水泥摻入砂質土壤入滲性能影響的試驗研究

薛少欣，薛萬來

（1.河北工程大學水利水電學院,河北 邯鄲 056000；2.北京市水科學技術研究院,北京 100048）

水資源是經濟發展的基本要素，在生產生活中發揮著非常重要的作用。隨著人口增長、生態環境惡化，工農業用水技術落后，浪費嚴重，造成水資源日益短缺。我國的生態基流問題更加突出，生態用水嚴重的流域河流甚至出現斷流等現象，生態系統遭到破壞[1,2]。為保證河湖生態健康，維護河流生態系統，在水資源有限的條件下，必要時需要進行減滲措施。

目前，水泥土已在道路工程、管道工程、減滲工程、護坡工程等建筑工程中得到了廣泛的應用。與水泥土比較經濟、施工便捷、減滲性能，抗凍、抗壓性能良好有密切的關系。侯永峰等[3]通過室內試驗研究了水泥土的滲透性與水泥摻入比、時間及外摻材料間的關系，發現在滿足工程需要的前提下，10%左右的水泥摻比是最經濟的，且在水泥土中摻加外加劑，例如粉煤灰、石灰等，可有效減少水泥土的滲透系數；張雷等[4]對上海地區淤泥質黏土水泥土進行了室內滲透性能試驗，研究發現隨著水泥摻入量的增加，水泥土的滲透系數呈現減小趨勢，且滲透系數隨著齡期的增加而減小，但減小幅度逐漸下降；朱崇輝等[5]通過室內試驗研究了不同干密度、水泥摻量和齡期對水泥土滲透性能影響的大小，研究表明，干密度是影響水泥土滲透系數的最重要的原因，水泥摻量、齡期的改變也是因為改變了水泥土的干密度，從而改變了滲透系數。上述方法均通過在土壤中摻加水泥并養護至規定齡期、待其性能穩定后再進行試驗，但直接將水泥與土壤摻混，注水測定其滲透性能的研究相對較少。本文通過在室內進行一維垂直入滲試驗，模擬河道滲透過程，通過鋪設減滲層，以期達到減少滲透的效果。

1 材料與方法

為研究水泥和砂土在不同配比、不同容重情況下對砂質土壤減滲效果的影響，在室內進行一維垂直入滲試驗。

1.1 供試材料

試驗用土為砂土，取自永定河下游大興區閻家鋪村附近，分層進行顆粒組成分析，每層20 cm，共10層，見表1。粒徑在0.25 mm～0.5 mm的顆粒在99%以上，去除植物根系、石塊等大雜物，風干、磨細，過2 mm篩；水泥選用市售鉆石牌型號為P·O42.5的普通硅酸鹽水泥。

表1 砂土顆粒組成分析

1.2 試驗設備

試驗裝置為自制的室內滲流裝置，由試驗土柱和供水系統組成。供水系統為內徑5 cm的馬氏瓶，控制恒定水頭，自動供水，設置進水口和出水口，外壁貼有刻度線，用于記錄入滲水量。土柱為內徑10 cm，高50 cm的有機玻璃柱，設置進水口和出水口。試驗裝置見圖1。

圖1 室內滲流裝置示意圖（尺寸單位：cm）

1.3 試驗方法

室內進行一維土柱垂直入滲試驗，按照試驗確定的配合比將砂土和水泥混合均勻，按設計土壤密度分層裝土、壓實，每層5 cm，層間拋毛。土柱底部填筑5 cm的反濾層，土層高度為20 cm，3 cm的砂礫料充當保護層。側壁涂抹凡士林，防治水流沿側壁滲漏。試驗設置恒定水頭為40 cm，設置的不同水泥摻量為 8%、10%、20%、30%，不同的容重為 1.6 g/cm3、1.8 g/cm3，每組做3個平行對照。依據由密到疏的原則，記錄馬氏瓶液面下降刻度。當入滲達到相對穩定出水時，關掉馬氏瓶進水口閥門，結束試驗。

2 結果與分析

2.1 不同水泥摻量下對砂土滲透系數的影響

在相同容重為1.6 g/cm3，水頭為40 cm的前提條件下，設計了不同水泥配比，水泥土的摻量為10%、20%、30%，圖2是不同水泥配比情況下滲透系數隨時間變化趨勢圖。

圖2 滲透系數隨時間變化規律曲線圖

從圖2可以明顯看出：水泥土的滲透系數隨時間的延長逐漸減小，抗滲能力逐漸增強，表明水泥對砂質土壤確有減滲效果。水泥可達到減滲的效果主要是因為水泥本身水化物的膠結作用、離子的交換反應以及水泥水化時產生的Ca(OH)2與土中活性物質發生的硬凝反應[6]。

在入滲初始階段，特別是在40 h內，水泥摻量10%時，滲透系數從1.60×10-3cm/s降低到1.5×10-4cm/s，降低了90%；水泥摻量為20%時，滲透系數從8×10-4cm/s降低到2×10-5cm/s，降低了97%；水泥摻量為30%時，滲透系數從6×10-4cm/s降低到7×10-6cm/s，降低幅度達到98%以上。隨著水泥摻量的增多，滲透系數降低較快，即水泥對砂土的初始入滲率影響明顯。水泥水化初期，土中的大孔隙較多，隨著水化反應的進行，水化產物填充了土顆粒表面及顆粒之間的大孔隙，單位時間內通過土體截面的水量減少，使水泥土的滲透系數大幅度降低。水化反應產生的Ca(OH)2也可以Ca2+、OH-的形式存在，在試驗開始階段，土顆粒就開始吸收土樣中的CaO，Ca(OH)2難以滿足土樣對CaO的吸收量，致使水泥土中的孔隙水可能處于不飽和狀態[7]。

當水泥水化產生的水化產物已經基本將土柱中的大孔隙填滿時，隨著水泥水化反應的進行，土柱的滲透系數越來越低，且降低的速度逐漸趨于平緩。水泥水化反應產生的Ca(OH)2與土中的活性物質之間發生的硬凝反應，已經在砂土表面形成了一層密實的硬化層，致使水泥膠體與砂土顆粒之間更加緊密的固結[8]。當水泥摻量較少時，達到穩定入滲的時間較長，當水泥摻量達到20%和30%時，達到穩定入滲時間已看不出明顯差異。水泥摻量10%時，在80h基本達到穩定入滲；水泥摻量為20%、30%時，基本達到穩定入滲的時間分別為24 h、18 h。

采用冪函數F=k·t-n對滲透系數和時間進行擬合，擬合情況見表2。F為滲透系數（10-5cm/s），t為入滲時間，k、n為入滲參數。

表2 水泥不同摻量下滲透系數與時間關系擬合情況

從表2可以看出，采用冪函數進行擬合效果均較好，且隨著水泥摻量的增多，n值逐漸增大，表明土壤滲透系數隨時間遞減的越快。

2.2 不同水泥摻量下對砂土入滲能力的影響

土壤入滲能力可通過累積入滲量進行分析[9]。選取相同容重1.6 g/cm3，相同入滲水頭40 cm，分析不同水泥摻量下對砂土入滲能力的影響，圖3為不同水泥配比情況下累積入滲量隨時間的變化趨勢線。

圖3 累積入滲量隨時間變化規律曲線圖

在各處理中，隨著時間的增加，累積入滲量逐漸增大，在入滲初期增長較快，隨著入滲時間的增長，累積入滲量的增長幅度逐漸變緩。試驗開始階段10 h時，各處理的累積入滲量分別為3200 mL、1140 mL、686 mL；入滲基本達到穩定63 h時，各處理的累積入滲量分別為9119 mL、2060 mL、981 mL，與10 h時相比，累積入滲量分別增大了2.8倍、1.8倍、1.4倍?？梢?，水泥摻量的增加，可明顯降低水泥土的累積入滲量。

采用考斯加可夫（Kostiakov）入滲公式I=γtα對累積入滲量和時間進行擬合，I為累積入滲量，α為入滲指數，γ為入滲系數，t為入滲時間。

表3 水泥不同摻量下累積入滲量與時間關系擬合情況

采用Kostiakov模型進行擬合，擬合結果均較好。γ為開始時段內的滲透量，呈減小趨勢；α為累積入滲量的衰減程度，隨著水泥摻量的增多，α逐漸減少，表明累積入滲量的衰減程度逐漸減小，滲透速度隨時間減小的程度也變小。

2.3 不同容重對土壤減滲效果的影響

入滲水頭為40 cm時，水泥摻量8%和10%時，在不同土壤容重(1.6 g/cm3、1.8 g/cm3)下土壤滲透系數隨入滲歷時的變化，見圖4、圖 5。

圖4 水泥摻量8%時滲透系數隨時間變化曲線圖

圖5 水泥摻量10%時滲透系數隨時間變化曲線圖

入滲初期20 h，水泥摻量為8%，容重為1.6 g/cm3、1.8 g/cm3兩個處理的土壤滲透系數分別為4.2×10-4cm/s、1×10-4cm/s，容重為1.8 g/cm3水泥土比容重為1.6 g/cm3的水泥土入滲系數降低了76%；水泥摻量為10%，容重為1.6 g/cm3、1.8 g/cm3兩個處理的土壤滲透系數分別為3.2×10-4cm/s、5.4×10-5cm/s，容重為1.8 g/cm3水泥土比容重為1.6 g/cm3的水泥土入滲系數降低了83%。水泥摻量8%條件下入滲達到基本穩定狀態為50 h時，容重為1.6 g/cm3、1.8 g/cm3的滲透系數分別為1.6×10-4cm/s、4.9×10-5cm/s,滲透系數降低了69%。水泥摻量為10%條件下入滲達到基本穩定狀態為40 h時，容重為 1.6 g/cm3、1.8 g/cm3的滲透系數分別為 1.5×10-4cm/s、4.3×10-5cm/s,滲透系數降低了71%。明顯看出，土壤容重對水泥土的滲透影響性較大，隨著容重的增加，水泥土中的孔隙度隨之減少，導水率逐漸減小，使得水泥土的滲透系數也減小。

3 結論

（1）滲透系數隨水泥添加量的增多而減小，最后趨于穩定；滲透系數與入滲時間有較好的冪函數關系，入滲參數n逐漸增大。

（2）隨水泥添加量的增多，累積入滲量增長趨勢變緩；累積入滲量與入滲時間呈顯著的冪函數關系，開始時段內的滲透量γ、衰減程度α都逐漸減小。

（3）容重對砂土的滲透系數影響很大，水泥摻量相同時，隨著容重的增加，改變了水泥土中的孔隙度，使滲透系數減小。