鄭亮亮

(中鐵第一勘察設計院集團有限公司，陜西 西安 710043)

地質聚合物是一種廉價又環(huán)保的現代土壤固化劑，是通過堿性激發(fā)劑對工業(yè)固體廢棄物進行激發(fā)，使其可在加固的土壤內部形成結構穩(wěn)定的膠凝材料，進而對軟土進行有效固化。而地質聚合物因為其原料價格低廉，污染低、耐久性強等特點，在建筑領域得到了廣泛運用。國內部分學者也進行了很多研究，如以硅灰為硅鋁調節(jié)劑，鋼渣和廢催化裂化劑為原料，設計了具備一定強度的地質聚合物[1]。以地質聚合物早期強度為主要研究對象，對地質聚合物強度影響因素進行研究[2]。為了探究地質聚合物的加固機理與用于軟土加固的效果，本研究以礦渣和粉煤灰為主要材料，制備了一種新型地質聚合物，并探究了其對軟土加固的機理。

1 材料與方法

1.1 材料與設備

本試驗主要材料：礦渣(Ⅱ類，澤恩礦產品加工廠)、粉煤灰(低鈣類,彩瑞礦產品加工廠)、氫氧化鈉(AR啟智化工新材料)。

本試驗主要設備：CQM攪拌機(科尼樂機械設備)、FYL-YS恒溫養(yǎng)護箱(貝登醫(yī)療股份)、GWH-9140A電熱鼓風干燥箱(篤特科學儀器)、LHMJ-III擊實儀(藍航中科測控技術研究所)、YYW-II應變控制式無側限壓縮儀(天通試驗檢測儀器)、EVO18掃描電子顯微鏡(普瑞賽司儀器)。

1.2 試驗方法

1.2.1地質聚合物制備

(1)將礦渣、粉煤灰和堿性激發(fā)劑(NaOH)干料按照一定比例放入攪拌機中，混合均勻后根據水灰比放入全部用水量;混合均勻后，成功制備出地質聚合物漿液;

(2)將制備的漿液倒入準備好的圓筒模具中，在倒料時要注意邊裝邊振，盡量減少漿液內部氣泡的存在;

(3)將裝好地質聚合物漿液的模具置于FYL-YS型恒溫養(yǎng)護箱內，在溫度25 ℃條件下養(yǎng)護至初凝，脫模后用保鮮膜封存，繼續(xù)養(yǎng)護至指定齡期。在制備地質聚合物樣品時，樣品強度受堿性激發(fā)液濃度的影響，為簡化計算過程，本次試驗將堿性激發(fā)液的濃度設定為固定值，后續(xù)進一步研究;堿性激發(fā)劑濃度根據水灰比確定[3]。

堿性激發(fā)劑濃度表達式為[4]：

式中:CNH為堿性激發(fā)液濃度；mNH為堿性激發(fā)液質量；MNH堿性激發(fā)液質量；mW為水的質量；ρW為水的密度。

1.2.2地質聚合物固化軟土制備

(1)將取自某工程黏土置于GWH-9140A型電熱鼓風干燥箱中烘干，烘干溫度為105 ℃。將烘干后黏土粉碎后，將大粒徑黏土篩出丟棄后，重新制備含水率為50%的重塑軟土進行試驗[5];

(2)將地質聚合物漿料與重塑軟土混合攪拌，攪拌時間為5 min，分3次倒入提前涂有凡士林的模具中，每次倒入需在LHMJ-III型擊實儀的作用下?lián)魧?5次左右，將混合物振實刮平[6]。然后用保鮮膜密封土樣上、下表面，放入恒溫養(yǎng)護箱內養(yǎng)護，制備過程為45 min，養(yǎng)護溫度和濕度分別為21 ℃和95%；

(3)養(yǎng)護24 h脫模、編號，繼續(xù)養(yǎng)護至指定齡期。

1.3 性能測試

1.3.1無側限抗壓強度測試

實驗教學儀器設備的維修是設備管理的重要工作，隨著設備的使用，難免會出現設備損壞的情況，這就需要我們對實驗設備進行維修和保養(yǎng)，做好儀器設備的維修能夠提高設備的使用年限，也能夠保證實驗教學的順利開展。實驗設備的維修應有維修記錄表，每次維修詳細記錄，方便今后查閱。

用應變控制式無側限壓縮儀對樣品進行無側限抗壓強度試驗[7]。

1.3.2SEM測試

將待測樣品置于電熱鼓風干燥箱中烘干，然后對樣品進行噴碳鍍膜。最后置于EVO 18型掃描電子顯微鏡試驗臺上，對樣品的內部微觀形貌進行觀察，研究地質聚合物對軟土的加固機理[8]。

2 結果與討論

2.1 地質聚合物參數優(yōu)化

2.1.1礦渣與粉煤灰比例優(yōu)化

地質聚合物抗壓強度變化情況，結果如圖1所示。

圖1 地質聚合物抗壓強度變化Fig.1 Change of compressive strength of Geopolymer

從圖1可以看出，當礦渣與粉煤灰的比例為9∶1時，7 d抗壓強度達到最大2.94 MPa。這種變化的主要原因在于，當體系內部存在粉煤灰時，礦渣富硅相受堿性激發(fā)液影響，快速分離出硅酸根離子，與體系內鈣離子結合后形成硅酸鈣，這就導致體系內部凝結速度較快，在攪拌過程中的漿料出現結團的情況，降低了地質聚合物強度[9]。

摻入粉煤灰后，在粉煤灰活化效應的作用下，促進鈣離子與體系內活性成分二氧化硅、氧化鋁結合，產物為水化硅酸鈣和水化硅酸鋁，而其對地質聚合物強度有提升作用。同時，粉煤灰結構為球形玻璃體， 在攪拌過程中，與水化產物同時起到了潤滑滾動作用，漿液流動性提高，在聚合物內部均勻擴散，減少了漿液內部凝結時間，增強了地質聚合物的和易性，導致地質聚合物強度增加[10]。

繼續(xù)增加粉煤灰的質量，體系內部無法提供更多的鈣離子，使得陽離子在網格中形成非晶質結構，最后生成自身結構穩(wěn)定、粘性較差的粉煤灰基地質聚合物，這樣反而讓地質聚合物的無側限抗壓強度有所下降[11]。綜合考慮，選擇礦渣與粉煤灰最佳比例為9∶1。

2.1.2水灰比優(yōu)化

在地質聚合物中，水灰比對堿性激發(fā)液濃度產生影響，進而對地質聚合物無側限抗壓強度產生影響。本試驗設計水灰比分別為0.5、0.6、0.7進行試驗，研究了水灰比變化對地質聚合物無側限抗壓強度的影響，結果如圖2所示。

圖2 水灰比與抗壓強度關系Fig.2 Relationship between water cement ratio andcompressive strength

從圖2可以看出，隨水灰比的增加，地質聚合物強度呈現倒“V”變化。這是因為適量的堿性激發(fā)液對促進煤渣富硅相離解產生積極的作用；而過多的水灰比降低了體系內堿激液濃度，對先驅劑的活性成分激發(fā)以及硅、鋁分子鍵的解聚效果產生影響，進而導致地質聚合物的無側限抗壓強度受到影響[12]。綜合考慮，選擇最優(yōu)水灰比為0.6。

2.2 地質聚合物固化軟土抗壓強度研究

2.2.1堿性激發(fā)劑含量與抗壓強度關系

在進行地聚合物抗壓強度試驗時，為簡化計算過程，固將堿性激發(fā)劑含量設置為恒定值。但用地質聚合物固化軟土的過程中，地質聚合物中堿性激發(fā)劑濃度對固化效果影響較大。為更好地探究地質聚合物固化軟土過程中對軟土抗壓強度的影響規(guī)律，本研究設立不同濃度的堿性激發(fā)液進行試驗，結果如圖3所示。

從圖3可以看出，當堿性激發(fā)劑濃度為4.64 mol/L時，固化軟土試件的無側限抗壓強度皆高于其他樣品，其14 d無側限抗壓強度值最高可達1.5 MPa；這說明最佳堿性激發(fā)劑濃度為4.64 mol/L。同時，這也證明了地質聚合物可有效加固軟土。

圖3 堿性激發(fā)劑與抗壓強度關系Fig.3 Relationship between alkaline activator andcompressive strength

2.2.2堿性激發(fā)劑與硅原材料質量比對抗壓強度的影響

堿性激發(fā)劑與硅原材料質量比對抗壓強度的影響，結果如圖4所示。

圖4 抗壓強度變化Fig.4 change of compressive strength

從圖4可以看出，當堿性激發(fā)劑與鋁硅原材料的質量比為0.15時，固化軟土7 d最高抗壓強度為1.0 MPa。這個結果與2.2.1中結果一致，這表明堿性激發(fā)劑與鋁硅原材料的最佳質量比為0.15。

2.3 地質聚合物固化軟土機理研究

為探究地質聚合物固化軟土機理，用掃描電鏡對不同養(yǎng)護齡期的固化軟土進行分析，結果如圖5所示。

(a)3 d齡期

從圖5可以看出，在3種養(yǎng)護齡期的固化軟土中，均能看到體系內部有很多無定形水化硅酸鈣凝膠，這證明地質聚合物是通過體系內部生成大量網狀結構的水化硅鋁酸鈣膠凝體和條型形式的水化鋁酸鈣膠凝體來增加地質聚合物的強度。同時，從圖5還可以觀察到，當養(yǎng)護齡期為3 d時，固化軟土內部僅存在少量的膠凝體，因此對其抗壓強度的增強力度較小，隨養(yǎng)護齡期的增加，軟土內部凝膠體內部性存在的水化產物越多；當養(yǎng)護齡期為14 d時，內部膠凝物質含量增加，互相包裹聯(lián)結，增強了固化軟土內部的整體性，減少了內部的微觀孔洞，使其整體強度有所上升。

3 結語

通過以上分析可知，地質聚合物對軟土可起到有效加固作用；但影響加固效果的原因較多，經過對具體的原因進行分析，得到的具體結果：

(1)地質聚合物的最優(yōu)制備條件：礦渣與粉煤灰最佳比例為9∶1，最優(yōu)水灰比為0.6。此時地質聚合物樣品7 d抗壓強度為2.94 MPa；

(2)用地質聚合物加固軟土，當地質聚合物中堿性激發(fā)劑與鋁硅原材料的質量比為0.15，堿性激發(fā)劑濃度為4.64 mol/L時，地質聚合物對軟土的加固的效果最好，加固后軟土7 d抗壓強度達到1.0 MPa;

(3)掃描電鏡結果表明，摻入地質聚合物后，軟土內部生成大量網狀結構的水化硅鋁酸鈣膠凝體和條型形式的水化鋁酸鈣膠凝體對加固軟土的無側限抗壓強度有增強作用。