1、水利水电技术(中英文)第 54 卷 2023 年第 7 期Water Resources and Hydropower Engineering Vol.54 No.7何俊,管家贤,龙思昊.MgSO4硅粉改良固化淤泥的渗透性能及孔隙特征J.水利水电技术(中英文),2023,54(7):218-226.HE Jun,GUAN Jiaxian,LONG Sihao.Hydraulic conductivity and pore characteristics of nano-silica modified soft soil under MgSO4 erosionJ.Water Resources
2、and Hydropower Engineering,2023,54(7):218-226.MgSO4硅粉改良固化淤泥的渗透性能及孔隙特征何 俊,管家贤,龙思昊(湖北工业大学 土木建筑与环境学院,湖北 武汉 430068)收稿日期:2022-11-28;修回日期:2023-01-11;录用日期:2023-01-13;网络出版日期:2023-05-08基金项目:国家自然科学基金项目(41772332)作者简介:何 俊(1977),女,教授,博士,研究方向为环境岩土工程。E-mail:hjunas Editorial Department of Water Resources and Hydrop
3、ower Engineering.This is an open access article under the CC BY-NC-ND license.摘 要:【目的】为改善碱渣固化淤泥在 MgSO4侵蚀环境中抗渗性差问题,【方法】利用纳米硅粉改良固化淤泥,研究硅粉掺量和浸泡时间对固化淤泥渗透性能和孔隙特征的影响,开展标准养护和MgSO4溶液浸泡后固化淤泥的变水头渗透试验和核磁共振(NMR)试验研究。【结果】结果显示:在标准养护 7 d 时,纳米硅粉使试样渗透系数减小;在 MgSO4侵蚀环境中,当纳米硅粉掺量为 1%2%时试样渗透系数最小;固化淤泥 T2图谱为双峰型,较大孔隙对应次峰峰值随
4、浸泡时间的增加而增大,添加适量纳米硅粉试样次峰峰值减小且 T2曲线略向左偏移,中大孔累积占比和孔径都有所减小。微观参数 nD250与渗透系数具有强相关性,将修正后孔隙比应用于太沙基渗透公式所得渗透系数接近实测值。【结论】结果表明:当纳米硅粉掺量为 1%2%时有助于固化淤泥结构保持密实状态,从而提高 MgSO4侵蚀环境下固化淤泥的抗渗性,nD250可以反映固化淤泥微观孔隙特征对渗透系数的影响,修正太沙基渗透公式更适用于固化淤泥。关键词:纳米硅粉;固化淤泥;MgSO4侵蚀;渗透系数;核磁共振;孔径分布DOI:10.13928/ki.wrahe.2023.07.019开放科学(资源服务)标志码(OS
5、ID):中图分类号:TU 411.4文献标志码:A文章编号:1000-0860(2023)07-0218-09Hydraulic conductivity and pore characteristics of nano-silica modified soft soil under MgSO4 erosionHE Jun,GUAN Jiaxian,LONG Sihao(School of Civil Engineering,Architectural and Environment,Hubei University of Technology,Wuhan 430068,Hubei,China
6、)Abstract:ObjectiveIn order to improve the impermeability of soft soil solidified with soda residue in MgSO4 erosion environ-ment,Methodsthe solidified soil was modified with nano-silica content.The influence of nano-silica content and soaking time on hydraulic conductivity(k)of solidified soil and
7、its microscopic mechanism were studied.The variable-head permeability and nuclear magnetic resonance(NMR)tests were carried out under standard curing conditions and after soaking in MgSO4 solution.ResultsThe results show that nano-silica reduces the k of the sample after being cured for 7 days in st
8、andard condition;in MgSO4 erosion environment,the k is the smallest for sample with 1%2%nano-silica.The T2 spectrum of solidified soil is bimodal,and the secondary peak value corresponding to larger pores increases with the increase of soaking time.However,the secondary peak value decreases and the
9、T2 curve shifts left slightly for the sample with an appropriate nano-silica content,indica-ting that the cumulative proportion of medium and large pores and the pore size decrease.The microscopic parameter nD250 has a strong correlation with the k,and the calculated k is closer to the measured valu
10、e when modified void ratio was applied to the 812何 俊,等/MgSO4硅粉改良固化淤泥的渗透性能及孔隙特征水利水电技术(中英文)第 54 卷 2023 年第 7 期Terzaghi permeability formula.ConclusionThe 1%2%nano-silica content is helpful to maintain a dense structure of solidi-fied soil,contributing to improve the impermeability of solidified soil in
11、 MgSO4 erosion environment.nD250 can reflect the influ-ence of microscopic pore characteristics on k for nano-silica modified soft soil.The modified Terzaghi permeability formula is more suitable for solidified soil.Keywords:nano-silica;solidified soft soil;MgSO4 erosion;hydraulic conductivity;nucle
12、ar magnetic resonance;pore size distri-bution0 0 引引 言言 我国沿海地区工程建设常遇到海相沉积淤泥形成的软土地基,具有含水率高、孔隙比大和固结性能差等特点,一般需进行固化处理1。沿海地区地下水往往含有侵蚀性离子,对固化软土产生侵蚀作用,使土体承载力和抗渗性降低,导致其在地基加固、基坑支护挡墙和防渗止水帷幕等工程应用中失效2。Mg2+和 SO2-4是水土腐蚀性的主要评价指标3,已有学者开展了其对固化软土劣化作用的研究。韩鹏举等4研究不同龄期和浓度 MgSO4侵蚀作用对水泥土力学性质的影响,发现水泥土抗压强度随浸泡时间和MgSO4浓度的增大而减小,
13、建立了考虑 Mg2+和 SO2-4相互影响的水泥土强度模型。刘泉声等5开展模拟海水环境浸泡后水泥土的无侧限压缩试验,发现浸泡时间超过 90 d 后,MgCl2和 NaCl 混合环境下水泥土试块强度出现明显衰减,相同浓度时 MgCl2比 MgSO4对水泥土强度的影响更大,并给出侵蚀性溶液浓度与侵蚀时间的关系式用于水泥土强度的等效分析。为改善侵蚀环境中水泥固化效果不佳及其高能耗和碳排放等问题,许多学者尝试研究高效和环保的固化剂,以提高软土的强度和抗侵蚀性。吴燕开等6用钢渣替代部分水泥用于固化海相软土,发现钢渣+水泥固化土的无侧限抗压强度随侵蚀时间的增加而增大,钢渣有助于提高固化土的抗海水侵蚀能力。
14、WANG 等7通过无侧限抗压强度试验研究矿渣对 NaSO4浸泡后水泥土性质的影响,结果表明矿渣对水泥表面侵蚀有一定影响,矿渣掺量为 70%时水泥土的抗侵蚀性最好。JIANG 等8对矿渣、水玻璃、电石渣固化黏土的抗 NaSO4侵蚀试验发现,固化黏土的强度大于水泥土。何俊等9对碱渣-矿渣固化淤泥的研究发现,NaCl 溶液浸泡时试样完整性好、强度较高,但试样抗 MgSO4侵蚀能力较差。上述研究表明,固化土抗Mg2+和 SO2-4侵蚀能力还有待提高。因此有学者提出采用纳米材料作为外掺剂来提高固化土的抗侵蚀能力,例如,纳米 Al2O3和纳米 CaCO3对于提高水泥土强度、降低海洋环境下水泥土的侵蚀速度均
15、起到积极作用10。纳米 SiO2(硅粉)是一种高活性无定形物质,可有效提高水泥基材料的抗侵蚀性11,在硫酸盐侵蚀环境中纳米硅粉与水泥水化产物的二次反应使水泥土抗硫酸盐侵蚀能力大幅提高12。因此针对硫酸盐侵蚀环境,一般选择纳米硅粉作为外掺剂来提高固化土的抗侵蚀能力,但多以无侧限抗压强度作为评判指标,针对抗渗性的研究还有待深入。土的渗透性与其孔隙结构密切相关。为了建立孔隙结构和渗透系数之间的关系,压汞和核磁共振(NMR)等是常用的获得土样孔隙信息的方法。DENG等13对偏高岭土改良水泥固化海相软土的渗透性能进行研究,将压汞试验所得微观特征与渗透系数结合分析,发现中值孔径 D50和孔隙率 n 与渗透
16、系数之间有良好的相关性,提出渗透系数与 nD250的关系表达式。姚君等14基于压汞试验研究固化疏浚淤泥的微观孔隙结构特征,采用毛细模型建立孔隙结构参数和渗透性之间的定量关系。压汞法较难准确描述微小孔特征15-16,而 NMR 技术可快速、准确地获得试样孔隙信息,近年来在固化土孔隙特征研究中广泛应用。陶高梁等17通过 NMR 技术发现水泥水化作用优先填充大孔和中孔,使水泥土渗透系数随水泥掺量增加而减小。WANG 等18采用 NMR 技术研究水泥固化疏浚淤泥的土-水组成和孔隙分布特征,发现固化淤泥渗透系数随养护龄期和水泥掺量的增大而减小,其原因在于水化产物的胶结作用和填充作用导致大孔隙向小孔隙转化,平均孔径随养护龄期和水泥掺量的增加而减小。以上研究可为进一步探讨固化淤泥渗透性与微观结构的关系提供参考。为改善固化淤泥在 MgSO4侵蚀环境中的抗渗性,本文以纳米硅粉改良碱渣-矿渣固化海相淤泥为研究对象,开展变水头渗透试验和核磁共振试验,研究MgSO4侵蚀环境下固化淤泥的渗透性能和孔隙特征,探讨不同浸泡时间和硅粉掺量条件下固化淤泥渗透系数的变化规律及其与微观孔隙参数之间的关系,以期为提升固化淤泥