李曉麗，趙曉澤，申向東

（內蒙古農業(yè)大學水利與土木建筑工程學院，呼和浩特 010018）

0 引 言

砒砂巖是一種松散巖層，集中分布于黃土高原北部晉陜蒙接壤地區(qū)，砒砂巖為陸相碎屑巖系，由于其上覆巖層厚度小、壓力低，造成其成巖程度低、砂粒間膠結程度差、結構強度低，遇水成泥、遇風成砂，極易發(fā)生水土流失，給地區(qū)生態(tài)環(huán)境造成巨大的破壞。

多年來，砒砂巖的基礎研究工作從砒砂巖區(qū)侵蝕機理探究到工程治理等[1-3]方面持續(xù)深入，對該地區(qū)的生態(tài)環(huán)境恢復起到了至關重要的作用。然而，不僅要加強砒砂巖侵蝕治理，還可將砒砂巖作為潛在資源加以利用，例如開發(fā)砒砂巖水泥土，將其作為道路鋪設、田間排水或輸水工程材料，使其廣泛用于路基基層、渠道襯砌、土壩護坡等，將廢棄松散砒砂巖大量利用于實際工程，也是實現(xiàn)高效地治理砒砂巖區(qū)水土流失的有效手段[4-6]。目前針對砒砂巖的水蝕潰散、吸水膨脹等特點[7]，鄔尚贇等[8-9]研究了不同水泥摻量的砒砂巖水泥土力學性能及耐久性；董晶亮等[10]通過堿激發(fā)法并摻入適量的礦粉，將砒砂巖轉變成力學性能較好的改性礦粉/砒砂巖復合材料，為松散砒砂巖的工程應用提供理論支撐。

水泥作為膠凝材料，在生產(chǎn)過程中耗能高污染嚴重，而地聚合物材料因生產(chǎn)能耗低、二氧化碳排放量少，具有優(yōu)良的機械性能[11]，有取代普通水泥的可能和可利用礦物廢物作為原料的特點。地聚合物是以天然礦物、固體廢棄物以及人工硅鋁化合物等為原料，通過強堿作用和晶格重構等聚合作用而形成的，以無機硅氧四面體和鋁氧八面體為主要成分，同時在空間上具有三維網(wǎng)狀結構的新型膠凝材料[12]。自Davidovits[13]利用堿激發(fā)硅鋁酸鹽技術研制出第一批無機防火材料替代有機聚合物樹脂以來，地聚合物材料已經(jīng)廣泛應用于混凝土道路、地下溝槽及住宅樓等工程項目。

在中國晉陜蒙地區(qū)分布著大量的煤系高嶺土，其中以內蒙古準格爾煤田的資源較多。偏高嶺土基地質聚合物應用最為廣泛。國內外學者研究表明，偏高嶺土可顯著提高水泥土力學強度及抗?jié)B性能，且當摻量為3%時水泥土性能較優(yōu)[14-16]。Nailia等[17-18]探究了堿激發(fā)偏高嶺土主要的產(chǎn)物、生成過程以及堿激發(fā)偏高嶺土中凝膠物質向沸石晶體轉化的過程及機理。彭暉等[19-21]對不同堿激發(fā)條件對地聚合物的影響機制及影響效果進行深入解析。以上研究均表明，采用堿激發(fā)方法有助于提高偏高嶺土基地聚合物的力學性能。

目前采用水泥固化砒砂巖已有較多的研究成果[8-9,22]，但合理利用低碳環(huán)保地聚物材料固化砒砂巖研究較少，并缺乏機理性深入分析。本文以砒砂巖為主體，利用鄂爾多斯準格爾地區(qū)偏高嶺土，借助堿激發(fā)手段以提高砒砂巖地聚物水泥復合土力學性能。探究了不同溫度及不同堿當量對其力學性能影響，并對其反應生成物及反應機理進行深入分析，確定堿激發(fā)砒砂巖地聚物水泥復合土的最優(yōu)配比，以期為其在實際工程中的應用提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗原材料

本試驗所用砒砂巖為內蒙古鄂爾多斯地區(qū)紅色砒砂巖，根據(jù)X-射線衍射（XRD）圖譜計算其礦物組成主要為石英及斜長石，占比達90%以上，其余礦物為蒙脫石、云母等物質。將所取土樣敲碎碾壓自然風干后過2.36 mm孔篩備用。偏高嶺土選用內蒙古超牌煅燒偏高嶺土有限公司生產(chǎn)的1 250目（粒徑10μm）高活性偏高嶺土，呈白色粉末狀，主要化學成分為Al2O3和SiO2，其含量達95%以上。XRD分析如圖1，圖中僅有明顯的石英（SiO2）相和少量的Ti0.72O2相，以及在15°～30°之間出現(xiàn)明顯的饅頭峰，表明偏高嶺土中主要為無定形態(tài)的物相。

1.2 試驗方案

本試驗水泥摻量為12%（選用冀東P·O42.5普通硅酸鹽水泥），偏高嶺土摻量為3%，堿激發(fā)劑選用模數(shù)為1.2的Na2SiO3。堿當量（堿的含量，以Na2O占凝膠質量分數(shù)計）過低時不足以激發(fā)地聚物活性，而過高時易使材料發(fā)生泛堿現(xiàn)象，影響結構穩(wěn)定，且在拌和過程中易導致原料粘稠，拌合不均勻，經(jīng)拌和試驗得知堿當量一般不應超過3%。為進一步對比堿對砒砂巖地聚物水泥復合土的作用機理，設置堿當量（以Na2O占膠凝材料質量分數(shù)計）分別為0、0.5%、1.0%、1.5%、2.0%和2.5%。依據(jù)《公路工程無機結合料穩(wěn)定材料試驗規(guī)程》（JTG E51—2009），采用北京中科路建儀器設備有限公司生產(chǎn)的DZY-2型數(shù)控多功能電動擊實儀對水泥摻量12%、偏高嶺土摻量3%砒砂巖地聚物水泥復合土進行擊實，來確定其最優(yōu)含水率和最大干密度。根據(jù)擊實試驗得到最大干密度的變化范圍為1.857～1.903 g/cm3，試驗取1.88 g/cm3；最優(yōu)含水率的變化范圍為13.10%～13.74%，試驗取13.42%。具體試驗方案及配比如表1所示。

表1 試驗方案及材料配比Table 1 Experimental scheme and material ratio

將試驗原料按指定配比裝入攪拌機充分攪拌均勻，后將攪拌后原料裝入鋼模中通過壓力成型制成φ50 mm×50 mm試塊。分別置于滄州路達建筑儀器制造公司生產(chǎn)的YH-90B型標準恒溫恒濕養(yǎng)護箱和上海滬升試驗儀器廠生產(chǎn)的H/GDWJS-100型高低溫交變濕熱試驗箱中進行堿激發(fā)，相對濕度為95%。地聚物的堿激發(fā)效果在高溫條件下會有快速的提升[23]，但過高的溫度會導致施工成本的增加，結合目前技術手段，綜合分析堿激發(fā)機理，將激發(fā)溫度分別設置為室溫（20 ℃）、60、80和100 ℃，激發(fā)時間為12 h，后移至標準養(yǎng)護箱養(yǎng)護3、7、28和60 d。

1.3 試驗方法

采用WDW-100M型萬能材料試驗機分別對3、7、28和60 d齡期試樣進行無側限抗壓強度試驗，測定其抗壓強度，加載速率采用2 mm/min，每組選擇3個平行試塊。除強度外，利用壓汞儀測試砒砂巖地聚物水泥復合土孔隙結構時變特征。利用X射線衍射對不同試塊衍射峰強度進行對比，分析不同試塊晶體物質的組成及相對含量。利用傅里葉變換紅外光譜對反應后產(chǎn)物進行原子結構分析，根據(jù)不同試塊的紅外光譜吸收峰揭示其化學反應機理。同時結合掃描電鏡進一步觀測其化學反應產(chǎn)物及微觀結構變化。

壓汞試驗選用美國MICROMERITICS公司生產(chǎn)的AutoPoreIV9500全自動壓汞儀；XRD測試采用日本理學Ultima IV組合型多功能水平X射線衍射儀；掃描電鏡采用美國FEI公司Quanta 250 FEG型場發(fā)射掃描電鏡；紅外光譜采用美國Thermo fisher Nicolet iS5 型傅立葉變換紅外光譜儀。

2 結果與分析

2.1 宏觀力學特性

2.1.1 堿當量對砒砂巖地聚物水泥復合土強度的影響

圖2 為不同齡期的砒砂巖地聚物水泥復合土試塊強度隨堿當量變化的關系。在早期（圖2a），隨著堿當量增加，試塊強度總體呈現(xiàn)增長趨勢，但增長速率不大，齡期達到7 d后，強度總體呈現(xiàn)先增大后減小趨勢，多數(shù)情況在堿當量為2%時試塊強度達到最大。同時隨著齡期的增加，堿當量對砒砂巖地聚物水泥復合土強度影響作用增強，試塊強度增長速度加快。綜合圖2各齡期的強度可見，在激發(fā)溫度80 ℃、堿當量2%時試塊強度出現(xiàn)明顯增強，此時強度為8.23 MPa。以28 d齡期砒砂巖地聚物水泥復合土為例，相對于未摻入堿的試塊，20、60、80、100 ℃堿激發(fā)條件2%的堿當量試塊強度分別提升18.21%、14.03%、32.95%、11.97%。

2.1.2 激發(fā)溫度對砒砂巖地聚物水泥復合土強度的影響

圖3 為不同齡期砒砂巖地聚物水泥復合土試塊在不同堿當量條件下抗壓強度隨堿激發(fā)溫度變化關系，從圖中可以看出，堿激發(fā)溫度能夠明顯改變試塊的抗壓強度。在試塊早期（圖3a、b），當堿激發(fā)溫度小于80 ℃時，隨著溫度升高，試塊強度不斷增大，當堿激發(fā)溫度超過80 ℃以后，試塊強度增長緩慢甚至出現(xiàn)下降。隨著齡期的增長（圖3c、d），不同堿當量砒砂巖地聚物水泥復合土試塊強度隨溫度變化趨勢出現(xiàn)不同，當堿摻量大于2%時，其強度增長速率在80 ℃最大，當堿激發(fā)溫度超過80 ℃以后，其強度增長趨于緩慢甚至下降。但當堿摻量小于2%時，其強度隨溫度升高總體呈現(xiàn)不斷增長趨勢，當堿激發(fā)溫度超過80 ℃以后，其強度仍然呈現(xiàn)較大的增長趨勢，預測隨著溫度繼續(xù)增大，其強度最終將趨近于80 ℃堿當量為2%時的值，但升高溫度必然造成施工成本大幅度增長，因此認為80 ℃為堿激發(fā)最佳溫度。

2.2 微觀機理分析

為進一步探究堿激發(fā)對砒砂巖地聚物復合土強度的影響，揭示其反應機理及結構響應，以28 d齡期不同堿激發(fā)條件的砒砂巖地聚物水泥復合土為例，進行微觀機理分析。

2.2.1 基于X射線衍射的物相分析

圖4 為80℃激發(fā)溫度下?lián)饺?%堿當量W8A4組與沒有摻堿試塊W8A0組的XRD圖譜，由圖可見，摻堿的砒砂巖地聚物水泥復合土水化產(chǎn)物較不摻堿的出現(xiàn)明顯差異。不摻堿的樣品中可明顯檢測到砒砂巖中蒙脫石（2θ= 6°）、鈉長石、高嶺石、白云母、鉀長石衍射峰。摻入堿后蒙脫石及部分鉀長石衍射峰消失、高嶺石衍射峰減弱，并伴隨著鉀A型沸石、羥基鈣霞石衍射峰的產(chǎn)生。這表明堿的摻入可使得砒砂巖中鉀長石、蒙脫石和石英部分發(fā)生反應，將鉀長石中K+以及鈉長石中Na+溶出，在堿環(huán)境水熱反應條件下，Na+、AlO2-、SiO32-與OH-共同作用生成羥基鈣霞石（1.06Na2O·Al2O3·1.60Si O2·1.60H2O）。這是因為蒙脫石和部分石英在堿的作用下發(fā)生溶蝕[24]，大量的SiO32-和AlO22-被溶出，形成了硅鋁酸鹽凝膠。而偏高嶺土中含有大量的活性SiO2和Al2O3，在堿環(huán)境中，無定形硅鋁酸鹽凝膠以及偏高嶺土中Si-O-Si和Al-O-Al共價鍵發(fā)生斷裂，溶解的單硅酸根和鋁酸根發(fā)生聚合反應生成硅鋁酸鹽三維網(wǎng)狀結構，其中含有SiO4和AlO4四面體，它們通過共享氧離子連接在一起，而金屬陽離子被包含在結構中用來平衡電荷。由于K+比Na+具有更小的離子半徑，因此更容易進入鋁氧四面體平衡電價，所以體系中游離的K+與水化硅鋁酸鹽更能促進礦物聚合反應的發(fā)生，最終聚合生成鉀A型沸石，其結構晶格重組如圖5所示。因砒砂巖中蒙脫石具有較強的吸水膨脹力，劣化砒砂巖地聚物水泥復合土強度及耐久性，而沸石具有吸附性強、熱穩(wěn)定好、強度高等特點，可將體系中毛細孔游離的金屬陽離子進行吸附固化。因此堿的加入可以使砒砂巖地聚物復合土強度以及耐久性得到提升。

進一步分析激發(fā)溫度對砒砂巖地聚物水泥復合土生成物的影響，由圖6可知，不同激發(fā)溫度下砒砂巖地聚物水泥復合土主要生成物質基本一致。但隨著激發(fā)溫度的升高，在2θ=7.2°附近鉀A型沸石（Zeolite-A）的衍射峰逐漸增強。在常溫（20 ℃）激發(fā)條件下，偏高嶺土與堿的化學反應非常緩慢，堿激發(fā)偏高嶺土的主要水化產(chǎn)物為無定型的鋁硅酸鹽凝膠，Yi等[25]將這種水化產(chǎn)物稱為“沸石前驅體（Zeolite Precursor）”，認為沸石是這種水化產(chǎn)物演化的最終形態(tài)。水熱反應條件促進了鋁硅酸鹽凝膠向晶體轉換的過程，并通過一系列縮聚反應最終形成沸石，無定型的鋁硅酸鹽凝膠以及鉀A型沸石為堿激發(fā)偏高嶺土主要產(chǎn)物。溫度升高會加快鋁硅酸鹽凝膠的形成，當溫度超過80 ℃后，溫度繼續(xù)升高又促進鋁硅酸鹽凝膠向沸石晶體轉化。

2.2.2 砒砂巖地聚物水泥復合土FTIR分析

圖7 為28 d齡期不同堿激發(fā)條件下砒砂巖地聚物水泥復合土試塊紅外光譜圖，表2為不同試塊主要吸收峰位置及信息。由表2知，80 ℃堿激發(fā)溫度下，不同堿當量砒砂巖地聚物水泥復合土主要在1、2、3、4、6、7號位置吸收峰出現(xiàn)明顯差異。隨堿當量的增加，1、2號吸收峰譜帶位置逐漸向左偏移，說明SiO2聚合度逐漸減小，這是由于堿的摻入使得砒砂巖中部分SiO2發(fā)生溶解，Si-O鍵發(fā)生溶蝕，大量的SiO32-被溶出，生成了硅酸鹽凝膠產(chǎn)物。3、4、6、7號位置為N-A-S-H凝膠的典型吸收峰，在沒有堿摻入時，未檢測到吸收峰，隨著堿的摻入，出現(xiàn)明顯吸收峰，這說明堿環(huán)境促進了N-A-S-H凝膠的生成，生成的N-A-S-H凝膠內硅氧四面體以3個共享氧橋的方式存在。

表2 不同試塊主要吸收峰位置及信息Table 2 Location and information of main absorption peaks of different test blocks

在堿當量為2%時，不同堿激發(fā)溫度下的砒砂巖地聚物水泥復合土主要在2、3號位置吸收峰出現(xiàn)明顯差異，2號吸收峰為Si-O平面外彎曲振動引起的，隨堿激發(fā)溫度的升高，吸收峰位置先向左移動后向右移動，W8A4組試塊吸收峰位置最左，SiO2聚合度最低，說明80℃堿激發(fā)條件下體系SiO2溶解度最大。3號附近吸收峰是Si-O-Al變形振動導致的，體系中的Al取代了SiO4四面體中的Si原子，導致吸收峰譜帶向低頻率移動，隨溫度的升高，吸收峰譜帶位置呈現(xiàn)先左移后右移現(xiàn)象，W8A4組試塊紅外吸收峰譜帶出現(xiàn)在最低頻，說明80 ℃堿激發(fā)條件下體系中Si-O-Al含量最多，N-A-S-H凝膠生成量最大。

2.2.3 基于場發(fā)射掃描電鏡的微觀結構分析

圖8 為28 d齡期不同激發(fā)條件地聚物水泥復合土試塊放大5 000倍后的掃描電鏡圖。在堿當量為2%條件下，當試塊處于常溫激發(fā)時，水泥水化反應緩慢，在圖像上能觀測到部分未水化的水泥顆粒（圖8a），而試塊處于相對高溫激發(fā)時，其表面可明顯觀測到水泥水化生成的蜂窩網(wǎng)狀C-S-H凝膠、鉀A型沸石等物質。當激發(fā)溫度為60 ℃時（圖8b），沸石晶體呈現(xiàn)細長枝狀，且互相分散交叉，結晶度較差，在XRD中僅見微弱衍射峰。當堿激發(fā)溫度繼續(xù)升高（圖8c、d），沸石晶體逐漸聚合為簇狀團體，且由結晶度較差的枝狀演化為結晶度較好的細長棱柱體，且在XRD中也發(fā)現(xiàn)其衍射峰變得更強。這說明在高溫堿激發(fā)條件下，高堿度環(huán)境促進了砒砂巖地聚物水泥復合土中沸石的生成，且溫度越高，生成沸石結晶度越好。

在堿激發(fā)溫度為80 ℃條件下，試塊未摻入堿時（圖 8e），試塊結構呈現(xiàn)疏松片狀，且存在較大的孔隙，無晶體存在。堿當量為2%時（圖8c），有明顯簇狀團體沸石晶體生成，且基底結構致密。

2.3 基于全自動壓汞的孔結構分析

2.3.1 激發(fā)溫度對孔結構的影響

水泥基材料的強度和耐久性與密實度有密切的關系，而孔隙率和孔結構特征是影響水泥基材料密實度的重要因素[26]。為進一步研究堿激發(fā)條件對砒砂巖地聚物水泥復合土內部孔隙結構的影響，選取28 d齡期不同條件下的樣品進行壓汞試驗分析，不同堿激發(fā)溫度下砒砂巖地聚物水泥復合土孔結構微分分布曲線如圖9所示。

由圖9可知，在10～100 nm孔徑之間，砒砂巖地聚物水泥復合土孔結構微分分布曲線出現(xiàn)第一個峰且為最高峰，W8A4和W10A4組峰值明顯高于其他兩個峰，說明在此孔徑段內孔隙占比較大。在1 000～5 000 nm孔徑之間出現(xiàn)第二個峰，此階段W8A4組面積最小，即在此孔徑段內W8A4孔隙占比均小于其他組。在5 000～50 000 nm孔徑之間出現(xiàn)第三個峰且為次高峰，此階段W8A4組僅呈現(xiàn)出微弱峰值，而其他組呈現(xiàn)明顯的高峰，且W2A4組峰值區(qū)間變寬，峰面積最大，這表明在此孔徑區(qū)間，W2A4組孔隙占比最大而W8A4組孔隙占比最小。

根據(jù)孔結構分布計算得出孔徑結構分布見表3。Fred等[27]根據(jù)聚類孔隙理論將地聚物水泥復合土中的孔分為4類，分別為內部聚合孔隙（孔徑小于10 nm）、小孔隙（10～100 nm）、大孔隙（>100～1 000 nm）以及夾帶孔隙（>1 000 nm）。其中內部聚合孔隙主要分布在凝膠體系中。由表3可知，高激發(fā)溫度砒砂巖地聚物水泥復合土內部孔隙率均低于常溫堿激發(fā)試塊孔隙率1個百分點以上，而且表現(xiàn)出大孔減小、內部聚合孔隙增多趨勢，高溫堿激發(fā)條件下100 nm以下的小孔隙占比常溫堿激發(fā)高5個百分點以上。且在80 ℃時，砒砂巖地聚物水泥復合土內部孔隙率最低，僅為23.47%，內部聚合孔隙占比達到11.67%，相對其他組增加了2個百分點以上，為各組試塊中最大。這表明隨著溫度的升高，偏高嶺土火山灰效應逐漸被激發(fā)，生成了大量的N-A-S-H凝膠，生成的膠凝物質包裹了砒砂巖顆粒之間的孔隙，使得結構更加致密，從而增加了砒砂巖地聚物水泥復合土的強度。但當溫度超過80℃以后，一方面膠凝物質包裹了部分土顆粒，影響了水化反應的繼續(xù)進行，另一方面部分膠凝物質逐漸轉化為沸石晶體，粘結作用減弱，從而導致強度有所下降。

表3 不同堿激發(fā)溫度砒砂巖地聚物水泥復合土孔徑結構分布Table 3 Pore structure distribution of Pisha Sandstone geopolymer cement composite soil under different alkali excitation temperatures

2.3.2 堿當量對孔結構的影響

圖10 為堿激發(fā)溫度為80 ℃時，不同堿當量下砒砂巖地聚物水泥復合土孔結構微分分布曲線，由圖10可知，在10～100 nm孔徑之間，砒砂巖地聚物水泥復合土孔結構微分分布曲線出現(xiàn)第一個峰且為最高峰，其中W8A4峰值最高，且相對于其他兩組，峰值出現(xiàn)向左移動趨勢，這表明W8A4組小孔隙占比高于其他兩組。在1 000～5 000 nm孔徑之間出現(xiàn)第二個峰，在此孔徑范圍內，3組試樣曲線趨勢基本一致，僅W8A5組峰面積明顯大于其他組。在5 000～50 000 nm孔徑之間出現(xiàn)第三個峰且為次高峰，此階段W8A0組和W8A5組曲線變化趨勢基本一致，但W8A4組沒有出現(xiàn)較大的峰，峰面積遠小于其他兩組，這說明在此孔徑段內，W8A4組孔隙占比明顯低于其他組。

同理計算4類孔徑結構分布見表4。W8A4組總孔隙率為23.47%，較W8A0組W8A5組孔隙率分別降低了3.28個百分點和4.48個百分點，且小于10 nm內部聚合孔隙占比較W8A0組及W8A5組分別高4.35個百分點和 2.22個百分點，大于1 000 nm大孔占比較W8A0組及W8A5組分別低5.85個百分點和4.73個百分點。這表明隨著堿的摻入，較高的堿濃度促使砒砂巖中部分SiO2以及具有膨脹性的蒙脫石等物質被溶解，體系中硅離子和鋁離子增多導致水化硅鋁酸鹽產(chǎn)物增多，N-A-S-H膠凝聚合度增大，包裹了土顆粒，使其結構更密實。但隨著堿量的繼續(xù)加大，試塊孔隙率加大，強度降低，這是由于體系中較高的堿以及硅酸根離子濃度影響了體系中硅鋁原料的溶解度，使得堿激發(fā)反應進程未充分進行。

表4 不同堿當量砒砂巖地聚物水泥復合土孔徑結構分布Table 4 Pore structure distribution of Pisha Sandstone geopolymer cement composite soil under different alkali equivalent

3 討 論

本文僅選用了液體硅酸鈉作為堿激發(fā)劑，而目前利用堿激發(fā)制備地聚合物材料時，還可用苛性堿和堿性鹽來作為堿激發(fā)劑[23]。不同的堿激發(fā)劑其適用范圍及優(yōu)缺點也各不相同：苛性堿具有強腐蝕性，易使材料發(fā)生泛堿；弱酸鹽生產(chǎn)過程碳排放小，但由于其堿度低導致適用范圍很?。环枪杷猁}的強酸鹽用作堿激發(fā)劑時，通常需要添加一定的熟料才可以產(chǎn)生足夠的強度；而硅酸鹽因生產(chǎn)成本低、適用范圍廣、激發(fā)效果好等特點被廣泛應用[28-29]。大量試驗還表明，采用鈉水玻璃為堿激發(fā)劑，當模數(shù)在1.2左右時其效果最佳[14,30]。試驗證明鈉水玻璃激發(fā)砒砂巖地聚物水泥復合土也取得較好效果，而其他類型堿激發(fā)劑對砒砂巖地聚物水泥復合土的適用性及激發(fā)效果，還可繼續(xù)進行深入探究。

7 d齡期堿激發(fā)砒砂巖地聚物水泥復合土無側限抗壓強度即可達到6.39 MPa。依據(jù)《公路瀝青路面設計規(guī)范》（JTG D50—2017），可達到高速公路、一級公路結構層的強度設計要求。在常溫堿激發(fā)條件下7 d齡期無側限抗壓強度即可達到4.28 MPa，也滿足二級及二級以下公路結構層的設計強度。由此可見通過堿激發(fā)制備砒砂巖地聚物水泥復合土，為實現(xiàn)大量松散砒砂巖的工程利用提供了有效的途徑。將砒砂巖地聚物水泥復合土應用于公路路基基層時，由于內蒙古鄂爾多斯地區(qū)夏季地表溫度可達40 ℃，通常將路基覆膜養(yǎng)護，其內部溫度可高達60 ℃左右，另外水泥水化反應初期會放出大量熱量，其中心溫度可達到堿激發(fā)條件，強度可得到有效提升，大大縮短了施工工期。

4 結 論

1）堿激發(fā)溫度及堿當量對偏高嶺土砒砂巖地聚物水泥復合土有著很大的影響。提高堿激發(fā)溫度可提高砒砂巖地聚物水泥復合土強度，隨著堿摻量的增加，其強度增長速率先增加后趨于緩慢，從經(jīng)濟性和強度方面綜合考慮，確定堿激發(fā)溫度為80 ℃、堿當量為2%時砒砂巖地聚物水泥復合土配比達到最優(yōu)。

2）隨堿摻量的增大及堿激發(fā)溫度的升高，砒砂巖中的蒙脫石和部分石英以及偏高嶺土在堿作用下發(fā)生溶蝕，溶解的單硅酸根和鋁酸根發(fā)生聚合反應生成硅鋁酸鹽三維網(wǎng)狀結構，同體系中游離的K+發(fā)生聚合反應生成鉀A型沸石，且堿激發(fā)溫度越高越易促進沸石晶體的生成。

3）砒砂巖地聚物水泥復合土中N-A-S-H凝膠的生成量，隨堿激發(fā)溫度及堿當量的增加均呈現(xiàn)先增大后減小趨勢，一定范圍內堿激發(fā)溫度升高可加快化學反應進行，但溫度過高會導致凝膠向晶體相轉化，當堿激發(fā)溫度為80 ℃、堿當量為2%時，復合土中生成N-A-S-H凝膠產(chǎn)物最多。

4）凝膠的生成量增加改變了砒砂巖地聚物水泥復合土的孔隙率以及內部<10 nm孔徑占比，使得體系中顆粒粘結作用增強，從而使其強度得到提升，堿激發(fā)溫度為80 ℃、堿當量為2%的條件下，砒砂巖地聚物水泥復合土孔隙率為23.47%，相對其他組最低，小于10 nm孔徑占比相對于其他組增加了2個百分點以上，明顯增大。