趙慶新， 才鴻偉， 安 賽， 劉繼中

(1.燕山大學(xué) 河北省土木工程綠色建造與智能運(yùn)維重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 河北 秦皇島 066004； 2.河北科技師范學(xué)院 城市建設(shè)學(xué)院， 河北 秦皇島 066004)

鑒于此，本文以水泥和磨細(xì)礦渣為固化劑來(lái)制備加固土，研究其強(qiáng)度發(fā)展規(guī)律，同時(shí)采用XRD、熱重-差示掃描量熱(TG-DSC)法和掃描電子顯微鏡(SEM)技術(shù)探究其加固機(jī)理.

1 試驗(yàn)

1.1 原材料

被加固土為黃驊港灘涂地區(qū)濱海鹽漬土，天然含水率(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，文中涉及的含水率、液限等均為質(zhì)量分?jǐn)?shù))為38.9%，液限為38.8%，塑限為20.4%，該鹽漬土屬于黏性土，其Cl-含量為0.89%.固化劑采用淺野P·O 42.5 R普通硅酸鹽水泥和S95級(jí)礦渣(GGBS)，主要化學(xué)組成見(jiàn)表1.拌和水采用黃驊港灘涂地區(qū)天然海水，主要鹽分為NaCl.

表1 水泥與磨細(xì)礦渣的化學(xué)組成Table 1 Chemical compositions of cement and GGBS w/%

1.2 配合比及試驗(yàn)方法

1.2.1試件制備及無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度測(cè)試

國(guó)內(nèi)用于水泥土攪拌的固化劑通常為水泥漿液，考慮到該施工工藝需額外增加用水量，本研究將鹽漬土含水率由38.9%調(diào)整至60.0%.先計(jì)算出含水率60.0%鹽漬土的額外需水量，將此量海水加入鹽漬土中攪拌均勻，再將固化劑干粉加入其中并攪拌均勻.將固化劑摻量取為固化土總質(zhì)量(干土、水和固化劑質(zhì)量之和)的20%，采用0%、25%、50%、75%和100%磨細(xì)礦渣等質(zhì)量替代水泥，分別制備成型尺寸為 70.7mm× 70.7mm×70.7mm的5種加固土試件.為模擬現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境，加固土試件澆筑完畢后，立刻用凡士林和保鮮膜密封并置于室溫(14.5℃)環(huán)境中養(yǎng)護(hù)至預(yù)定齡期.參照J(rèn)GJ/T 233—2011《水泥土配合比設(shè)計(jì)規(guī)程》中無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)方法進(jìn)行強(qiáng)度測(cè)試.

1.2.2固結(jié)物含量測(cè)試

用壓力機(jī)將加固土試件破碎，取粒徑小于 10mm 的碎塊置于0.315mm標(biāo)準(zhǔn)砂石篩內(nèi)；用流動(dòng)清水沖洗至不再產(chǎn)生渾濁液體；將沖洗后的加固土置于105℃干燥箱中干燥24h.按式(1)計(jì)算加固土固結(jié)物的含量w：

(1)

式中：M1為加固土沖洗前的質(zhì)量，g；M2為加固土沖洗后并干燥24h的質(zhì)量，g.

1.2.3微觀試驗(yàn)

按照1.2.2節(jié)中方法取加固土碎片進(jìn)行SEM測(cè)試.將加固土進(jìn)行燒失量測(cè)試、XRD測(cè)試和TG-DSC測(cè)試.

2 結(jié)果與討論

2.1 無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度

5種磨細(xì)礦渣摻量的加固土7、28、90d無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度如圖1所示.

圖1 加固土無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度Fig.1 Unconfined compressive strength of stabilized soil

由圖1可知：7、28、90d齡期時(shí)水泥-磨細(xì)礦渣復(fù)合固化劑的加固效果優(yōu)于單摻水泥或磨細(xì)礦渣；當(dāng)磨細(xì)礦渣摻量為0%～75%時(shí)，加固土7、28d無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度隨著磨細(xì)礦渣摻量的增大而逐漸增高，最高可達(dá)6.0、10.0MPa；7d齡期單摻磨細(xì)礦渣加固土尚未產(chǎn)生強(qiáng)度，28d齡期時(shí)其強(qiáng)度高于單摻水泥加固土強(qiáng)度；當(dāng)磨細(xì)礦渣摻量為25%～100%時(shí)，90d齡期時(shí)加固土強(qiáng)度均達(dá)到11.5MPa以上，遠(yuǎn)高于單摻水泥加固土強(qiáng)度.

2.2 固結(jié)物含量

5種磨細(xì)礦渣摻量的加固土7、28、90d齡期時(shí)固結(jié)物的含量如圖2所示.

圖2 加固土固結(jié)物的含量Fig.2 Hardened materials content of stabilized soil

由圖2可知：7、28d齡期時(shí)水泥-磨細(xì)礦渣復(fù)合固化劑制備的加固土，其固結(jié)物含量明顯高于單摻水泥或磨細(xì)礦渣時(shí)的含量；當(dāng)磨細(xì)礦渣摻量為 0%～ 75%時(shí)，7、28d加固土固結(jié)物含量隨著磨細(xì)礦渣摻量的增大而逐漸增高，最高可達(dá)64%；當(dāng)磨細(xì)礦渣摻量為100%時(shí)，加固土固結(jié)物含量在7、 28d 齡期時(shí)最低，但在90d齡期時(shí)，其含量迅速增長(zhǎng)，達(dá)到74%.

2.3 燒失量

一般來(lái)說(shuō)，水化產(chǎn)物的數(shù)量對(duì)加固土強(qiáng)度存在重要影響.鄭克仁等[8]采用燒失量法測(cè)得水泥-礦渣體系的非蒸發(fā)水量，分析了礦渣摻量對(duì)體系水化產(chǎn)物數(shù)量的影響.由于固化劑水化產(chǎn)物和鹽漬土均可產(chǎn)生燒失量，而5種加固土中鹽漬土的含量相同，故可通過(guò)橫向?qū)Ρ认}漬土影響，來(lái)反映水化產(chǎn)物燒失量特征，并以此粗略反映水化產(chǎn)物數(shù)量.

加固土7、28d的燒失量如圖3所示.由圖3可見(jiàn)，加固土7、28d燒失量隨磨細(xì)礦渣摻量的增大而先增后減，此規(guī)律與文獻(xiàn)[8]中水泥凈漿非蒸發(fā)水量隨著礦渣摻量的增加而先增后減的變化規(guī)律基本一致.

圖3 加固土燒失量Fig.3 Loss on ignition of stabilized soil

2.4 無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度與固結(jié)物含量、燒失量的相關(guān)性

固結(jié)物為體系水化產(chǎn)物與土顆粒相結(jié)合的產(chǎn)物，其形成不僅與水化產(chǎn)物數(shù)量有關(guān)，還與其能夠緊密粘結(jié)的土顆粒數(shù)量存在相關(guān)性.以磨細(xì)礦渣摻量為0%的加固土為基準(zhǔn)，將28d齡期時(shí)加固土抗壓強(qiáng)度、固結(jié)物含量和燒失量的相對(duì)百分?jǐn)?shù)作對(duì)比，結(jié)果如圖4所示.

圖4 加固土參數(shù)相對(duì)值Fig.4 Relative value of parameter of stabilized soil

由圖4可知，加固土的抗壓強(qiáng)度與其固結(jié)物含量存在明顯的正相關(guān)特征，而與燒失量相關(guān)性不強(qiáng).因此，不能單獨(dú)采用水化產(chǎn)物數(shù)量解釋其強(qiáng)度差異，還應(yīng)考慮固化劑對(duì)土顆粒的影響，如水化產(chǎn)物中的晶體和非晶體差異、物理作用等.

2.5 XRD分析

由于加固土的破壞形態(tài)呈現(xiàn)出脆性破壞，加固土的固結(jié)物中可能形成了類晶態(tài)的水化產(chǎn)物.為確定該結(jié)晶水化產(chǎn)物的類型，對(duì)5種加固土28d齡期時(shí)的水化產(chǎn)物進(jìn)行XRD分析，結(jié)果如圖5所示.

圖5 加固土XRD圖譜Fig.5 XRD patterns of stabilized soil

由圖5可見(jiàn)：加固土在2θ=11°時(shí)出現(xiàn)了水化氯鋁酸鈣(3CaO·Al2O3·CaCl2·10H2O)的衍射峰，水化氯鋁酸鈣體積膨脹可以提高加固土強(qiáng)度[9]，然而各加固土均出現(xiàn)了水化氯鋁酸鈣衍射峰，說(shuō)明其并不是造成加固土強(qiáng)度差異的主要原因；相比于磨細(xì)礦渣摻量為0%的加固土，其他加固土并未有新的結(jié)晶相生成，但其強(qiáng)度明顯提高，這可能是由于非晶體水化產(chǎn)物或物理作用所致.

2.6 TG-DSC分析

為確定不同加固土非晶體水化產(chǎn)物類型，對(duì)養(yǎng)護(hù)28d的加固土進(jìn)行TG-DSC分析.5種加固土的TG-DSC曲線如圖6所示.

圖6 加固土TG-DSC曲線Fig.6 TG-DSC curves of stabilized soil

由圖6可知：加固土DSC曲線在200～650℃沒(méi)有吸熱或放熱峰，同時(shí)TG曲線沒(méi)有明顯下降段，說(shuō)明加固土并未大量生成某種可熱分解的物質(zhì)；加固土DSC曲線在730℃附近出現(xiàn)吸熱峰，所對(duì)應(yīng)的TG曲線出現(xiàn)質(zhì)量損失，為鹽漬土中的CaCO3吸熱分解所致；加固土DSC曲線在850℃附近的放熱峰為水化產(chǎn)物晶型轉(zhuǎn)變生成硅灰石和鈣鋁黃長(zhǎng)石[10].5種加固土的TG-DSC分析曲線趨勢(shì)相同，說(shuō)明其水化產(chǎn)物類型可能相同，這也佐證了加固土XRD衍射峰相同的試驗(yàn)結(jié)果，因此可初步推斷，加固土強(qiáng)度差異很可能是物理作用導(dǎo)致.

2.7 SEM分析

為確定加固土微觀結(jié)構(gòu)，采用SEM對(duì)5種加固土28d齡期時(shí)的剖斷面形貌特征進(jìn)行觀測(cè)，SEM照片見(jiàn)圖7.

由圖7可見(jiàn)：磨細(xì)礦渣摻量為0%的加固土產(chǎn)生了纖維狀和連續(xù)褶皺狀C-S-H凝膠，凝膠體存在較多孔洞，水化產(chǎn)物之間粘結(jié)不緊密，膠結(jié)力較差；水泥-磨細(xì)礦渣復(fù)合固化劑加固土生成了大量的片狀產(chǎn)物，且隨著磨細(xì)礦渣摻量的增大，產(chǎn)物逐漸變粗、變大，界面孔隙逐漸減少，水化產(chǎn)物致密性大幅提高；而磨細(xì)礦渣摻量為100%的加固土結(jié)構(gòu)松散，孔隙較多，水化產(chǎn)物相對(duì)較少；加固土的致密性與加固土中的固結(jié)物含量變化規(guī)律相一致；除磨細(xì)礦渣摻量75%的加固土外，其余加固土表面均產(chǎn)生了大量松散的CaCO3結(jié)晶，其放大4000倍的照片見(jiàn)圖8.

由圖8可見(jiàn)，CaCO3結(jié)晶良好且附著在加固土基體表面.這可能是由于加固土破碎后，碎塊內(nèi)部孔隙水中溶解的Ca(OH)2隨著表面水分蒸發(fā)，被迅速帶到表面而發(fā)生碳化所致.另外也間接說(shuō)明磨細(xì)礦渣摻量為75%的加固土結(jié)構(gòu)更為致密.

2.8 加固機(jī)理淺析

相同空隙體積下，水化產(chǎn)物越多，其能夠粘附的土顆粒也就越多，加固土也就越致密；在相同水化產(chǎn)物數(shù)量下，空隙體積越小，其粘附的土顆粒也越多，加固土也越致密.結(jié)合加固土燒失量曲線與SEM照片分析可知，加固土強(qiáng)度很可能是固化劑水化產(chǎn)物數(shù)量增多與鹽漬土空隙體積減小共同作用的結(jié)果.

圖7 加固土SEM照片F(xiàn)ig.7 SEM photos of stabilized soil

圖8 加固土表面CaCO3結(jié)晶的SEM照片F(xiàn)ig.8 SEM photo of CaCO3 on surface of stabilized soil

由于黏土顆粒的帶電特性，黏土顆粒之間存在排斥力和吸引力，當(dāng)排斥能占優(yōu)勢(shì)時(shí)，土顆粒處于分散相，當(dāng)吸引能占優(yōu)勢(shì)時(shí)，土顆粒處于凝聚相.當(dāng)二力保持平衡時(shí)，土顆粒之間維持一定距離[11].當(dāng)用水泥加固鹽漬土?xí)r，在高含水率的環(huán)境里水化產(chǎn)物分散在顆粒之間，水化產(chǎn)物不足以填充顆粒間空隙，因而強(qiáng)度較低.

相比水泥，富含Al元素的磨細(xì)礦渣在水化時(shí)產(chǎn)生Al3+，其離子交換能力遠(yuǎn)高于水泥水化產(chǎn)生的Ca2+，通過(guò)離子交換和團(tuán)?；饔茫雇令w粒雙電層中的擴(kuò)散層變薄，顆粒因間距減小而發(fā)生凝聚[12].隨著加固土黏性的增大，土顆粒間距減小，彼此靠近，這種靠近減小了土顆粒內(nèi)部空隙，為水化產(chǎn)物粘結(jié)更多的土顆粒提供了良好基礎(chǔ).因而水泥中摻入磨細(xì)礦渣后，固結(jié)物含量和加固土強(qiáng)度均出現(xiàn)了大幅度的提高，且隨著磨細(xì)礦渣摻量的增多而增大.

單摻磨細(xì)礦渣加固土由于缺少水泥而堿性不足，造成磨細(xì)礦渣水化較慢，水化產(chǎn)物不足以將土顆粒粘結(jié)成整體，因而7、28d強(qiáng)度較低.根據(jù)程寅等[13]的研究，NaCl參與礦渣水化反應(yīng)生成水化氯鋁酸鈣的同時(shí)還生成了NaOH，有利于礦渣玻璃體離解作用，促進(jìn)礦渣水化.隨著礦渣水化程度不斷地提高，水化產(chǎn)物逐漸增多，90d強(qiáng)度較高.

3 結(jié)論

(1)水泥-磨細(xì)礦渣復(fù)合固化劑的加固效果優(yōu)于單摻水泥或磨細(xì)礦渣時(shí)，且當(dāng)磨細(xì)礦渣摻量為 0%～ 75%時(shí)，7、28d齡期加固土無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度隨磨細(xì)礦渣摻量增大而逐漸增強(qiáng)，最高可達(dá)6.0、10.0MPa；當(dāng)磨細(xì)礦渣摻量為25%～100%時(shí)，90d齡期時(shí)加固土無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度均達(dá)到11.5MPa以上，遠(yuǎn)高于單摻水泥加固土強(qiáng)度.

(2)加固土強(qiáng)度與其固結(jié)物含量正相關(guān)，而與其燒失量相關(guān)性不強(qiáng).

(3)加固土中的固結(jié)物是加固土強(qiáng)度的主要來(lái)源，固結(jié)物由固化劑水化產(chǎn)物及其粘結(jié)的土顆粒構(gòu)成，其形成受水化產(chǎn)物數(shù)量和團(tuán)?；饔霉餐绊?