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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·