薛慧君，申向東，鄒春霞，周海龍，樊浩倫

(內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學 水利與土木建筑工程學院，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010018)

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聚丙烯酰胺粉煤灰水泥紅黏土強度特性

薛慧君，申向東，鄒春霞，周海龍，樊浩倫

(內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學 水利與土木建筑工程學院，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010018)

利用內(nèi)蒙古陰山北麓的紅黏土，配制單摻聚丙烯酰胺和復摻聚丙烯酰胺及粉煤灰的水泥紅黏土，通過無側(cè)限抗壓強度和微觀試驗研究其強度特性。通過室內(nèi)試驗表明，不同配合比均會對水泥紅黏土的力學特性產(chǎn)生影響，伴隨著聚丙烯酰胺摻量的增加，其強度均呈現(xiàn)先增加后降低的趨勢。通過超景深三維顯微鏡、掃描電子顯微鏡和X射線衍射試驗，對聚丙烯酰胺粉煤灰水泥紅黏土的微觀孔隙分布、微觀形貌結(jié)構(gòu)以及固化機理進行分析，從微觀層面對其結(jié)構(gòu)的整體致密性、縫隙發(fā)育情況進行判定，得出聚丙烯酰胺粉煤灰水泥紅黏土固化機理主要是由水泥水化反應(yīng)、紅黏土與水化產(chǎn)物相互作用、PAM促進效應(yīng)和粉煤灰促進效應(yīng)4個方面形成。

道路工程；水泥紅黏土；微觀試驗；強度特性；孔隙分布；微觀結(jié)構(gòu)；固化機理

0 引言

我國幅員遼闊，紅黏土分布非常廣泛，地質(zhì)土壤研究素來有“南紅土，北黃土”的說法，過去多認為紅黏土主要分布于我國南方多個沿海省區(qū)，裸露面積超過20萬km2。隨著工程建設(shè)步伐進一步向內(nèi)地延伸，逐步發(fā)現(xiàn)我國北方地區(qū)同樣有大量范圍的紅黏土分布[1-2]。對于南方地區(qū)紅黏土的研究已有一定的歷史基礎(chǔ)，理論與實踐成果也相對豐富，然而針對我國北方紅黏土的研究起步相對較晚，對如何對其工程特性加以改良利用，深入細致的研究成果鮮有見到?？傮w來說，紅黏土一般具有較高含水率、高塑性、高孔隙比、高強度、低壓塑性等主要特征，其本質(zhì)屬于一種特殊性土體，尤其高孔隙率、高液限等特質(zhì)很大程度上不利于工程應(yīng)用，但如果正確對其加以改良，其高強度的工程特性仍能給工程帶來較好影響[2]。

我國北方紅黏土多埋藏于地下，部分地勢較高的侵蝕區(qū)存在紅黏土接受現(xiàn)代成土作用的現(xiàn)象，諸多研究者認為其大部分來源于西北荒漠及戈壁，含有大量的赤鐵礦及針鐵礦，并且北方紅黏土與黃土明顯的區(qū)別是含有豐富的鐵錳膠膜，具有較強的吸附性和膠結(jié)作用[3]。北方紅黏土在工程應(yīng)用中存在一定缺陷與不足，往往需要進行人為加固與改性方能滿足工程的正常需求。

本研究利用新型高分子有機聚合物聚丙烯酰胺、粉煤灰以及少量水泥制備聚丙烯酰胺粉煤灰水泥紅黏土，通過室內(nèi)試驗對其強度特性及微觀結(jié)構(gòu)特征進行探討。

1 試驗材料及方法

1.1 試驗材料

本次試驗用原材料為內(nèi)蒙古自治區(qū)呼和浩特市陰山北麓紅黏土，其主要物理參數(shù)指標如表1所示，利用S-3400N型SEM試驗儀對土樣進行微觀電鏡掃描，其微觀形貌及化學元素能譜成分分析見圖1；膠凝材料選取各項指標均合格的水泥和粉煤灰，水泥為內(nèi)蒙古呼和浩特市冀東水泥廠生產(chǎn)的P·O42.5普通硅酸鹽水泥，粉煤灰為內(nèi)蒙古呼和浩特市金橋熱電儲灰場貯存的II級F型粉煤灰，其主要物理性能指標如表2所示；外加劑選用可溶性高分子聚合物聚丙烯酰胺(簡稱PAM)，其主要技術(shù)指標如表3所示。

表1 紅黏土主要物理參數(shù)指標

表2 粉煤灰主要物理性能指標

表3 聚丙烯酰胺主要技術(shù)指標

圖1 紅黏土微觀結(jié)構(gòu)與能譜成分Fig.1 Microstructure and energy spectrum composition of red clay

通過查閱相關(guān)文獻，不同研究者針對不同區(qū)域的多種土質(zhì)類型進行了大量的試驗研究，各項試驗結(jié)果均表明粉煤灰摻量為水泥摻量的1～2倍時，水泥土強度能夠得到明顯提升[4-6]。結(jié)合相關(guān)研究，本試驗選取粉煤灰與水泥摻量比為1∶1，并對水泥紅黏土進行單摻PAM和復摻PAM及粉煤灰強度特性試驗研究。試驗分兩組：A組為單摻PAM水泥紅黏土，B組為復摻PAM及粉煤灰水泥紅黏土。水泥紅黏土摻量均為8%，粉煤灰摻量分別為0%和8%，PAM摻量分別為0‰，3‰，6‰和9‰，具體試驗配合比參數(shù)如表4所示。

1.2 試驗方法

參照《公路工程無機結(jié)合料穩(wěn)定材料試驗規(guī)程》(JTG E51—2009)相關(guān)標準，將從現(xiàn)場取回的土料進行自然風干、人工碾散并過2 mm方孔篩后至于方盤內(nèi)，加水進行拌料、悶料，由于在常溫潮濕土壤環(huán)境下粉煤灰與PAM能夠保持相對穩(wěn)定，故拌料、悶料過程中將二者與土料共同拌和，攪拌均勻后用密封袋將其密封24 h備用。試驗試件尺寸為φ50 mm×H50 mm圓柱體，試件采用靜力壓實成型方法，按照公路工程水泥穩(wěn)定材料密實度要求，采用壓實度為95%進行試件制備與成型，成型后將試件放于HWHS-40E型恒溫恒濕標準養(yǎng)護箱內(nèi)進行養(yǎng)護，溫度為(20±2)℃，相對濕度為95%，養(yǎng)護至預定齡期后進行相關(guān)試驗。無側(cè)限抗壓強度試驗采用濟南某集團生產(chǎn)的WDW-50型萬能試驗機，每組配合比在每個齡期內(nèi)設(shè)計3個平行試件，取抗壓強度的算術(shù)平均值作為該組試件的無側(cè)限抗壓強度值。

表4 水泥紅黏土試驗配合比參數(shù)

2 試驗結(jié)果與討論

2.1 強度特性影響因素分析

(1)單摻PAM水泥紅黏土

對于單摻PAM的A組水泥紅黏土試驗，各個齡期下PAM摻量與試樣強度之間的變化情況如圖2所示。

圖2 聚丙烯酰胺摻量對A組水泥紅黏土強度的影響Fig.2 Influence of polyacrylamide dosage on strength of cement red clay group A

從圖2中可以看出，各個齡期下隨著PAM摻量的增加，單摻PAM的各組水泥紅黏土強度均隨之變化。隨著PAM摻量的增加，各個齡期強度值先逐漸增加，當摻量達到6‰的A3組時，各個齡期強度值均出現(xiàn)極大值，其中T=28 d和T=60 d分別為2.83 MPa和3.55 MPa，分別為相同齡期普通水泥紅黏土的1.29倍和1.38倍，當摻量繼續(xù)增加達到9‰的A4組時，各個齡期強度值均產(chǎn)生下降，其強度值甚至與未摻PAM的A1組幾乎持平。這說明單摻PAM能夠?qū)λ嗉t黏土的強度產(chǎn)生影響，但其相對最優(yōu)摻量近似為6‰，當摻量不足或過量時，均會對水泥紅黏土強度產(chǎn)生較為不利的影響，甚至劣于普通水泥紅黏土。以上分析表明此相對最優(yōu)摻量不僅能夠提升其早期強度，同樣也能提高后期強度，且增強效果較為明顯。

(2)復摻PAM及粉煤灰水泥紅黏土

對于復摻PAM及粉煤灰的B組水泥紅黏土試驗，各個齡期下PAM摻量與試樣強度之間的變化情況如圖3所示。

圖3 聚丙烯酰胺摻量對B組水泥紅黏土強度的影響Fig.3 Influence of polyacrylamide dosage on strength of cement red clay group B

從圖3中可以明顯看出，不同齡期下隨著PAM摻量的變化，復摻PAM及粉煤灰水泥紅黏土強度值均隨之發(fā)生相應(yīng)的改變，在適量的PAM摻量下其強度值能夠在一定程度上提高。對于早期T=7 d和T=14 d時，隨著PAM摻量的增加，強度值發(fā)生非線性變化，當PAM摻量為3‰時的B2組，7 d和14 d強度出現(xiàn)極大值，分別可達到3.18 MPa和3.53 MPa，為同齡期普通水泥紅黏土的2.34倍和1.79倍，為粉煤灰水泥紅黏土的1.48倍和1.21倍；當PAM摻量由3‰增加到6‰和9‰時，復摻PAM及粉煤灰水泥紅黏土強度出現(xiàn)顯著性下降，雖然仍高于同齡期的普通水泥紅黏土，但是PAM摻量為9‰時B4組強度甚至一定程度上低于未摻PAM的B1組。對于中后期T=28 d和T=60 d時，隨著PAM摻量的增加，強度值仍舊發(fā)生非線性變化，但其強度極大值出現(xiàn)于PAM摻量為6‰的B3組，分別為4.23 MPa和5.35 MPa，為同齡期普通水泥紅黏土的1.94倍和2.08倍，為粉煤灰水泥紅黏土的1.24倍和1.26倍，當PAM摻量增加到9‰時，強度值同樣發(fā)生明顯下降。這說明復摻PAM及粉煤灰可以提高水泥紅黏土的強度，但同樣存在一個相對最優(yōu)摻量，對于早期齡期其最優(yōu)摻量為3‰，中后期其最優(yōu)摻量為6‰。

2.2 微觀孔隙分布分析

采用日本Keyence生產(chǎn)的VHX-5000超景深三維顯微鏡對水泥紅黏土進行孔隙分布和孔隙三維圖像觀測，能盡可能達到景深與亮度相平衡。圖4是A3組和B3組水泥紅黏土在7 d齡期下放大30倍的平面顯微圖像、三維顯微圖像以及二值化處理后的孔隙分布圖像。從圖4(a)、(e)可以看到在平面顯微圖像上，兩組試樣除了個別較大的孔隙可以看到之外，并無明顯在宏觀表象上的區(qū)別；從圖4(b)、(d)可以看到在三維顯微圖像上，兩組試樣在孔隙分布情況差別較大，A3組試樣中孔隙分布較為多，并且存在有較多的連通孔，孔徑深度較大，整體試樣相對密實性不好，而B3組試樣同樣有較多孔隙分布，但是其大部分為細小孔隙，孔徑深度較??；從圖4(c)、(f)可以看到通過對三維顯微圖像的二值化處理，可以更為直觀清晰地看到兩組試樣早期孔隙分布及孔隙率情況，灰色區(qū)域為孔隙，黑色區(qū)域為水泥紅黏土，A3組試樣存在有若干個面積較大的孔隙分布，大部分為連通孔，且均勻性較差，B3組大部分為細微的封閉孔，且整體相對較為均勻，通過試驗分析數(shù)據(jù)可以得到A3組孔隙率為45%，B3組為22%。

通過觀察水泥紅黏土早期孔隙分布能夠?qū)ζ浜笃趶姸茸龀龀醪脚袛?，由于早期水泥水化反?yīng)尚不充分，粉煤灰等物質(zhì)二次反應(yīng)尚未發(fā)生，此時存在有孔隙屬于正常范圍，隨著齡期的增大，水化產(chǎn)物逐步開始將孔隙填充、密實。但A3組孔隙較大，難以完全將孔隙全部填充，但隨著其齡期的增大孔隙率將逐步減少，減少程度較B3組較小。

2.3 微觀孔隙三維圖像分析

圖5為A3組和B3組水泥紅黏土7 d齡期的平面三維圖像和立體三維圖像。圖5(a)可以看出對于A3組早期試樣，相對平整區(qū)域和坑洞孔隙區(qū)域范圍各占總面積的一半左右；圖5(b)可以看出其表面凹凸起伏程度較大，有較多的開口坑洞、孔隙，、從另一個層面說明對于A3組試樣其早期密實性較差，造成其后期強度低于B3組；圖5(c)可以看出對于B3組早期試樣，相對平整區(qū)域明顯多于坑洞孔隙區(qū)域，試樣表面相對平整區(qū)域范圍較大，也說明該組試樣整體平整度一定程度上優(yōu)于A3組；圖5(d)可以看出其表面雖然有少數(shù)凹陷坑洞、孔隙，但是其密實程度同樣明顯優(yōu)于A3組，隨著齡期的增長其密實性仍會繼續(xù)發(fā)展，強度繼續(xù)增大。

圖5 7 d齡期下水泥紅黏土三維圖像(單位：μm)Fig.5 Three-dimensional images of content cement red clay under 7 d age(unit:μm)

2.4 微觀結(jié)構(gòu)形貌分析

紅黏土微觀結(jié)構(gòu)層面上主要針對其形貌特性和物質(zhì)構(gòu)成兩點進行研究。通過SEM試驗獲得的不同組別28 d齡期下放大1 000倍后拍攝的PAM及粉煤灰對水泥紅黏土微觀結(jié)構(gòu)的影響電鏡照片如圖6所示。

圖6(a)為A1組普通水泥紅黏土的微觀結(jié)構(gòu)，由于水泥摻量達到了8%，從圖中可以看出其密實性有了較大的提升，結(jié)構(gòu)相對致密，但仍存在一定量的裸露土顆粒，水泥發(fā)生水化反應(yīng)形成的水化產(chǎn)物與土顆粒之間呈現(xiàn)出包裹、嵌套、膠結(jié)的結(jié)構(gòu)形式，結(jié)構(gòu)整體性較為良好，孔隙、縫隙較少；圖6(b)為A3組單摻6‰PAM水泥紅黏土的微觀結(jié)構(gòu)，從圖中可以看出其表面出現(xiàn)了較多褶皺狀物質(zhì)，且褶皺狀物質(zhì)發(fā)育較為明顯，這說明水泥紅黏土水化產(chǎn)物與土顆粒表層吸附了一定量的PAM，PAM的存在極大程度上增加了整體的密實度，水化產(chǎn)物與土顆粒結(jié)合更為緊密，縫隙較為細小，密實性較好[7-8]。

圖6(c)為B1組單摻8%粉煤灰水泥紅黏土的微觀結(jié)構(gòu)，從圖中可以看出其整體微觀結(jié)構(gòu)形式與A1組普通水泥復合土較為相似，均有較為明顯水化產(chǎn)物與土顆粒發(fā)生包裹、嵌套和膠結(jié)的構(gòu)成形式，與之不同的是在水化產(chǎn)物與土顆粒相互結(jié)合體中，可以看到圓球狀粉煤灰分布其中，且裸露土顆粒較少，這說明大部分粉煤灰未直接參與水化反應(yīng)，而是起到填充作用，使得其整體性較A1組更為致密，整體為片狀土顆粒和粉煤灰層疊、嵌套于水泥水化產(chǎn)物中；圖6(d)為B3組復摻8%粉煤灰及6‰PAM水泥紅黏土的微觀結(jié)構(gòu)，從圖中可以看出其整體微觀結(jié)構(gòu)形式與B3組單摻6‰PAM水泥紅黏土較為相似，整體上其表面均出現(xiàn)大量的褶皺狀物質(zhì)，這些褶皺狀物質(zhì)彼此相互交匯融合，將土顆粒和粉煤灰進行包裹、嵌套，說明土顆粒和粉煤灰表面吸附了大量的PAM，并與水泥水化產(chǎn)物形成的空間網(wǎng)架相互交接，形成整體的結(jié)構(gòu)，各種物質(zhì)間結(jié)合較為緊密，并無明顯較大的孔隙和裂紋，整體密實度較高[4,9-13]。

圖6 不同組別28 d齡期下水泥紅黏土SEM照片F(xiàn)ig.6 SEM photos of cement red soil under 28 d age of different groups

圖7 水泥紅黏土XRD衍射圖譜Fig.7 XRD diffraction pattern of cement red clay

2.5 X射線衍射分析

X射線衍射試驗(XRD)是一種較為普遍地材料物相分析手段，通過XRD試驗對水泥紅黏土的物質(zhì)組成進行分析，可以定性得出其在凝結(jié)硬化過程中的反應(yīng)機理。本研究采用由日本某集團生產(chǎn)的XRD-6000試驗儀進行XRD試驗，采用60 d齡期的試樣進行試驗分析，此時其內(nèi)部反應(yīng)相對穩(wěn)定，生成物具有一定的代表性，衍射角區(qū)間為5°～60°。

圖7(a)和(b)為60 d齡期下單摻PAM水泥紅黏土X射線衍射圖譜，從中可以看出SiO2占主要部分，這主要是紅黏土本身所具有較多物質(zhì)，其次是C-S-H、C-A-H等物質(zhì)，這主要是水泥發(fā)生水化反應(yīng)生成的水化產(chǎn)物。通過兩幅圖的對比，可以看到PAM的摻入對于其內(nèi)部的結(jié)晶體影響不大，說明從化學成分上摻入PAM并未使得水泥紅黏土生成新的具有明顯晶格的物質(zhì)。

圖7(c)、(d)為復摻PAM及粉煤灰水泥紅黏土X射線衍射圖譜，從中可以看出其主要組成成分圖譜與單摻PAM組相差不大，對于A3組試樣C-A-H等結(jié)晶度明顯高于單摻PAM組，這說明復摻PAM及粉煤灰能夠有效地促進水化反應(yīng)的發(fā)展，從而生成較多的水化產(chǎn)物，其結(jié)晶度略有區(qū)別。同樣復摻PAM及粉煤灰水泥紅黏土未發(fā)現(xiàn)新生成的具有明顯晶格的物質(zhì)。

2.6 固化機理分析

對于聚丙烯酰胺粉煤灰水泥紅黏土強度的形成機理是一個非常復雜的過程，不同材料之間相互交叉反應(yīng)最終促成其強度的發(fā)展。

(1)水泥水化反應(yīng)。水泥遇水發(fā)生水化反應(yīng)，生成的水化硅酸鈣和水化鐵酸鈣不溶于水，逐漸以膠粒析出并聚合最終形成C-S-H凝膠，水化鋁酸三鈣和氫氧化鈣溶于水達到飽和后，逐漸以晶體析出并聚合成凝膠[13]。

(2)紅黏土與水化產(chǎn)物相互作用。紅黏土具有一定的吸附、凝聚等特性，能夠與水泥水化反應(yīng)發(fā)生物理性結(jié)合從而促進紅黏土顆粒之間的團粒膠結(jié)作用；紅黏土顆粒中較多的SiO2、Fe2O3等物質(zhì)與水泥水化產(chǎn)物之間發(fā)生化學反應(yīng)，生成具有強度的水化膠凝產(chǎn)物[2-3]。

(3)PAM促進效應(yīng)。PAM分子結(jié)構(gòu)中含有大量能夠與水中氫鍵結(jié)合形成結(jié)合水的極性基團酰胺基，能夠為其中水泥等物質(zhì)的水化反應(yīng)提供豐富的反應(yīng)條件；PAM分子能夠吸附于紅黏土、水泥水化產(chǎn)物和粉煤灰等顆粒表面，還能夠直接與OH-和H+發(fā)生化學反應(yīng)[14-15]。

(4)粉煤灰促進效應(yīng)。粉煤灰中一部分具有一定活性的SiO2和Al2O3能夠參與二次水化反應(yīng)，生成二次水化產(chǎn)物；另一部分相對穩(wěn)定未發(fā)生二次水化反應(yīng)的顆粒由于其顆粒粒徑較小，比表面積較大，能夠填充于水泥紅黏土內(nèi)部的孔隙和縫隙之中，從而使得其內(nèi)部結(jié)構(gòu)整體更為致密，發(fā)揮粉煤灰的填充作用，從而提高了其強度[5-6]。

3 結(jié)論

(1)單摻PAM與復摻PAM及粉煤灰不同配合比均會對水泥紅黏土的強度特性產(chǎn)生影響，但伴隨著PAM的摻入，水泥紅黏土強度均呈現(xiàn)先增加后降低的趨勢，這說明PAM摻入存在一個相對最佳摻量，通過試驗得出復摻6‰PAM及8%粉煤灰的水泥紅黏土強度明顯優(yōu)于其他試驗組。

(2)通過超景深三維顯微鏡和掃描電子顯微鏡試驗對水泥紅黏土的微觀孔隙分布和微觀形貌結(jié)構(gòu)予以分析，得到復摻PAM和粉煤灰試樣表面孔隙分布與微裂紋發(fā)育明顯少于單摻PAM組，各物質(zhì)間結(jié)合較為緊密，整體密實度較高。

(3)通過X射線衍射試驗對水泥紅黏土物質(zhì)組成進行分析，可以得出PAM的摻入并未使得其內(nèi)部生成具有明顯晶格的新物質(zhì)，而粉煤灰的摻入能夠在一定程度提升其水化產(chǎn)物結(jié)晶度。試驗證明聚丙烯酰胺粉煤灰水泥紅黏土具有一定強度特性，其固化機理主要是由水泥水化反應(yīng)、紅黏土與水化產(chǎn)物相互作用、PAM促進效應(yīng)和粉煤灰促進效應(yīng)4個方面共同作用而形成。

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Strength Property of Polyacrylamide Fly Ash Cement Red Clay

XUE Hui-jun, SHEN Xiang-dong, ZOU Chun-xia, ZHOU Hai-long, FAN Hao-lun

(School of Water Conservancy and Civil Engineering, Inner Mongolia Agricultural University, Hohhot Inner Mongolia 010018, China)

By using the red clay distributed in northern Yinshan Mountain of Inner Mongolia, the cement red clay doped with polyacrylamide (PAM) only and doped with the mixture of PAM and fly ash are prepared, whose strength properties are researched by unconfined compressive strength experiment and micro experiment. The laboratory experiment shows that different mixture ratios would make difference in mechanical property of cement red clay, as the proportion of PAM increased, the strength tended to increase at first and then decrease. Through super-depth 3D microscope, scanning electron microscopy and X-ray diffraction tests， the pore distribution, microstructure and curing mechanism of the PAM fly ash cement red clay are analysed, the whole structure compactness and the gap development situation are determined from micro level. It is concluded that the curing mechanism of fly ash cement red clay is formed by the joint action of cement hydration, red clay and hydration products interaction, PAM promoting effect and fly ash promoting effect.

road engineering; cement red clay; micro experiment; strength property; pore distribution; microstructure; curing mechanism

2015-10-28

國家自然科學基金項目(51069008，51569021)；內(nèi)蒙古自治區(qū)應(yīng)用與研究開發(fā)科技計劃項目(20130425)；內(nèi)蒙古自治區(qū)高等學?？茖W研究重點項目(NJZZ16057)；內(nèi)蒙古自治區(qū)博士研究生科研創(chuàng)新重點項目(B20161012908Z)

薛慧君(1989-)，男，內(nèi)蒙古包頭人，博士研究生.(xuehuijun@yeah.net)

10.3969/j.issn.1002-0268.2016.12.011

TU521.3

A

1002-0268(2016)12-0068-08