氣泡混合輕質(zhì)土干濕循環(huán)和硫酸鈉耐久性試驗(yàn)研究

劉 楷 ，李仁民 ，杜延軍 ，魏明俐

（1. 東南大學(xué) 巖土工程研究所，江蘇 南京 210096；2. 東南大學(xué) 江蘇省城市地下工程與環(huán)境安全重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 南京 210096）

1 引 言

氣泡混合輕質(zhì)土是 21世紀(jì)初陳忠平等從日本引進(jìn)的一種新型輕質(zhì)土材料，由土、一定比例的氣泡和固化材料制備而成，重度和強(qiáng)度可自由調(diào)整的一種輕質(zhì)土[1]。目前氣泡混合輕質(zhì)土在日本廣泛應(yīng)用于路基加寬、地質(zhì)條件復(fù)雜路段路基填筑、隧道坑口填筑、橋背填土、低填土路堤軟基 換填和地下空洞填充等方面[2]。近年來(lái)，我國(guó)在建筑工程和道路工程中也逐漸開(kāi)始對(duì)其推廣和應(yīng)用，為減小國(guó)家體育場(chǎng)地下通道上部結(jié)構(gòu)荷載，采用氣泡混合輕質(zhì)土分層填筑，減小了隧道頂板的荷載，施工總量為15 513 m3[3]。為解決湖南瀏醴高速公路橋頭跳車(chē)問(wèn)題，2011年采用密度為0.8 g/cm3的氣泡混合輕質(zhì)土在引橋路面以下至橋墩之間進(jìn)行填土，施工總量為2 000 m3，填土完成后各項(xiàng)指標(biāo)均達(dá)標(biāo)，且有著良好的經(jīng)濟(jì)效益和環(huán)境效益[4]。

為擴(kuò)大氣泡混合輕質(zhì)土的應(yīng)用范圍，國(guó)外對(duì)氣泡混合輕質(zhì)土的工程特性做了一系列的研究。Horpibulsuk 等[5]對(duì)水泥輕質(zhì)土的研究指出，水泥輕質(zhì)土強(qiáng)度主要因素有土性、泡沫體積摻量、水泥含量、含水率和齡期等，并建立了強(qiáng)度和孔隙水泥體積比（泡沫和水總體積與水泥體積之比）的經(jīng)驗(yàn)公式。Zhang等[6]使用低鈣粉煤灰、硅酸鈉和氫氧化鈉制備輕質(zhì)地聚合物，相同密度的輕質(zhì)地聚合物強(qiáng)度高于發(fā)泡水泥。對(duì)于地聚合物輕質(zhì)土研究較為少見(jiàn)，對(duì)于氣泡混合輕質(zhì)土干、濕耐久性和硫酸鈉耐久性的研究報(bào)道較為少見(jiàn)。

我國(guó)在這方面的研究和應(yīng)用尚處于初步發(fā)展階段。為了加快對(duì)氣泡混合輕質(zhì)土在我國(guó)工程上的應(yīng)用，需要對(duì)氣泡混合輕質(zhì)土的干濕耐久性和抗硫酸鈉腐蝕進(jìn)行評(píng)價(jià)。氣泡混合輕質(zhì)土密度小于1 000 kg/m3需要考慮水的浮力作用，密度過(guò)大則不能體現(xiàn)出其輕質(zhì)性。本文選取密度為 1 000 kg/m3和1 100 kg/m3的水泥輕質(zhì)土和地聚合物輕質(zhì)土，地聚合物選用?；郀t礦渣粉(GGBS)+硅酸鈉+電石渣，與傳統(tǒng)地聚合物相比，采用電石渣旨在代替NaOH，保持良好激發(fā)性能同時(shí)降低材料成本，并實(shí)現(xiàn)廢物再利用的目的[7]。通過(guò)室內(nèi)試驗(yàn)對(duì)其干濕耐久性和抗硫酸鈉腐蝕進(jìn)行評(píng)價(jià)，研究成果將有助于氣泡混合輕質(zhì)土在我國(guó)工程上應(yīng)用和優(yōu)化設(shè)計(jì)。

2 試驗(yàn)內(nèi)容和方法

2.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)采用南京下蜀土作為原料土，取自南京市龍?zhí)舵?zhèn)某港口內(nèi)。其主要物理指標(biāo)見(jiàn)表 1。發(fā)泡劑購(gòu)于山東省濰坊某化工廠，屬于植物源復(fù)合發(fā)泡劑，常溫下為無(wú)色至微黃色黏稠液體，pH=6.5～7.5。固化材料選用 42.5#早強(qiáng)水泥和地聚合物（GGBS+硅酸鈉+電石渣）。顆粒分析采用馬爾文激光粒度分析儀測(cè)定。依據(jù)ASTM D248710標(biāo)準(zhǔn)[8]判定，南京下蜀土屬于低液限黏土（CL）。GGBS主要物理化學(xué)指標(biāo)見(jiàn)表 2。其中，比表面積和平均粒徑通過(guò)ASAP2020型吸附分析儀采用氮?dú)馕椒y(cè)試。由X射線(xiàn)熒光光譜儀測(cè)得的土、42.5#早強(qiáng)型水泥、GGBS和電石渣主要化學(xué)成分見(jiàn)表 3，設(shè)計(jì)配比見(jiàn)表4、5。

表1 土的主要物理化學(xué)指標(biāo)Table 1 Main physico-mechemical indexes of clay

表2 GGBS的主要物理化學(xué)指標(biāo)Table 2 Main physico-chemical indexes of GGBS

表3 試驗(yàn)所用土、水泥、GGBS以及電石渣的主要化學(xué)成分Table 3 Main chemical compositions of soil, cement, GGBS and carbide slag

表4 水泥輕質(zhì)土配合比設(shè)計(jì)Table 4 Mix design of lightweight cement stabilized clay

表5 地聚合物輕質(zhì)土配合比設(shè)計(jì)Table 5 Mix design of lightweight geopolymer stabilized clay

2.2 氣泡混合輕質(zhì)土的配比設(shè)計(jì)

本次試驗(yàn)使用的地聚合物中GGBS、硅酸鈉和電石渣質(zhì)量比為8︰1︰1。固化材料的摻量（固化材料/干土質(zhì)量比）均取50%，為滿(mǎn)足氣泡混合輕質(zhì)土的流動(dòng)性，試樣的含水率取84%（約2倍液限，見(jiàn)表 4、5）。

2.3 試驗(yàn)方法

將預(yù)備的原料土風(fēng)干粉碎，過(guò)2 mm篩，摻入固化劑和水并用NJ-160A水泥凈漿攪拌機(jī)攪拌5 min以上。本文采用預(yù)制低壓發(fā)泡的方法，依據(jù)美國(guó)規(guī)范ASTM（C796M-12）標(biāo)準(zhǔn)[9]，將發(fā)泡劑和水按 1︰40體積比在燒杯中進(jìn)行混合加入20 L儲(chǔ)氣罐中，向儲(chǔ)氣罐內(nèi)注入壓縮空氣，控制出口壓力0.2 MPa，最后往料漿中加入一定體積泡沫。采用與前述相同攪拌方式攪拌7 min左右，測(cè)試密度。達(dá)到設(shè)計(jì)密度后將氣泡混合輕質(zhì)土倒入φ50 mm×100 mm的柱形PVC模具中，將試樣密封放置在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室內(nèi)（養(yǎng)護(hù)條件為溫度（20±3）℃，相對(duì)濕度為 98%）。試樣養(yǎng)護(hù)3 d后將試樣輕輕從PVC模具中推出，將試樣密封放置在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室內(nèi)繼續(xù)養(yǎng)護(hù)至設(shè)計(jì)齡期。

本次干濕循環(huán)試驗(yàn)按 Kamon等改良的方法進(jìn)行[10]，標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)28 d后開(kāi)始干濕循環(huán)，干循環(huán)歷時(shí)48 h，養(yǎng)護(hù)溫度為30 ℃，干循環(huán)結(jié)束后，待試樣冷卻1 h，將試樣浸泡于20 ℃水溫的蒸餾水中，放置在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室23 h，記為一級(jí)干濕循環(huán)。試驗(yàn)共進(jìn)行十級(jí)干濕循環(huán)。每級(jí)干濕循環(huán)后，取每組試樣的3個(gè)平行試樣進(jìn)行直徑、高度、質(zhì)量及無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度基本參數(shù)試驗(yàn)。無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)參照《公路土工試驗(yàn)規(guī)程》[11]進(jìn)行，無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)設(shè)備采用南京寧曦土壤有限公司出廠的 YSH-2型石灰土無(wú)側(cè)限壓力儀，壓力傳感器系數(shù)為21 N/0.01 mm，試樣承臺(tái)上升速率為1 mm/min。每級(jí)干濕循環(huán)結(jié)束后質(zhì)量變化率wn和強(qiáng)度比根據(jù)式（1）、（2）進(jìn)行計(jì)算。

式中：m0為試樣初始的質(zhì)量（28 d時(shí)測(cè)得的質(zhì)量）；mn為不同配方第n級(jí)干濕循環(huán)后試樣的質(zhì)量；qu,28為試樣標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)28 d的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度；qu,n為第n級(jí)干濕循環(huán)后試樣的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度。

本次硫酸鈉浸泡試驗(yàn)按Kamon等改良的方法進(jìn)行[10]。浸泡溶液選用質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2.5%（0.176 mol/L，pH=6.23）的硫酸鈉溶液。試樣制備方案和方法如前文所述，試樣標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)28 d后開(kāi)始浸泡。在試樣底部放置透水石共同放置在燒杯中，硫酸鈉溶液完全淹沒(méi)試樣；浸泡時(shí)間分別為為3、7、28、60、90、120 d，每7 d更換一次硫酸鈉溶液。浸泡至規(guī)定時(shí)間后，取每組試樣的3個(gè)平行樣進(jìn)行質(zhì)量、直徑、高度和無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度基本參數(shù)測(cè)試。

3 試驗(yàn)結(jié)果及討論

3.1 干濕循環(huán)質(zhì)量損失率研究

圖1為水泥輕質(zhì)土和地聚合物輕質(zhì)土在干濕循環(huán)中質(zhì)量變化率。從圖中可以看出，密度為1 000、1 100 kg/m3的地聚合物輕質(zhì)土的質(zhì)量變化率分別為-3.5%、-2.75%，略高于水泥輕質(zhì)土的-1.85%、-2.62%。

圖1 水泥輕質(zhì)土和地聚合物輕質(zhì)土干濕循環(huán)質(zhì)量變化率Fig.1 Relationships between mass with wetting-drying cycles for LCSC and LGSC

3.2 干濕循環(huán)無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度變化特性

圖2為水泥輕質(zhì)土和地聚合物輕質(zhì)土無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度隨干濕循環(huán)次數(shù)變化規(guī)律。從圖中可看出，干濕循環(huán)作用下水泥輕質(zhì)土強(qiáng)度呈現(xiàn)增長(zhǎng)趨勢(shì)，在第5～6個(gè)循環(huán)強(qiáng)度達(dá)到最大值，第8個(gè)循環(huán)基本達(dá)到穩(wěn)定，地聚合物輕質(zhì)土強(qiáng)度呈現(xiàn)逐漸下降的趨勢(shì)，第4個(gè)循環(huán)時(shí)達(dá)到相對(duì)穩(wěn)定的狀態(tài)；在水浸泡作用下水泥輕質(zhì)土強(qiáng)度會(huì)產(chǎn)生一定提高，干濕循環(huán)對(duì)水泥輕質(zhì)土強(qiáng)度損害較小，且濕循環(huán)作用大于干循環(huán)作用；地聚合物輕質(zhì)土水化反應(yīng)較完全，不斷地吸水失水導(dǎo)致試樣內(nèi)部孔隙相互連通，試樣內(nèi)部裂縫不斷擴(kuò)大，從而降低了其抗壓強(qiáng)度。圖2顯示，水泥輕質(zhì)土在10級(jí)干濕循環(huán)后強(qiáng)度略有增長(zhǎng)；地聚合物輕質(zhì)土10級(jí)干濕循環(huán)后強(qiáng)度出現(xiàn)急劇下降，僅為標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)28 d試樣的30%左右。水泥輕質(zhì)土的抗干濕循環(huán)能力明顯優(yōu)于地聚合物輕質(zhì)土。Kampala等[11]對(duì)電石渣-粉煤灰固化土的抗干濕循環(huán)研究表明，雖然電石渣的摻入增加了土體的強(qiáng)度，但是使其抗干濕循環(huán)能力大大降低，6級(jí)干濕循環(huán)后僅為標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)28 d試樣強(qiáng)度的40%左右，與本文結(jié)論基本一致。

圖2 水泥輕質(zhì)土和地聚合物輕質(zhì)土與強(qiáng)度比隨干濕循環(huán)次數(shù)的變化關(guān)系Fig.2 Relationships between qu and qu,w-d /qu,28 of LCSC and LGSC with wetting-drying cycles

3.3 硫酸鈉浸泡質(zhì)量損失率研究

從圖3中可以看出，地聚合物輕質(zhì)土在硫酸鈉浸泡條件下其質(zhì)量變化率要高于水泥輕質(zhì)土的質(zhì)量變化率；密度越小質(zhì)量增長(zhǎng)越多。水泥輕質(zhì)土和地聚合物輕質(zhì)土質(zhì)量增長(zhǎng)是由于試樣中含有大量孔隙吸水引起的，Ramamurthy等[13]在研究發(fā)泡水泥抗硫酸鹽腐蝕時(shí)也發(fā)現(xiàn)，在硫酸鹽溶液中浸泡的試樣質(zhì)量出現(xiàn)明顯增長(zhǎng)，主要原因是浸泡過(guò)程中試樣吸水并生成了新的物質(zhì)導(dǎo)致質(zhì)量增加。

圖3 水泥輕質(zhì)土和地聚合物輕質(zhì)土試樣質(zhì)量隨浸泡時(shí)間變化關(guān)系曲線(xiàn)Fig.3 Change curves of mass with sodium sulfate soaking for LCSC and LGSC

3.4 硫酸鈉浸泡無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度變化特性

圖4為水泥輕質(zhì)土和地聚合物輕質(zhì)土在硫酸鈉溶液浸泡環(huán)境下無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度和強(qiáng)度比隨浸泡時(shí)間變化關(guān)系曲線(xiàn)。在浸泡過(guò)程中前28 d，水泥輕質(zhì)土無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度不斷增大，在浸泡28 d后達(dá)到最大值，隨后強(qiáng)度不斷降低；浸泡120 d后試樣開(kāi)裂不能保持完整性。究其原因：在浸泡前期硫酸根離子進(jìn)入試樣內(nèi)部反應(yīng)生成鈣礬石和石膏，使試樣孔隙得到填充，強(qiáng)度出現(xiàn)一定增長(zhǎng)；繼續(xù)浸泡過(guò)程中，產(chǎn)物不斷增加使試樣發(fā)生膨脹，內(nèi)部結(jié)構(gòu)產(chǎn)生裂隙，導(dǎo)致強(qiáng)度不斷降低；在浸泡120 d后試樣表面發(fā)生開(kāi)裂也證明了這一點(diǎn)。地聚合物輕質(zhì)土無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度隨浸泡時(shí)間不斷減小，浸泡28 d后，強(qiáng)度較小速率趨于平穩(wěn)；120 d后強(qiáng)度為浸泡前的80%左右?？赡苁怯捎谏闪松倭康拟}礬石等產(chǎn)物，對(duì)強(qiáng)度未產(chǎn)生明顯的作用，反而使試樣內(nèi)部產(chǎn)生了微小裂隙。

圖4 水泥輕質(zhì)土和地聚合物輕質(zhì)土無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度和強(qiáng)度比隨浸泡時(shí)間變化關(guān)系Fig.4 Relationships between qu and qu,soaking /qu,28 of LCSC and LGSC with sodium sulfate soaking

上述研究結(jié)果表明，在硫酸鈉浸泡環(huán)境下水泥輕質(zhì)土試樣在120 d后會(huì)出現(xiàn)開(kāi)裂破壞，地聚合物輕質(zhì)土試樣能保持良好的完整性，強(qiáng)度出現(xiàn)小幅下降，與國(guó)內(nèi)外許多學(xué)者的報(bào)道相符[14－17]。傅小茜等[14]認(rèn)為，水泥固化土在0.1 mol/L硫酸鈉中浸泡28 d強(qiáng)度達(dá)到最大值，隨著浸泡時(shí)間的增長(zhǎng)，強(qiáng)度不斷減小。Manu等[15－16]分析指出，加氣混凝土中的孔隙可以容納更多的反應(yīng)產(chǎn)物（鈣礬石和石膏等），同時(shí)在一定程度上可以抑制內(nèi)部的開(kāi)裂；故加氣混凝土可以承受更長(zhǎng)時(shí)間的硫酸鹽浸泡。Bakharev[17]分析指出，地聚合物材料強(qiáng)度損失主要是試樣內(nèi)部在浸泡過(guò)程中出現(xiàn)裂縫，裂縫可能是由于試樣中的堿金屬離子擴(kuò)散進(jìn)入硫酸鈉溶液中造成的。

4 結(jié) 論

（1）隨著干濕循環(huán)級(jí)數(shù)增加，水泥輕質(zhì)土未出現(xiàn)破壞跡象，而地聚合物輕質(zhì)土在第二級(jí)干濕循環(huán)后表面出現(xiàn)裂縫，但是并未發(fā)展到試樣內(nèi)部。

（2）標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)28 d地聚合物輕質(zhì)土強(qiáng)度為水泥輕質(zhì)土強(qiáng)度的2倍，但干濕循環(huán)對(duì)地聚合物輕質(zhì)土強(qiáng)度影響顯著，7級(jí)干濕循環(huán)后強(qiáng)度低于水泥輕質(zhì)土，并隨著循環(huán)級(jí)數(shù)增加而逐漸降低。

（3）硫酸鈉溶液浸泡120 d后地聚合物輕質(zhì)土試樣表面未產(chǎn)生明顯變化，且強(qiáng)度為標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)28 d的80%左右。水泥輕質(zhì)土試樣出現(xiàn)嚴(yán)重開(kāi)裂而破壞，說(shuō)明地聚合物輕質(zhì)土抗硫酸鈉侵蝕性能明顯優(yōu)于水泥輕質(zhì)土。

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