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        ?;郀t礦渣微粉固化淤泥質(zhì)土的動力特性及微觀機(jī)理

        2021-08-10 01:39:34喬京生王旭影王冠泓趙建業(yè)
        硅酸鹽通報 2021年7期

        喬京生,王旭影,王冠泓,趙建業(yè)

        (1.唐山學(xué)院土木工程學(xué)院,唐山 063000;2.唐山市復(fù)雜巖土與工業(yè)廢渣再生利用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,唐山 063000; 3.中國建筑科學(xué)研究院,北京 100013;4.河北省地礦局第五地質(zhì)大隊(duì),唐山 063000)

        0 引 言

        淤泥質(zhì)土廣泛分布于我國沿海、河流和湖泊地區(qū),具有黏粒含量高、含水量高、孔隙比大、壓縮性高、強(qiáng)度低等特點(diǎn),在作為地基土使用之前,需要經(jīng)過加固處理,才能達(dá)到地基承載和變形要求[1-2]。目前最常用的軟土固化劑是水泥,國內(nèi)外學(xué)者對水泥土展開了許多研究[3-5],并且在此基礎(chǔ)上開發(fā)了多種水泥系固化劑[6-7],使水泥固化土的效果得到顯著提高。水泥加固法在強(qiáng)度上可以達(dá)到使用要求,但成本較高,并且水泥在生產(chǎn)過程中消耗大量的能量和資源,環(huán)境污染嚴(yán)重。

        唐山是鋼鐵產(chǎn)量巨大的重工業(yè)城市,?;郀t礦渣是煉鐵過程中產(chǎn)生的工業(yè)廢棄物,其大量堆積,利用率非常低。?;郀t礦渣微粉(ground granulated blast-furnace slag, GGBS),具有潛在的水化活性,水化產(chǎn)物與水泥相同[8],近年來得到國內(nèi)外學(xué)者的廣泛關(guān)注[9-11]。張大捷等[12]以礦渣膠凝材料固化黏土、砂土兩種軟土,發(fā)現(xiàn)礦渣膠凝材料加固軟土的效果遠(yuǎn)好于水泥、石灰。周世宗等[13]以水泥為基礎(chǔ),分別以礦渣、粉煤灰換摻水泥對軟土進(jìn)行固化處理,發(fā)現(xiàn)礦渣對水泥的換摻效果明顯,固化能力優(yōu)于水泥。因此,將GGBS應(yīng)用于軟土加固中,不僅可以把工業(yè)廢料作為新型材料應(yīng)用到地基處理中,還可以解決浪費(fèi)資源、占地污染等問題。

        另外,軟土在循環(huán)荷載作用下的沉降和變形問題也日益突出。研究GGBS固化土在動荷載作用下的動力特性有著十分重要的意義,而針對GGBS固化土動力特性方面的研究尚屬空白?;诖?,本文以唐山豐南淤泥質(zhì)土為研究對象,用不同摻量的GGBS對其進(jìn)行固化處理,利用動三軸試驗(yàn),確定最優(yōu)摻量,并分析最優(yōu)摻量固化土在不同圍壓下的動強(qiáng)度、動彈性模量和動阻尼比的變化規(guī)律,最后利用SEM和EDS分析固化土的微觀結(jié)構(gòu)和成分變化,揭示其固化機(jī)理。

        1 實(shí) 驗(yàn)

        1.1 材 料

        試驗(yàn)所用土取自唐山市豐南區(qū)黑沿子水門東南部某工程地基淤泥質(zhì)土,埋深約5~6 m,含水量高,強(qiáng)度低,呈流塑狀態(tài)。由常規(guī)室內(nèi)土工試驗(yàn)測定該淤泥質(zhì)土的各項(xiàng)基本物理力學(xué)參數(shù)指標(biāo),見表1。

        表1 唐山豐南淤泥質(zhì)土的物理力學(xué)參數(shù)Table 1 Physical and mechanical parameters of muddy clay in Fengnan area of Tangshan

        礦渣是從煉鐵高爐中排出的,以硅酸鹽和鋁酸鹽為主要成分,經(jīng)淬冷成粒后粉磨,便形成GGBS。試驗(yàn)所用的GGBS來自Harsco公司(唐山),型號為S95級,呈灰白色粉末,化學(xué)組成見表2,密度為2.9 g/cm3,桶裝塑封運(yùn)至試驗(yàn)室,干燥通風(fēng)處保存。GGBS中CaO和SiO2含量最高,Al2O3次之。

        表2 GGBS的主要化學(xué)組成Table 2 Main chemical composition of GGBS

        1.2 試驗(yàn)方法

        將現(xiàn)場取回的淤泥質(zhì)土進(jìn)行充分晾曬,磨碎,過2 mm直徑標(biāo)準(zhǔn)篩。制作試樣時,將干土與GGBS攪拌均勻,加入普通自來水,加水量取總干質(zhì)量的30%,控制淤泥質(zhì)土干密度(ρd=1.3 g/cm3)保持不變,采用分層擊實(shí)的方法控制試樣密度。試樣為高度80 mm、直徑39.1 mm的圓柱體。

        動三軸試驗(yàn)參考《土工試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T 50123—2019)[14],在唐山市復(fù)雜巖土與工業(yè)廢渣再生利用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行。采用英國GDS動三軸試驗(yàn)系統(tǒng)(DYNTTS),主要由微機(jī)數(shù)據(jù)采集處理器、軸向壓力傳感器、圍壓控制器、反壓控制器、氣壓控制器組成,可施加正弦波、三角形波、方波和自定義波形,獲取多種類型的動力參數(shù)。試樣飽和選擇真空泵抽氣飽和,真空抽氣3 h以上,水中靜置24 h,再在動三軸內(nèi)循環(huán)無氣水反壓飽和,直到孔隙水壓力參數(shù)B大于0.95。固結(jié)方式為均壓固結(jié),固結(jié)比設(shè)定為1.0,固結(jié)時間為16 h。在固結(jié)不排水的條件下對試樣施加正弦波循環(huán)荷載,荷載頻率為1 Hz。圍壓取50 kPa、100 kPa、150 kPa。累積軸向應(yīng)變達(dá)5%作為試樣破壞標(biāo)準(zhǔn)。掃描電鏡(SEM)試驗(yàn)采用FEI QUANTA FEG 250掃描電子顯微鏡,觀察不同放大倍數(shù)下土體的微觀結(jié)構(gòu)變化,并利用儀器附帶的EDAX能譜儀,進(jìn)行能譜測試,分析其元素含量變化。

        試驗(yàn)的總體思路為,首先通過比較不同摻量GGBS固化土和淤泥質(zhì)土的動強(qiáng)度,確定最優(yōu)摻量,然后對最優(yōu)摻量固化土和淤泥質(zhì)土試樣進(jìn)行不同圍壓下的動強(qiáng)度、動彈性模量和動阻尼比的測試分析,以及SEM測試和EDS測試分析。

        2 動力特性分析

        2.1 GGBS最優(yōu)摻量

        GGBS摻量指GGBS質(zhì)量與總干質(zhì)量(GGBS和干土質(zhì)量)的比。在水泥土攪拌樁的實(shí)際施工中,我國規(guī)范規(guī)定水泥的摻量必須大于7%(質(zhì)量分?jǐn)?shù),下同),同時水泥土攪拌樁處理淤泥質(zhì)土路基時,水泥摻量的國際標(biāo)準(zhǔn)往往是在15%~20%之間,本次試驗(yàn)選擇GGBS最大摻量不超過20%,選取為0%、5%、10%、15%、20%(見表3)。

        表3 試樣中GGBS摻量Table 3 Mixing ratio of GGBS in the sample

        不同GGBS摻量的固化土與淤泥質(zhì)土的動抗剪強(qiáng)度曲線如圖1所示。不同摻量固化土的動強(qiáng)度明顯大于淤泥質(zhì)土,且隨著GGBS摻量的增加,固化土的動強(qiáng)度有增大趨勢。GGBS摻量為5%、10%、15%時,固化土動強(qiáng)度相差較小,增大不明顯,而摻量為20%時,固化土動強(qiáng)度呈臺階式增大。摻入GGBS有利于增強(qiáng)淤泥質(zhì)土的動強(qiáng)度,試驗(yàn)選擇20%GGBS摻量的固化土為重點(diǎn)研究對象展開動力特性和微觀機(jī)理研究。

        圖1 不同GGBS摻量的固化土與淤泥質(zhì)土的 動抗剪強(qiáng)度曲線Fig.1 Dynamic shear strength curves of solidified clay with different GGBS content and muddy clay

        2.2 動強(qiáng)度

        對20%摻量的GGBS固化土和淤泥質(zhì)土,分別進(jìn)行50 kPa、100 kPa、150 kPa三種不同圍壓下動強(qiáng)度試驗(yàn),動抗剪強(qiáng)度曲線如圖2所示。圍壓越大,土體整體抵抗外部荷載的能力越強(qiáng)。增加圍壓時,20%摻量的固化土和淤泥質(zhì)土的動強(qiáng)度都隨著圍壓的增加而增大,而淤泥質(zhì)土動強(qiáng)度增幅基本保持不變,固化土動強(qiáng)度增幅變大。這是由于:土體在初始松散狀態(tài)時,圍壓增大,顆粒間孔隙縮小,當(dāng)圍壓增大到一定程度后,淤泥質(zhì)土孔隙變化空間較小,土體強(qiáng)度增幅緩慢,基本保持不變;而對于固化土,GGBS顆粒可以較好地填補(bǔ)淤泥質(zhì)土顆粒間的孔隙,顆粒級配、填充效果變好,使得土體強(qiáng)度增幅變大。另外,相同圍壓下,固化土動強(qiáng)度是淤泥質(zhì)土的2~4倍,增大45~60 kPa,摻入20%GGBS后,固化土動強(qiáng)度特性顯著提高。

        圖2 不同圍壓下20%GGBS固化土和淤泥質(zhì)土的動抗剪強(qiáng)度曲線Fig.2 Dynamic shear strength curves of 20% GGBS solidified clay and muddy clay under different confining pressures

        2.3 動彈性模量

        圖3為50 kPa、100 kPa、150 kPa三種不同圍壓下20%摻量的GGBS固化土和淤泥質(zhì)土的動彈性模量-軸向應(yīng)變曲線,可以看出,動彈性模量隨應(yīng)變的增加而減小,隨固結(jié)圍壓的增加而增大。動荷載初期,動彈性模量衰減迅速,不同圍壓下動彈性模量差別較大,應(yīng)變達(dá)到一定數(shù)值后,動彈性模量衰減逐漸變緩,不同圍壓下動彈性模量差別變小,土體達(dá)到破壞標(biāo)準(zhǔn)時,動彈性模量衰減接近0 MPa。

        圖3 不同圍壓下20%GGBS固化土和淤泥質(zhì)土的動彈性模量曲線Fig.3 Dynamic elastic modulus curves of 20% GGBS solidified clay and muddy clay under different confining pressures

        基于Hardin等[15]提出的雙曲線模型:

        (1)

        式中:σd為動應(yīng)力;εd為動應(yīng)變;a、b為土體性質(zhì)有關(guān)參數(shù)。

        依據(jù)關(guān)系曲線可以得到循環(huán)荷載作用下土體的最大動彈性模量Edmax:

        (2)

        基于試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行回歸分析,擬合參數(shù)a、b數(shù)值,計(jì)算最大動彈性模量(見表4)。相同圍壓下,20%固化土動彈性模量最大值是淤泥質(zhì)土的3~4倍,說明GGBS增強(qiáng)了土體的穩(wěn)定狀態(tài),從而表現(xiàn)為動彈性模量的增加。

        表4 動模量曲線參數(shù)擬合Table 4 Parameter fitting of dynamic elastic modulus curve

        2.4 動阻尼比

        阻尼比λ是衡量淤泥質(zhì)土對能量吸收能力的參數(shù)。根據(jù)Hardin等[15]的研究,阻尼作用可以用等效滯回阻尼比來表征,但滯回曲線并不完全閉合,需進(jìn)行人為“縫合”。具體算法如式(3)所示:

        (3)

        式中:AL為應(yīng)力-應(yīng)變滯回圈面積;AT為滯回圈中心點(diǎn)、應(yīng)力應(yīng)變值最大點(diǎn)與應(yīng)變坐標(biāo)軸連線形成的三角形面積。

        不同有效固結(jié)圍壓條件下,20%摻量的GGBS固化土和淤泥質(zhì)土的動阻尼比-軸向應(yīng)變曲線如圖4所示。土體動阻尼比隨著軸向應(yīng)變的增加而增大,隨圍壓的增大而減小。當(dāng)圍壓增大時,土體顆粒之間的接觸更加緊密,波在傳播的過程中能量消耗減少,從而表現(xiàn)為動阻尼比的減小。相同圍壓下,對比20%摻量的GGBS固化土和淤泥質(zhì)土的動阻尼比。50 kPa圍壓下,固化土動阻尼比介于0.006~0.200之間,淤泥質(zhì)土動阻尼比介于0.005~0.210之間;100 kPa圍壓下,固化土動阻尼比介于0.006~0.150之間,淤泥質(zhì)土動阻尼比介于0.009~0.190之間;150 kPa圍壓下,固化土動阻尼比介于0.003~0.120之間,淤泥質(zhì)土動阻尼比介于0.010~0.160之間。相同圍壓下,與淤泥質(zhì)土相比,固化土的動阻尼比減小,100 kPa和150 kPa圍壓下動阻尼比的減小尤為明顯。摻入GGBS后,土體顆粒之間的聯(lián)結(jié)更加緊密,減少了能量的消耗。

        3 微觀結(jié)構(gòu)分析

        對20%摻量的GGBS固化土和淤泥質(zhì)土進(jìn)行SEM試驗(yàn),觀察不同放大倍數(shù)下土體的微觀結(jié)構(gòu)變化,SEM照片如圖5所示。中低倍數(shù)放大時,固化土和淤泥質(zhì)土微觀結(jié)構(gòu)雖有差異但并不明顯(見圖5(a)、(d));10 000倍以上放大后,兩者微觀結(jié)構(gòu)差異凸顯(見圖5(b)、(c)、(e)、(f))。從放大10 000倍和20 000倍的SEM照片中,可以清楚地看出:淤泥質(zhì)土顆粒成不規(guī)則片狀,顆粒大小不均勻,骨架松散,孔隙發(fā)育且直徑較大;而固化土顆粒成團(tuán)聚狀,片狀結(jié)構(gòu)不再那么明顯,顆粒趨于聚集成團(tuán),顆??倲?shù)量減少,顆粒直徑明顯增大,孔隙明顯減小。圖5(e)和圖5(f)中絮狀物質(zhì)為水化硅酸鈣(C-S-H)。GGBS中的SiO2具有潛在活性,與水接觸后,形成了C-S-H,大量水化產(chǎn)物包裹在土顆粒周圍,起到粘結(jié)作用,形成較大的顆粒團(tuán)簇,顆粒間的孔隙大大降低,土體變得相對致密,強(qiáng)度得以提高。

        20%摻量的GGBS固化土和淤泥質(zhì)土的EDS能譜如圖6所示,對比發(fā)現(xiàn),固化土中鈣元素的含量明顯增加。這主要是因?yàn)镚GBS中含有38.35%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))的CaO,摻入到淤泥質(zhì)土中后,土體中Ca2+含量大大提高。大量的Ca2+與黏土顆粒擴(kuò)散層的Na+、K+發(fā)生離子交換,由于Ca2+半徑較小,使雙電層中的擴(kuò)散層厚度減小,結(jié)合水減少,從而增強(qiáng)了土顆粒之間的結(jié)合力,使大量的土顆粒形成較大的顆粒團(tuán),即發(fā)生離子交換團(tuán)?;饔?。土顆粒的內(nèi)摩擦角變大,土體的強(qiáng)度也隨之提高。

        圖6 20%GGBS固化土和淤泥質(zhì)土的EDS能譜Fig.6 EDS patterns of 20% GGBS solidified clay and muddy clay

        4 結(jié) 論

        (1)不同摻量的GGBS固化土的動強(qiáng)度明顯大于淤泥質(zhì)土,隨著GGBS摻量的增加,固化土的動強(qiáng)度增大,當(dāng)摻量為20%時,固化土動強(qiáng)度呈臺階式增大,20%為最優(yōu)的GGBS摻量。

        (2)隨圍壓的增加,20%摻量的GGBS固化土和淤泥質(zhì)土的動強(qiáng)度都增大,淤泥質(zhì)土動強(qiáng)度增幅基本保持不變,固化土動強(qiáng)度增幅變大。相同圍壓下,20%摻量的GGBS固化土動強(qiáng)度約是淤泥質(zhì)土的2~4倍,增大45~60 kPa。動彈性模量隨動應(yīng)變的增加而減小,隨固結(jié)圍壓的增加而增大?;谠囼?yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行回歸分析,計(jì)算最大動彈性模量。相同圍壓下,20%摻量的GGBS固化土動彈性模量最大值是淤泥質(zhì)土的3~4倍。動阻尼比隨著軸向應(yīng)變的增加而增大,隨圍壓的增大而減小。相同圍壓下,與淤泥質(zhì)土相比,20%摻量的GGBS固化土的動阻尼比減小,100 kPa和150 kPa圍壓下動阻尼比的減小尤為明顯。

        (3)SEM照片顯示,20%摻量的GGBS固化土顆粒成團(tuán)聚狀,顆粒表面附著絮狀物質(zhì)為水化硅酸鈣,大量水化產(chǎn)物包裹在土顆粒周圍,起到粘結(jié)作用,形成較大的顆粒團(tuán)簇,顆粒間的孔隙大大降低,土體變得相對致密,強(qiáng)度得以提高。EDS能譜顯示,土體中Ca2+含量大大提高,大量的Ca2+與黏土顆粒擴(kuò)散層的Na+、K+發(fā)生離子交換團(tuán)粒化作用,從而增強(qiáng)了土顆粒之間的結(jié)合力,土顆粒的內(nèi)摩擦角變大,土體的強(qiáng)度也隨之提高。

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