解邦龍 張吾渝 張丙印 季港澳 崔靖俞

(①青海大學(xué)土木工程學(xué)院， 西寧 810016， 中國(guó)) (②青海省建筑節(jié)能材料與工程安全重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 西寧 810016， 中國(guó)) (③清華大學(xué)土木水利學(xué)院， 北京 100084， 中國(guó))

0 引 言

青海自然資源豐富，煤炭作為優(yōu)勢(shì)資源帶來(lái)豐厚的經(jīng)濟(jì)收益，但煤炭資源的大量消耗使得粉煤灰產(chǎn)量也隨之增大，造成環(huán)境污染、資源浪費(fèi)等問(wèn)題。因此，粉煤灰作為一種工業(yè)廢料，由于粉煤灰質(zhì)輕、耐腐蝕(張夢(mèng)萌等， 2019)以及加工流動(dòng)性好等良好的特性被許多學(xué)者研究后發(fā)現(xiàn)，將其作為一種外加劑添加到其他性質(zhì)不良的土或砂石之中，會(huì)改善和優(yōu)化其性能，如變形特性和力學(xué)特性。王娟娣(2000)通過(guò)室內(nèi)試驗(yàn)研究粉煤灰水泥土，發(fā)現(xiàn)添加粉煤灰會(huì)提高試樣的強(qiáng)度； 賈蒼琴等(2004)、吳瑞潛等(2006)通過(guò)將粉煤灰和水泥加入到黏土中，研究發(fā)現(xiàn)隨著齡期和粉煤灰摻入量的增加試樣的后期強(qiáng)度較高，同時(shí)，粉煤灰的加入會(huì)降低工程造價(jià)，具有良好的經(jīng)濟(jì)效益、環(huán)境效益和社會(huì)效益(徐紅等， 2001)； 邵俐等(2008)通過(guò)研究發(fā)現(xiàn)水泥摻加粉煤灰可以改善有機(jī)質(zhì)土的抗壓強(qiáng)度； 赫文秀等(2012)利用玻璃纖維和粉煤灰加入到水泥土中進(jìn)行室內(nèi)試驗(yàn)，研究發(fā)現(xiàn)摻加一定量的粉煤灰會(huì)提高試樣的后期強(qiáng)度； 張艷軍等(2015)發(fā)現(xiàn)將石棉纖維配合粉煤灰與水泥可以提高軟土的強(qiáng)度； 劉成才等(2017)通過(guò)將粉煤灰添加到水泥礫質(zhì)土后研究發(fā)現(xiàn)，試樣的強(qiáng)度隨齡期的增加而增大。因此，針對(duì)各種不同性質(zhì)較差的土或砂土，摻入粉煤灰會(huì)大幅度改善其不良性質(zhì)，能有較好的工程性質(zhì)和工程應(yīng)用前景。

在青海地區(qū)，黃土分布廣、土層較厚且黃土自重濕陷等級(jí)高(張吾渝，2018；高英等，2019)，導(dǎo)致黃土的工程性質(zhì)較差，同時(shí)表現(xiàn)的力學(xué)性質(zhì)復(fù)雜(陳宗基等， 1989)，主要表現(xiàn)為三相或多相體系共同作用。針對(duì)不同地區(qū)特殊土的性質(zhì)，許多學(xué)者將粉煤灰與水泥摻入土中進(jìn)行研究，崔永成等(2012)通過(guò)對(duì)銀川地區(qū)軟土摻加粉煤灰及水泥進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)試樣后期的強(qiáng)度增長(zhǎng)較快； 蒙強(qiáng)等(2017)將粉煤灰和水泥作為固化材料摻入上海蘇州河區(qū)域的軟土中，發(fā)現(xiàn)該材料可以改善飽和軟黏土的抗壓強(qiáng)度； 王東星等(2018)、高中南等(2019)、張?jiān)ゴǖ?2019)以粉煤灰和水泥為主要的固化劑固化黃土，研究發(fā)現(xiàn)添加粉煤灰、水泥后黃土的強(qiáng)度明顯提高。由此看出，粉煤灰及水泥可以提高土的承載力和水穩(wěn)性(諶文武等， 2014)。其次，土的抗剪強(qiáng)度參數(shù)是確定其承載能力的重要指標(biāo)(呂永高等，2009；阮波等，2016)，對(duì)工程設(shè)計(jì)和施工具有重要意義。各學(xué)者對(duì)不同地區(qū)特殊土在摻入粉煤灰等固化材料后研究其強(qiáng)度并取得相應(yīng)的成果。

目前針對(duì)粉煤灰水泥土在強(qiáng)度方面研究存在的不足，本試驗(yàn)將粉煤灰和水泥摻入濕陷性黃土中，對(duì)粉煤灰水泥土進(jìn)行不固結(jié)不排水三軸剪切試驗(yàn)、SEM和XRD試驗(yàn)，從宏觀(guān)和微觀(guān)角度對(duì)不同齡期粉煤灰水泥土的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)進(jìn)行分析，研究青海地區(qū)在施工進(jìn)度較快且改良黃土的透水性和排水條件較差的工況下其抗剪強(qiáng)度的變化規(guī)律，為粉煤灰等綠色材料改良濕陷性黃土的不良性質(zhì)提供試驗(yàn)依據(jù)。

1 試樣制備與試驗(yàn)方法

1.1 試驗(yàn)材料的性質(zhì)

試驗(yàn)所用粉煤灰和水泥的主要物理性質(zhì)和化學(xué)成分如表 1、表 2、表 3所示。

表 1 粉煤灰的主要物理性質(zhì)Table 1 The main physical properties of fly ash

表 2 粉煤灰的化學(xué)成分(%)Table 2 Chemical composition of fly ash(%)

表 3 水泥化學(xué)參數(shù)Table 3 Chemical parameters of cement

試驗(yàn)所用的黃土為青海西寧地區(qū)黃土，其基本物理性質(zhì)如表 4所示。

表 4 黃土的基本物理性質(zhì)Table 4 Basic physical properties of loess

1.2 試驗(yàn)方案

陶高梁等(2018)、呂晨煒等(2019)通過(guò)研究發(fā)現(xiàn)水泥摻量為3%左右時(shí)，水泥土的滲透系數(shù)小且能滿(mǎn)足固化要求； 張?jiān)ゴǖ?2019)通過(guò)研究發(fā)現(xiàn)粉煤灰摻量為12%時(shí)材料的強(qiáng)度最佳； 崔靖俞等(2019)采用水玻璃摻量為水泥質(zhì)量的3%進(jìn)行試驗(yàn)研究。同時(shí)，結(jié)合本地區(qū)黃土的濕陷等級(jí)高、粉粒含量較大等特性，本試驗(yàn)采用質(zhì)量配合比為黃土︰水泥+粉煤灰=1︰0.15，水泥和粉煤灰的質(zhì)量配合比為2︰8，水玻璃的摻量為水泥質(zhì)量的3%，水灰比為1.0。添加水玻璃的目的是起到加速凝結(jié)的作用，同時(shí)為粉煤灰提供堿性環(huán)境進(jìn)行礦物聚合反應(yīng)(侯云芬等， 2008)。按上述配比制作試樣，并進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)(養(yǎng)護(hù)溫度為20±2℃、濕度為96%，養(yǎng)護(hù)條件恒定)，養(yǎng)護(hù)齡期分別為3d、7d和28d。以不同的固結(jié)圍壓為變量進(jìn)行不固結(jié)不排水三軸剪切試驗(yàn)，得到相應(yīng)的應(yīng)力-應(yīng)變曲線(xiàn)和抗剪強(qiáng)度指標(biāo)。

試驗(yàn)施加的固結(jié)圍壓和應(yīng)變速率按照《土工試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T 50123-2019)(中華人民共和國(guó)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)編寫(xiě)組，2019)中規(guī)定的進(jìn)行設(shè)定，試驗(yàn)施加的固結(jié)圍壓如表 5所示，試驗(yàn)施加0.8mm·min-1的應(yīng)變速率。

表 5 試驗(yàn)施加的固結(jié)圍壓Table 5 Consolidation confining pressure applied by test

每組三軸試驗(yàn)制作3塊試樣，共3組平行試驗(yàn)，養(yǎng)護(hù)齡期分別為3d、7d、28d，總試塊27塊。

按上述配比制作試塊。稱(chēng)量好所有材料備用，混合均勻，攪拌至無(wú)固體顆粒出現(xiàn)且流動(dòng)性較好時(shí)，倒入150mm×150mm×150mm的標(biāo)準(zhǔn)三聯(lián)模，倒入相同質(zhì)量的漿液后，統(tǒng)一放在震動(dòng)臺(tái)上進(jìn)行振搗密實(shí)，在常溫下養(yǎng)護(hù)2d后脫模，脫模后利用削土器制成標(biāo)準(zhǔn)的圓柱試樣(高80mm，直徑39.1mm)。將削好的試樣放入標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室養(yǎng)護(hù)，當(dāng)達(dá)到設(shè)定齡期時(shí)進(jìn)行不固結(jié)不排水三軸剪切試驗(yàn)，試驗(yàn)儀器如圖 1所示。

圖 1 SLB-1型應(yīng)力-應(yīng)變控制式三軸剪切滲透儀Fig. 1 SLB-1 stress-strain controlled triaxial shear penetrator

圖 2 粉煤灰水泥土應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線(xiàn)Fig. 2 Curves of stress versus strain of fly ash cement stabilized soil a. 養(yǎng)護(hù)齡期為3d； b. 養(yǎng)護(hù)齡期為7d； c. 養(yǎng)護(hù)齡期為28d

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 粉煤灰水泥土的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系

圖2為不同齡期粉煤灰水泥土的應(yīng)力-應(yīng)變曲線(xiàn)，從曲線(xiàn)可以看出，養(yǎng)護(hù)齡期相同時(shí)，隨著試樣軸向應(yīng)變的持續(xù)增大，主應(yīng)力差也逐漸增大，曲線(xiàn)出現(xiàn)峰值后呈現(xiàn)逐漸下降的趨勢(shì)，但變化幅度不大，曲線(xiàn)整體呈現(xiàn)應(yīng)變軟化型。同時(shí)，應(yīng)力-應(yīng)變曲線(xiàn)大致分為兩個(gè)階段，第1階段為試驗(yàn)開(kāi)始到出現(xiàn)峰值，這一階段試樣的抗剪強(qiáng)度持續(xù)增加，呈現(xiàn)線(xiàn)性變化趨勢(shì)； 第2階段為出現(xiàn)峰值到試驗(yàn)結(jié)束，該階段內(nèi)試樣達(dá)到破壞條件后抗剪強(qiáng)度會(huì)緩慢降低，但存在一定的強(qiáng)度。隨著養(yǎng)護(hù)齡期的增加，其抗剪強(qiáng)度逐漸提高， 28d試樣的抗剪強(qiáng)度最大， 3d試樣的抗剪強(qiáng)度最小。

在不同固結(jié)圍壓下，粉煤灰水泥土的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線(xiàn)呈現(xiàn)應(yīng)變軟化型，從圖 2看出，在相同圍壓下，試樣的主應(yīng)力差隨著養(yǎng)護(hù)齡期的增加而逐漸增大，且都有峰值的存在，說(shuō)明試樣均已被剪切破壞。曲線(xiàn)的平滑度較差，是由于粉煤灰水泥土內(nèi)部的化學(xué)反應(yīng)生成物的分布不均勻而導(dǎo)致曲線(xiàn)凹凸起伏。

圖 3 粉煤灰水泥土抗剪強(qiáng)度包絡(luò)線(xiàn)Fig. 3 Shear strength envelope of fly ash cement stabilized soil a. 養(yǎng)護(hù)齡期為3d； b. 養(yǎng)護(hù)齡期為7d； c. 養(yǎng)護(hù)齡期為28d

研究發(fā)現(xiàn)，粉煤灰水泥土的抗剪強(qiáng)度與漿液中水泥成分有關(guān)。水泥中的礦物(硅酸三鈣(3CaO·SiO2)、硅酸二鈣(2CaO·SiO2)、鋁酸三鈣(3CaO·Al2O3)、鐵鋁酸四鈣(4CaO·Al2O3·Fe2O3)等)與其他材料加水拌和時(shí)發(fā)生水化反應(yīng)，而粉煤灰在水玻璃所提供的堿性環(huán)境中進(jìn)行礦物聚合反應(yīng)(蘇玉柱等， 2006)且與水泥進(jìn)行反應(yīng)。

水泥主要的水化反應(yīng)：

2(3CaO·SiO2)+6H2O=3CaO·2SiO2·3H2O+3Ca(OH)2

3CaO·Al2O3+6H2O=3CaO·Al2O3·6H2O

粉煤灰與水泥的反應(yīng)：

在后期凝結(jié)硬化過(guò)程中，試樣內(nèi)部產(chǎn)生一些晶體物質(zhì)和膠凝物質(zhì)，如鈣礬石、C-S-H凝膠等會(huì)對(duì)整體結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度起到加強(qiáng)作用，隨著養(yǎng)護(hù)齡期的增加，試樣內(nèi)部水泥的水化反應(yīng)以及粉煤灰的聚合反應(yīng)可能持續(xù)進(jìn)行，試樣內(nèi)部產(chǎn)生的物質(zhì)會(huì)逐漸填充孔隙使得結(jié)構(gòu)更密實(shí)，也能承受一部分的外力，因此，試樣后期的抗剪強(qiáng)度提高越多。

2.2 粉煤灰水泥土的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)

圖 3所示為粉煤灰水泥土抗剪強(qiáng)度包絡(luò)線(xiàn)。粉煤灰水泥土的黏聚力和內(nèi)摩擦角隨著養(yǎng)護(hù)齡期的增加呈現(xiàn)一定的變化規(guī)律，黏聚力和內(nèi)摩擦角隨著齡期的增加而呈現(xiàn)增大的趨勢(shì)，通過(guò)試驗(yàn)可以得出，齡期越長(zhǎng)，試樣中生成物質(zhì)的成分較多，顆粒間的膠結(jié)作用較強(qiáng)，固化黏聚力越大，即齡期為28d試樣的黏聚力最大，黏聚力為48.5kPa。同時(shí)，齡期越長(zhǎng)，試樣內(nèi)部表現(xiàn)的密實(shí)性越好，當(dāng)受到外力時(shí)，顆粒間產(chǎn)生的滑動(dòng)摩擦和咬合摩擦越大，即內(nèi)摩擦角越大， 28d試樣的內(nèi)摩擦角為25.9°； 齡期越短，試樣內(nèi)部進(jìn)行的化學(xué)反應(yīng)進(jìn)程緩慢，生成的膠凝物質(zhì)以及水化產(chǎn)物等較少，密實(shí)度相對(duì)較差， 3d試樣的內(nèi)摩擦角為23.8°。

2.3 微觀(guān)試驗(yàn)結(jié)果分析

圖 4所示為500倍下試樣的SEM圖，從圖 4a可以看出試樣內(nèi)部存在完整的粉煤灰顆粒，且數(shù)量較多，由于養(yǎng)護(hù)齡期較短，水泥的水化反應(yīng)和粉煤灰的聚合反應(yīng)較慢，試樣內(nèi)部的生成物開(kāi)始逐漸形成，物質(zhì)之間開(kāi)始相互黏結(jié)。從圖 4b可以看出試樣內(nèi)部已經(jīng)有針狀結(jié)晶-鈣礬石生成，各種物質(zhì)之間的黏結(jié)也更加密實(shí)，圖 4c中可以反映出試樣內(nèi)部進(jìn)行的化學(xué)反應(yīng)可能更加活躍，致使試樣內(nèi)部的物質(zhì)黏結(jié)更密實(shí)。

圖 4 粉煤灰水泥土500倍的SEM圖Fig. 4 SEM diagram of fly ash soil-cement 500 times a. 養(yǎng)護(hù)齡期為3d； b. 養(yǎng)護(hù)齡期為7d； c. 養(yǎng)護(hù)齡期為28d

圖 5所示為2000倍下試樣的SEM圖，從圖 5看出隨著養(yǎng)護(hù)齡期的增加，土顆粒表面的黏結(jié)物質(zhì)更多，呈現(xiàn)網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)或絮狀結(jié)構(gòu)，致使試樣內(nèi)部的孔隙減少，試樣越密實(shí)。因此，隨著養(yǎng)護(hù)齡期的增加與化學(xué)反應(yīng)持續(xù)進(jìn)行，試樣內(nèi)部結(jié)構(gòu)的密實(shí)度越高。

圖 5 粉煤灰水泥土2000倍的SEM圖Fig. 5 SEM diagram of fly ash soil-cement 2000 times a. 養(yǎng)護(hù)齡期為3d； b. 養(yǎng)護(hù)齡期為7d； c. 養(yǎng)護(hù)齡期為28d

圖 6 水泥的XRD衍射圖Fig. 6 X-ray diffraction of cement a. C3S； b. C2S； c. Calcite； d. C3A

圖 7 粉煤灰的XRD衍射圖Fig. 7 X-ray diffraction of fly ash C. 硬石膏； M. 莫來(lái)石； Q. 石英

圖 8 黃土的XRD衍射圖Fig. 8 X-ray diffraction of loess L. 綠泥石； M. 蒙脫石； O. 鉀長(zhǎng)石； Q. 石英

2.4 XRD成分分析

圖 6～圖 8為水泥、粉煤灰和黃土的XRD衍射圖。從XRD譜圖上可以看出水泥存在較多的衍射峰，主要含有C3S、C2S、C3A和Calcite。粉煤灰中20°～30°的范圍內(nèi)衍射峰呈現(xiàn)駝峰形，其原因在于粉煤灰中存在非晶體相SiO2，同時(shí)，粉煤灰中存在衍射特征峰，含有莫來(lái)石、硬石膏等。

水泥中含有的C3A水化速度較快，與水反應(yīng)生產(chǎn)水化鋁酸三鈣，粉煤灰中含有硬石膏(化學(xué)式為CaSO4)。試樣內(nèi)部的水化鋁酸三鈣與石膏反應(yīng)，生成高硫型水化硫鋁酸鈣針狀晶體，即為鈣礬石(蘇卿， 2016)。同時(shí)，隨著養(yǎng)護(hù)齡期的增加，粉煤灰中含有的CaSO4消耗完后部分的高硫型水化硫鋁酸鈣會(huì)逐漸轉(zhuǎn)化為單硫型水化硫鋁酸鈣晶體。同時(shí)，水泥水化反應(yīng)生成的氫氧化鈣會(huì)與粉煤灰中的SiO2等活性氧化物反應(yīng)生成水化鋁酸鈣和水化硫酸鈣，而這些物質(zhì)又和石膏反應(yīng)生成晶體。除此之外，生成的水化鋁酸鈣會(huì)相互凝結(jié)，在土顆粒表面生成網(wǎng)狀或絮狀結(jié)構(gòu)，使試樣的強(qiáng)度提高。

從XRD譜圖上看出黃土內(nèi)部存在較多的衍射峰，主要包含石英、長(zhǎng)石等原生礦物和蒙脫石等黏土礦物，因此，黃土內(nèi)部礦物成分較為復(fù)雜(李廣信， 2013)，對(duì)粉煤灰水泥土強(qiáng)度有所影響。試樣在后期養(yǎng)護(hù)過(guò)程中，漿液內(nèi)部進(jìn)行的聚合反應(yīng)可能會(huì)消耗黃土中的SiO2等礦物成分而生成水化硅酸鈣膠凝物質(zhì)等物質(zhì)，使得試樣內(nèi)部各物質(zhì)之間黏結(jié)密實(shí)。

圖 9 粉煤灰水泥土的XRD衍射圖Fig. 9 X-ray diffraction of fly ash cement stabilized soil C. 方解石； I. 伊利石； L. 綠泥石； M. 蒙脫石； O. 鉀長(zhǎng)石； P. 氫氧化鈣； Q. 石英

圖 9所示為粉煤灰水泥土的XRD衍射圖。與圖 6～圖 8對(duì)比分析可發(fā)現(xiàn)，粉煤灰水泥土試樣內(nèi)部出現(xiàn)了原材料中未存在的物質(zhì)，氫氧化鈣和方解石，說(shuō)明不同物質(zhì)之間已經(jīng)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)。氫氧化鈣既作為生成物又作為反應(yīng)物，與粉煤灰和黃土中的SiO2相互反應(yīng)，相互吸附，生成水化硅酸鈣膠凝物質(zhì)，這種膠凝物質(zhì)會(huì)隨著時(shí)間推移逐漸變?yōu)榫w，同時(shí)，試樣內(nèi)部生成的水化鋁酸鈣也會(huì)逐漸硬化。因此，試樣內(nèi)部的強(qiáng)度隨著齡期增加而提高。

方解石的化學(xué)成分主要為CaCO3，主要由于試樣內(nèi)部生成的氫氧化鈣與試樣內(nèi)部含有的CO2共同反應(yīng)，在試樣內(nèi)部生成極少含量的CaCO3，CaCO3結(jié)晶較為堅(jiān)硬且不易溶于水，對(duì)試樣的抗剪強(qiáng)度有所提高。同時(shí)，從XRD譜圖可以看出，隨著齡期的增加，試樣內(nèi)部生成的各種物質(zhì)的衍射峰會(huì)逐漸增多，這些物質(zhì)之間又相互吸附，相互反應(yīng)，使得試樣內(nèi)部結(jié)構(gòu)密實(shí)，抗剪強(qiáng)度增大。

3 結(jié) 論

本文為了研究粉煤灰、水泥等材料固化濕陷性黃土的強(qiáng)度特性，使粉煤灰等工業(yè)副產(chǎn)品在工程應(yīng)用上有推廣價(jià)值，進(jìn)行了不固結(jié)不排水三軸剪切試驗(yàn)、SEM和XRD試驗(yàn)，得出以下幾點(diǎn)結(jié)論：

(1)通過(guò)不固結(jié)不排水三軸剪切試驗(yàn)可以發(fā)現(xiàn)，該配合比下粉煤灰水泥土的應(yīng)力-應(yīng)變曲線(xiàn)呈現(xiàn)應(yīng)變軟化型，養(yǎng)護(hù)齡期越長(zhǎng)，試樣的抗剪強(qiáng)度越高。

(2)粉煤灰水泥土的黏聚力和內(nèi)摩擦角會(huì)隨著齡期的增加呈現(xiàn)出增大的趨勢(shì)，其主要原因在于隨著齡期增加試樣內(nèi)部的生成物增多，與土顆粒等材料之間的膠結(jié)作用增強(qiáng)，顆粒之間的滑動(dòng)摩擦和咬合摩擦就越大，試樣的密實(shí)程度越高。

(3)隨著養(yǎng)護(hù)齡期的增加與試樣內(nèi)部化學(xué)反應(yīng)的持續(xù)進(jìn)行，土顆粒表面的黏結(jié)物質(zhì)增多，內(nèi)部形成的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)和絮狀結(jié)構(gòu)與材料間的黏結(jié)程度越密實(shí)。

(4)試樣內(nèi)部各物質(zhì)之間的反應(yīng)會(huì)生成各種結(jié)晶物質(zhì)與膠凝物質(zhì)，這些物質(zhì)對(duì)試樣抗剪強(qiáng)度的提高有很大作用。