参考文献 characteristics of loess under the simulated dynamic compaction [1]Yan M L,Teng Y J.Yang HL.et al.Engineering application of and the microstructural analysis.Rock Soil Mech.1999.20(2): composite foundation of rammed soil-cement piles.Build Sci. 12 1997(6):20 (胡瑞林，王思敬，李向全，等.模拟强夯下黄土的固结变形特 (闫明礼，滕延京，杨焕玲，等.夯实水泥土桩复合地基的工程应 征及其微观分析-岩土力学，1999,20(2)：12) 用研究.建筑科学，1997(6)：20) [9]Ye S L,Han J:Ye G B.Ground Improvement and Underpin- [2]Collins K.MeGowns A.Micromorphological studies in soil engi- ning.2nd Ed.Beijing:Chinese Architecture Industry Publishing neering//Soil Micromorphology 1:Techniques and Applica Company,1997 tions.Bicester.1983:78 (叶书麟，韩杰，叶观宝，地基处理与托换技术.2版.北京：中 [3]Sergeyev Y M,Grabowska-Olszewska B.Osipov V 1,et al.The 国建筑工业出版社，1997) classification of microstructures of clay soils.Microsc,1980.12 [10]Zhao J H.Analysis for influence factors of compacted cement-soil (12):237 pile shaft strength.Coal Eng.2006(8):56 [4]Al-Rawas AA.Megown A.Microstructure of Omani expansive (赵建红·夯实水泥土桩体强度影响因素分析，煤炭工程， soils.Can Geotech J,1999,36(3):272 2006(8).56) [5]Li JC.Zhao ZS.Gao G R.Analysis and microstructure charac (下期预告) 内蒙古白音诺尔铅锌矿褶皱控矿特征及找矿方向 贾长顺曾庆栋徐九华刘建明 白音诺尔铅锌矿是我国长江以北规模最大的铅锌矿床，矿体受地层岩性、褶皱变形控制十分明显，矿区 南、北矿带褶皱形态略有不同，但整体走向均为NE方向，且向SW侧伏，倾伏角约为25°左右.根据已知构 造和矿化特点，用EH4连续电导率剖面成像系统对29线以南的高覆盖率地区进行了2号矿体的深部追索， 结果表明，所选区域构成一个新的地球物理异常带，异常反映的深部地质体电性差异可以较好地用已知构造 和矿化特点来解释，因此2号矿体在29线以南仍有延伸
的土颗粒发生团粒化随着水化作用的持续进行相 邻团粒被网格状水化物晶体联接形成水泥土结 石体． （3） 击实水泥土的强度随龄期增长是由于水泥 的水化水解作用生成水泥水化物水化物凝胶体与 土中的活性物质发生离子交换和团粒化作用以及 水泥土的硬凝反应水化物结晶体将分散状的土颗 粒联结成整体增强了土颗粒之间的联结力导致水 泥土的强度和抗变形能力得到显著提高． （4） 水泥水化物晶体的生成使得水泥土的脆性 增强因而水泥土受荷后都呈现脆性劈裂破环． 参 考 文 献 ［1］ Yan M LTeng Y JYang H Let al．Engineering application of composite foundation of rammed soi-l cement piles． Build Sci 1997（6）：20 （闫明礼滕延京杨焕玲等．夯实水泥土桩复合地基的工程应 用研究．建筑科学1997（6）：20） ［2］ Collins KMcGowns A．Micromorphological studies in soil engineering∥ Soil Micromorphology 1： Techniques and Applications．Bicester1983：78 ［3］ Sergeyev Y MGrabowska-Olszewska BOsipov V Iet al．The classification of microstructures of clay soils．J Microsc198012 （12）：237 ［4］ A-l Rawas A AMcgown A．Microstructure of Omani expansive soils．Can Geotech J199936（3）：272 ［5］ Li J CZhao Z SGao G R．Analysis and microstructure characters of cement-soil．J Chengdu Univ Technol200027（4）：388 （李俊才赵泽三高国瑞．水泥土的微结构特征及分析．成都 理工学院学报200027（4）：388） ［6］ Yan Z P．SEM study of microstructure of soft soil mixed with high-water-content and quick-setting materials．Rock Soil Mech 200425（2）：10 （颜志平．高水速凝材料—软土微观结构的 SEM 研究．岩土力 学200425（2）：10） ［7］ Shi B．Quantitative assessment of changes of microstructure for clayey soil in the process of compaction．Chin J Geotech Eng 199618（4）：57 （施斌．粘性土击实过程中微观结构的定量评价．岩土工程学 报199618（4）：57） ［8］ Hu R LWang S JLi X Q et al．Consolidation deformation characteristics of loess under the simulated dynamic compaction and the microstructural analysis．Rock Soil Mech199920（2）： 12 （胡瑞林王思敬李向全等．模拟强夯下黄土的固结变形特 征及其微观分析．岩土力学199920（2）：12） ［9］ Ye S LHan JYe G B．Ground Imp rovement and Underpinning．2nd Ed．Beijing：Chinese Architecture Industry Publishing Company1997 （叶书麟韩杰叶观宝．地基处理与托换技术．2版．北京：中 国建筑工业出版社1997） ［10］ Zhao J H．Analysis for influence factors of compacted cement-soil pile shaft strength．Coal Eng2006（8）：56 （赵建红．夯实水泥土桩体强度影响因素分析．煤炭工程 2006（8）：56） （下期预告） 内蒙古白音诺尔铅锌矿褶皱控矿特征及找矿方向 贾长顺 曾庆栋 徐九华 刘建明 白音诺尔铅锌矿是我国长江以北规模最大的铅锌矿床矿体受地层岩性、褶皱变形控制十分明显．矿区 南、北矿带褶皱形态略有不同但整体走向均为 NE 方向且向 SW 侧伏倾伏角约为25°左右．根据已知构 造和矿化特点用 EH4连续电导率剖面成像系统对29线以南的高覆盖率地区进行了2号矿体的深部追索． 结果表明所选区域构成一个新的地球物理异常带异常反映的深部地质体电性差异可以较好地用已知构造 和矿化特点来解释因此2号矿体在29线以南仍有延伸． ·238· 北 京 科 技 大 学 学 报 第30卷
