袁建議,袁建華，吳成皓,陳合龍，張定邦

(1.湖北理工學院 土木建筑工程學院，湖北 黃石435003；2.陽新縣公路管理局，湖北 陽新 435200；3.武漢二航路橋特種工程有限責任公司，湖北 武漢 430061)

公路軟基是公路施工建設(shè)中的一種不良地質(zhì)，通常會采取置換法、夯實法、微樁法、注漿法等多種工程措施進行處治，以提高路基強度[1-2]。注漿法因具有施工程序簡單、工程造價低、環(huán)保、施工工期短等優(yōu)點而得到了廣泛應用。注漿法常采用活性氧化鎂固化軟基，一方面利用了活性氧化鎂水化反應的膨脹性補償軟基注漿處理水泥的收縮性能；另一方面通過水化產(chǎn)物填充土體中空隙，或形成復合地基增強固化軟基的強度。

活性氧化鎂固化軟土的實用價值在宏觀方面得到了多方論證[3-6]。國內(nèi)外學者亦在從微觀角度分析宏觀特性方面做了多項有益研究。Thornton等[7]運用DEM證實了通過土體的微觀特性推理宏觀特性的可行性。陳慧娥等[8]利用掃描電鏡從微觀角度解釋了土體中有機質(zhì)降低水泥固化土強度的機理。馮望等[9]利用掃描電鏡和SWCC試驗從微觀結(jié)構(gòu)角度揭示了重塑黃土微觀孔隙和土水特性之間的關(guān)系。

本文利用X射線衍射及掃描電鏡等先進測試技術(shù)，分析活性氧化鎂固化軟土的提高強度效能，以期從微觀層面分析活性氧化鎂固化軟土的強化機理。

1 試驗和方法

1.1 試樣的制備

選用與文獻[3]中一致的原材料，確定試驗條件為：水膠比1∶1，水泥摻入比3%，活性氧化鎂添加量為水泥質(zhì)量的3%。將制得的未添加活性氧化鎂和添加活性氧化鎂的水泥固化土試樣放入恒溫恒濕養(yǎng)護箱中養(yǎng)護7 d，14 d，28 d后，進行X射線衍射(XRD)測試和掃描電鏡(SEM)測試。

1.2 試樣的測試與表征

1.2.1XRD測試

采用X射線衍射儀(XPert PRO MPD，荷蘭帕納科分析儀器公司)分析土體試樣的相組成，要求待測試樣干燥，且粒徑細小。將完成無側(cè)限抗壓強度試驗后的試樣碾碎，放入105 ℃的烘箱中10 h，過0.125 mm篩,待測試。

1.2.2SEM測試

采用掃描電鏡(JSM-7610F，日本電子株氏會社)分析土體試樣的顯微形貌，要求待測試樣干燥，檢測面平整。將完成無側(cè)限抗壓強度試驗后的試樣掰成小塊，放入105 ℃的烘箱中10 h，將烘干后的試樣切割成厚度不超過2 mm、寬度不超過3 mm、長度不超過8 mm的小塊。在放大1 000倍、5 000倍、10 000倍條件下從宏觀的整體形貌到微觀的晶體形態(tài)進行全面直觀地對比觀察。

2 X射線衍射測試結(jié)果與分析

2.1 養(yǎng)護7 d后試樣的XRD分析

養(yǎng)護7 d后試樣的XRD圖譜如圖1所示。對比添加活性氧化鎂前后試樣的XRD圖譜可以發(fā)現(xiàn)，添加活性氧化鎂固化軟土后，試樣中石英(SiO2)的特征峰強度明顯下降，同時有新的特征峰產(chǎn)生，對應的物質(zhì)[10]為Mg(OH)2，MgCO3，CSH。

1—Al2SiO5(OH)4；2—SiO2；3—CaCO3；4—C2S；5—Mg(OH)2；6—MgCO3；7—CSH。

1)Mg(OH)2來源。水泥中原本含有1.97%的MgO，同時添加水泥質(zhì)量3%的活性氧化鎂后，氧化鎂發(fā)生水化反應生成氫氧化鎂：MgO+H2O→Mg2++2OH-→Mg(OH)2。

2)MgCO3來源。氧化鎂水化后生成的氫氧化鎂與水中溶解的二氧化碳發(fā)生碳化反應生成碳酸鎂：Mg2++2OH-+CO2→MgCO3↓+H2O。

3)CSH來源。CSH是水泥的主要水化產(chǎn)物。試驗中未發(fā)現(xiàn)硅酸三鈣(C3S)，是因為其活性較強，易與水發(fā)生水化反應形成穩(wěn)定膠凝物CSH：C3S+6H2O→3CSH+3Ca(OH)2。CSH是水泥水化反應后膠凝固化軟土主體成分，常呈網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)連接土顆粒間的空隙并與其形成整體結(jié)構(gòu)[11]。

添加活性氧化鎂的水泥固化土試樣中Mg(OH)2和MgCO3對應峰值高于未添加活性氧化鎂試樣對應峰值。Mg(OH)2屬弱膠凝物質(zhì)，可促使土顆粒團?；雇馏w形成更為緊密結(jié)構(gòu)。MgCO3是一種穩(wěn)定的晶體，具有較高的微觀硬度和強度。在含水時碳酸鎂會和水分子形成三水碳鎂石增強土體強度。因此活性氧化鎂的添加能夠提高水泥固化土的早期強度。

2.2 養(yǎng)護14 d后試樣的XRD分析

養(yǎng)護14 d后試樣的XRD圖譜如圖2所示。對比圖1和圖2可以發(fā)現(xiàn)，養(yǎng)護14 d后的試樣中有堿式碳酸鎂(xMgCO3·yMg(OH)2·zH2O)生成，石英的特征峰強度比養(yǎng)護7 d后的試樣中的低，但CSH的特征峰強度有所提高，說明試樣中的水泥水化產(chǎn)物含量在增加。此外，養(yǎng)護14 d后試樣中Mg(OH)2的特征峰強度有所下降，說明氫氧化鎂在持續(xù)進行碳化反應。

8—Mg2(CO3)(OH)2·5H2O；9—Mg5(CO3)4(OH)2·3H2O；10—MgCO3·3H2O；11—Mg5(CO3)4(OH)2·4H2O。

2.3 養(yǎng)護28 d后試樣的XRD分析

養(yǎng)護28 d后試樣的XRD圖譜如圖3所示。對比圖2與圖3發(fā)現(xiàn)，養(yǎng)護28 d后的試樣中有水滑石(Mg6Al2(CO3)(OH)16·4H2O)生成，說明氧化鎂水化后生成的Mg2+置換了土體試樣中存在的Na+和K+。另外，試樣中Mg(OH)2的特征峰強度降低，說明Mg(OH)2在持續(xù)進行化學反應，且并未反應完全，因而Mg(OH)2會持續(xù)促使土顆粒團?；?。試樣中方解石(CaCO3)和CSH對應的特征峰強度升高，說明水泥水化反應在持續(xù)進行，且水化產(chǎn)物發(fā)生了碳化反應。此外，養(yǎng)護28 d后的試樣中依舊能檢測到C2S的特征峰，說明水泥成分中C2S活性不強，養(yǎng)護28 d時間并未完全水化。

12—Mg6Al2(CO3)(OH)16·4H2O。

3 掃描電鏡測試結(jié)果與分析

3.1 養(yǎng)護7 d后試樣的掃描電鏡測試結(jié)果

原狀土的SEM圖如圖4所示。養(yǎng)護7 d后水泥固化土的SEM圖如圖5所示。對比圖4和圖5可以發(fā)現(xiàn)，在經(jīng)過固化劑加固處理后原狀土的微觀結(jié)構(gòu)發(fā)生了以下變化。

1)顆粒度增加。原狀土由細小松散的土顆粒組成，加固處理后土顆粒尺寸增大，顆粒間摩擦增強。

2)顆粒尺寸增大，顆粒間的空隙較原狀土增加。

3)原狀土主要為片狀晶結(jié)構(gòu)，尺寸較小，無骨架結(jié)構(gòu)存在。經(jīng)加固后，片狀晶形成尺寸較大的塊狀晶粒，且具有骨架結(jié)構(gòu)。

圖4 原狀土的SEM圖

(a) 未加活性氧化鎂

(b) 添加活性氧化鎂

對比圖5(a)和(b)可以發(fā)現(xiàn)，在相同水泥摻入比的條件下，添加活性氧化鎂的水泥固化土試樣中的土顆粒發(fā)生了膠凝作用，形成的顆粒粒徑更大，土體表面更為平整。土顆粒尺寸越大，顆粒間接觸面積越大，在受到外力作用時顆粒間相互摩擦面積越大。因此，添加活性氧化鎂能提高水泥固化土早期強度。

此外，未添加活性氧化鎂的水泥固化土在養(yǎng)護7 d后形成的晶粒以片狀晶和塊狀晶為主，晶粒尺寸為2 μm左右，晶粒間空隙較大。添加活性氧化鎂的水泥固化土試樣養(yǎng)護7 d后形成的晶粒以塊狀晶為主，晶粒間空隙由片狀晶粒填充，晶粒尺寸均大于2 μm。因此，活性氧化鎂有利于促進水泥水化結(jié)晶物產(chǎn)生，進而可以填補晶體間的空隙，使土體形成密實的晶粒骨架結(jié)構(gòu)。

3.2 養(yǎng)護14 d后試樣的掃描電鏡測試結(jié)果

養(yǎng)護14 d后水泥固化土的SEM圖如圖6所示。

(a) 未加活性氧化鎂

(b) 添加活性氧化鎂

對比圖5與圖6可以發(fā)現(xiàn)，養(yǎng)護14 d后試樣的微觀結(jié)構(gòu)有以下變化。

1)土顆粒間的接觸更為緊密，土體表面的空隙相對減少。

2)水泥水化產(chǎn)物的晶粒尺寸達到3 μm以上，養(yǎng)護時間越長，晶粒尺寸越大。

3)晶粒間接觸更為緊密，接觸面面積更大。

對比圖6(a)和(b)可以發(fā)現(xiàn)，添加活性氧化鎂后水泥固化土試樣養(yǎng)護14 d后的顆粒粒徑更大，表面更為平整緊密。結(jié)合XRD分析結(jié)果可知，添加的活性氧化鎂在試樣中以氫氧化鎂形式存在，且氫氧化鎂產(chǎn)生的膠結(jié)作用使土顆粒團粒化。添加活性氧化鎂后，試樣中生成的晶粒尺寸更大，部分晶體膠凝成一個整體骨架結(jié)構(gòu)。

3.3 養(yǎng)護28 d后試樣的掃描電鏡測試結(jié)果

養(yǎng)護28 d后水泥固化土的SEM圖如圖7所示。對比圖6與圖7可以發(fā)現(xiàn)，28 d齡期的試樣表面空隙較少，土體表面粗糙不平。這是因為，制備試樣時切割干燥水泥固化土，造成表面土顆粒剝落形成粗糙不平的形貌。養(yǎng)護28 d后，水泥水化產(chǎn)物結(jié)晶尺寸增長明顯，部分晶粒接觸緊密，形成了致密的骨架結(jié)構(gòu)。

對比圖7(a)和(b)可以發(fā)現(xiàn)，添加活性氧化鎂后晶粒體積更大，晶粒間的空隙由片狀晶填充，晶粒接觸緊密，形成了密實的骨架結(jié)構(gòu)。

(a) 未加活性氧化鎂

(b) 添加活性氧化鎂

4 固化微觀機理分析

固化軟土初期，一方面固化劑促使土體中的自由水體排出；另一方面固化劑發(fā)生水化反應，將土顆粒聚集形成尺寸更大的土顆粒。同時，活性氧化鎂和水泥在軟土中發(fā)生水化反應生成膠凝物質(zhì)，使片狀晶體尺寸增大。養(yǎng)護時間達到14 d時，活性氧化鎂的水化反應造成體積膨脹，膠凝物質(zhì)不斷析出，使土顆粒體積增大，顆粒間空隙減小，土顆粒接觸更緊密；另一方面水化反應和碳化反應生成片狀晶粒，附著于原有片狀晶粒上，形成體積更大的塊狀晶粒，同時大體積晶粒間接觸面面積增大形成晶粒骨架結(jié)構(gòu)。養(yǎng)護時間達到28 d時，土顆粒體積持續(xù)增長，顆粒尺寸不斷增加，顆粒間空隙進一步減?。涣硪环矫婊钚匝趸V在軟土中反應生成片狀晶體填充空隙，塊狀晶粒尺寸進一步增大，同時經(jīng)過離子交換等化學反應后生成片狀晶粒體，并與塊狀晶粒形成嵌擠骨架密實結(jié)構(gòu)，增強了軟土整體的強度。

5 結(jié)論

1)活性氧化鎂固化軟土后，Mg(OH)2和MgCO3對應的衍射峰強度增加。Mg(OH)2屬于弱膠凝物質(zhì)，可促使土顆粒團?；??；钚匝趸V的添加能提高水泥固化土早期強度。

2)水泥固化土試樣養(yǎng)護14 d時，方解石(CaCO3)和CSH對應的衍射峰強度增加，說明活性氧化鎂的添加有利于促進水泥的水化反應。

3)活性氧化鎂能促進大量水泥水化晶粒產(chǎn)生，使各齡期的晶粒尺寸均大于未添加活性氧化鎂的水泥固化土產(chǎn)生的晶粒尺寸。

4)活性氧化鎂發(fā)生水化碳化和離子交換反應后生成片狀晶粒，填充晶體間空隙，形成嵌擠骨架密實結(jié)構(gòu)，提高了軟土整體的強度。