活性MgO碳化固化土的凍融循環(huán)特性試驗研究

鄭 旭 劉松玉 蔡光華 曹菁菁

(東南大學巖土工程研究所, 南京 210096)(東南大學江蘇省城市地下工程與環(huán)境安全重點實驗室, 南京 210096)

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活性MgO碳化固化土的凍融循環(huán)特性試驗研究

鄭 旭 劉松玉 蔡光華 曹菁菁

(東南大學巖土工程研究所, 南京 210096)(東南大學江蘇省城市地下工程與環(huán)境安全重點實驗室, 南京 210096)

采用室內(nèi)三軸碳化裝置研究了活性MgO碳化固化土的凍融耐久性能,對凍融循環(huán)作用下碳化固化土的無側限抗壓強度等進行了測試分析,并與水泥固化土進行了試驗比較.結果表明:活性MgO固化粉土碳化3 h試樣的無側限抗壓強度可達5 MPa左右,粉質黏土碳化24 h試樣可達4.5 MPa左右;凍融循環(huán)作用下,碳化試樣和水泥土試樣的密度和干密度基本不變;碳化試樣與水泥土試樣在凍融循環(huán)中的無側限抗壓強度和E50表現(xiàn)出類似的變化趨勢,即先略有降低,后又逐漸提高.碳化固化土經(jīng)6次凍融循環(huán)后,其強度由5 MPa左右降低到4.5 MPa左右,而水泥土試樣經(jīng)4次凍融循環(huán)后其強度由1.6 MPa降低到1.4 MPa左右,二者均具有較好的抗凍融性能.微觀測試分析表明, 活性MgO碳化固化土生成的鎂碳酸化合物經(jīng)凍融循環(huán)后沒有發(fā)生明顯變化,但試樣內(nèi)部0.1～1.0 μm的孔隙減少,1～30 μm的孔隙增加,累計孔隙體積略有增加,這也是導致強度略有降低的原因.

土體固化;碳化;粉土;粉質黏土;凍融循環(huán);水泥土

目前廣泛采用將波特蘭水泥(硅酸鹽水泥)作為固化劑的軟土地基處理方法[1],但是使用水泥作為固化劑存在高能耗、高CO2排放和不可再生資源消耗、環(huán)境污染和固化速率較慢等問題[2-5].因此，研究低碳、低能耗的新型軟土固化技術對節(jié)能減排和可持續(xù)發(fā)展具有重要的現(xiàn)實意義.

2011年,東南大學巖土工程研究所研制了碳化固化的相關室內(nèi)試驗設備,采用國內(nèi)常用的工業(yè)級活性氧化鎂,以徐州粉土作為加固對象,對碳化攪拌樁技術進行了初步試驗研究.結果表明氧化鎂固化土能在3 h內(nèi)完成主要強度增長,其強度是相同配比28 d普通硅酸鹽水泥(32.5級)固化土的2～3倍,二氧化碳吸收量則可高達理論值的90%.綜合來看,碳化攪拌樁可以比波特蘭水泥攪拌樁減少約90%的工期、65%的生產(chǎn)能耗和77%的CO2排放[6-7].

李晨[8]通過無側限抗壓強度、碳化度、pH值、滲透性測試等室內(nèi)試驗,從碳化前后試樣體積、質量、密度、強度等方面對氧化鎂活性、摻量、土體性質對碳化固化效果的影響進行了研究,并在強度、pH、滲透性方面與水泥固化土進行了對比,試驗結果表明，粉土碳化試樣僅碳化2 h即可達到最高強度,武漢淤泥質粉質黏土試樣碳化24 h達到最高強度.

目前關于MgO碳化固化土的耐久性能(如在凍融循環(huán)條件下的耐久性能)的研究還較少.本文針對宏觀力學性能對2種碳化固化土和相同配比的水泥土進行了凍融循環(huán)對比試驗,并通過X射線衍射(XRD)、電鏡掃描(SEM)和壓汞試驗(MIP)等微觀分析對碳化試樣的微觀變化進行研究,為評價碳化固化土的凍融耐久性提供依據(jù).

1 試驗方案和方法

1.1 試驗材料

試驗采用江蘇徐明高速公路徐州段沉積粉土和南京長江漫灘相粉質黏土,其主要物理指標見表1;活性MgO為邢臺市鎂神化工有限公司生產(chǎn)的輕質MgO,采用南京產(chǎn)“海螺牌”32.5普通硅酸鹽水泥,兩者的主要化學成分見表2.

1.2 制樣方法

試樣均采用靜壓法進行制備.為了保證平行試樣的均勻性,試樣干密度接近天然土體干密度,粉土試樣為1.375 g/cm3,粉質黏土試樣為1.40 g/cm3.為了能夠順利制樣并成功脫模,選定試樣初始土體含水率為25%,氧化鎂干粉摻量為15%.粉土試樣和粉質黏土試樣分別通氣3和24 h.同時采用靜壓法制備水泥固化土對比樣,控制干密度為1.40 g/cm3,25%初始土體含水率,水泥摻量也為15%.

表1 土的主要物理指標

表2 MgO和水泥的化學組成 %

試驗前先將土晾曬、粉碎后過2 mm篩,再將過篩后的土放入烘箱烘干.將干土和活性MgO按照設計比例混合,在攪拌機中攪拌均勻后,均勻緩慢地加入預先稱量好的水中,待混合物攪拌均勻后采用靜壓法進行制樣.

靜壓法制樣過程如下:① 稱取每一個試樣需要的試樣質量,將稱好的土樣全部填入模具中.② 用油壓千斤頂進行壓實,至所有土樣被均勻壓實在模具中.③ 壓實后將輔助模具卸下，使用脫模儀器進行脫模出樣.

本次試驗中采用靜壓法制成直徑為50 mm、高為100 mm的圓柱形試樣,在測量試樣直徑、長度和質量后,立即裝入碳化裝置進行通氣碳化.

1.3 碳化方法

試樣采用三軸碳化裝置進行通氣碳化,碳化示意圖見圖1.通氣裝置由TSS-2型柔性壁三軸滲透儀改裝,將其滲透壓力管與二氧化碳氣瓶相連接,二氧化碳出氣閥采用壓力控制式氣閥以控制二氧化碳通氣壓力.完整的碳化系統(tǒng)如圖2所示.碳化過程中控制CO2氣體壓力為200 kPa,圍壓為300 kPa.粉土試樣通氣3 h、粉質黏土試樣通氣24 h后取出試樣,完成碳化試樣的制備.

1.4 凍融循環(huán)試驗方法及測試

將碳化完成的試樣放入標準養(yǎng)護室(溫度(20±2)℃,相對濕度不低于95%)，養(yǎng)護1 d后進行凍融循環(huán)試驗.水泥土試樣制好后直接放入標準養(yǎng)護室中進行養(yǎng)護,28 d后進行凍融循環(huán)試驗.凍融循環(huán)試驗參考ASTM-D560—03[9],試驗步驟如下:

① 凍融循環(huán)開始前先將試樣進行編號、稱重和量尺寸,每組3個平行試樣.試樣用自封袋封閉,凍融循環(huán)過程中保持試樣封閉在自封袋內(nèi),防止水分損失.先取出一組試樣測試其無側限抗壓強度，將測試值作為開始的基準值.再取出一組特別標注為質量變化測試樣,測試其在循環(huán)開始前的質量,然后與剩下的9組一起開始凍融循環(huán).

圖1 碳化裝置示意圖(單位：mm)

圖2 完整碳化系統(tǒng)

② 將試樣置于溫度為-23 ℃的凍融箱中24 h.然后取出,對之前標注好有質量變化的試樣進行質量測試.將試樣轉移到標準養(yǎng)護室中養(yǎng)護23 h.之后取出試樣,對之前測試標注的質量變化測試樣再進行質量測試,完成一次凍融循環(huán).

③ 每次凍融循環(huán)結束后,取出一組試樣(非質量變化測試樣)進行尺寸、質量和無側限抗壓強度測試.同時取出一組標準養(yǎng)護試樣同樣測試其尺寸、質量和無側限抗壓強度.采用南京寧曦土壤有限公司2009年6月出廠的YSH-2型石灰土無側限壓力儀進行無側限抗壓強度試驗,壓力傳感器系數(shù)為21 N/0.01 mm,試樣承臺上升速率為1 mm/min.

④ 重復步驟②和③,直到10級凍融循環(huán)結束,將質量變化測試樣作為第10級循環(huán)測試樣,進行最后測試.

2 試驗結果

2.1 試樣質量、含水率和密度變化

試驗中的4種試樣類型及起編號見表3.表4列出了各個試樣在各個凍融循環(huán)結束時的試樣平均含水率、密度和干密度,表中,T表示凍融循環(huán)次數(shù).由表可以看出,粉土+MgO碳化試樣初始含水率低于水泥土試樣,但是前者密度和干密度大于后者.隨著凍融循環(huán)進行,試樣含水率逐漸下降,水泥試樣含水率下降程度大于碳化試樣.

表3 試驗中4種試樣類型及對應編號

表4 各凍融循環(huán)次數(shù)下試樣的平均含水率、密度和干密度

由表4可見,碳化試樣和水泥土試樣在凍融循環(huán)過程中密度和干密度都基本保持不變.粉土碳化試樣密度有稍許下降.

每次凍融循環(huán)結束后,對試樣的質量變化率wn進行計算,試樣質量變化率如圖3所示,wn的計算公式為

(1)

式中,mn為每級凍或融結束后試樣的平均質量;m0為凍融循環(huán)試驗開始前試樣的平均質量.

雖然試樣在自封袋中,但試樣質量還是會由于水分的減少和增加而發(fā)生變化,表現(xiàn)在凍的過程中水分散失而質量下降,在融的過程中又吸收空氣中的水分使質量回升,所以圖3曲線呈現(xiàn)出波動的情況.由于吸水量少于失水量,所以無論是碳化試樣還是水泥試樣,質量都呈下降的趨勢,水泥土試樣比碳化土試樣質量下降程度更大;粉土碳化試樣質量下降程度要大于粉質黏土碳化試樣.

2.2 無側限抗壓強度

每次凍融循環(huán)結束后,立即取出試樣進行無側限抗壓強度試驗,并與標準養(yǎng)護條件下同齡期試樣的無側限抗壓強度進行對比.圖4為各試樣無側限抗壓強度值隨凍融循環(huán)次數(shù)的變化，其中qu為無側限抗壓強度.

(a) 粉土試樣

(b) 粉質黏土試樣

從圖4中可以看出,相比標準養(yǎng)護試樣,凍融循環(huán)試樣的強度都有不同程度的降低,粉土凍融循環(huán)試樣的無側限抗壓強度都表現(xiàn)出同樣的變化趨勢,即先降低,后又逐漸提高.粉土碳化試樣在第6次凍融循環(huán)結束強度最低,為4.5 MPa左右.而粉質黏土碳化試樣無側限抗壓強度則在降低一定程度后保持穩(wěn)定,最低為3.5 MPa左右.

圖5是試樣強度變化率隨凍融循環(huán)級數(shù)的變化,強度變化率定義為試樣凍融循環(huán)強度與對應標準養(yǎng)護強度之比,圖中qu1表示凍融循環(huán)無側限抗壓強度,qu2表示標準養(yǎng)護無側限抗壓強度.從圖中可以看出，凍融循環(huán)對試樣無側限抗壓強度的影響程度,強度變化率值越偏離1,則受影響程度越大.第4次循環(huán)之前,碳化試樣和水泥土試樣強度變化率比較接近,但是第4次循環(huán)后,水泥土試樣的強度變化率開始回升,碳化試樣強度變化率繼續(xù)下降.與無側限抗壓強度類似,粉土碳化試樣強度變化率在6～8次循環(huán)之后開始回升,10次凍融循環(huán)后為0.95左右,粉質黏土碳化試樣6次循環(huán)后則在0.85上下波動.

圖5 試樣強度變化率與凍融循環(huán)關系

從強度變化和強度變化率來看,碳化試樣受凍融循環(huán)影響要大于水泥土試樣.

2.3 變形模量E50值

表5和圖6給出了試樣E50隨凍融循環(huán)級數(shù)的變化關系,從圖表中可以看出,碳化試樣的E50值要明顯高于水泥土試樣.總體來看，粉土試樣E50值均表現(xiàn)為先降低后增加的趨勢,粉質黏土碳化24 h,試樣E50先不變后減小,與無側限抗壓強度變化有類似的規(guī)律.

表5 試樣經(jīng)過凍融循環(huán)后變形模量E50值 MPa

圖6 試樣變形模量E50值隨凍融循環(huán)次數(shù)變化的關系圖

2.4 微觀測試

根據(jù)無側限抗壓強度變化對碳化試樣凍融前、標準養(yǎng)護21 d(對應10個凍融循環(huán))、6次凍融循環(huán)和10次凍融循環(huán)后的碳化試樣物質成分進行了X射線衍射(XRD)分析,如圖7所示,圖中碳化反應各物質所對應的物相峰值已用豎線標出.

N—MgCO3·3H2O;D—Mg5(CO3)4(OH)2·5H2O;

H—Mg5(CO3)4(OH)2·4H2O；B—Mg(OH)2；M—MgO

圖7 凍融循環(huán)對碳化固化土成分的影響

圖8～圖10分別為碳化試樣凍融前、標準養(yǎng)護21 d和10次凍融循環(huán)后的電鏡掃描(SEM)圖片.從圖中比較可以看出,無論是標準養(yǎng)護試樣還是凍融循環(huán)試樣,都能夠很容易發(fā)現(xiàn)3種碳化產(chǎn)物的存在,結合XRD的測試結果可以說明凍融循環(huán)對碳化固化土的物質成分影響不大.

圖11和圖12分別是粉土碳化3 h試樣和粉質黏土碳化24 h試樣凍融前及6次和10次凍融循環(huán)后的壓汞測試(MIP)對比圖.從圖中可以看出,碳化試樣經(jīng)過凍融循環(huán)后0.1～1.0 μm的孔隙減少,1～30 μm的孔隙增加,6次凍融循環(huán)和10次凍融循環(huán)的累計空隙體積基本一致,說明碳化試樣經(jīng)過6次凍融循環(huán)后累計孔隙體積基本保持穩(wěn)定.凍融循環(huán)后粉土試樣累積孔隙由0.133 mL/g增加到0.145 mL/g左右,粉質黏土由0.137 mL/g增加到0.150 mL/g左右.

(a) F1

(b) N1

(a) F1,標準養(yǎng)護21 d

(b) N1,標準養(yǎng)護21 d

(a) F1,10次凍融

(b) N1,10次凍融

(a) 累計孔隙分布曲線

(b) 孔隙孔徑分布頻率

(a) 累計孔隙分布曲線

(b) 孔隙孔徑分布頻率

結合XRD, SEM及MIP的測試結果,從微觀上分析了凍融循環(huán)對碳化試樣物質成分、微觀結構及孔隙特征的影響情況,可以發(fā)現(xiàn)凍融循環(huán)對碳化試樣的影響主要表現(xiàn)為試樣內(nèi)部的孔隙增加,試樣相對變得疏松而導致強度的衰減,試樣內(nèi)部的碳化產(chǎn)物并沒有由于凍融循環(huán)的作用而發(fā)生大的變化.

3 結論

1) 碳化試樣和水泥土試樣在凍融循環(huán)過程中密度和干密度都基本保持不變.

2) 凍融循環(huán)的碳化固化土與水泥固化土無側限抗壓強度和E50表現(xiàn)出類似的變化趨勢,即先略有降低,后又逐漸提高.碳化固化土經(jīng)過6次凍融循環(huán)后,其強度由5 MPa左右降低到4.5 MPa左右,而水泥土試樣經(jīng)4次凍融循環(huán)后其強度由1.6 MPa降低到1.4 MPa左右,二者均具有較高的強度.碳化固化土強度降低程度更大,原因是碳化固化土試樣的密實度要大于水泥土試樣,在低溫環(huán)境下試樣內(nèi)部的水分凍結膨脹對內(nèi)部結構的影響比水泥土試樣明顯.

3) 微觀測試分析表明,凍融循環(huán)對碳化固化土物質成分和微觀結構沒有明顯的影響,凍融循環(huán)使碳化固化土試樣內(nèi)部0.1～1.0 μm的孔隙減少, 1～30 μm的孔隙增加,但累計孔隙變化不大,這是與試樣內(nèi)部的水分凍結膨脹有關,也是導致強度略有降低的原因.

總體來講,活性MgO碳化固化土與水泥土相似,具有較好的抗凍融性能.

References)

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Experimental study on freeze-thaw properties of carbonated reactive MgO-stabilized soils

Zheng Xu Liu Songyu Cai Guanghua Cao Jingjing

(Institute of Geotechnical Engineering, Southeast University, Nanjing 210096, China) (Jiangsu Key Laboratory of Urban Underground Engineering and Environmental Safety, Southeast University, Nanjing 210096, China)

Laboratory unconfined compressive strength (UCS) tests were performed to investigate the freeze-thaw durability of carbonated reactive magnesia(MgO)-stabilized soils carbonated by triaxial carbonation device. The test results were then compared with those of cemented soils. It is found that the maximum UCS of MgO-stabilized silts can reach 5 MPa after carbonated 3 h, and those of MgO-stabilized silty clay can reach 4.5 MPa after 24 h carbonation. The density and dry density almost remain constant during the cyclic freeze-thaw tests. The UCS andE50of carbonated reactive MgO-stabilized soils and cemented soils exhibit similar trends that slightly decrease first, then gradually increase. The UCS of carbonated reactive MgO-stabilizes soils reduced from about 5 MPa to about 4.5 MPa after 6 freeze-thaw cycles, and that of cemented soil reduces from about 1.6 MPa to about 1.4 MPa after 4 freeze-thaw cycles, they both have good resistance behaviors to freeze-thaw cycles. Based on microscopic mechanism analysis on mineral composition and pore structure, it shows that hydrated magnesium carbonates generated by carbonation will not change significantly after cyclic freeze-thaw tests. However, pores of 0.1 to 1.0 μm reduce, pores of 1 to 30 μm increase, leading to the cumulative increase in porosity. That is why the UCS slightly reduces.

soil stabilization; carbonation; silt; silty clay; freeze-thaw cycles; cemented soil

10.3969/j.issn.1001-0505.2015.03.032

2014-12-22. 作者簡介: 鄭旭(1989—)，男，碩士生；劉松玉(聯(lián)系人)，男，博士，教授、博士生導師，liusy@seu.edu.cn.

國家自然科學基金資助項目(51279032)、“十二五”國家科技支撐計劃資助項目(2012BAJ01B02)、中央高?；究蒲袠I(yè)務費專項資金資助項目、江蘇省普通高校研究生科研創(chuàng)新計劃資助項目(KYLX_0147).

鄭旭,劉松玉,蔡光華,等.活性MgO碳化固化土的凍融循環(huán)特性試驗研究[J].東南大學學報:自然科學版,2015,45(3):595-600.

10.3969/j.issn.1001-0505.2015.03.032

TU472

A

1001-0505(2015)03-0595-06