趙彥旭，向俊燃，呂擎峰，單小康，陳 臆

(1.中鐵二十一局集團有限公司，蘭州 730070； 2.蘭州大學(xué)土木工程與力學(xué)學(xué)院，西部災(zāi)害與環(huán)境力學(xué)教育部重點實驗室，蘭州 730000)

目前黃土固化主要包含物理固化與化學(xué)固化[1]. 物理固化包括強夯法、擠密樁法和預(yù)浸水法等，化學(xué)固化則通過添加水泥、二灰、水玻璃等無機固化劑實現(xiàn)[2]. 在上述傳統(tǒng)無機固化劑的基礎(chǔ)上，逐漸以纖維材料[3]、地聚物[4]等環(huán)保再生材料為主作為土體固化劑. 地聚物通過堿激發(fā)劑激發(fā)硅鋁質(zhì)原料(堿- 硅鋁酸鹽反應(yīng))生成，具有低CO2排放、性能優(yōu)良的特點，是一種綠色膠凝材料. 粉煤灰作為一種地聚物的原料，其主要成分為SiO2、Al2O3、CaO，但其玻璃體外殼性質(zhì)穩(wěn)定，不易水化，而水玻璃作為一種堿激發(fā)劑，能破壞粉煤灰玻璃體結(jié)構(gòu)的Al—O鍵、Si—O鍵，使粉煤灰潛在活性得以釋放[5]. 水玻璃堿激發(fā)粉煤灰基地聚物作為一種礦物地聚物，能有效利用工業(yè)固體廢棄物，國內(nèi)外很多學(xué)者對其在工程領(lǐng)域的應(yīng)用進行了大量的研究.

Ranjbar等[6]研究在不同基體體積比下?lián)饺胛摾w維對水玻璃堿激發(fā)粉煤灰基地聚物力學(xué)性能的影響. 試驗表明，添加微細鋼纖維(micro steel fiber,MSF)可以顯著提高水玻璃堿激發(fā)粉煤灰基地聚物的極限抗彎承載力和延展性，同時不會對其極限抗壓強度產(chǎn)生不利影響. Duan等[7]通過將鋸末(木屑)添加入水玻璃堿激發(fā)粉煤灰基地聚物中，發(fā)現(xiàn)木屑對地聚物后期的抗開裂收縮、抗壓強度有積極作用，同時，隨著木屑添加量的增加，孔隙率降低. Komljenovic等[8]通過不同堿激發(fā)劑激發(fā)粉煤灰，以抗壓強度為指標(biāo)，發(fā)現(xiàn)堿當(dāng)量一定時，NaOH+Na2SiO3堿激發(fā)效果最好. Al-Majidi等[9]通過水玻璃堿激發(fā)粉煤灰與高爐礦渣制備地聚物混凝土，改變其初期養(yǎng)護溫度為60 ℃，發(fā)現(xiàn)前期抗壓強度有很大提高，但28 d抗壓強度與室溫養(yǎng)護強度基本一致. Zhang等[10]以水玻璃堿激發(fā)偏高嶺土、粉煤灰、偏高嶺土- 粉煤灰混合物，通過一系列試驗評估比較其力學(xué)性能和熱性能. 試驗表明，粉煤灰基地聚物由于微觀孔隙的存在，其抗壓強度低但耐熱性高于偏高嶺土，而偏高嶺土- 粉煤灰復(fù)合地聚物則具備較高的強度和耐熱性. Oderji等[11]研究相對濕度對水玻璃堿激發(fā)粉煤灰基地聚物的影響，試驗表明，相對濕度為70%時，其抗壓抗彎性能得到提升. 侯云芬等[12]研究水玻璃模數(shù)、含固量對粉煤灰基地聚物抗壓強度的影響，發(fā)現(xiàn)水玻璃模數(shù)為1.4時，抗壓強度最高；含固量越高，抗壓強度越高，并借助X射線衍射分析(X-raydiffraction,XRD)、傅里葉變換紅外光譜儀(Fourier transform infrared spectromete,FTIR)對其機理進行解釋. 謝子令等[13]研究養(yǎng)護溫度及時間對水玻璃堿激發(fā)粉煤灰基地聚物混凝土強度發(fā)展的影響. 試驗發(fā)現(xiàn)，在20～80 ℃時，提高養(yǎng)護溫度可以線性提高粉煤灰基地聚物混凝土的抗壓強度，而地聚物混凝土的抗壓強度隨齡期延長呈近指數(shù)函數(shù)增大，并最終趨于穩(wěn)定. 呂擎峰等[14]以水玻璃堿激發(fā)粉煤灰基地聚物固化硫酸鹽漬土，研究其對固化硫酸鹽漬土強度的影響，并分析探討其固化機制. 陳瀟等[15]綜合分析硅鋁基質(zhì)種類、堿激發(fā)劑性質(zhì)、養(yǎng)護制度對地聚物力學(xué)性能的影響. 目前，水玻璃堿激發(fā)粉煤灰基地聚物多用于改良水泥、混凝土，其應(yīng)用于固化黃土的研究相對較少，而工程上黃土的固化改良一般采用水泥材料，強度耐久性和環(huán)保性較差，采用堿激發(fā)地聚物可以提高強度的同時具有綠色環(huán)保的優(yōu)勢.

本文以不同模數(shù)、波美度的水玻璃堿激發(fā)粉煤灰基地聚物進行黃土固化. 通過擊實試驗、無側(cè)限抗壓強度試驗、直剪試驗、崩解試驗及吸水性試驗研究其對固化黃土的工程特性的影響，通過掃描電鏡(scanning electron microscope,SEM)、全自動化表面積及孔徑分析儀(brunner-emmet-teller measurement,BET)試驗研究其對固化黃土微觀結(jié)構(gòu)的影響并進行相關(guān)分析.

1 試樣制備和試驗方法

1.1 試驗材料

表1 試驗黃土的基本物理指標(biāo)

表2 水玻璃基本參數(shù)

表3 粉煤灰主要化學(xué)成分

1.2 試驗方法

根據(jù)以往研究[16]，本次試驗采用粉煤灰相對黃土的質(zhì)量分數(shù)為18%. 對水玻璃原液加入NaOH進行模數(shù)調(diào)整，選用模數(shù)為1.5、2.0、3.2，按照工程上使用水玻璃濃度范圍，波美度選用20、25、30°Bé. 將試驗黃土風(fēng)干碾碎，過5 mm篩后，與粉煤灰拌和均勻，攪拌均勻后立即輕型擊實. 同一水玻璃參數(shù)的試樣，通過水玻璃中的含水量設(shè)置5個目標(biāo)含水率，以此保證試驗過程中水玻璃參數(shù)不變，通過輕型擊實得出擊實曲線，研究水玻璃對固化黃土擊實特性的影響. 在最優(yōu)含水率的條件下，通過輕型擊實制樣，在室內(nèi)(溫度20 ℃，濕度55%)自然養(yǎng)護28 d后，進行無側(cè)限抗壓強度試驗、直剪試驗，研究水玻璃對固化黃土強度特性的影響，進行崩解試驗及吸水性試驗，研究水玻璃對固化黃土水理特性的影響.

上述試驗主要參照《土工試驗方法標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T 50123—2019). 其中抗壓強度試樣尺寸為直徑102 mm、高116 mm的輕型擊實圓柱體樣；抗剪強度試樣在輕型擊實制樣后，通過內(nèi)徑61.8 mm、高20 mm的環(huán)刀切樣，并在環(huán)刀中自然養(yǎng)護；崩解試樣及吸水性試樣是將輕型擊實圓柱樣養(yǎng)護到期后切割成5 cm×5 cm×5 cm的立方體樣.

2 黃土的擊實特性

采用BKJ-Ⅲ型多功能電動擊實儀進行輕型擊實試驗，固化黃土最優(yōu)含水率、最大干密度與水玻璃模數(shù)、波美度的關(guān)系見圖1、2.

圖1 擊實特性與水玻璃模數(shù)的關(guān)系Fig.1 Relationships between compaction properties of modulus of sodium silicate

圖2 擊實特性與水玻璃波美度的關(guān)系Fig.2 Relationships between compaction properties of Baume degree of sodium silicate

由圖1、2可見，同一波美度水玻璃固化土的最優(yōu)含水率隨模數(shù)的增大而增大，增加量約為3.9%；最大干密度則隨模數(shù)的增加而降低，均降低約0.15 g/cm3. 同一模數(shù)下，固化土的最優(yōu)含水率隨波美度的增大而減小，均減小約0.5%；最大干密度則隨波美度的增大而增大，增加約0.04 g/cm3.

模數(shù)、波美度均對黃土擊實特性有影響，但模數(shù)對黃土擊實特性的影響較波美度更顯著. 模數(shù)降低、波美度增加，其實質(zhì)都是使水玻璃中有效成分Na2O·nSiO2含量增多. Na2O·nSiO2作為可溶性的硅酸鹽，其含量增多，使土體中離子濃度增大，擴散層厚度變薄，土顆粒結(jié)合水能力降低，一方面導(dǎo)致可塑性降低，最優(yōu)含水率下降，另一方面土粒間阻力減小，壓實時土粒易于移動擠緊，孔隙減小，最大干密度提高.

3 固化黃土的強度特性

3.1 固化黃土的無側(cè)限抗壓強度

采用CMT5504電子萬能材料試驗機測試試樣養(yǎng)護28 d后的無側(cè)限抗壓強度，加載速率為0.5 mm/min. 無側(cè)限抗壓強度與水玻璃模數(shù)、波美度的關(guān)系見圖3、4.

圖3 固化土抗壓強度與水玻璃模數(shù)的關(guān)系Fig.3 Relationships between the compressive strength of solidified soil and modulus of sodium silicate

由圖3可見，3種波美度的固化黃土，其抗壓強度均隨模數(shù)的升高而降低；相同模數(shù)下，波美度越高，其抗壓強度越高，最高提升了159.22%；相同模數(shù)下，25～30°Bé時，抗壓強度的提高幅度大于20～25°Bé.

小克里姆林宮既然是沙俄時代阿斯特拉罕衙署所在地，這里同樣也發(fā)生了諸多與留居伏爾加河的卡爾梅克人相關(guān)的政治大事，諸如：

由圖4可見，3種模數(shù)的固化黃土，其抗壓強度均隨波美度的增加而提高，最高強度達3.42 MPa；25～30°Bé段抗壓強度增長率大于20～25°Bé段；同一波美度下，模數(shù)越低，抗壓強度越高，最高提升了102.74%.

圖4 固化土抗壓強度與水玻璃波美度的關(guān)系Fig.4 Relationships between the compressive strength of solidified soil and Baume degree of sodium silicate

3.2 固化黃土的抗剪強度

采用ZJ型應(yīng)變控制式直剪儀測試試樣養(yǎng)護28 d后的抗剪強度，采用快剪，剪切速度為0.8 mm/min，垂直壓力設(shè)為100、200、300、400 kPa. 固化黃土的黏聚力、內(nèi)摩擦角與水玻璃模數(shù)、波美度的關(guān)系見圖5、6.

由圖5可見，3種波美度的固化土，黏聚力均隨模數(shù)的增加而降低；模數(shù)為2.0～3.2時，黏聚力降低幅度變?。煌荒?shù)下，波美度越高，黏聚力越高，但波美度為20、25°Bé時黏聚力相近，30°Bé時黏聚力有較大提升. 內(nèi)摩擦角隨著模數(shù)的變化規(guī)律不顯著，在10°范圍內(nèi)波動，表明模數(shù)對內(nèi)摩擦角影響不大.

圖5 固化土抗剪強度指標(biāo)與水玻璃模數(shù)的關(guān)系Fig.5 Relationships between the shear strength index of solidified soil and modulus of sodium silicate

由圖6可見，3種模數(shù)的固化土，黏聚力均隨波美度的增加而升高，且25～30°Bé時，黏聚力提高幅度更大，最大黏聚力為548.17 kPa；同一波美度下，模數(shù)越低，黏聚力越高，但模數(shù)為2.0、3.2時黏聚力相近，模數(shù)為1.5時提升較大. 內(nèi)摩擦角則隨著波美度的增加先增加后減小，波動范圍10°以內(nèi)，說明波美度對內(nèi)摩擦角影響不大.

圖6 固化土抗剪強度指標(biāo)與水玻璃波美度的關(guān)系Fig.6 Relationships between the shear strength index of solidified soil and Baume degree of sodium silicate

4 固化黃土的崩解性和吸水性

4.1 固化黃土的崩解性

提高水理特性是黃土固化應(yīng)用的主要目標(biāo)之一. 崩解試驗結(jié)束后，僅模數(shù)為3.2、波美度為20°Bé的固化黃土崩解破壞，其余試樣均未崩解破壞. 各試樣的崩解曲線(崩解率- 時間曲線)見圖7，其中崩解率是指土樣崩解過程中崩解掉落部分土體(崩解體)質(zhì)量與土樣未開始崩解前的質(zhì)量之比，計算方法為

(1)

式中：Dt是指崩解過程中，任意時刻土體的崩解率，%；Md是指崩解掉落部分土體質(zhì)量，g；Ms是指土樣未開始崩解前的質(zhì)量，g；Mud是指未崩解部分土體質(zhì)量，g.

由圖7(a)可見，破壞試樣崩解曲線與其他試樣存在明顯差別，在前2 min，試樣大量吸水并逸出氣泡，使崩解率急速下降，試驗浸濕，而后試樣軟化，并在20 min后以鱗片狀崩解解離，直至120 min左右崩解結(jié)束，但試樣并未徹底崩解為淤泥狀或黏流黏塑狀，內(nèi)部存在部分未解離的土體，形成崩解核.

對于未崩解破壞的試樣，崩解曲線趨勢相近，見圖7(b)，均在前15 min內(nèi)因吸水使崩解率下降，而后崩解率基本保持不變. 但各試樣最終穩(wěn)定的崩解率與浸濕階段持續(xù)時間(崩解速率)存在差別.

圖7 不同模數(shù)、波美度水玻璃固化黃土的崩解曲線Fig.7 Disintegration curve of sodium silicate solidified loess with different moduli and Baume degrees

土體崩解是土體(土顆粒)受到的崩解力大于其與母體的連接力所致. 模數(shù)為3.2、波美度為20°Bé的固化黃土其崩解過程中崩解力占優(yōu)，因而崩解破壞，但地聚物凝膠改善了土體的膠結(jié)狀態(tài)，使其仍具備一定的黏聚力，并形成了崩解核，最終崩解率未達100%也源于此. 對于其他試樣，由于水玻璃模數(shù)更低、波美度更高，堿激發(fā)粉煤灰形成了更多的地聚物凝膠，土體間連接力更強，使土體崩解脫落變得相對困難. 此外，浸入土體內(nèi)的水，既可削弱土顆粒間的膠結(jié)力，對結(jié)構(gòu)產(chǎn)生破壞作用，同時又能促進未水化粉煤灰進一步反應(yīng)，對土體結(jié)構(gòu)具有積極作用. 水對土體的侵蝕破壞與對未反應(yīng)粉煤灰的二次堿激發(fā)作用并存，但由于土顆粒被大量地聚物凝膠包裹，其破壞作用小于粉煤灰二次堿激發(fā)作用與地聚物凝膠對土體連接力的改善作用，故土樣崩解性減弱.

4.2 固化黃土的吸水性

為了更全面體現(xiàn)水玻璃模數(shù)、波美度對固化黃土水理特性的影響，參照《工程巖體試驗方法標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T 50266—2013)對崩解性較弱的各試樣進行吸水性試驗，試驗結(jié)果見表4.

表4 不同模數(shù)、波美度水玻璃固化黃土的吸水率

由表4可見，不同模數(shù)的固化黃土，其自然吸水率、飽和吸水率均隨水玻璃波美度的升高而降低. 不同波美度的固化黃土，其自然吸水率、飽和吸水率均隨著水玻璃模數(shù)的增大而升高. 同時，各固化黃土試樣，其飽和吸水率較自然吸水率高3%左右，相差不大.

水玻璃模數(shù)越小、波美度越高的試樣，由于更多地聚物凝膠的形成，使其內(nèi)部孔(空)隙被凝膠充填，減弱了孔隙發(fā)育度，孔隙率更低，降低了其自然吸水率、飽和吸水率. 同時，地聚物凝膠的存在，減少了土體內(nèi)部的開孔(交聯(lián)孔)，使大孔隙體積減少，形成了更多的微觀孔隙，提高了微觀孔隙的占比[10]，這使得土體在自然吸水條件下幾近飽和，故自然吸水率與飽和吸水率相差不大.

5 微觀結(jié)構(gòu)特征分析

5.1 SEM

采用Apreo S掃描電子顯微鏡進行測試，加速電流30.00 kV，束流大小為0.40 nA. 部分不同模數(shù)、波美度水玻璃固化黃土的SEM圖像見圖8.

1—未反應(yīng)的粉煤灰； 2—凝膠物質(zhì)； 3—土顆粒； 4—粒間孔隙； 5—架空孔隙. 圖8 不同模數(shù)、波美度水玻璃下固化黃土SEM圖像(×1 000)Fig.8 SEM photographs of sodium silicate solidified loess with different moduli and Baume degrees

由圖8可見，不同土樣均含有部分未完全水化的粉煤灰圓珠顆粒，充填在土體孔隙中；凝膠包裹吸附在骨架顆粒周圍，增強了土顆粒間的膠結(jié)作用，減小了大孔隙體積，但各土樣仍不同程度地存在粒間孔隙或架空孔隙.

不同波美度、模數(shù)固化黃土的SEM圖像具有明顯區(qū)別. 強度最低的固化黃土(見圖8(e))中地聚物凝膠較少，存在棱角狀土顆粒，具有明顯的架空孔隙，最大孔徑可達150 μm，粒間孔隙多且連通性較好. 強度最高的固化土樣(見圖8(c))，其骨架顆粒四周有大量凝膠生成，改變了孔隙結(jié)構(gòu)，以粒間孔隙為主，且數(shù)量較少，凝膠包裹在骨架顆粒周圍，使土顆粒間接觸面積增大，相互黏結(jié)為整體，提高了強度.

同一模數(shù)下，隨著水玻璃波美度的升高，土體中凝膠物質(zhì)數(shù)量增多，孔隙由架空孔隙逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)榱ｉg孔隙，土顆粒由棱角狀逐漸過渡為次圓狀，土顆粒因更多凝膠的包裹，骨架顆粒間的膠結(jié)作用得以加強. 同一波美度下，隨著水玻璃模數(shù)的降低，具有上述類似的變化. 凝膠物質(zhì)改善了土體孔隙結(jié)構(gòu)，使土骨架顆粒接觸面積增大，凝膠物質(zhì)對土顆粒的包裹作用及其數(shù)量是影響固化黃土強度的主因.

5.2 BET

采用ASAP 2020M和TriStar Ⅱ 3020型物理吸附儀在90 ℃進行氮氣吸脫附測試，吸脫附時間為12 h. 不同模數(shù)、波美度水玻璃固化黃土微結(jié)構(gòu)參數(shù)見表5，BJH法dV/dD孔徑分布見圖9.

圖9 不同模數(shù)、波美度水玻璃下固化黃土的孔徑分布Fig.9 Pore size distribution of sodium silicate solidified loess with different moduli and Baume degrees

從表5可以看出，同一模數(shù)下，土樣比表面積隨波美度的提高而增大，平均增幅為29.78%，平均孔徑隨波美度的提高而減小，平均降幅為10.10%；同一波美度下，土樣比表面積隨模數(shù)的減小而增大，平均增幅為60.39%，平均孔徑隨模數(shù)的減小而降低，平均降幅為29.60%，表明模數(shù)對固化土孔隙結(jié)構(gòu)的影響較波美度更顯著，而孔隙體積則變化不大，為0.014 cm3/g左右.

表5 不同模數(shù)、波美度水玻璃固化黃土孔隙結(jié)構(gòu)參數(shù)

由圖9可見，固化黃土的孔徑分布圖趨勢相近，均為單峰分布，孔徑分布相對均勻，集中在2～32 nm區(qū)間，以介孔為主，且最可幾孔徑(峰值孔徑)均為4 nm左右. 同時，水玻璃模數(shù)越低、波美度越高，固化黃土2～4 nm孔徑的孔體積越大，表明形成了更多小于4 nm的孔隙.

6 機理分析

水玻璃模數(shù)越低、波美度越高，其水解過程使OH-、Na+的濃度增加，堿性環(huán)境增強，提高了粉煤灰的溶解度，使更多活性SiO2、Al2O3參與反應(yīng)，生成的硅鋁酸鈉等凝膠產(chǎn)物增多，膠結(jié)作用進一步加強，改善了孔隙結(jié)構(gòu)，土體抗壓強度和黏聚力得以提高. 對于內(nèi)摩擦角，凝膠產(chǎn)物的增多使土顆粒間咬合作用變得緊密，內(nèi)摩擦角增大；但離子濃度增加，擴散層厚度變薄，水的潤滑作用增強，土顆粒間滑動摩擦力減小，內(nèi)摩擦角減小，土體內(nèi)摩擦角變化不大正是兩方面平衡的結(jié)果.

7 結(jié)論

1) 水玻璃對固化黃土的擊實特性影響顯著，隨模數(shù)降低、波美度增大，固化黃土最優(yōu)含水率線性降低、最大干密度增加，且模數(shù)較波美度對擊實特性的影響更顯著.

2) 隨著水玻璃模數(shù)降低、波美度增大，水玻璃堿激發(fā)粉煤灰基地聚物固化黃土的抗壓強度增大，最高為3.42 MPa，黏聚力增大，最高為548.17 kPa.

3) 水玻璃模數(shù)越低、波美度越大，地聚物固化黃土的崩解性越弱(僅模數(shù)為3.2、波美度為20°Bé的固化黃土崩解破壞)，自然吸水率、飽和吸水率越低.

4) 微觀結(jié)構(gòu)上，水玻璃堿激發(fā)粉煤灰生成的硅鋁酸鈉等凝膠產(chǎn)物包裹充填于土顆粒間，相互膠結(jié)形成空間網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，改善了孔徑分布與孔隙結(jié)構(gòu). 水玻璃模數(shù)越小、波美度越高，固化黃土的平均孔徑越小，比表面積越大，2～4 nm的納米級孔隙體積越大.