李麗華，李孜健，肖衡林，黃少平，劉一鳴

(1.湖北工業(yè)大學(xué) 土木建筑與環(huán)境學(xué)院，湖北 武漢 430068；2.湖北工業(yè)大學(xué) 河湖健康智慧感知與生態(tài)修復(fù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北 武漢 430068)

膨脹土是在自然地質(zhì)作用下形成的黏土，富含如蒙脫石、伊利石等親水性黏土礦物[1].蒙脫石的水力作用會(huì)使土體脹縮變形、裂隙發(fā)育和強(qiáng)度降低，導(dǎo)致膨脹土分布區(qū)地質(zhì)弱化，對(duì)道路結(jié)構(gòu)性能造成嚴(yán)重危害，因此膨脹土的處理技術(shù)與方法一直備受關(guān)注[2-4].隨著生態(tài)文明建設(shè)的推進(jìn)，固體廢棄物資源化是必然趨勢(shì)[5-6]，利用固廢處理膨脹土已逐漸成為節(jié)能環(huán)保的新途徑[7].

我國(guó)各類(lèi)固廢產(chǎn)量大，利用率低[8].稻殼灰（rice husk ash, RHA）是生物質(zhì)能發(fā)電廠產(chǎn)生的廢棄物，具有孔隙豐富、相對(duì)密度小、比表面積大的特點(diǎn).內(nèi)含的高活性SiO2使RHA表現(xiàn)出類(lèi)似硅灰的性質(zhì)[9]，因此備受路基材料、固化劑相關(guān)研究學(xué)者的青睞[10].Ma等[11]將稻殼灰用于改性華北膨脹土，通過(guò)一系列室內(nèi)試驗(yàn)，從壓實(shí)性能、剪切參數(shù)和固結(jié)性能等方面研究稻殼灰對(duì)膨脹土改良效果，得出稻殼灰在提升膨脹土整體性能方面有積極作用的結(jié)論.Hassan等[12]將粒化高爐礦渣（ground granulated blast slag, GGBS）以不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)加入膨脹土，發(fā)現(xiàn)在當(dāng)?shù)V渣的質(zhì)量分?jǐn)?shù)超過(guò)30%時(shí)，養(yǎng)護(hù)28 d的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度與素土相比提升了35%.這表明采用高爐礦渣改良膨脹土不僅能夠顯著提高膨脹土工程性能，還是有效且環(huán)保的鋼鐵工業(yè)廢物處理方法.高爐礦渣早期強(qiáng)度不高，通過(guò)堿性激發(fā)劑（如水玻璃[13]、NaOH[14]）激發(fā)活性的方法成本過(guò)高，并且存在安全隱患.粉煤灰和礦渣在混凝土和固化土方面應(yīng)用較為成熟，Sharma等[15]向土中加入粉煤灰和GGBS組成的黏合劑，發(fā)現(xiàn)這種組合材料的黏合劑會(huì)增強(qiáng)火山灰活性，并導(dǎo)致膨脹土無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度增加和膨脹勢(shì)降低.粉煤灰的熱穩(wěn)定差，為此Patel等[16]提出用RHA替代粉煤灰，聯(lián)合GGBS制備環(huán)境溫度固化的地聚合物混凝土，結(jié)果常溫下制備的地聚合物混凝土比粉煤灰地聚合物混凝土的抗壓強(qiáng)度更高.

工業(yè)固廢資源化利用研究在土木工程領(lǐng)域應(yīng)用較多，RHA-GGBS是固廢研究中的熱門(mén)材料，但稻殼灰基膠凝材料研究多在新型混凝土制備領(lǐng)域，在固化土方面的研究鮮見(jiàn).考慮到工業(yè)固廢具有水硬性，在膨脹土治理領(lǐng)域的應(yīng)用，將實(shí)現(xiàn)降低碳排放、以廢治廢和改善土體性能的多方面共贏.本文通過(guò)無(wú)側(cè)限抗壓試驗(yàn)、自由膨脹率試驗(yàn)、掃描電鏡試驗(yàn)及X射線衍射試驗(yàn)，開(kāi)展以工業(yè)固廢稻殼灰和礦渣為材料環(huán)保固化劑的膨脹土固化效果及固化機(jī)理研究.

1 試驗(yàn)材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

1.1.2 固化劑 試驗(yàn)所用固化劑：武漢某生物質(zhì)發(fā)電廠600～800 ℃燃燒后稻殼灰、河南某環(huán)保公司生產(chǎn)S95級(jí)粒化高爐礦渣微粉.試樣的原材料如圖1所示.使用X射線熒光光譜儀（XRF）和X射線衍射儀（XRD）對(duì)稻殼灰和高爐礦渣進(jìn)行化學(xué)成分分析，結(jié)果如表1、圖2所示，其中wB為物質(zhì)的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，I為衍射強(qiáng)度.

表1 稻殼灰、高爐礦渣的主要化學(xué)成分Tab.1 Main chemical composition of rice husk ash and ground granulated blast slag

圖1 試樣原材料Fig.1 Materials of sample

圖2 稻殼灰、高爐礦渣的X射線衍射圖譜Fig.2 X-ray diffractograms of rice husk ash and ground granulated blast slag

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì) 將土樣分3類(lèi)：1）素膨脹土；2）同一質(zhì)量分?jǐn)?shù)稻殼灰、礦渣和膨脹土的混合土（不同配比），以確定稻殼灰和礦渣的最佳配比；3）同一配比稻殼灰、礦渣和膨脹土的混合土（不同RHA-GGBS質(zhì)量分?jǐn)?shù)），以確定稻殼灰和礦渣的最佳質(zhì)量分?jǐn)?shù).定義λ為稻殼灰與礦渣干重質(zhì)量比，wRHA-GGBS為RHA-GGBS質(zhì)量與混合土（不含水）質(zhì)量比，ν為養(yǎng)護(hù)齡期.根據(jù)現(xiàn)有研究[13]及預(yù)試驗(yàn)，試驗(yàn)配合比設(shè)計(jì)如表2所示.

表2 試樣的配合比設(shè)計(jì)Tab.2 Design of mixing proportion for sample

1.2.2 試樣制備 取一定量自然風(fēng)干膨脹土樣，經(jīng)碾碎后過(guò)2 mm篩置于105 ℃烘箱中烘干至質(zhì)量不再變化.按設(shè)計(jì)配合比將固化劑（粉劑）與膨脹土稱(chēng)重后混合均勻，混合時(shí)間為3 min，按擊實(shí)試驗(yàn)所得土樣最佳水質(zhì)量分?jǐn)?shù)稱(chēng)取純水加入混合土，繼續(xù)攪拌20 min視為攪拌完成，隨后裝入密封袋靜置悶料12 h，確保水分在膨脹土中均勻分布.本試驗(yàn)固化土試樣為直徑50 mm、高度100 mm的圓柱狀試樣.試樣按制備流程如下：按壓實(shí)度為最大干密度的96 %稱(chēng)取固化土，將固化土三等分后依次加入圓柱形模具，每層擊實(shí)到指定高度后刮毛分層，以避免發(fā)生斷層現(xiàn)象；依次擊實(shí)，直到完成試樣制備；將制備完成的試樣用千斤頂脫模并用保鮮膜密封包裹，在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)箱（養(yǎng)護(hù)溫度為23±1 ℃，相對(duì)濕度為98%）中養(yǎng)護(hù)至指定齡期；為了保證數(shù)據(jù)的可靠性，每組試樣取3個(gè)平行樣，取平均值分析結(jié)果.

1.2.3 無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn) 待試樣養(yǎng)護(hù)完成，參照文獻(xiàn)[17]進(jìn)行無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn).試驗(yàn)采用WDW-10E型微機(jī)控制電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)，允許極限荷載為20 kN，試驗(yàn)恒定加載速率為1 mm/min.若應(yīng)力應(yīng)變曲線出現(xiàn)峰值，應(yīng)力值趨于穩(wěn)定時(shí)停止試驗(yàn)；若無(wú)明顯峰值，軸向應(yīng)變達(dá)20%時(shí)停止試驗(yàn).

1.2.4 自由膨脹率試驗(yàn) 取無(wú)側(cè)限抗壓試塊中心區(qū)域（30 mm×80 mm）代表性土樣，置于50 ℃烘箱低溫烘干，將烘干后試樣置于研缽研磨，過(guò)0.5 mm篩取樣裝袋密封備用.參照文獻(xiàn)[17]進(jìn)行自由膨脹率試驗(yàn).

1.2.5 掃描電鏡試驗(yàn)及X射線衍射試驗(yàn) 取無(wú)側(cè)限抗壓試塊中心區(qū)域（30 mm×80 mm）代表性土樣，置于50 ℃烘箱低溫烘干，參照文獻(xiàn)[18]采用粉末樣品，將烘干后試樣置于研缽研磨，過(guò)0.075 mm篩后取樣裝袋密封備用.將粉末狀樣品貼片置于光譜標(biāo)樣，真空凍干后噴金處理，以減弱試驗(yàn)中樣品充放電的干擾.試驗(yàn)采用HITACHI公司SU8010高分辨場(chǎng)發(fā)射掃描電鏡，分辨率為1.0 nm (15 kV)/1.3 nm (1 kV)，加速電壓為0.1～30 kV.X 射線衍射儀分析線性度≤0.030，分辨率≤0.130，重復(fù)性≤0.0020.掃描角度10°～80°（2θ），掃描步長(zhǎng)0.02，掃描速度5°/min.

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度

如圖3(a)所示為質(zhì)量分?jǐn)?shù)為15%的RHAGGBS在不同配比、不同養(yǎng)護(hù)齡期下的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度峰值qu.可以看出，在60 d的養(yǎng)護(hù)過(guò)程中，所有不同配比固化土試樣的抗壓強(qiáng)度均有所增加，若考慮養(yǎng)護(hù)時(shí)間影響，7～14 d的強(qiáng)度增長(zhǎng)速率為8.9 kPa/d，14～28、28～60 d的強(qiáng)度增長(zhǎng)速率分別為8、8.3 kPa/d.這說(shuō)明固化劑與膨脹土的化學(xué)反應(yīng)在7～14 d最快，14 d之后由于稻殼灰和礦渣之間還未完全反應(yīng)，化學(xué)反應(yīng)將會(huì)持續(xù)進(jìn)行.還可以看出，在同一養(yǎng)護(hù)齡期，不同配比固化劑對(duì)膨脹土的固化作用影響很大，隨著固化劑中稻殼灰所占比例增大，固化土單軸抗壓強(qiáng)度峰值出現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì)，當(dāng)λ=6∶4時(shí)，有最大的峰值抗壓強(qiáng)度.以60 d抗壓強(qiáng)度為例，試樣L3的抗壓強(qiáng)度為803.3 kPa，其他λ賦值的固化土試樣均低于這一強(qiáng)度，當(dāng)λ＞6∶4時(shí)，稻殼灰所占比例越大，抗壓強(qiáng)度總體呈下降趨勢(shì).這說(shuō)明λ存在最優(yōu)值，為6∶4，稻殼灰中的活性SiO2會(huì)與礦渣中的Ca(OH)2發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，二者存在平衡點(diǎn)，稻殼灰過(guò)剩會(huì)使活性SiO2不能完全發(fā)揮作用，對(duì)土體的強(qiáng)度增長(zhǎng)影響不大.如圖3（b）所示為最優(yōu)配比在RHA-GGBS不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)、不同養(yǎng)護(hù)齡期下的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度峰值.可以看出，隨固化劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加，不同齡期固化土試樣無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度均出現(xiàn)先增大后減小的規(guī)律.以60 d養(yǎng)護(hù)條件為例，素膨脹土的抗壓強(qiáng)度與249 kPa，試樣L8的強(qiáng)度達(dá)到最大值為967.5 kPa，是素膨脹土的3.9倍，其他組的抗壓強(qiáng)度雖都有所增加，但與L8均存在差距.原因是固化劑加入膨脹土之后，RHA-GGBS質(zhì)量分?jǐn)?shù)并非越多越好，而是存在最佳值，這與文獻(xiàn)[6]的研究結(jié)果一致.強(qiáng)度增加的主要原因是隨稻殼灰質(zhì)量分?jǐn)?shù)增大，固化劑與膨脹土間反應(yīng)加劇，水化產(chǎn)物增多，固化土孔隙率降低，骨架強(qiáng)度增高；隨著反應(yīng)持續(xù)進(jìn)行，固化土體內(nèi)部反應(yīng)減緩，若繼續(xù)提高RHA-GGBS質(zhì)量分?jǐn)?shù)，受產(chǎn)物總量限制，存在過(guò)剩稻殼灰無(wú)法參與水化反應(yīng)，土體膠結(jié)程度無(wú)法進(jìn)一步提高，最終導(dǎo)致強(qiáng)度劣化.

圖3 試樣的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果Fig.3 Test results of unconfined compressive strength for sample

2.2 應(yīng)力-應(yīng)變曲線

如圖4所示為不同組別無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度應(yīng)力σ-應(yīng)變?chǔ)徘€.試樣應(yīng)力-應(yīng)變?nèi)^(guò)程按曲線斜率變化大致可分為壓密階段、彈性變形階段、非線性長(zhǎng)階段及破壞后階段[6,19].壓密階段的曲線呈上凸型，固化土中孔隙比減小，各組分間相對(duì)擠密，剛度增大.在彈性變形階段，應(yīng)力隨應(yīng)變近似呈線性增長(zhǎng)，大致符合胡克定律.在非線性增長(zhǎng)階段，應(yīng)力隨應(yīng)變?nèi)岳^續(xù)增大，但斜率逐漸減小，當(dāng)曲線出現(xiàn)峰值時(shí)，峰值點(diǎn)為試樣峰值抗壓強(qiáng)度，其對(duì)應(yīng)的應(yīng)變稱(chēng)為破壞應(yīng)變.在破壞后階段，隨應(yīng)變?cè)黾樱瑧?yīng)力不斷減小，出現(xiàn)典型應(yīng)變軟化現(xiàn)象，土體損傷積累至破壞，此時(shí)曲線代表試樣破壞后抵抗外力的殘余變形階段.圖中標(biāo)出豎向虛線以區(qū)分各個(gè)階段.由圖4(a)可知，在最優(yōu)RHAGGBS質(zhì)量分?jǐn)?shù)下，隨齡期增長(zhǎng)，曲線峰值應(yīng)力變大，在峰值點(diǎn)前后上升和下降速率明顯增加，達(dá)峰值點(diǎn)的應(yīng)變有前移的趨勢(shì)，試樣破壞應(yīng)變減小趨勢(shì)愈發(fā)明顯，固化土表現(xiàn)出由塑性向脆性發(fā)展的趨勢(shì)，這與絕大多數(shù)固化土性質(zhì)類(lèi)似[20].原因是試樣經(jīng)長(zhǎng)時(shí)間養(yǎng)護(hù)，內(nèi)部固化作用持續(xù)進(jìn)行，試樣凝硬導(dǎo)致脆性進(jìn)一步增大.從圖4(b)可以看出，曲線在到達(dá)峰值應(yīng)力前，曲線增長(zhǎng)的速率隨RHAGGBS質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加呈先增加后減小的趨勢(shì)，超過(guò)峰值應(yīng)力點(diǎn)后，曲線下降的速率隨RHAGGBS質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加呈先增加后減小的趨勢(shì)，該組試樣破壞后階段曲線陡降明顯，呈現(xiàn)出應(yīng)變硬化型的脆性破壞狀態(tài).這是由于RHA-GGBS質(zhì)量分?jǐn)?shù)超過(guò)10%時(shí)固化土中過(guò)量的稻殼灰和礦渣未反應(yīng)，導(dǎo)致膠凝產(chǎn)物結(jié)構(gòu)內(nèi)部劣化，在宏觀上表現(xiàn)為強(qiáng)度降低，導(dǎo)致固化作用沒(méi)有RHAGGBS質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10% 的明顯.還可以看出，在wRHA-GGBS=10%時(shí)，應(yīng)力-應(yīng)變曲線包圍更多的面積，說(shuō)明試樣開(kāi)裂后仍具有一定抵抗變形的能力和塑性，殘余強(qiáng)度也相應(yīng)增加，表明固化劑的摻入量此時(shí)最佳，試樣在wRHA-GGBS=10%時(shí)達(dá)到峰值應(yīng)力，同時(shí)具有適宜的延性性能，這與易富等[21]的研究一致.易富等[21]的研究表明，當(dāng)?shù)練せ屹|(zhì)量分?jǐn)?shù)在0～10%時(shí)，固化效果明顯，強(qiáng)度提升迅速，RHA-GGBS質(zhì)量分?jǐn)?shù)超過(guò)10%，質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)強(qiáng)度增加的影響極低，強(qiáng)度提升呈逐漸減緩趨勢(shì)，這也證明過(guò)多的稻殼灰會(huì)抑制水化反應(yīng)，導(dǎo)致強(qiáng)度降低.

并發(fā)癥包括肺部感染、靜脈血栓、發(fā)熱、壓瘡、顱內(nèi)感染,對(duì)比2組患者生活質(zhì)量以及身體功能評(píng)分,采用我院自制評(píng)分表,總分為60分,分?jǐn)?shù)越高表明患者恢復(fù)情況越好。

圖4 試樣的無(wú)側(cè)限抗壓應(yīng)力-應(yīng)變曲線Fig.4 Stress-strain curve of unconfined compression for sample

出現(xiàn)上述現(xiàn)象的主要原因是RHA-GGBS固化劑中含有礦渣，在沒(méi)有強(qiáng)堿性激發(fā)劑的作用時(shí)，其強(qiáng)度提升速率緩慢，導(dǎo)致早期固化土強(qiáng)度不高，但仍能滿足歐洲固化軟土規(guī)范[22]要求的300 kPa（28 d），在長(zhǎng)期養(yǎng)護(hù)下，強(qiáng)度會(huì)持續(xù)提升.在摻入不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)的RHA-GGBS后，固化劑起到填充孔隙和膠結(jié)土體的作用，當(dāng)土體發(fā)生變形破壞時(shí)，土體抵抗變形的能力提升，裂縫發(fā)展趨勢(shì)也被抑制，進(jìn)而改變了破壞模式.

2.3 破壞應(yīng)變與變形模量分析

2.3.1 破壞應(yīng)變 破壞應(yīng)變?chǔ)舊為應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線上與峰值抗壓強(qiáng)度對(duì)應(yīng)的應(yīng)變值，是衡量材料脆性或韌性的重要指標(biāo)[23].如圖5(a)所示為RHAGGBS質(zhì)量分?jǐn)?shù)為15%時(shí)不同配合比固化土試樣破壞應(yīng)變變化規(guī)律曲線.由圖可知：1）在養(yǎng)護(hù)期為0～60 d時(shí)，同一配試樣破壞應(yīng)變總是隨齡期增大逐漸減小，這是試樣中固化劑的一系列反應(yīng)所致，養(yǎng)護(hù)時(shí)間越長(zhǎng)，反應(yīng)越充分，試樣的脆性就越高，破壞應(yīng)變發(fā)生前移.2）當(dāng)?shù)練せ遗c礦渣配合比從5∶5變?yōu)?∶1時(shí)，破壞應(yīng)變總體上呈增大趨勢(shì)，但在6∶4處出現(xiàn)突降.一般來(lái)說(shuō)，隨著稻殼灰的增加，固化土試樣的塑性會(huì)增加，但6∶4處的突降點(diǎn)說(shuō)明此時(shí)固化土試樣呈現(xiàn)一定脆性，此時(shí)2種材料反應(yīng)較佳.如圖5(b)所示為不同組別固化土試樣破壞應(yīng)變變化規(guī)律曲線.可以看出：摻入固化劑后，破壞應(yīng)變較素土呈現(xiàn)出不同幅度減小，在相同質(zhì)量分?jǐn)?shù)時(shí)，隨著齡期的增加，破壞應(yīng)變均呈減小趨勢(shì).以28 d養(yǎng)護(hù)齡期為例，當(dāng)RHAGGBS質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為5%、10%、15%、20%時(shí)，試樣對(duì)應(yīng)的破壞應(yīng)變分別為3.0%、2.8%、2.7%、4.0%，說(shuō)明當(dāng)RHA-GGBS質(zhì)量分?jǐn)?shù)在0～15%時(shí)，試樣破壞應(yīng)變隨RHA-GGBS質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加持續(xù)減小，一旦RHA-GGBS質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)到20%，破壞應(yīng)變反而增大.對(duì)比試樣L1可以發(fā)現(xiàn)，不管固化劑摻入量多少，破壞應(yīng)變均發(fā)生不同程度減小.

圖5 試樣的破壞應(yīng)變?cè)囼?yàn)結(jié)果Fig.5 Failure strain test results of sample

2.3.2 變形模量 變形模量E50是巖土工程中評(píng)價(jià)材料抵抗變形性能的重要指標(biāo)，在數(shù)值上表現(xiàn)為應(yīng)力-應(yīng)變曲線上彈性壓密段處對(duì)應(yīng)的割線模量[24]，計(jì)算式為

式中：εf為破壞應(yīng)變；σ0.5為破壞應(yīng)變達(dá)到一半時(shí)的應(yīng)力值，E50視為此時(shí)的割線模量.如圖6所示為不同組別變形模量變化關(guān)系.由圖可知固化劑配比和RHA-GGBS質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)試樣變形影響均存在臨界值，配比臨界值為6∶4，RHA-GGBS質(zhì)量分?jǐn)?shù)臨界值為10 %，超過(guò)這一界限試樣抵抗變形能力不升反降.

圖6 試樣的變形模量試驗(yàn)結(jié)果Fig.6 Test results of deformation modulus for sample

如圖7所示為E50與無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度的關(guān)系.變形模量與無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度之間存在一定線性關(guān)系[6，19]，李麗華等[6]研究稻殼灰-水泥固化土的應(yīng)力-應(yīng)變曲線，發(fā)現(xiàn)E50是抗壓強(qiáng)度的85.6～142.5倍.陳瑞敏等[19]通過(guò)無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)研究不同因素對(duì)水泥-礦渣-粉煤灰-石膏-纖維加筋(CSFGFR)固化淤泥土強(qiáng)度的影響，發(fā)現(xiàn)CSFG-FR協(xié)同改良試樣的變形模量是抗壓強(qiáng)度的54.3～112.9倍.由圖7可以發(fā)現(xiàn)，變形模量與抗壓強(qiáng)度的線性關(guān)系相較于其他研究偏小，RHA-GGBS固化土試樣變形模量是抗壓強(qiáng)度的27.2～62.3倍，反映出不同配比、RHA-GGBS質(zhì)量分?jǐn)?shù)及齡期對(duì)固化土變形模量的影響.

圖7 變形模量與抗壓強(qiáng)度的關(guān)系Fig.7 Relationship between deformation modulus and compressive strength

2.4 膨脹變形分析

自由膨脹率δef是反映膨脹土膨脹性的指標(biāo)，自由膨脹率可以體現(xiàn)在無(wú)結(jié)構(gòu)力下的松散土粒在水中的膨脹特性，判斷土體膨脹潛勢(shì).如圖8(a)所示為養(yǎng)護(hù)前各RHA-GGBS質(zhì)量分?jǐn)?shù)自由膨脹率變化關(guān)系曲線.養(yǎng)護(hù)前膨脹土自由膨脹率隨RHAGGBS質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加迅速降低，由于RHAGGBS的加入，膨脹土逐漸向非膨脹土發(fā)生轉(zhuǎn)化，當(dāng)wRHA-GGBS=10%時(shí)，自由膨脹率為40.3%，接近膨脹土與非膨脹土區(qū)分界限，繼續(xù)加入RHAGGBS，土樣已轉(zhuǎn)變?yōu)榉桥蛎浲?出現(xiàn)上述現(xiàn)象的原因是試樣未養(yǎng)護(hù)，可以認(rèn)為自由膨脹率的變化由RHA-GGBS的替換作用所引起[25].稻殼灰無(wú)膨脹性，礦渣具有微膨脹性，因此當(dāng)二者加入膨脹土中且未經(jīng)養(yǎng)護(hù)時(shí)，土中礦物成分發(fā)生改變，具有膨脹潛勢(shì)的黏土礦物減少，自由膨脹率自然減小.如圖8(b)所示為養(yǎng)護(hù)后各RHA-GGBS質(zhì)量分?jǐn)?shù)及齡期自由膨脹率變化關(guān)系曲線.由圖可知：1）養(yǎng)護(hù)后膨脹土自由膨脹率隨RHA-GGBS質(zhì)量分?jǐn)?shù)逐漸降低，且wRHA-GGBS=5%時(shí)，相較于素膨脹土變化最大，隨著RHA-GGBS質(zhì)量分?jǐn)?shù)增大，自由膨脹率緩慢降低.原因是養(yǎng)護(hù)后RHA-GGBS固化劑與膨脹土中礦物成分發(fā)生水化反應(yīng)、團(tuán)粒化作用及凝硬反應(yīng)，使膨脹土中蒙脫石、伊利石等膨脹組分減少，產(chǎn)生無(wú)膨脹性水化硅酸鈣C-S-H和團(tuán)聚體，這一點(diǎn)可以在微觀結(jié)構(gòu)部分給出證明.2）養(yǎng)護(hù)后自由膨脹率隨養(yǎng)護(hù)齡期變化明顯，養(yǎng)護(hù)齡期越久，自由膨脹率降幅越大.這是由于在養(yǎng)護(hù)過(guò)程中，固化劑與膨脹土中親水礦物持續(xù)作用，固化劑中礦渣屬于緩凝材料，作用周期較長(zhǎng)，在長(zhǎng)時(shí)間養(yǎng)護(hù)后，自由膨脹率仍會(huì)緩慢減小.

圖8 試樣的自由膨脹率試驗(yàn)結(jié)果Fig.8 Test results of free swelling ratio for samples

通過(guò)對(duì)比分析養(yǎng)護(hù)前后自由膨脹率可知，不論養(yǎng)護(hù)與否，試樣的自由膨脹率均明顯降低，不同的是，養(yǎng)護(hù)前自由膨脹率下降的原因是稻殼灰和礦渣的替換作用，養(yǎng)護(hù)后為化學(xué)反應(yīng).從改良效果來(lái)看，以wRHA-GGBS=10%為例，養(yǎng)護(hù)前自由膨脹率降幅為22.5%，養(yǎng)護(hù)后不同齡期由短至長(zhǎng)分別為53.5%、65.8%、75.6%和81.2%，養(yǎng)護(hù)60 d后RHA-GGBS質(zhì)量分?jǐn)?shù)臨界值試樣自由膨脹率由52%降至9.8%.這表示養(yǎng)護(hù)帶來(lái)的改良效果不僅優(yōu)越，且養(yǎng)護(hù)組自由膨脹率較未養(yǎng)護(hù)組降幅最高為3.6倍.在改良膨脹土膨脹性能方面，RHAGGBS的摻入較好地改善了膨脹土的膨脹性，膨脹土可以轉(zhuǎn)化為非膨脹土且效果顯著.

2.5 微觀結(jié)構(gòu)

如圖9所示為試樣L8（配合比6∶4，RHA-GGBS質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%）養(yǎng)護(hù)28 d不同倍數(shù)微觀結(jié)構(gòu)圖像.從圖9(a)中可以看出，經(jīng)復(fù)雜化學(xué)反應(yīng)后生成的水化物主要存在形式為絮凝狀、針棒狀和團(tuán)聚體形態(tài).水化物在土中三維雜序堆疊分布，主要存在于土顆粒間及表面，起到填充、膠結(jié)及骨架支撐等作用[26].從圖9(b)中可以看出，土顆粒表面附著少量針棒狀水化物、少量未參與反應(yīng)的稻殼灰及大量絮凝狀水化物.這表示生成的水化物在膠結(jié)土顆粒方面起主要作用，少量未參與反應(yīng)的稻殼灰在填充孔隙方面也具有一定作用.一方面，固化劑充分反應(yīng)后，生成的大量水化物錯(cuò)落分布，填充于土顆粒之間及孔隙形成膠結(jié)體，形成空間網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)從而使土體凝硬.另一方面，未參與反應(yīng)的稻殼灰比表面積大、細(xì)度高，起填充土孔隙作用，有助于進(jìn)一步提高固化土密實(shí)度，使骨架強(qiáng)度提高，從而提高整體強(qiáng)度.

圖9 典型固化土試樣的掃描電鏡圖Fig.9 SEM images of typical solidified soil sample

固化土在宏觀上的改良體現(xiàn)為無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度提升，而抗壓強(qiáng)度提升則解釋為固化劑的加固作用.加固作用源自固化劑中2種成分發(fā)生水化反應(yīng)、火山灰反應(yīng).針棒狀礦物為礦渣在堿性環(huán)境水化反應(yīng)生成的鈣礬石（AFt）[27]，簇狀、片狀及絮凝狀凝膠為稻殼灰與礦渣生成的水化物，類(lèi)似于粉煤灰與礦渣生成的無(wú)定形水化物C-(A)-S-H[28].水化物裹挾土顆粒，共同組成空間網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，土顆粒間膠結(jié)、咬合作用與無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度密切相關(guān).稻殼灰比礦渣更細(xì)，產(chǎn)生致密的顆粒填充，孔隙尺寸細(xì)化，因此微觀結(jié)構(gòu)致密[29].Patel等[16]研究發(fā)現(xiàn)，稻殼灰通過(guò)填充孔隙和微裂紋能夠改善礦渣基地聚物的微觀結(jié)構(gòu)，使它的微觀組織均勻致密，氣孔和裂紋很少，因此在常溫下具有更高的強(qiáng)度，稻殼灰包含的SiO2形成硅氧橋(Si-O-Si)鏈，減少了C-S-H凝膠的間隙，使顆粒牢固地結(jié)合在一起，這也表明稻殼灰基固化劑的優(yōu)越性.

為了進(jìn)一步探究稻殼灰-礦渣固化膨脹土的水化產(chǎn)物組成，采用 X 射線衍射儀對(duì)養(yǎng)護(hù)60 d固化土進(jìn)行物相檢測(cè)，XRD 圖譜如圖10所示.結(jié)合圖2、10可以看出，稻殼灰主要成分為石英，礦渣主要成分為硅鋁酸鈣，存在潛在的水硬膠凝性.未固化土中黏土礦物主要存在石英、蒙脫石和伊利石，膨脹土固化前后XRD圖譜中峰形變化不大，沒(méi)有出現(xiàn)新峰，表明沒(méi)有新礦物生成.固化60 d后，膨脹土中的蒙脫石和伊利石消失，由于取樣的局限性，不能得出蒙脫石和伊利石完全消失的結(jié)論，但試驗(yàn)結(jié)果表明，固化60 d后膨脹土中這2種成分大幅減少.

圖10 稻殼灰-高爐礦渣固化膨脹土的X射線衍射圖譜Fig.10 X-ray diffractograms of rice husk ash-ground granulated blast slag cured expansive soil

對(duì)比不同RHA-GGBS質(zhì)量分?jǐn)?shù)組試樣，固化土石英峰的衍射強(qiáng)度隨RHA-GGBS質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加而先降低后增高，說(shuō)明稻殼灰中的活性SiO2在較低RHA-GGBS質(zhì)量分?jǐn)?shù)下反應(yīng)完全.這也證實(shí)存在最優(yōu)RHA-GGBS質(zhì)量分?jǐn)?shù)使固化土抗壓強(qiáng)度最佳，當(dāng)RHA-GGBS質(zhì)量分?jǐn)?shù)超過(guò)最優(yōu)值時(shí)，存在過(guò)量SiO2無(wú)法反應(yīng)，受生成物總量限制，固化作用不同程度受抑制.發(fā)現(xiàn)新生成的水化物，主要包含水化鋁酸鈣（C-A-H）、水化硅酸鈣（C-S-H）和水化硅鋁酸鹽（C-A-S-H），并未發(fā)現(xiàn)鈣礬石.未檢測(cè)到鈣礬石不代表沒(méi)有這一物質(zhì)，可能有微量鈣礬石，且RHA-GGBS作為固化劑使用，只會(huì)產(chǎn)生極少量鈣礬石，甚至不產(chǎn)生，這一點(diǎn)在文獻(xiàn)[30]中已有研究.結(jié)合SEM分析，RHA-GGBS固化膨脹土可明顯減少土中蒙脫石和伊利石親水礦物成分，生成大量無(wú)定型水化物，起到降低土體膨脹、加固土體的作用.

3 結(jié) 論

（1）改良后固化土試樣的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度均有不同程度提升，且隨齡期增長(zhǎng)強(qiáng)度持續(xù)上升，固化周期較長(zhǎng)，最高增幅為3.9倍，隨配合比及RHA-GGBS質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加，破壞應(yīng)變先減小后增大，變形模量先增大后減小，力學(xué)及變形性能改良效果顯著，且變形模量處于27.2～62.3倍抗壓強(qiáng)度線性范圍內(nèi).

（2）固化土試樣存在臨界配合比（6∶4）及臨界RHA-GGBS質(zhì)量分?jǐn)?shù)（10%），當(dāng)配合比超過(guò)6∶4或RHA-GGBS質(zhì)量分?jǐn)?shù)超過(guò)10%，力學(xué)性能不升反降.

（3）改良后固化土膨脹潛勢(shì)顯著降低，養(yǎng)護(hù)前后自由膨脹率差距明顯，RHA-GGBS質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%時(shí)，養(yǎng)護(hù)組較未養(yǎng)護(hù)組降幅最高為3.6倍，養(yǎng)護(hù)前自由膨脹率下降的原因是替換作用，養(yǎng)護(hù)后則是化學(xué)反應(yīng).

（4）RHA-GGBS能夠明顯減少土中蒙脫石和伊利石親水礦物成分，固化土試樣在臨界值條件生成團(tuán)聚體、少量針棒狀水化物及大量無(wú)定形凝膠，分布在土體表面及填充孔隙，可以提高土體強(qiáng)度，降低土體膨脹.RHA-GGBS質(zhì)量分?jǐn)?shù)超過(guò)臨界值時(shí)，存在過(guò)量SiO2無(wú)法反應(yīng)，生成物總量限制，使得固化反應(yīng)受到不同程度的抑制作用的影響.

（5）RHA-GGBS固化膨脹土的耐久性直接關(guān)系路基或邊坡使用年限，因此固化土耐久性在工程中極為重要.未來(lái)計(jì)劃對(duì)固化土進(jìn)行干濕循環(huán)試驗(yàn)和凍融循環(huán)試驗(yàn)，研究RHA-GGBS固化土的耐久性.