江朝華，邵中洋，宋云濤，陶桂蘭，馬 杰

水工黏土基膠凝材料力學(xué)性能試驗

江朝華1，邵中洋1，宋云濤2，陶桂蘭1，馬 杰2

（1.河海大學(xué)港口海岸與近海工程學(xué)院，江蘇南京 210098；2.長江南京航道工程局，江蘇南京 210011）

為研制水工用黏土基膠凝材料，以航道護岸黏性棄土為主要原料，以試件抗壓強度、劈裂抗拉強度及水穩(wěn)定性作為控制指標(biāo)，進行了水泥、石膏、礦粉等無機結(jié)合料摻量對黏土基膠凝材料力學(xué)性能影響的試驗研究，并采用掃描電子顯微鏡分析試件的微觀結(jié)構(gòu)。結(jié)果表明：在黏性棄土、水泥、礦粉、石膏及石灰摻量分別為65%、18%、10%、2%和5%時，可獲得28 d抗壓強度達25.6MPa、浸水強度達24.1MPa、劈裂抗拉強度達2.5MPa的黏土基膠凝材料；在不同的水化齡期，黏土基膠凝材料均生成了C-S-H凝膠等水泥基膠凝物質(zhì)，這些產(chǎn)物相互交織、緊密結(jié)合，有效提高了材料的力學(xué)性能；該黏土基膠凝材料強度高、水穩(wěn)定性好，可滿足水運工程應(yīng)用要求。

水運工程；航道工程；黏性棄土；固化；膠凝材料；力學(xué)性能

土壤固化是指通過某種措施將散碎狀的土壤固結(jié)為具有一定強度的整體性固體物質(zhì)，經(jīng)固化處理的土稱為固化土［1］。自20世紀(jì)40年代以來，土壤固化技術(shù)已經(jīng)發(fā)展成為一門交叉性的綜合學(xué)科［2］。長期以來人們一直嘗試使用水泥、石灰、石膏及粉煤灰等兩種或三種無機結(jié)合料的混合物來固化土壤，并在該領(lǐng)域積累了一定的經(jīng)驗［3-6］。Shirazi［7］采用石灰和粉煤灰作為固化劑固化土壤，解決了由于干縮所引起的水泥土的開裂問題；Sivapullaiah等［8］在水泥土中摻入硅粉，結(jié)果表明較之于只摻加粉煤灰，加入硅粉可以顯著提高固化土的無側(cè)限抗壓強度；張明［9］在水泥土中摻加粉煤灰，結(jié)果表面摻加了粉煤灰的固化土試件強度增大，尤其是后期強度明顯增強。此外，許多無機和有機材料復(fù)合的土壤固化劑也不斷出現(xiàn)，如季節(jié)等［10］研制了一種主要包括Al2O3、SiO2、Fe2O3等化合物的水硬性膠結(jié)材料固化劑，用該固化劑加固的土在強度、耐久性等路用性能方面有明顯的提高；韓鳳娟等［11］采用SSS型粉狀固化劑進行固化土的研究，結(jié)果表明該固化劑可以顯著提高穩(wěn)定土的早期強度，試件7 d浸水抗壓強度為3.0～4.0MPa，水穩(wěn)定性系數(shù)和凍融穩(wěn)定系數(shù)均大于0.8；沈如等［12］進行了丙烯酸鈣加固軟土的研究，結(jié)果表明丙烯酸鈣是比較理想的高分子軟土加固材料，在水泥土中加入丙烯酸鈣后可以明顯提高固化土的固結(jié)性、強度和水穩(wěn)定等性能。目前土壤固化技術(shù)主要應(yīng)用于地基基礎(chǔ)和公路路基等工程，普遍對強度要求較低。對采用土壤通過固化技術(shù)制備膠凝材料，以及將該類材料應(yīng)用于航道、水利工程中的研究極少。

采用航道工程棄土資源制備新型膠凝材料就地使用，如替代普通混凝土材料制作護面磚或軟體排的壓載塊等，在避免棄土轉(zhuǎn)運的同時可以減少土地占用，降低工程造價，解決固體廢物的二次污染問題，緩解航道整治工程對環(huán)境的影響［13-15］，但用于航道工程的土壤固化材料要求具有一定的抗壓、抗拉強度及良好的水穩(wěn)定性。本文以航道整治工程中的黏性棄土為主要原料制備黏土基膠凝材料，以試件28 d抗壓強度、劈裂抗拉強度和浸水強度為控制指標(biāo)，進行水泥、石膏、礦粉和石灰摻量對黏土基膠凝材料性能影響的試驗研究，以確定其最佳配比。

1 試驗原材料及方法

1.1 試驗原材料

試驗土樣取自湖北荊江河段典型岸坡，取土深度在地表下1～2m。試驗土樣的含水率為25.2%，pH值為7.6，呈偏堿性，其顆粒組成見圖1，化學(xué)成分見表1，礦物相組成見表2。

圖1 試驗土顆粒組成

表1 試驗土化學(xué)成分質(zhì)量分?jǐn)?shù)%

表2 試驗土礦物相組成質(zhì)量分?jǐn)?shù)%

由圖1、表1和表2可知，黏性棄土顆粒粒徑主要集中于0.002～0.05mm，粒徑分布范圍窄、級配不良；黏性棄土中SiO2、Al2O3含量較高，其次依次為CaO、Fe2O3、MgO、K2O和Na2O；黏性土中主要礦物為水云母、石英、長石及綠泥石等。

試驗所用水泥為南京海螺水泥有限公司生產(chǎn)的42.5普通硅酸鹽水泥；礦粉為南京梅寶新型建材有限公司生產(chǎn)的S95級礦粉；石灰及石膏為市售化學(xué)純試劑。

1.2 試驗方法

自然風(fēng)干的黏性棄土經(jīng)自制碾輥碾壓后過1.18mm篩，按照設(shè)計的配合比摻加一定量的水泥、石膏、石灰及礦粉，添加適量水后攪拌均勻，以400N/s的加壓速率在20 MPa下壓制成型，試件尺寸100mm×100mm×100mm。成型后的試件按標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護至規(guī)定齡期后進行其抗壓強度、劈裂抗拉強度和浸水強度等物理力學(xué)性能檢測。

依據(jù)DL/T 5150—2006《水工混凝土試驗規(guī)程》在SHT4305型微機控制電液伺服萬能試驗機上進行立方體試件抗壓強度、劈裂抗拉強度及密度測試，參照GB/T 4111—2014《混凝土小型空心砌塊試驗方法》進行試件的水穩(wěn)定性、干縮率、吸水率等檢測。其中試件水穩(wěn)定性以其浸水強度表征，將養(yǎng)護至規(guī)定齡期的試件浸入室溫15～25℃水中，水面高出試件20mm，浸泡4 d后取出，檢測浸水后的試件抗壓強度作為其浸水強度。從斷裂樣品表面截取新鮮斷面，經(jīng)噴金處理后在日本JMS-5600LV型掃描電鏡下觀察樣品的微觀結(jié)構(gòu)。

2 試驗結(jié)果及分析

2.1 最佳配合比確定

2.1.1 水泥摻量的影響

水泥作為黏結(jié)劑，能夠與土中的水發(fā)生水化反應(yīng)生成C-S-H凝膠和Ca（OH）2等水化產(chǎn)物，形成水泥石骨架，還可以與具有一定活性的黏土顆粒發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，生成硅酸鈣和鋁酸鈣等不溶性礦物。因此水泥摻量對黏土基膠凝材料性能有直接的影響。在固定礦粉摻量為12%、成型壓力為20MPa的條件下，選取水泥摻量分別為0%、5%、10%、15%、18%、21%和25%，水固比（水占固體干料總質(zhì)量的百分?jǐn)?shù)）為15.5%，標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護28 d，測得水泥摻量與黏土基膠凝材料性能的關(guān)系見圖2。

由圖2可知，隨著水泥摻量不斷增加，試件28 d抗壓強度、劈裂抗拉強度及浸水強度增大。當(dāng)水泥用量為18%時，試件抗壓強度、劈裂抗拉強度和浸水強度分別為21.45MPa、2.23MPa和20.1MPa，基本達到了配制要求，當(dāng)水泥摻量為25%時，相對于18%的摻量，試件抗壓強度、劈裂抗拉強度和浸水強度分別提高了10.1%、8.1%和7.2%。這是由于水泥作為水硬性膠凝材料，不僅將黏性土結(jié)成堅實的整體，還能與水發(fā)生水化反應(yīng)，并在反應(yīng)過程中逐漸生成水化硅酸鈣、水化鐵酸鈣凝膠以及氫氧化鈣、水化鋁酸鈣和水化硫鋁酸鈣晶體。隨著水泥用量的增加，固體顆粒之間的膠結(jié)性能更為牢固，水化作用繼續(xù)增強，水化產(chǎn)物則不斷增加，固體顆粒之間的毛細(xì)孔不斷被填實，從而使黏性土固化材料的性能得到不斷提高。但摻加過多的水泥會導(dǎo)致其脆性增大，容易開裂，因此本試驗中選取18%為水泥適宜摻量。

圖2 水泥摻量對黏土基膠凝材料28 d力學(xué)性能的影響

2.1.2 礦粉摻量的影響

在固定水泥摻量為18%、成型壓力為20MPa的條件下，礦粉摻量分別為0%、5%、10%、15%和20%時，標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護28 d，測得礦粉摻量與試件28 d力學(xué)性能的關(guān)系見圖3。

圖3 礦粉摻量對黏土基膠凝材料28 d力學(xué)性能的影響

由圖3可知，礦粉的加入對黏性土膠凝材料28 d力學(xué)性能有明顯的改善作用。隨著礦粉摻量的增加，試件力學(xué)強度持續(xù)增大，當(dāng)?shù)V粉摻量為20%時，與沒有摻礦粉試件相比，其28 d抗壓強度、劈裂抗拉強度和浸水強度分別增大了72.1%、63.5%和82.3%。這是由于礦粉使試件具有更好的黏聚性和可塑性。此外礦粉具有良好的活性，其火山灰效應(yīng)使試件的強度增大。礦粉組成中活性CaO、SiO2、Al2O3與水泥漿體中的Ca（OH）2作用生成堿度較小的二次水化硅酸鈣、水化鋁酸鈣。這些生成物對試件強度的提升起到了很大的作用。根據(jù)強度要求，本試驗中礦粉的適宜摻量為10%。

2.1.3 石膏摻量的影響

石膏組成主要為單一的硫酸鈣。石膏可以與水泥水化后生成的水化硫鋁酸鈣反應(yīng)生成鈣礬石，起一定的膨脹作用，提高強度。在固定水泥摻量為18%、礦粉摻量為10%、水固比為15.5%、成型壓力為20MPa的條件下，改變石膏與黏性土的配比，選取石膏摻量分別為0%、1%、2%、3%、4%和6%，標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護28 d后檢測試件的抗壓強度、劈裂抗拉強度和浸水強度結(jié)果見圖4。

圖4 石膏摻量對黏土基膠凝材料28 d力學(xué)性能的影響

由圖4可知，隨著石膏摻量的增加，試件的抗壓強度、劈裂抗拉強度和浸水強度均有一定程度的增加，當(dāng)石膏摻量為2%時，試件的強度達到最大，28 d抗壓強度、劈裂抗拉強度和浸水強度分別為23.7 MPa、2.25MPa和22.4MPa。這是由于石膏的加入可以加速水泥與SiO2、A12O3的化學(xué)作用，促進水化硅酸鈣、鋁酸鈣的形成，迅速形成大量的硫鋁酸鈣，很快結(jié)晶形成晶核，加速膠凝物質(zhì)的結(jié)晶過程，有利于材料強度的提高。但隨著石膏摻量的繼續(xù)增加，試件力學(xué)強度呈下降趨勢，石膏摻量超過4%時，試件強度快速下降，當(dāng)石膏摻量為6%時，與沒有摻石膏相比，試件的抗壓強度、劈裂抗拉強度和浸水強度分別下降了19.1%、25.2%和29.2%，這是由于石膏易于與水化硫鋁酸鈣反應(yīng)生成膨脹性晶體鈣礬石，當(dāng)石膏摻量過多時，則生成大量的鈣礬石等膨脹性產(chǎn)物，最終過大的膨脹應(yīng)力導(dǎo)致試件開裂破壞，嚴(yán)重降低試件強度尤其是浸水強度。因此，適宜的石膏摻量可以有效改善黏土基膠凝材料力學(xué)性能，本試驗中石膏的適宜摻量為2%。

2.1.4 石灰摻量的影響

在以上試驗基礎(chǔ)上，固定水泥摻量為18%、石膏摻量為2%、礦粉摻量為10%、水固比為15.5%、成型壓力為20MPa的條件下，改變石灰與黏性土的配比，選取石灰摻量分別為0%、3%、5%、7%和9%，標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護28 d，石灰摻量與壓制試件28 d力學(xué)性能的關(guān)系見圖5。

由圖5可知，加入石灰對改善黏土基膠凝材料的28 d力學(xué)性能有一定的作用，這是由于石灰遇到水后能夠釋放大量的熱量，所釋放的熱量將加速石灰與土之間各種反應(yīng)的進行，在生成膠狀Ca（OH）2的同時還可以與土中少量的活性硅、鋁反應(yīng)生成早強型礦物碳鋁酸鈣，從而提高試樣強度。但隨著石灰摻量的增大，試件強度及浸水性能呈下降趨勢。一方面石灰的水化活性有限，pH值大于12時，Ca（OH）2存在的形式是［Ca（OH）2］+，為非強電解質(zhì)，從而阻礙了體系中Ca（OH）2的離解，減小了Ca2+濃度，不利于石灰發(fā)揮凝聚作用和火山灰作用［16］，另外石灰摻量過多，其消化的用水量過多，導(dǎo)致試件含水量減少，易產(chǎn)生收縮開裂，從而降低試件強度尤其是浸水強度［17］。從圖5可知，當(dāng)石灰摻量為5%時，與不加石灰的試樣相比，試件28 d浸水強度提高11.0%，達24.2 MPa，劈裂抗拉強度達2.4MPa，達到了水工材料應(yīng)用的要求。因此本試驗中石灰的適宜摻量為5%。

綜合以上結(jié)果，可以得到滿足要求的黏土基膠凝材料最佳配合比為黏性棄土65%、水泥18%、礦粉10%、石膏2%、石灰5%。

圖5 石灰摻量對黏土基膠凝材料28 d力學(xué)性能的影響

2.2 物理力學(xué)性能

按照得到的最佳配合比制備黏土基膠凝材料試樣，分別檢測其7 d、28 d和90 d的抗壓強度、劈裂抗拉強度、浸水強度、干縮率、吸水率和表觀密度，試驗結(jié)果見表3。

表3 黏土基膠凝材料物理力學(xué)性能

從表3可以看出，黏土基膠凝材料力學(xué)性能隨著齡期的增大而明顯增強，試件的28 d抗壓強度、劈裂抗拉強度和浸水強度分別為25.6MPa、2.5MPa和24.1MPa。與28 d相比，試件的90 d抗壓強度、劈裂抗拉強度和浸水強度分別為提高了9.8%、8.0%和10.4%，說明該材料力學(xué)性能具有良好的長期穩(wěn)定性。試件的干縮率在7 d、28 d和90 d時分別為0.01%、0.008%和0.002%，干縮率小且隨齡期的增加顯著下降，說明該材料具有良好的長期體積穩(wěn)定性；試件吸水率隨著齡期增大顯著降低，90 d時為3.2%，可以預(yù)見該材料具有良好的抗凍性，長期耐久性優(yōu)良。

2.3 微觀結(jié)構(gòu)及作用機理分析

掃描電鏡（SEM）是分析水泥基材料微觀結(jié)構(gòu)的有效方法。圖6為最佳配合比下黏土基膠凝材料7 d和28 d的SEM分析圖。從圖6（a）（b）可以看出水化早期，存在大量的絮狀的C-S-H凝膠和發(fā)育不良的板塊狀Ca（OH）2，說明基體內(nèi)部形成了水泥基膠凝物質(zhì)，這些產(chǎn)物顯著提高了材料的力學(xué)性能。從圖6（c）（d）可以看出，水化后期基體中有大量的絮狀C-S-H凝膠和棒狀鈣礬石，它們之間相互交織、填充、緊密結(jié)合使結(jié)構(gòu)更致密。

圖6 黏土基膠凝材料7 d和28 d的SEM照片

綜上所述，黏性棄土、水泥、礦粉、石灰和石膏組成的膠凝材料相互作用機理如下：首先是CaO以及水泥中的主要礦物C3S、C2S及C3A與水發(fā)生反應(yīng)，生成水化硅酸鈣、水化硫鋁酸鈣以及氫氧化鈣等水化產(chǎn)物，其水化反應(yīng)如下：

在Ca（OH）2開始形成并達到一定濃度后，礦粉和黏性棄土中活性SiO2和Al2O3能與Ca（OH）2作用，生成水化硅酸鈣和鋁酸鈣凝膠：在石膏存在的條件下，水泥和礦粉水化生成的鋁酸鈣繼續(xù)與漿體中的SO42-反應(yīng)，生成三硫型水化硫鋁酸鈣（Aft又稱為鈣礬石）：

棒狀鈣礬石交織填充在絮狀和板狀晶體孔隙中，形成密實的三維空間網(wǎng)絡(luò)，使水泥石結(jié)構(gòu)更致密，從而提高水泥水化程度。此外Ca2+還可通過土體交換作用提高漿體強度，Ca+離子與吸附在土粒周圍的陽離子發(fā)生離子交換使得Ca+約束在土粒表面，土顆粒的雙電層變薄，改變了土的帶電狀態(tài)，使得土顆粒迅速靠攏，小顆粒聚集成大顆粒并相互咬合，通過凝聚作用提高土體強度，促進黏土基膠凝材料強度的增長。

3 結(jié) 論

a.以航道護岸黏性棄土為主要原料，水泥、礦粉、石膏和石灰為結(jié)合料制作的黏土基膠凝材料具有較高的抗壓、劈裂抗拉強度及良好的水穩(wěn)定性能，可以替代普通混凝土應(yīng)用于水利和航道整治工程中。

b.在黏性棄土用量為65%，水泥、礦粉、石膏及石灰摻量分別為18%、10%、2%及5%時，黏土基膠凝材料28 d抗壓強度達25.6 MPa，浸水強度達24.1MPa，劈裂抗拉強度達2.5MPa，且干縮和吸水率小，長期強度穩(wěn)定增長，具有長期物理力學(xué)性能穩(wěn)定性，可以滿足水工應(yīng)用要求。

c.SEM微觀分析表明在不同的水化齡期，黏土基膠凝材料基體中可觀察到C-S-H凝膠、Ca（OH）2晶體和鈣礬石等產(chǎn)物，說明基體內(nèi)部形成了水泥基膠凝物質(zhì)，這些產(chǎn)物有效提高了材料的力學(xué)性能。隨著齡期的增加，基體中大量C-S-H凝膠和鈣礬石相互交織、填充，緊密結(jié)合使結(jié)構(gòu)更致密。

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Experimental study on mechanical properties of clay-based cementitiousmaterial used in hydraulic engineering

JIANG Chaohua1，SHAO Zhongyang1，SONG Yuntao2，TAO Guilan1，MA Jie2
（1.College of Harbour，Coastal and Offshore Engineering，Hohai University，Nanjing 210098，China；2.Nanjing Changjiang Waterway Engineering Bureau，Nanjing 210011，China）

In order to develop a clay-based cementitious material used in hydraulic engineering，the waste clay from a waterway revetmentwas used as a raw material.The influence of different contents of inorganic binder，such as cement，gypsum，and slag，on the mechanical properties of the clay-based cementitious material was studied by testing the compressive strength，splitting tensile strength，and water stability of specimens.A scanning electron microscope（SEM）was used to analyze themicrostructure of specimens.The results show thatwhen themixing proportions of the waste clay，cement，slag，gypsum，and lime are 65%，18%，10%，2%，and 5%，respectively，the compressive strength，immersion strength，and splitting tensile strength of the clay-based cementitious material at 28 d reach 25.6 MPa，24.1 MPa，and 2.5 MPa，respectively.SEM results show that cement-based cementitious materials，such as C-S-H，were observed at different hydration ages，and these products effectively improve the mechanical properties of the clay-based cementitious material.It is concluded that the clay-based cementitious material shows high strength and water stability，and it can be used in hydraulic engineering.

water transport engineering；waterway engineering；waste clay；solidification；cementitious material；mechanical properties

TU528

A

1006- 7647（2016）04- 0042- 05

10.3880/j.issn.1006- 7647.2016.04.008

2015- 07 07 編輯：鄭孝宇）

江朝華（1972—），女，副教授，博士，主要從事港工新材料與新技術(shù)研究。E-mail：chaohuajiang@hhu.edu.cn