0.   引言

水泥搅拌法（DCM）常用于软土地基加固，水泥浆液和土体间的搅拌和易性、均匀性是该工法施工控制的关键^[1]。当搅拌施工穿越黏土质地层，如土质的塑性指数大于25，含水率小于50%时，黏土容易黏附在搅拌叶片和转杆上并团聚包裹，出现“糊钻”现象（图 1），使得搅拌、切削黏土能力显著下降，浆液难以均匀分散，极大影响搅拌施工效率和固化体工程性质。针对这一问题，改善搅拌工艺（如喷浆、提升及下沉速度等）、装备设计（如叶片形状、间距和夹角等），以及提高固化剂浆液水灰比等是较为常见的处理方法^[2-3]。在既有的搅拌设备和施工工艺下，提高水灰比也将增大固化土的孔隙比，降低其胶凝和密实程度，对强度等工程性能产生不利影响^[4]，施工效果难以达到预期目标。因此，在面临高液限黏土质地层时，急需找到一种材料，不仅可以提高搅拌施工的和易性，解决因“糊钻”现象导致的搅拌均匀性问题，还能提升固化土强度等性能。

图  1  水泥土搅拌桩法施工中的“糊钻”现象

Figure  1.  Clay adhesion to mixing blade during deep mixing

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目前固化搅拌施工的和易性（mixing workability）已受到关注，Szymkiewicz等^[5]将搅拌和易性定义为，水泥基材料处于尚未凝固状态下，与黏土混合的容易程度与均匀性。Salvatore等^[6]、Terashi等^[7]进行案例调查时发现黏性土在固化剂掺入后，强度反而较无黏性土固化更差。Nozu等^[8]认为固化性能不佳来源于未混合的块状土壤和搅拌叶片的堵塞效应，Spagnoli等^[9]指出该效应与黏土塑性（小片状颗粒，化学活性，对水的吸附等）有关。Larsson^[10]认为，黏土的黏性和化学活性抑制了搅拌时土壤结构的重塑，导致其难与水泥混合以达到足够均匀性。Chan^[11]发现含水率和水泥掺量控制了黏土与水泥混合物的稠度，决定了搅拌和易性和均匀性。

经过前期大量筛查和尝试，发现桐油对固化土搅拌和易性和强度均有较好的提升效果。桐油是干性天然植物油，具有优异的疏水和润滑性，广泛应用于中国古代城墙、宫殿等建筑的建造，以及古代船舶等木质结构的防潮防腐^[12]。桐油的主要成分是桐油酸三甘油酯，即十八碳共辄-9，11，13-酸三甘油酯，碳链上存在多个不饱和的共轭双键，聚合反应活性高、干燥成膜性好^[13]。在土木建筑领域，现有研究集中于桐油、石灰、糯米汁等材料协同改性稳定土的效果和机理。Lin等^[14]研究了桐油改性压实土，发现在新鲜桐油加入初期，土颗粒表面形成的桐油膜涂层能有效减小团粒间摩擦力，使得土体更易被压实；掺入7 d后，油膜硬化可提升黏土材料的强度和疏水性。Fang等^[15]通过X射线衍射（XRD）和红外光谱分析（FT-IR）试验，对加入桐油后石灰砂浆中物质成分进行分析，发现新鲜桐油与空气接触后，不饱和脂肪酸氧化、裂解并相互交联形成了高分子聚合物。此外，Ca(OH)₂中的Ca²⁺与桐油中―COO^-反应生成的羧酸钙盐具有致密结构，能提高石灰砂浆的力学性能。Tang等^[16]研究了桐油与糯米汁复合改良黏土的强度和透水性，发现桐油和糯米汁的协同作用可形成双膜结构，显著降低土体渗透性并提高抗剪强度。

目前关于水泥固化土强度形成中桐油作用机制较少，尤其在解决黏土地层搅拌和易性方面还鲜有报道。为此，本文研究了桐油对水泥固化土的基本性质、黏附性和强度影响的宏观规律，并采用微观试验，探讨桐油-水泥-黏土相互作用机制，为水泥搅拌法工艺提升的理论和实践提供参考。

1.   试验材料、方案和方法

1.1   试验材料

试验用土取自江苏省南京市河西新城某基坑，采用《公路土工试验规程：JTG 3430—2020》获得的土体液塑限和级配，基本物理力学指标如表 1所示。试验所用水泥为海螺牌的P.O.42.5水泥，试验用水为蒸馏水。因为熟桐油所含水分较生桐油少，为此试验采用皇氏工匠江苏科技公司生产的100%天然熟桐油。

表  1  土体基本参数

Table  1.  Physical parameters of soils

液限 ${w_{\text{L}}}$/%	塑限 ${w_{\text{P}}}$/%	天然含水率 $w$/%	细砂含量/% (75~425 μ$ {\rm{m}} $)	粉粒含量/ % (2~75 μ$ {\rm{m}} $)	黏粒含量/ % (< 2 μ$ {\rm{m}} $)
43.3	25.5	45.4	1.9	70.1	28.0

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1.2   试验方案及方法

（1）液塑限试验

首先将蒸馏水加入风干土样后焖养24 h，随后按照比例加入桐油，以查明桐油对黏土的疏水改性作用。桐油掺量设置为0%，5.0%，10.0%，15.0%，20.0%，充分搅拌均匀后，采用LD-100D型液塑限联合测定仪测定改性黏土液限（${w_{\text{L}}}$）和塑限（${w_{\text{P}}}$）。

（2）黏附性试验

搅拌和易性问题由黏土黏附引起，为了模拟工程搅拌实施时黏土在钻头上黏附团聚现象，参照Zumsteg等^[17]、Ball等^[18]提出的用于实验室量化黏土混合物拌合过程中土壤糊状物黏附行为的方法开展黏附性试验，根据式（1）定义水泥固化黏土搅拌时的经验黏附比（$\lambda $），用以表征搅拌和易性，经验黏附比越大，则搅拌和易性越差。在45.4%的初始含水率下，对比增大总含水率（即提高水灰比）和掺入桐油对固化土黏附性的影响。其中增大总含水率时，水掺量（即水与干土的质量之比）设置为0%，5.0%，10.0%，15.0%；桐油掺量（即桐油与干土的质量之比）设置为0%，1.5%，3.0%，4.5%。水泥掺量（即水泥与干土的质量之比）固定为12%。将所有物料称量完毕后，放入搅拌锅中，采用带搅拌桨的SM-1511BM型行星式搅拌机，在60 rpm转速下，搅拌20 min，在该搅拌转速和时间范围内，当黏土混合物在搅拌桨上的黏附质量足以趋于稳定时，重复称测3次并取平均值，按下式计算经验黏附比

式中：$ \lambda $为经验黏附比；$ {G_{{\text{MT}}}} $为黏附在搅拌桨上的混合物质量（g）；$ {G_{{\text{TOT}}}} $为搅拌锅中混合物的总质量（g）。

根据黏附性试验结果，确定在同一初始含水率和水泥掺量时，固化土达到同等经验黏附比需要掺入水和桐油的质量比值，即水油等效比。

（3）无侧限抗压强度试验

在研究提升搅拌和易性时，仍需关注两种方式对强度的影响。参照《公路土工试验规程：JTG 3430—2020》测试水泥固化土的无侧限抗压强度，试验配比方案见表 2。试验组1至试验组5水泥掺量设置为8%，总含水率设置为50.0%，分别加入0%，2.0%，4.0%，6.0%，8.0%的桐油，以评价桐油掺量对固化土无侧限抗压强度的影响。同时根据水油等效比参数，计算达到同等经验黏附比时，所需要掺入水的量，采用Liu等^[19]基于固化土传统水灰比指标提出的可反映水泥、水和黏土相互作用关系的固化黏土的强度预测式（式（2）），对掺入水的固化土强度进行预测和对比。

表  2  试验配比方案

Table  2.  Test schemes

试验组别	水泥掺量/%	桐油掺量/%	总含水率/%	总水灰比
1	8	0	50.0	6.25
2	8	2.0	50.0	6.25
3	8	4.0	50.0	6.25
4	8	6.0	50.0	6.25
5	8	8.0	50.0	6.25
6	12	0	75.0	6.25

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式中：$ {\text{UCS}} $为无侧限抗压强度（MPa）；$K$为固化土无侧限抗压强度与水灰比指标的斜率，通常取决于水化产物与黏土矿物的反应过程；$ {m_{\text{c}}} $为掺入水泥的质量分数；$ {m_{\text{w}}} $掺入水的质量分数；$ {m_{\text{f}}} $为黏粒含量分数；l为经验参数。

在工程实践中，水泥掺量一般与土体含水率相对应，以总水灰比进行掺量调整^[19]。设置试验组6，综合试验组1结果，对比总水灰比不变时（提高总含水率以降低黏附性）固化土强度变化特征。

制样时，称量相应质量的风干土、水泥，然后加入蒸馏水，再加入相应质量的桐油。采用带搅拌桨的SM-1511BM型行星式搅拌机，在60 rpm转速下，搅拌20 min。将搅拌均匀的混合物分3层装入内壁涂有凡士林的亚克力模具中，振捣密实。试样直径为5 cm，高度10 cm，每组设置3个平行样。

将制备完成的试样放在密封袋中，进行温度20±2℃、湿度95%±2%的标准养护，养护1~3 d后脱模，并持续养护至第7，14，28 d。采用应变控制式无侧限抗压强度仪进行抗压试验，轴向应变速率为1%/min。分析时先取3个平行样平均强度，若与均值的误差超过10%时，取其余2个试样的平均值作为该组试样的特征强度（${q_{\text{u}}}$）。

（4）微观试验

无侧限抗压强度试验结束后，取试验组1和试验组3中，水泥掺量为8%，桐油掺量分别为0%，4.0%的试样，从远离破坏面处取1 cm³的正方体试样。将样品冷冻干燥后喷镀金膜，开展电子显微镜扫描（SEM）和压汞试验（MIP）。部分样品冷冻干燥后，将1~2 mg样品与200 mg纯KBr研细均匀，在油压机上压成透明薄片，进行傅里叶变换红外光谱分析（FT-IR）。

2.   试验结果分析

2.1   桐油改性黏土液塑限

改性土的界限含水率和桐油掺量的关系（图 2）表明改性土液限随桐油掺量的增加而降低。在较低桐油掺量范围内（0~10.0%），液限降低较小，在较高桐油掺量范围内（10.0%~20.0%），液限降低显著，呈指数函数关系。与未掺桐油的黏土相比，10.0%桐油掺量时液限降低了1.7%，20.0%桐油掺量时液限降低了5.7%。桐油掺入对黏土塑限影响更明显，与未掺桐油黏土相比，10.0%桐油掺量时塑限降低了6.1%，20.0%桐油掺量时塑限降低了12.9%。

图  2  改性黏土界限含水率与桐油掺量的关系

Figure  2.  Atterberg limit vs content of tung oil

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液塑限变化与桐油对黏土疏水改性作用相关。桐油加入后，使黏土表面具备一定疏水性^[20-21]，导致表面结合水膜变薄，部分结合水向自由水转化^[22-23]。

2.2   桐油对搅拌黏附性改善

图 3是不同桐油掺量下搅拌黏附的图片。在0~4.5%的掺量范围内，随着桐油掺量的增大，固化土在搅拌时在搅拌桨上的黏附量显著减少。当桐油掺量0%时，固化土几乎完全黏附包裹了搅拌桨，不利于搅拌锅中剩余土体均匀混合；而当桐油掺量为4.5%时，搅拌桨上已几乎没有黏附。

图  3  不同桐油掺量下固化土的搅拌时的黏附情况

Figure  3.  Adhesion during agitation

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图 4是经验黏附比与桐油或水掺量的关系，线性拟合关系见式（3）。对同一天然含水率和水泥掺量的黏土而言，每1%桐油掺入约与每4.1%水的掺入具有同等降低黏附性的效果，即水油等效比为4.1。

图  4  固化土的经验黏附比与桐油（水）的掺量的关系

Figure  4.  Empirical viscosity ratio vs content of tung oil (water)

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式中：$\lambda $为经验黏附比；$ k $为和易性敏感系数；$ \alpha $为桐油（或水）的掺量；$ {\lambda _0} $为初始经验黏附比。

界限含水率测试结果表明，桐油掺入使黏土液塑限降低，结合水膜变薄，固化中的自由水含量增加。但在4.5%桐油掺量下，固化土在搅拌桨上几乎已无黏附，黏土液限和塑限仅分别降低了约0.6%，3.0%，表明黏土液塑限变化对黏附性改变的贡献有限。换而言之，桐油附着膜的形成在搅拌中还存在润滑作用，减小了土体团粒间、团粒与搅拌桨物质界面的摩擦，进而降低了黏附性^{[14, 24-25]}。

2.3   无侧限抗压强度

图 5（a）是室内均匀搅拌后固化土无侧限抗压强度和桐油掺量的关系。在8%的水泥掺量下，随着桐油掺量的增大，固化土的各龄期强度呈先增大后减小的趋势，最优掺量为干土质量的4.0%左右。当水泥掺量为8%，总含水率为50.0%时，4.0%的桐油掺量使得固化土28 d强度相较于未掺桐油时提高了34%，达到0.37 MPa。当低于最优掺量时，固化土强度随桐油的掺量的增大而增加，强度的提升的原因主要包括桐油自身在空气中氧化交联的成膜作用^[16]，以及与水泥水化产生的氢氧化钙等物质反应形成的羧酸钙盐等大分子致密网络结构^[15]。当高于最优掺量时，固化土的强度随桐油掺量的增大而降低，这与土中结合水释放，及过量桐油包裹土体、水泥颗粒和氢氧化钙等物质，抑制水泥水化反应和火山灰反应有关^[15]。

图  5  固化土强度和桐油（水）掺量的关系

Figure  5.  UCS vs content of tung oil (water)

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为了模拟增大总含水率（以降低黏附性）对强度的影响，按式（2）计算达到与试验组1至5同样经验黏附比的水掺量时（水油等效比为4.1）固化土无侧限抗压强度（图 5（b）），随着水掺量增大，固化土无侧限抗压强度降低。但增大总含水率和水泥掺量，控制总水灰比为6.25不变，试验组6的28 d强度与试验组1接近，高于仅增大总含水率的工况，低于掺入桐油的工况。以上结果说明，当现场难以搅拌施工时，仅增大总含水率虽然可以提升搅拌和易性，但会降低强度。为实现固化土强度不变，需要增大水泥掺量，以控制总水灰比不变，但会导致材料成本大幅度增加。

2.4   固化过程桐油作用的微观分析

图 6为养护28 d后桐油掺量为0%，4.0%的水泥固化黏土的SEM扫描电子显微镜图，在桐油掺量为0%时（图 6（a）），在500 μm尺度下固化土表面更为粗糙，在5 μm尺度下可以看到水泥水化产物C―S―H、C―A―H形成的絮状胶凝结构，片状及板状的CH以及少量针棒状的AFt。而在桐油掺量为4.0%时（图 6（b）），在500 μm尺度下观察到的固化土的表面相对光滑平整，覆盖着一层桐油氧化形成的膜结构，在5 μm尺度下结构形态与未掺入桐油时差异明显，固化土颗粒间的联结更加紧密，多呈片状堆叠而非絮凝状结构，孔隙减少。

图  6  养护28 d后固化土的SEM扫描电子显微镜图

Figure  6.  SEM images after 28 days' curing

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图 7为养护28 d后桐油掺量为0%，4.0%的水泥固化黏土的孔径分布密度曲线，表明掺入桐油后固化土在300~3000 nm孔径范围内的孔隙明显减少，小于300 nm孔径范围的孔隙增加，平均孔径由151 nm降低为了104 nm。

图  7  养护28 d后固化土的孔径分布密度图

Figure  7.  Pore-size distribution after 28 days' curing

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图 8为28 d龄期水泥固化土的红外光谱图。在未掺入桐油固化土的红外光谱图中，在3623，1653，1417，999，777，693 cm^-1处存在明显的吸收峰。需要指出的是，3623 cm^-1处的吸收峰由固化土晶格中结构水和层间吸附水的―OH伸缩振动引起，1653 cm^-1处的微弱吸收峰为结合水H―O―H的弯曲振动，1417 cm^-1处的吸收峰与碳酸根不对称伸缩振动有关，999，777，693 cm^-1处的吸收峰与Si―O吸收带有关。加入桐油后，固化土的红外光谱图中，在2923，2852，1575，1537 cm^-1处出现了新的吸收峰，其中在2923，2852 cm^-1处的吸收峰由甲基、亚甲基中C―H的对称和反对称伸缩振动峰引起，1575，1537 cm^-1处的吸收峰由羧酸钙盐―COO^-的伸缩振动引起。以上吸收峰的变化说明，4.0%桐油掺量的固化土中含有桐油的不饱和脂肪酸以及反应生成的羧酸钙盐等^[26]。

图  8  养护28 d后固化土的红外光谱图

Figure  8.  FT-IR images after 28 days' curing

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2.5   桐油对固化土搅拌和易性与强度的提升机制

基于前述研究，桐油对固化土搅拌和易性和强度的提升机制总结如图 9所示。

图  9  桐油的固化作用示意图

Figure  9.  Stabilization mechanism of tung oil incorporation

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未加入桐油时，黏土颗粒结合水膜厚度大，黏土的液塑限高，黏土颗粒呈团粒状，搅拌过程中浆液难以均匀分散，对搅拌桨具有较强的黏附包裹。

加入桐油的搅拌混合阶段，液态桐油附着在黏土表面，提高了黏土矿物的疏水性，结合水膜变薄，自由水增多，颗粒间水膜联结作用减弱。同时，桐油润滑了黏土团粒及其与搅拌桨间的界面，摩擦力和黏附性减小，搅拌易于进行且和易性提高。

后期硬凝和火山灰反应过程中，包裹在黏土颗粒表面的桐油氧化成为固态或半固态膜，增强了黏土颗粒间胶结；水泥水化产生的Ca(OH)₂与桐油反应产生羧酸钙盐，与水泥水化产物C―S―H、C―A―H等协同固化，使得固化土孔隙结构细化，强度提升。但是，过高的桐油掺入，导致黏土和水泥颗粒被桐油包裹，阻碍了水泥水化反应和黏土矿物参与的火山灰反应；桐油疏水性引发自由水含量升高，增大了固化土的有效水灰比，导致了固化土强度的降低。

3.   结论

搅拌和易性与均匀性是搅拌施工的一个关注重点。本文针对桐油对水泥固化土搅拌和易性和固化强度的影响，开展了一列宏微观试验，主要得到以下3点结论。

（1）桐油的掺入有助于降低黏土的液塑限，减小固化土经验黏附比，减小土团对搅拌桨的黏附包裹，提升固化土搅拌和易性，其原因为桐油的疏水和润滑作用。

（2）室内均匀搅拌固化土的无侧限抗压强度随桐油掺量增加呈先增大后减小的趋势。桐油的最优掺量约为干土质量的4.0%左右，过高的桐油掺入会阻碍水泥水化和火山灰反应过程进行。

（3）桐油在固化土表面附着形成固态或半固态的氧化膜结构，以及脂肪酸与水化产物反应生成的羧酸钙盐，促进了土颗粒间联结紧密化，孔隙细微化，提高了抗压强度。

综合桐油掺入不仅显著提升了搅拌和易性和均匀性，还大幅度提高固化土抗压强度，表明在高塑限黏土地层进行搅拌施工时，桐油具有良好应用前景。