陳 銳 郝若愚 李 笛 包衛(wèi)星 來弘鵬

(長安大學(xué)公路學(xué)院，西安 710064，中國)

0 引 言

低液限粉黏土屬于工程不良土，具有強度低、水穩(wěn)定性差、凍融敏感的特點(付偉等，2010；周喬勇等，2013；李楠等，2017)。在季節(jié)性冰凍區(qū)若采用低液限粉土作為路基填土，易使路基水分遷移，造成冬季凍脹和春季翻漿，嚴(yán)重影響路基服役性能(李廷斌，2010；包衛(wèi)星，2012)。當(dāng)在粉黏土地區(qū)修建公路時，為避免換填的高額成本，應(yīng)對粉黏土進行改良后使用。

目前，摻固化劑法是改良粉黏土的有效方法。最常用的固化劑有水泥、石灰、粉煤灰和化學(xué)改性劑等，通過其摻入后產(chǎn)生一系列的物理化學(xué)反應(yīng)，如離子交換、水化反應(yīng)、火山灰反應(yīng)、絮凝團聚作用和聚合作用等，提高固化土的強度、剛度和水穩(wěn)定性。諸多學(xué)者開展了常用固化劑改良粉質(zhì)黏土的試驗研究(Jiang et al.，2015; Du et al.，2016; Wang et al.，2019)，并在改良粉黏土的靜、動力學(xué)特性和抗凍融特性方面取得了豐碩成果。王天亮等(2011)通過靜三軸試驗研究了凍融循環(huán)作用下水泥及石灰固化土的力學(xué)特性，結(jié)果表明改良土的黏聚力隨凍融循環(huán)次數(shù)的增加而減小，內(nèi)摩擦角的變化與凍融循環(huán)次數(shù)無明顯關(guān)系。戰(zhàn)高峰等(2015)通過對凍融循環(huán)后的石灰處置粉黏土開展靜三軸試驗，研究了石灰對粉質(zhì)黏土凍融特性的影響，結(jié)果表明石灰處置粉黏土在凍融作用下強度的抗衰減率要優(yōu)于粉黏土。馬卉等(2018)研究了水泥對粉質(zhì)黏土凍土的強度影響規(guī)律，結(jié)果表明當(dāng)水泥摻量高于5%時，改良粉黏土凍土的強度提升較為明顯。征西遙等(2020)研究了超細(xì)水泥對固化黏土早期抗壓強度的影響，結(jié)果表明隨著超細(xì)水泥摻量的增加，固化軟土的抗壓強度和彈性模量均有提高。

近年來，利用工業(yè)廢棄物作為土壤固化劑日益引起人們的關(guān)注。堿激發(fā)材料(也稱為地質(zhì)聚合物)是一種新型的土壤固化劑，它是以固體廢棄物作為原料，在催化劑作用下形成的膠結(jié)物質(zhì)。研究表明，固廢中富含硅鋁酸鹽和氧化鈣礦物，在堿性溶液環(huán)境作用下經(jīng)歷溶解、擴散、聚合和硬凝反應(yīng)，生成膠結(jié)產(chǎn)物(Provis et al.，2014a, 2014b)。堿激發(fā)材料具有早強快硬、耐酸堿腐蝕、強度高等良好工程特性(Provis et al.，2014a)，日益引起研究者的關(guān)注。近年來，堿激發(fā)材料作為土固化劑受到了廣泛關(guān)注，研究表明，堿激發(fā)材料固化軟土的效果要優(yōu)于二灰與水泥等材料，能有效提高固化軟土的強度并增加其耐久性。Cristelo et al.(2012)通過向粉煤灰基堿激發(fā)材料中摻入鈣粉，研究了鈣含量對堿激發(fā)材料改良軟土效果的影響。Sargent et al.(2013)采用高爐礦渣基堿激發(fā)材料加固粉質(zhì)砂土，結(jié)果表明堿激發(fā)劑產(chǎn)生的火山灰反應(yīng)和膠結(jié)物極大地提高了固化土的強度和耐久性。林天干等(2018)通過SEM和CT試驗，發(fā)現(xiàn)固體廢料受堿激發(fā)后生成的聚合凝膠會對土體產(chǎn)生填充孔隙和增強膠結(jié)的作用，使軟土強度提高。呂擎峰等(2020)通過微觀試驗研究了黏土礦物與堿激發(fā)材料的相互作用機理，結(jié)果表明固化黏土礦物由松散顆粒轉(zhuǎn)變?yōu)閴K狀致密結(jié)構(gòu)。堿激發(fā)材料固化土的早期強度普遍低于水泥和二灰固化土，但其強度會隨養(yǎng)護時間的增長而持續(xù)增大，其長期強度遠(yuǎn)高于兩者。Cristelo et al.(2011)通過對粉煤灰基堿激發(fā)材料固化軟土開展一系列室內(nèi)試驗，研究了養(yǎng)護齡期，養(yǎng)護方法和初始溫度對堿激發(fā)材料固化軟土強度和變形的影響。易耀林等(2013)對比了不同堿激發(fā)材料對固化土強度的影響，發(fā)現(xiàn)Na2SO4作為激發(fā)劑的加固效果強于NaOH，Na2SO4激發(fā)礦粉和電石渣生成的鈣釩石可提高固化土的早期強度。Rios et al.(2016)探討了堿激發(fā)粉煤灰作為粉土加固材料的可行性，結(jié)果表明固化土中硅酸鋁膠體的生成與齡期有關(guān)，其強度與硅酸鋁膠體的形成有關(guān)。何俊等(2019)研究了水玻璃-堿渣-礦渣固化高含水率淤泥的強度性質(zhì)，得到了不同齡期下玻璃、堿渣和礦渣對固化土強度的影響程度。Chen at al.(2020)開展了堿激發(fā)材料固化軟土的試驗研究，得到了固化土強度隨齡期增長的規(guī)律。

目前，國內(nèi)外學(xué)者對堿激發(fā)材料固化粉黏土的靜動力學(xué)特性開展了諸多的研究，然而利用堿激發(fā)材料固化粉黏土的路用性能研究較少，對堿激發(fā)材料改良粉質(zhì)黏土的抗凍融特性研究更是鮮有報道。低液限粉黏土水穩(wěn)定性差、凍融敏感，因此對固化土的抗凍融研究是很有必要的。為此，開展承載比、回彈模量、無側(cè)限抗壓強度與直剪試驗，研究堿激發(fā)材料固化粉黏土的路用性能；開展凍融循環(huán)試驗研究堿激發(fā)材料對粉黏土抗凍特性的影響，并通過對固化土的微觀特征分析探究堿激發(fā)材料加固機理與改良效果。

1 試驗材料和方案設(shè)計

1.1 試驗材料及其物理力學(xué)性質(zhì)

本試驗所用粉黏土取自伊犁地區(qū)S315線蜂場至尼勒克段公路某建設(shè)工地，其基本物理性質(zhì)指標(biāo)如表1所示，該粉黏土的液限為32.7%，塑限為21.5%，塑性指數(shù)為11.2，屬于低液限粉黏土。

表1 粉黏土的基本物理指標(biāo)

試驗將粉煤灰、鋼渣和水泥混合作為制備堿激發(fā)材料的粉料，粉料成分如表2所示，加入水泥是為了彌補粉煤灰和鋼渣中Ca含量較低的缺陷，以促進膠凝物質(zhì)的生成。

表2 原料化學(xué)成分

1.2 路用性能試驗方案

依據(jù)《公路土工試驗規(guī)程》(JTG E40—2007)試驗方法，將堿激發(fā)材料摻入比和養(yǎng)護齡期作為試驗變量分別開展了加州承載比、回彈模量、直剪和無側(cè)限抗壓強度試驗。對齡期為7 d的堿激發(fā)材料固化土開展加州承載比與回彈模量試驗，研究摻入比對固化土CBR值與回彈模量的影響。為了研究摻入比與齡期對固化土無側(cè)限抗壓強度的影響，對不同摻量的固化土開展了齡期7 d和28 d的無側(cè)限抗壓強度試驗。對齡期為7 d的固化土開直剪試驗，研究摻入比對固化土抗剪強度指標(biāo)的影響。每組試驗設(shè)置3個平行試樣以減小試驗誤差。具體試驗方案如表3所示。

表3 路用性能試驗方案

1.3 凍融循環(huán)試驗方案

采用自制的試驗裝置開展凍融循環(huán)試驗，如圖1所示。設(shè)備由試樣、監(jiān)測儀器、補水裝置和控溫容器組成。試樣筒為內(nèi)徑100 mm、壁厚5 mm、高250 mm的透明有機玻璃筒，筒內(nèi)試樣尺寸為120 mm(高)×100 mm(直徑)?？販厝萜饔蓛膳_低溫恒溫槽和一臺冷柜組成，補水裝置由外部水分補給裝置馬氏瓶和試樣筒內(nèi)部補水層組成，監(jiān)控儀器由位移數(shù)據(jù)采集器與熱電耦合溫度采集儀組成。

圖1 凍融循環(huán)試驗裝置

表4 凍脹融沉試驗方案

1.4 堿激發(fā)材料及固化土微觀特征分析

為了研究固化土的化學(xué)成分與堿激發(fā)材料的水化產(chǎn)物，對固化土與堿激發(fā)材料開展了X射線衍射試驗。衍射角度為15°～80°，使用Jade軟件得到其衍射譜圖。

為研究不同摻量固化土的微觀形貌并與粉黏土對比，取粉黏土與齡期為28 d的固化土(堿激發(fā)材料摻量為3%、5%和8%)開展電鏡掃描試驗(SEM)。微觀特征分析的具體試驗方案如表5所示。

表5 微觀特征分析試驗方案

2 試驗結(jié)果分析與討論

2.1 固化土的擊實特性與液、塑限

圖2 堿激發(fā)材料固化土與粉黏土擊實曲線

素土與堿激發(fā)材料固化土的液、塑限及塑性指數(shù)如表6所示?？芍S著堿激發(fā)材料摻量的增加，固化土的液、塑限增加，塑性指數(shù)略微減小。固化土液、塑限的增加是由于堿激發(fā)反應(yīng)消耗水以及堿激發(fā)膠凝產(chǎn)物的團粒化作用包裹住部分水(Jiang et al.，2015)。

2.2 承載比與回彈模量試驗

堿激發(fā)材料固化土與素土的CBR值如圖3所示。可知粉黏土的CBR值為3.3%，隨著堿激發(fā)材料的摻入，固化土CBR值顯著提高。摻量為3%固化土的CBR值較素土提高了457.6%，當(dāng)堿激發(fā)材料摻量從3%提高到5%和8%時，固化土的承載比分別提高了74.4%和208.7%，可知堿激發(fā)材料對粉黏土的固化作用能大幅度提高其在浸水后的承載能力?！豆仿坊O(shè)計規(guī)范》(JTGD30-2015)中要求：高速公路或一級公路上路床CBR值不小于8%，下路床CBR值不小于5%?？梢?，未改良素土不滿足規(guī)范要求，摻入堿激發(fā)材料后，固化土CBR值均滿足規(guī)范要求。

圖3 固化土的CBR值與堿激發(fā)材料摻量的關(guān)系

圖4是固化土在不同堿激發(fā)材料摻量條件下的回彈模量試驗結(jié)果。隨著堿激發(fā)材料摻入量的增加，固化土的回彈模量逐漸增大?！豆窞r青路面設(shè)計規(guī)范》(JTG D50,2017)中規(guī)定：中等或輕等級交通荷載公路的路基頂面的回彈模量應(yīng)不小于40 MPa；極重或重等級交通荷載公路的路基頂面的回彈模量應(yīng)不小于70 MPa。素土的回彈模量僅為17.7 MPa，不滿足規(guī)范要求。摻入比為3%的固化土回彈模量達(dá)到了46.1 MPa，滿足規(guī)范對交通荷載為中等的公路設(shè)計要求，摻入比為5%和8%的固化土回彈模量達(dá)到了75.6 MPa和108.8 MPa，滿足規(guī)范對交通荷載為極重的公路設(shè)計要求。趙獻(xiàn)輝等(2017)開展了堿渣拌合土路基填料的試驗研究，發(fā)現(xiàn)堿激發(fā)材料能顯著提高固化土填料的CBR值，這與本文結(jié)果類似。堿激發(fā)膠結(jié)物質(zhì)充填了土顆粒的孔隙，提高土體的密實度與結(jié)構(gòu)性，從而提高了土體的CBR值與回彈模量等路用性能指標(biāo)。

圖4 固化土的回彈模量與堿激發(fā)材料摻量的關(guān)系

2.3 固化土的抗壓與抗剪強度特性

對不同堿激發(fā)材料摻量的固化土試樣開展直剪試驗，結(jié)果如圖5所示。粉黏土的黏聚力和內(nèi)摩擦角為7.3 kPa和29.6°。摻量為3%的固化土的黏聚力和內(nèi)摩擦角較素土分別提升了447.9%和7.4%。當(dāng)堿激發(fā)材料摻量從3%提升到8%時，固化土的黏聚力和內(nèi)摩擦角分別提升了53.8%和13.5%。說明堿激發(fā)材料可大幅度提高粉黏土的黏聚力，并有效增加其內(nèi)摩擦角大小。堿激發(fā)材料反應(yīng)生成的膠凝物質(zhì)填充了土顆粒間的空隙，增強了顆粒間嵌入和聯(lián)鎖作用產(chǎn)生的咬合力，從而提高固化土的抗剪強度。

圖5 固化土的抗剪強度指標(biāo)與堿激發(fā)材料摻量的關(guān)系

圖6是固化土在不同堿激發(fā)材料摻量條件下養(yǎng)護7 d與28 d后的無側(cè)限抗壓強度試驗結(jié)果。粉黏土7 d和28 d的無側(cè)限抗壓強度分別為133.7 kPa和276.7 kPa。隨著堿激發(fā)材料摻量和齡期的增加，固化土7 d和28 d無側(cè)限抗壓強度顯著提高：當(dāng)堿激發(fā)材料摻量達(dá)到8%時，固化土7 d和28 d無側(cè)限抗壓強度分別提高到了396.7 kPa和787.4 kPa。這說明同齡期固化土的無側(cè)限抗壓強度隨著堿激發(fā)材料摻量的增加而增大。摻量越多，堿激發(fā)材料反應(yīng)生成的膠凝產(chǎn)物越多，故固化土強度越大。隨齡期的增長，堿激發(fā)材料的水化產(chǎn)物逐漸增多(詳見下文圖12b的XRD試驗結(jié)果)，水化產(chǎn)物的膠結(jié)和充填作用導(dǎo)致固化土強度的增長。何華(2017)研究了堿激發(fā)材料和水泥對固化軟土強度的影響，發(fā)現(xiàn)固化軟土的抗剪強度與抗壓強度與堿激發(fā)材料摻量和養(yǎng)護齡期呈正相關(guān)，且固化軟土的抗壓強度與抗剪強度呈正比。Rios et al.(2016)的研究也表明堿激發(fā)材料固化土有更高的長期強度。

圖6 固化土的無側(cè)限抗壓強隨著摻入比與養(yǎng)護齡期的變化

2.4 凍融循環(huán)試驗

2.4.1 粉黏土的凍融特性

粉黏土的凍脹率與降溫速率關(guān)系如圖7所示?？芍嗤禍厮俾氏拢瑑雒浡逝c含水率呈正相關(guān)：凍脹率隨含水率的增加而增大。相同含水率下，隨著降溫速率的減小，凍結(jié)面發(fā)展的速度減慢，土中的水分有更多的時間發(fā)生遷移聚集，從而使土體的凍脹率增大(唐益群等，2020)。粉黏土凍脹量的大小主要與凍結(jié)溫度和含水率有關(guān)(李兆宇，2011)。

圖7 不同降溫速率下粉黏土凍脹率隨含水率的變化

圖8 粉黏土的融沉率隨含水率的變化

圖9 凍融循環(huán)下粉黏土的凍脹、融沉特性

2.4.2 堿激發(fā)材料固化土的凍融特性

在無補水和有補水條件下，堿激發(fā)材料固化土凍脹、融沉量隨凍融次數(shù)的關(guān)系如圖10所示。堿激發(fā)材料的加入對固化粉黏土的凍脹和融沉量有顯著的影響：相同補水條件下固化粉黏土的凍脹、融沉量隨著堿激發(fā)材料摻量的增加而減小。不補水條件下試樣的凍脹、融沉量均小于補水條件下試樣的凍脹、融沉量。固化粉黏土的凍脹、融沉量隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加先增大后趨于穩(wěn)定?？芍獕A激發(fā)材料固化粉黏土的凍融量的大小與水量和凍融循環(huán)次數(shù)有關(guān)。相比于素土，固化土的凍脹融沉量均明顯降低。

圖10 固化土的凍脹、融沉量隨凍融循環(huán)次數(shù)的變化

圖11為在不同堿激發(fā)材料摻量和補水條件下，固化土的凍脹和融沉率與凍融循環(huán)次數(shù)之間的關(guān)系。在補水條件下，摻量3%的固化土的最大凍脹、融沉率都為0.72%，較不補水狀態(tài)提高了44%；摻量5%的固化土的最大凍脹、融沉率為0.34%和0.35%，較不補水狀態(tài)分別提高了13.3%和12.9%；摻量8%的固化土的最大凍脹、融沉率為0.16%，與不補水狀態(tài)相比變化不明顯。由此可知，固化粉黏土抵抗凍融作用的能力隨堿激發(fā)材料摻量升高而顯著增強。摻量為3%的固化土的凍融特性受水補給影響最大，摻量為5%的固化土次之，而摻量為8%的固化土所受影響最小。與粉黏土相比，堿激發(fā)材料固化土的凍脹率均小于1%，屬于不凍脹且受補水因素影響小，具有良好的凍融穩(wěn)定性。

圖11 固化土凍脹、融沉率隨凍融循環(huán)次數(shù)的變化

圖12 固化土與純堿激發(fā)材料的XRD譜圖

2.5 堿激發(fā)材料及其固化土的微觀特征分析

2.5.1 堿激發(fā)材料及固化土的XRD譜圖分析

圖12為不同摻入比的固化土養(yǎng)護28 d與不同齡期的純堿激發(fā)材料的XRD譜圖。從圖12a可以看出粉黏土素土主要由大量的SiO2及少量鈉長石與正長石構(gòu)成，在固化劑摻入后，這些成分的特征峰依然存在。固化土中的CaCO3由Ca(OH)2與空氣中的CO2反應(yīng)生成。堿激發(fā)材料中的硅、鋁化合物的硅-氧與鋁-氧化合鍵在強堿的激發(fā)作用下發(fā)生斷裂，形成的自由基與堿性離子結(jié)合生成硅氧與鋁氧四面體，并進一步形成C(-A)-S-H(水化硅鋁酸鈣)凝膠狀物質(zhì)，鋼渣中的C2S也會受堿激發(fā)作用生成水化硅鋁酸鈣凝膠(鄭文忠等，2015)。C(-A)-S-H凝膠的XRD衍射峰寬化為30°～35°范圍的彌散峰，為無定形態(tài)(蔣勇等，2019；鄭文忠等，2019)。固化土的XRD譜圖與素土相比無明顯變化，說明除了無定形態(tài)的C(-A)-S-H凝膠外無其他產(chǎn)物生成，固化土的力學(xué)性能和抗凍融性能的提高來源于C(-A)-S-H。圖12b為純堿激發(fā)材料養(yǎng)護7 d和28 d后進行X射線衍射的衍射譜圖，可以看出早期的純堿激發(fā)材料由沸石、硅化鈣及少量莫來石與水化硅鋁酸鈣構(gòu)成。隨著齡期的增長，Ca(OH)2與CO2的持續(xù)反應(yīng)使固化劑中積累了更多的CaCO3，硅化鈣進一步轉(zhuǎn)化為C(-A)-S-H凝膠，使其30°～35°的特征峰被遮蓋，形成了彌散峰。隨齡期的增長彌散峰在30°～35°區(qū)間變寬，說明C(-A)-S-H的含量隨齡期增多。

2.5.2 掃描電鏡分析

圖13為粉黏土和養(yǎng)護齡期為28 d的堿激發(fā)材料固化土(堿激發(fā)材料摻量為3%、5%、8%)樣品的電鏡掃描圖。從圖13a可以看出素土表面堆疊著不規(guī)則塊體和片狀顆粒，顆粒排列雜亂，骨架結(jié)構(gòu)疏松多孔。從圖13b～圖13d可以看出，相較于粉黏土，養(yǎng)護28 d的堿激發(fā)材料固化土試樣表面的孔隙數(shù)量大幅度減少，結(jié)構(gòu)密實整體性良好，在試樣表面附著灰白色的晶體(朱月等，2020)。隨著堿激發(fā)材料摻量的增加，樣品表面結(jié)構(gòu)更完整密實，這是由于更多的水化產(chǎn)物生成填充在孔隙中，使土顆粒結(jié)合更為緊密。

圖13 粉黏土與固化土SEM照片

通過ImageJ軟件對粉黏土與固化土的掃描電鏡照片進行二值化處理，可得到土樣的表觀孔隙率，其定義是微觀結(jié)構(gòu)圖像研究區(qū)域內(nèi)總孔隙面積與圖像總面積之比(徐麗陽，2015)。素土與養(yǎng)護齡期為28 d的固化土的微觀孔隙率對比如圖14所示。固化土的表觀孔隙率隨堿激發(fā)材料摻量的增大而顯著減少，表明堿激發(fā)材料水化凝膠的填充作用減小了固化土的孔隙，提高了土體的密實度，進而提高了固化土的力學(xué)性能，同時阻斷了水分遷移和補給的通道，提升了固化土的抗凍融特性，這與宏觀路用性能試驗和凍融試驗的結(jié)果一致。

圖14 素土與養(yǎng)護齡期為28 d的固化土的表觀孔隙率對比

粉黏土的結(jié)構(gòu)較為松散，土顆粒間孔隙較多，顆粒間的聯(lián)結(jié)能力較低，各聯(lián)通的孔隙形成了水分遷移的通道，這使得粉黏土在試驗中表現(xiàn)出抗凍融能力差、凍融明顯的特點。堿激發(fā)材料對粉黏土的固化作用，不僅使水化產(chǎn)生的膠凝物質(zhì)填充了土顆粒間的孔隙，提高了土體的密實度與整體結(jié)構(gòu)性，大幅度提升了土體的強度，而且水化產(chǎn)物堵塞了水補給通道，凍融過程中土中只有微量的水分發(fā)生遷移和再積聚，其凍融敏感性顯著降低。

3 結(jié) 論

開展了堿激發(fā)材料固化粉質(zhì)黏土路用性能與抗凍融特性的試驗研究。通過承載比試驗、回彈模量試驗、無側(cè)限抗壓強度與直剪試驗，研究了堿激發(fā)材料摻量和養(yǎng)護齡期對固化土路用性能的影響。通過凍融循環(huán)試驗，研究了粉黏土凍融特性的影響因素以及固化土的抗凍特性。并結(jié)合X射線衍射試驗與掃描電鏡試驗的微觀特征分析，探討了堿激發(fā)材料的固化機理。主要結(jié)論如下：

(1)作為路基填料，粉黏土的路用性能指標(biāo)不滿足規(guī)范要求，在粉黏土中摻入堿激發(fā)材料可有效改善粉黏土的力學(xué)性能。隨著堿激發(fā)材料摻量的增加，固化土的CBR值、回彈模量、單軸抗壓強度與抗剪強度均顯著提高。堿激發(fā)材料固化土的路用性能滿足規(guī)范要求。

(2)粉黏土的抗凍融穩(wěn)定性差，凍脹和融沉現(xiàn)象顯著，其凍脹和融沉率的大小與降溫速率、含水率有關(guān)。相同溫差下，其凍融表現(xiàn)與溫度梯度呈負(fù)相關(guān)；相同溫度梯度下，其凍融表現(xiàn)與含水率呈正相關(guān)。在凍融循環(huán)作用下，粉黏土的結(jié)構(gòu)易發(fā)生劣化，導(dǎo)致路基病害。

(3)在粉黏土中摻入堿激發(fā)材料后，能有效改善粉黏土的抗凍特性，3種堿激發(fā)材料摻量的固化土的凍脹率均小于1%，屬于不凍脹土。摻量為5%和8%的固化土的凍融基本不受補水條件的影響，在凍融循環(huán)作用下，具有良好的凍融穩(wěn)定性。

(4)通過XRD譜圖分析與電鏡掃描可知，堿激發(fā)材料的主要膠凝物為C(-A)-S-H凝膠，其填充在粉黏土顆粒間的孔隙，增強了顆粒間聯(lián)結(jié)作用，使得固化土微觀結(jié)構(gòu)逐漸趨于密實，從而提高了固化土的強度。同時密實的結(jié)構(gòu)阻斷了水分的遷移和補給，從而增強了固化土的抗凍融特性。