，， ，，

(1.蘭州大學(xué) 西部災(zāi)害與環(huán)境力學(xué)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，蘭州 730000； 2.蘭州大學(xué) 土木工程與力學(xué)學(xué)院，蘭州 730000)

1 研究背景

在我國(guó)，由于火力發(fā)電基礎(chǔ)規(guī)模大，作為燃煤電廠的兩大工業(yè)廢渣的粉煤灰和脫硫石膏產(chǎn)量在未來(lái)一段時(shí)間內(nèi)仍將保持世界首位。拓展粉煤灰脫硫石膏的利用途徑[1-4]和如何有效激發(fā)粉煤灰的活性[5-7]是近年來(lái)的研究熱點(diǎn)。水泥土攪拌樁是一種常用土體加固方法，用于基坑圍護(hù)及止水帷幕和建(構(gòu))筑物的地基土加固，具有適用范圍廣、施工速度快、機(jī)械化程度高等優(yōu)點(diǎn)。將粉煤灰和脫硫石膏用于水泥土攪拌樁施工能有效提高其利用率，具有明顯的經(jīng)濟(jì)效益和環(huán)保效益。

激發(fā)粉煤灰活性常采用堿激發(fā)劑、硫酸鹽激發(fā)劑和氯鹽激發(fā)劑等，都對(duì)粉煤灰有一定的激發(fā)效果，且激發(fā)劑的復(fù)合使用效果更好[8]。目前已有部分學(xué)者對(duì)粉煤灰-脫硫石膏二元凝膠體系和粉煤灰-脫硫石膏-水泥三元凝膠體系開展了相關(guān)研究[9-12]，但將其以較高摻入比運(yùn)用于攪拌樁施工進(jìn)行土體固化和如何有效激發(fā)其在固化土中的水化活性的相關(guān)研究還比較有限。

本文以粉煤灰-脫硫石膏-水泥三元凝膠體系為基礎(chǔ)，采用Ca(OH)2和NaOH作為粉煤灰活性激發(fā)劑組成復(fù)合黃土固化劑(Composite Loess Firming Agent，CLFA)，確定各組分的最優(yōu)摻入比，研究復(fù)合固化黃土(Composite Solidified Loess，CSL)的強(qiáng)度特性、影響因素和添加早強(qiáng)劑的可行性，分析復(fù)合固化黃土內(nèi)在反應(yīng)機(jī)理和微觀結(jié)構(gòu)，以期為粉煤灰和脫硫石膏在攪拌樁固化黃土中的實(shí)際應(yīng)用提供參考。

2 試驗(yàn)概況

2.1 原材料

試驗(yàn)用黃土取自蘭州大學(xué)榆中校區(qū)翠英山一處山體斷面。粉煤灰和脫硫石膏是蘭州某電廠煙氣過(guò)濾產(chǎn)物。粉煤灰按照《用于水泥和混凝土中的粉煤灰》(GB/T1596—2005)檢測(cè)屬于二級(jí)F類粉煤灰，脫硫石膏經(jīng)研磨和煅燒工藝處理，形成CaSO4·1/2H2O占比70%以上的脫硫石膏粉。水泥采用甘肅祁連山水泥集團(tuán)股份有限公司生產(chǎn)的42.5普通硅酸鹽水泥。Ca(OH)2、NaOH、三乙醇胺、CaCl2和Na2SiO3(其溶液稱為水玻璃)為市售化學(xué)試劑，試驗(yàn)用水為自來(lái)水。黃土的主要性能指標(biāo)見表1，粉煤灰成分指標(biāo)見表2。

表1 黃土的主要性能指標(biāo)Table 1 Main performance indicators of loess

表2 粉煤灰主要成分及指標(biāo)Table 2 Main components and performanceindicators of fly ash

2.2 試驗(yàn)方法與儀器

試樣制備時(shí)采用尺寸為70.7 mm×70.7 mm×70.7 mm的立方體砂漿試模。首先按設(shè)計(jì)試驗(yàn)方案配合比稱量黃土、水泥、脫硫石膏后拌和3 min，再將化學(xué)試劑溶于稱量好的水中并均勻倒入干料中，攪拌5 min后裝模，裝模過(guò)程采用錘擊法分3層制樣，最終控制每塊試樣制成時(shí)的質(zhì)量為(650±10) g，拆模后在室內(nèi)自然放置至相應(yīng)齡期時(shí)進(jìn)行試驗(yàn)，室內(nèi)溫度(20±5)℃。

無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)使用中國(guó)科學(xué)院武漢巖土力學(xué)研究所研制的RMT-301巖石與混凝土力學(xué)試驗(yàn)系統(tǒng)，X射線衍射(XRD)試驗(yàn)使用荷蘭PANalytical分析儀器公司的X’Pert PRO X射線衍射儀，掃描電鏡(SEM)試驗(yàn)使用日本株式會(huì)社日立制作所的SU-1500型掃描電子顯微鏡。

2.3 試驗(yàn)設(shè)計(jì)與內(nèi)容

本試驗(yàn)分為2部分。第1部分通過(guò)設(shè)計(jì)正交試驗(yàn)以無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度為標(biāo)準(zhǔn)確定CLFA 4個(gè)組分的最優(yōu)摻入比，并判斷不同摻入比對(duì)CSL強(qiáng)度的影響程度。設(shè)定12%水泥摻入比、12%黃土含水率和0.4水灰比為試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)條件(下同)。各摻料的摻入比aw和水灰比μ計(jì)算公式分別為：

(1)

以粉煤灰為正交試驗(yàn)第1因素，脫硫石膏為第2因素,為突出大摻量，兩者選取的摻入比水平最高均為12%。Ca(OH)2作為第3因素；為彌補(bǔ)Ca(OH)2摻入時(shí)堿度不足，以NaOH作為第4因素，促進(jìn)粉煤灰中的Si-O和Al-O斷裂[8]，加快水化反應(yīng)進(jìn)行。按正交試驗(yàn)方案制作試樣，相應(yīng)齡期進(jìn)行無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)，通過(guò)方差分析得到各因素對(duì)強(qiáng)度的影響程度并確定最優(yōu)摻入比。

第2部分試驗(yàn)以各因素的最優(yōu)摻入比作為CLFA摻入比，設(shè)計(jì)試驗(yàn)方案與不同水泥摻量的水泥黃土(Cement Loess，CL)強(qiáng)度進(jìn)行比較分析，并研究黃土含水率、水灰比和早強(qiáng)劑對(duì)CSL強(qiáng)度的影響。為貼近工程中水泥土攪拌樁有粉噴和漿噴2種施工方法的實(shí)際情況，分別研究水灰比為0時(shí)不同黃土含水率以及黃土含水率為12%時(shí)不同水灰比對(duì)CSL強(qiáng)度的影響。

表3 正交試驗(yàn)方案和無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度Table 3 Orthogonal experiment schemes and unconfined compressive strength

3 復(fù)合固化劑最優(yōu)摻入比選擇

3.1 正交試驗(yàn)方案與無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度結(jié)果

按照五因素四水平正交表設(shè)計(jì)正交試驗(yàn)，設(shè)計(jì)正交表時(shí)加入誤差列作為因素之一供方差分析和評(píng)估試驗(yàn)過(guò)程中強(qiáng)度誤差使用，無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度結(jié)果見表3。

3.2 正交試驗(yàn)無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度結(jié)果分析

正交試驗(yàn)的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度結(jié)果分析方法采用極差分析法和方差分析法2種。在極差分析中，kij是第i個(gè)因素的j水平的4個(gè)無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度之和的平均值，通過(guò)kij的大小可以確定第i個(gè)因素的最優(yōu)摻入比。方差分析中通過(guò)比較4個(gè)因素的F值大小即能定量判斷它們對(duì)無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度結(jié)果的影響程度。在影響顯著性檢驗(yàn)時(shí)，若Fi>F0.01(3,3)，則判定i因素對(duì)強(qiáng)度影響特別顯著，記為“***”；F0.05(3,3)

采用極差分析和方差分析分別對(duì)無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度結(jié)果進(jìn)行處理和顯著性判定，結(jié)果見表4。表4中誤差的極差和方差與4個(gè)因素相比均較小，說(shuō)明試驗(yàn)誤差較小。

從F值和顯著性判定來(lái)看，7 d齡期時(shí)各方案的強(qiáng)度結(jié)果差別較小，4個(gè)因素對(duì)CSL的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度影響程度均為一般，這是由于標(biāo)準(zhǔn)條件有12%水泥摻入，其快速水化反應(yīng)是CSL前7 d強(qiáng)度增長(zhǎng)的主要來(lái)源；7 d時(shí)脫硫石膏的F值基本與粉煤灰相當(dāng)，是因?yàn)槊摿蚴嘀饕煞譃镃aSO4·1/2H2O，遇水后發(fā)生水化反應(yīng)，對(duì)強(qiáng)度增長(zhǎng)有一定促進(jìn)作用。28 d時(shí)，粉煤灰的影響程度特別顯著，說(shuō)明7～28 d內(nèi)粉煤灰發(fā)生了明顯的水化反應(yīng)，使粉煤灰摻入比不同試樣的強(qiáng)度產(chǎn)生了明顯差距；Ca(OH)2影響程度顯著，脫硫石膏和NaOH影響程度一般，說(shuō)明這3個(gè)因素對(duì)粉煤灰活性都具有一定的激發(fā)效果，其中以Ca(OH)2更為明顯。60 d和90 d時(shí)粉煤灰對(duì)強(qiáng)度影響均特別顯著，并且其F值不斷增加，說(shuō)明粉煤灰對(duì)CSL強(qiáng)度提高作用在中后期更為明顯?？傮w來(lái)看，隨粉煤灰摻入比的提高，各齡期CSL強(qiáng)度增加明顯，兩者基本符合線性關(guān)系,證明了粉煤灰摻入后的增強(qiáng)效果。就kij值而言，粉煤灰第4水平最高，脫硫石膏第3水平較高，Ca(OH)2第2、第3水平較高，NaOH第3水平較高。根據(jù)kij值并綜合考慮提高廢料利用率和成本控制，選擇最優(yōu)摻入比為粉煤灰摻量為12%，脫硫石膏摻量為9%，Ca(OH)2摻量為2%，NaOH摻量為0.8%。

表4 無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度的方差和極差分析Table 4 Variance and range analysis of unconfined compressive strength

表5 第2部分試驗(yàn)方案和無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度Table 5 Schemes of the second part of test and unconfined compressive strength

注：12%CL，17%CL，22%CL分別指水泥摻量為12%，17%，22%的水泥黃土

4 復(fù)合固化黃土強(qiáng)度影響因素研究

4.1 試驗(yàn)方案和無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度結(jié)果

第2部分試驗(yàn)方案和無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度見表5，方案1為標(biāo)準(zhǔn)條件下的標(biāo)準(zhǔn)組方案，與方案2—方案4對(duì)比以分析CSL與不同水泥摻入比的CL的強(qiáng)度關(guān)系；與方案8、方案9對(duì)比以分析水灰比變化對(duì)強(qiáng)度的影響；與方案10—方案12對(duì)比以分析水泥土常用早強(qiáng)劑三乙醇胺，CaCl2和水玻璃對(duì)CSL強(qiáng)度的影響。方案5—方案7可以體現(xiàn)黃土含水率對(duì)強(qiáng)度的影響。最后選取具有代表性的固化黃土進(jìn)行XRD試驗(yàn)分析水化產(chǎn)物，使用SEM觀察微觀結(jié)構(gòu)。

按水灰比為0時(shí)黃土含水率梯度上升和黃土含水率為12時(shí)水灰比梯度上升規(guī)律，制作的CSL試樣含水率是上升的，可以研究CSL含水率的大小對(duì)CSL強(qiáng)度的影響。

4.2 無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度結(jié)果分析

需要進(jìn)行比較分析的方案所得的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度結(jié)果如圖1所示。

圖1 不同方案無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度隨齡期增長(zhǎng)的變化曲線Fig.1 Curves of unconfined compression strengthincreasing with age in different schemes

對(duì)比分析CSL和CL各齡期的強(qiáng)度(圖1(a))可以看出，CSL的7 d強(qiáng)度介于12%CL和17%CL之間，這是由于粉煤灰相比水泥而言，其早期水化反應(yīng)仍然有限，所以早期強(qiáng)度提高幅度??；CSL在28 d時(shí)強(qiáng)度增長(zhǎng)明顯，與17%CL基本相當(dāng)，說(shuō)明7～28 d水泥的水化反應(yīng)相對(duì)7 d前有所放緩，而粉煤灰在激發(fā)劑作用下發(fā)生了明顯的水化反應(yīng)，對(duì)強(qiáng)度增長(zhǎng)的貢獻(xiàn)相比7 d更加明顯；60～90 d內(nèi)CSL的強(qiáng)度增長(zhǎng)仍較為明顯，最終達(dá)到6.853 MPa，介于17%CL的5.823 MPa和22%CL的7.394 MPa之間。CL的強(qiáng)度隨水泥摻入比的增加而增加，且具有較好的線性關(guān)系，經(jīng)過(guò)擬合計(jì)算CSL的90 d強(qiáng)度與20%CL強(qiáng)度相當(dāng)，說(shuō)明CLFA對(duì)水泥有較好的代替效果。從折線斜率來(lái)看，CLFA的中后齡期強(qiáng)度相比CL有更大幅度的提高，強(qiáng)度增長(zhǎng)具有更好的可持續(xù)性。

由圖1(b)可以看出：CSL含水率即黃土含水率和水灰比對(duì)CSL強(qiáng)度有明顯影響，CSL含水率過(guò)低(0水灰比低黃土含水率)或過(guò)高(高水灰比12%黃土含水率)都會(huì)降低其強(qiáng)度。17%黃土含水率方案(CSL含水率12%)強(qiáng)度低是因?yàn)楹实蛯?dǎo)致水化反應(yīng)不完全，0.6水灰比方案(CSL含水率27%)在制樣過(guò)程中因CSL含水率過(guò)高導(dǎo)致表面出現(xiàn)輕微液化，內(nèi)部由于孔隙水產(chǎn)生許多細(xì)微空隙，對(duì)強(qiáng)度產(chǎn)生不利影響。方案1和7(CSL含水率分別為21%和19%)的強(qiáng)度基本相同，且均高于其他方案。因此采用粉噴法時(shí)CLFA適用于加固含水率較高的黃土，若黃土含水率較低應(yīng)采用漿噴法并選擇適宜的水灰比，保證CSL含水率在20%左右(最優(yōu)含水率)方能較好發(fā)揮CLFA的固化效果。

圖1(c)展現(xiàn)了不同早強(qiáng)劑對(duì)CSL的強(qiáng)度影響。摻入三乙醇胺對(duì)CSL 7 d強(qiáng)度的提高明顯，相比不摻早強(qiáng)劑(方案1)提高了33.4%，相比水玻璃(方案12)則提高了21.4%。水玻璃早強(qiáng)效果不及三乙醇胺的原因是由于NaOH的摻入使固化土的液相中Na+濃度較高，限制了Na2SiO3的水解，因此其增加水化硅酸鈣生成的效果被減弱。三乙醇胺的增強(qiáng)效果隨水化反應(yīng)的進(jìn)行有所減弱，在28 d時(shí)強(qiáng)度低于水玻璃，是因?yàn)槿掖及吩鐝?qiáng)機(jī)理在于對(duì)水泥和粉煤灰顆粒的乳化作用和促進(jìn)水化產(chǎn)物擴(kuò)散的作用，是促進(jìn)水化產(chǎn)物生成；而水玻璃早強(qiáng)機(jī)理在于提供水化反應(yīng)所需要的SiO32-，是增加水化產(chǎn)物生成[13-14]，因此增強(qiáng)效果的可持續(xù)性強(qiáng)于三乙醇胺。CaCl2早強(qiáng)劑方案的所有試樣在拆模后的24 h內(nèi)出現(xiàn)嚴(yán)重龜裂，表面裂縫寬度從1 mm到5 mm不等，深度可達(dá)5 mm，強(qiáng)度結(jié)果證明CaCl2不可作為CSL的早強(qiáng)劑使用。

圖2 XRD試驗(yàn)衍射圖譜Fig.2 XRD test diffraction patterns

4.3 XRD試驗(yàn)結(jié)果分析與SEM微觀結(jié)構(gòu)分析

為從水化反應(yīng)生成物和微觀結(jié)構(gòu)2個(gè)角度說(shuō)明固化土的固化原理和強(qiáng)度規(guī)律，選擇部分具有代表性的方案進(jìn)行XRD試驗(yàn)，并使用掃描電子顯微鏡觀察微觀結(jié)構(gòu)以進(jìn)行系統(tǒng)分析比較。XRD衍射圖譜如圖2所示，CSL和CL的衍射圖譜中作為黃土主要成分的SiO2的衍射峰值最高。從衍射峰來(lái)看，CSL在摻入脫硫石膏的條件下鈣礬石生成量較多，其強(qiáng)度同時(shí)來(lái)源于水化硅酸鈣和鈣礬石，在水化硅酸鈣峰值與17%CL基本相同的情況下強(qiáng)度仍高于17%CS，說(shuō)明鈣礬石的生成對(duì)CSL強(qiáng)度提高有明顯貢獻(xiàn)。17%CL和22% CL的鈣礬石衍射峰值均不明顯，說(shuō)明其強(qiáng)度主要來(lái)源于水化硅酸鈣。三乙醇胺不影響水化產(chǎn)物的早強(qiáng)作用決定了摻入三乙醇胺的CSL試樣的鈣礬石和水化硅酸鈣峰值均較高，而摻水玻璃CSL的水化硅酸鈣衍射峰值基本與22%水泥黃土相同，印證了硅酸鈉增加水化硅酸鈣生成的作用。17%黃土含水率CSL與標(biāo)準(zhǔn)條件CSL相比，其鈣礬石和水化硅酸鈣峰值均較低，表明水化反應(yīng)程度低，因此強(qiáng)度有限。

圖3為SEM微觀結(jié)構(gòu)。從14 d標(biāo)準(zhǔn)組CSL和17%CL的圖片可以看出，黃土顆粒表面和顆粒之間的空隙有明顯的水化硅酸鈣生成，2 000倍圖片顯示CSL前齡期在脫硫石膏的作用下還有明顯的針棒狀鈣礬石晶體生成。對(duì)比14 d和60 d齡期圖片可以看出，17%CL隨齡期增長(zhǎng)微觀結(jié)構(gòu)變化明顯，水化硅酸鈣大面積覆蓋土粒表面并填充孔隙，使孔隙明顯減少，CSL隨齡期增長(zhǎng)微觀結(jié)構(gòu)更加致密。從60 d齡期25倍圖片可以看出，0.6水灰比CSL由于孔隙水存在產(chǎn)生一些貫通圖片的裂縫，這些裂縫寬度大，水化產(chǎn)物無(wú)法彌補(bǔ)和粘結(jié)，是其強(qiáng)度偏低的主要原因。

XRD和SEM試驗(yàn)結(jié)果從水化產(chǎn)物和微觀結(jié)構(gòu)2個(gè)角度證明了CLFA用于固化黃土的可行性，并展現(xiàn)了CSL和CL的固化機(jī)理的相同與不同之處，所得結(jié)論與無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度結(jié)果具有統(tǒng)一性。

圖3 SEM微觀結(jié)構(gòu)Fig.3 Microstructure pictures captured by SEM

5 結(jié) 論

(1)正交試驗(yàn)表明，CLFA中的粉煤灰組分水化反應(yīng)具有緩慢而持久的特點(diǎn)，其隨齡期增長(zhǎng)對(duì)CSL強(qiáng)度影響顯著程度不斷增加，隨粉煤灰摻入比的提高強(qiáng)度不斷增長(zhǎng)，CLFA的其他組分對(duì)CSL的強(qiáng)度也具有一定影響，其中以Ca(OH)2的影響更為顯著，體現(xiàn)出了對(duì)粉煤灰的活性激發(fā)效果。CLFA在試驗(yàn)設(shè)定的標(biāo)準(zhǔn)條件下的最優(yōu)摻入比為粉煤灰摻量12%，脫硫石膏摻量9%，Ca(OH)2摻量2%，NaOH摻量0.8%。

(2)CSL的最優(yōu)含水率在20%左右，其各齡期強(qiáng)度均為最高。因此采用粉噴法時(shí)CLFA適用于加固含水率較高的黃土，若含水率較低應(yīng)采用漿噴法并選擇適宜的水灰比；三乙醇胺和水玻璃可以用作CSL的早強(qiáng)劑提高早期強(qiáng)度，對(duì)后期強(qiáng)度無(wú)不利影響，但CaCl2會(huì)導(dǎo)致試塊表面龜裂，不可用于該CSL。

(3)CSL的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度90 d時(shí)達(dá)到6.85 MPa，相當(dāng)于20%摻入比的CL，體現(xiàn)出了CLFA對(duì)水泥的代替效果。CSL中后齡期強(qiáng)度增長(zhǎng)率比CL高，強(qiáng)度發(fā)展可持續(xù)性好。

(4)XRD試驗(yàn)表明，CSL水化反應(yīng)生成物和強(qiáng)度來(lái)源主要是鈣礬石和水化硅酸鈣2種，鈣礬石的生成對(duì)CSL強(qiáng)度提高作用明顯；CSL含水率低的試樣的水化反應(yīng)生成物較少，說(shuō)明含水量低導(dǎo)致水化反應(yīng)不充分是強(qiáng)度低的主要原因。三乙醇胺的摻入能加快鈣礬石和水化硅酸鈣的生成，而水玻璃的摻入主要是增加水化硅酸鈣生成。

(5)SEM圖片表明，隨齡期增長(zhǎng)，CSL和CL的微觀結(jié)構(gòu)更加致密，孔隙減少，可以觀察到有XRD試驗(yàn)中檢測(cè)到的水化反應(yīng)生成物生成，從微觀角度證明了CLFA對(duì)黃土的固化效果;CSL初始含水率過(guò)高時(shí)內(nèi)部的細(xì)微裂縫是導(dǎo)致強(qiáng)度低的原因。

(6)粉煤灰-脫硫石膏-水泥三元凝膠配體系配合Ca(OH)2和NaOH作為活性激發(fā)劑組成工業(yè)廢渣復(fù)合黃土固化劑，室內(nèi)試驗(yàn)證明對(duì)黃土有較好的固化效果，將其用于工程實(shí)際有一定可行性。