地質(zhì)聚合物加固含硫軟土的試驗(yàn)研究

劉 旭，張 默，邵龍?zhí)?/p>

(1.大連理工大學(xué) 工程力學(xué)系， 遼寧 大連 116024；2.大連交通大學(xué) 土木與安全工程學(xué)院， 遼寧 大連 116028)

軟土或高壓縮性土層缺乏足夠的強(qiáng)度，難以在施工和使用過程承載上部結(jié)構(gòu)的荷載、難以滿足公路對地基變形和穩(wěn)定性的要求，這是建筑工程或道路工程的常見問題[1]。利用水泥或石膏對軟土進(jìn)行加固是提高地基土承載力的常用方法[2-4]。但是，加固劑中的鈣離子(Ca2+)會與含硫軟土中的硫酸鹽在水分充足的條件下反應(yīng)生成易膨脹的礦物晶體鈣礬石和硅灰石膏，如以下反應(yīng)式所示：

鈣礬石遇水后可膨脹250%，且會因晶體成長和水化反應(yīng)持續(xù)膨脹[5]。國內(nèi)外的大量工程實(shí)例中發(fā)現(xiàn)用水泥和石膏改良含硫酸鹽軟土地基時(shí)會發(fā)生大量的體積膨脹，導(dǎo)致上部結(jié)構(gòu)出現(xiàn)裂縫、甚至發(fā)生破壞[6-8]。因此，許多研究者致力于開發(fā)新型軟土加固劑[9]，如石灰纖維復(fù)合材料、水泥窯灰、粒化高爐礦渣、粉煤灰等，但以上均屬于鈣基加固劑，仍舊無法解決含硫土的膨脹問題[10-13]。雖然研究表明鈣礬石的形成對于軟土的改良有利有弊，但是開發(fā)新型的非鈣基加固劑仍是巖土工程研究中的重要課題[14-16]。

地質(zhì)聚合物(地聚物)是由堿溶液激發(fā)硅鋁礦物進(jìn)而聚合形成的膠凝材料，由于其力學(xué)性能優(yōu)異、防火耐熱性能優(yōu)良、能耗和CO2排放量低、可利用固體廢料，是一種在混凝土[17]、防火建材[18]、保溫材料[19]、有毒廢料固化[20]等領(lǐng)域有廣泛應(yīng)用前景的綠色材料。本研究利用偏高嶺土、赤泥和低鈣粉煤灰的混合物兩種固體材料合成地聚物進(jìn)行含硫軟土加固，測試加固后軟土的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度等力學(xué)性能和浸水后的體積變化，并借助掃描電子顯微鏡、X射線能譜和X射線衍射對加固土的微觀結(jié)構(gòu)性質(zhì)進(jìn)行分析，揭示了地聚物加固含硫軟土的良好力學(xué)性能和體積穩(wěn)定性。

1 試驗(yàn)材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

分別采用赤泥和粉煤灰的混合料、偏高嶺土兩種材料制備地質(zhì)聚合物。赤泥是拜耳法煉鋁的固體廢料，含有大量氫氧化鈉殘留，放置在烘箱內(nèi)烘干至恒重，溫度控制在90℃～95℃ 24 h。赤泥烘干后粉碎磨細(xì)至0.152 mm。利用比重計(jì)法測得赤泥和粉煤灰的粒徑分布，如圖1所示。偏高嶺土的顆粒尺寸分布較均勻，小于0.045 mm粒徑的質(zhì)量比例為91.6%。通過X射線熒光分析得到三種原料的化學(xué)組分，如表1所示。堿激發(fā)劑采用50%氫氧化鈉溶液和2 mol/L的硅酸鈉溶液混合而成。選用石灰和水泥兩種常用的含鈣加固劑作為對比。

根據(jù)美國材料與試驗(yàn)協(xié)會(ASTM)標(biāo)準(zhǔn)，類別為高塑性黏土的土樣用于本研究中作為加固土樣。根據(jù)ASTM標(biāo)準(zhǔn)D4318-10[21]，使用土樣中粒徑小于0.425 mm部分測量塑性指數(shù)和液限。該土樣的塑性指數(shù)和液限分別為15%和29%。以往的實(shí)驗(yàn)研究表明，含硫量為320 ppm～43 500 ppm的土都會發(fā)生膨脹[22]。在黏土中加入濃度分別為1 000 ppm、5 000 ppm、10 000 ppm的石膏粉并攪拌均勻，以達(dá)到土樣中含硫量為565 ppm、2 825 ppm、5 650 ppm，研究地質(zhì)聚合物對于不同含硫量黏土的加固作用。

圖1赤泥、粉煤灰、土的粒徑分布

表1 赤泥、粉煤灰、偏高嶺土的化學(xué)組分 單位：wt%

1.2 試驗(yàn)配比及方法

1.2.1 地質(zhì)聚合物合成

對于赤泥-粉煤灰基地質(zhì)聚合物(RFFG)，先將硅酸鈉、氫氧化鈉和去離子水按照7∶3∶5的體積比例混合均勻制成堿激發(fā)溶液并靜置24 h，后將赤泥粉與粉煤灰按照1∶4的質(zhì)量比例混合，再將原料與堿激發(fā)溶液按照100(g)∶50(mL)的比例混合攪拌約30 min，該地聚物漿體的含水率為26%。

對于偏高嶺土基地質(zhì)聚合物(MKG)，將硅酸鈉、氫氧化鈉和去離子水按照18∶5∶2的體積比例混合均勻制成堿激發(fā)溶液并靜置24 h，再將偏高嶺土與溶液按照100(g)∶125(mL)的比例混合攪拌約30 min，該地聚物漿體的含水率為40%。值得注意的是，為了分別研究兩種地聚物加固軟土的效果，應(yīng)用了這兩種配比，分別是經(jīng)過前期研究得出的常溫養(yǎng)護(hù)力學(xué)性質(zhì)、和易性良好的赤泥-粉煤灰基地聚物和偏高嶺土基地聚物的配比，目的不在于對比兩種配比的性能，故可以接受兩種配比具有較大差別。

1.2.2 無側(cè)限壓縮試驗(yàn)土樣

在三種含硫量的未加固土中分別摻入10%和15%的RFFG、8%和13%的MKG、4%石灰、5%水泥混合均勻進(jìn)行擊實(shí)試驗(yàn)，確定最大干密度和最優(yōu)含水率，并按照最優(yōu)含水率制備36 mm×72 mm的圓柱體土樣，如表2所示。在室溫環(huán)境(溫度約為23℃，相對濕度在40%～50%之間)下進(jìn)行養(yǎng)護(hù)。養(yǎng)護(hù)7 d和28 d養(yǎng)護(hù)后進(jìn)行無側(cè)限抗壓試驗(yàn)。由于強(qiáng)度形成緩慢，對RFFG加固土樣測量14 d和28 d力學(xué)性質(zhì)。在養(yǎng)護(hù)期間，對所有試件的直徑、高度進(jìn)行測量，監(jiān)測土樣的體積穩(wěn)定性。

表2 土樣的配比

1.2.3 浸水試驗(yàn)

為研究加固劑對土樣的體積脹縮性質(zhì)的影響，將S10000、S10000-MKG8、S10000-MKG13、S10000-L4、S10000-C5制成40 mm×13 mm的圓盤試件，在室溫環(huán)境下分別養(yǎng)護(hù)7 d和28 d后，進(jìn)行浸水試驗(yàn)。將墊有透水石的試件置于有機(jī)玻璃容器，保持水與透水石上表面高度一致。實(shí)驗(yàn)過程中試件套在PVC管狀試模中限制土樣徑向膨脹，試件上表面蓋一個(gè)塑料薄片，在薄片上放置千分表取得試件在浸水過程中的高度變化。

1.2.4 加固土樣的微觀結(jié)構(gòu)變化

用經(jīng)過無側(cè)限抗壓試驗(yàn)和浸水膨脹試驗(yàn)的土樣進(jìn)行掃描電子顯微鏡(SEM)、X射線能譜(EDS)和X射線衍射試驗(yàn)(XRD)分析試樣的微觀結(jié)構(gòu)變化。

2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 無側(cè)限抗壓強(qiáng)度

各土樣不同養(yǎng)護(hù)周期的應(yīng)力-應(yīng)變曲線如圖2所示。由圖2可以看出，地聚物加固土樣的強(qiáng)度、剛度和破壞應(yīng)變均有所提高。隨著養(yǎng)護(hù)時(shí)間的延長，RFFG加固土樣的力學(xué)性質(zhì)有所提高，但是并不顯著，這可能是由于該地聚物本身強(qiáng)度形成較慢導(dǎo)致的。

MKG加固土樣的力學(xué)性質(zhì)提高顯著，其7 d抗壓強(qiáng)度與4%的石灰加固土樣相當(dāng)，28 d強(qiáng)度與5%的水泥加固土樣相當(dāng)；其破壞應(yīng)變高于石灰加固土樣，顯著高于水泥加固土樣。隨著摻量的提高，MKG加固土樣的抗壓強(qiáng)度和破壞應(yīng)變也隨之大幅提高，尤其是養(yǎng)護(hù)28 d的13%MKG加固土樣。MKG加固土樣養(yǎng)護(hù)28 d后的強(qiáng)度和破壞應(yīng)變均比7 d后有顯著提高；石灰加固土樣除S10000-L4的強(qiáng)度隨養(yǎng)護(hù)時(shí)間的延長而增長、但破壞應(yīng)變降低外，其他含硫量的石灰加固土樣并未提高，甚至有所降低(S5000-L4)；水泥加固土樣除S1000-C5的強(qiáng)度未受養(yǎng)護(hù)時(shí)間影響，其他含硫量的土樣強(qiáng)度隨時(shí)間延長而降低。這說明MKG對于軟土路基的性能有很好的改良作用，并在長期提高含硫軟土的力學(xué)性能方面優(yōu)于其他含鈣加固劑。

2.2 加固劑對土樣體積穩(wěn)定性的影響

各土樣在養(yǎng)護(hù)期間的體積變化比例如圖3所示。由于制成后的前兩天在密封袋中養(yǎng)護(hù)，土樣在這期間的體積變化很小。養(yǎng)護(hù)第三天，由于土樣開始暴露于空氣中，體積有明顯收縮，且收縮幅度因加固劑的變化而異。除了未加固土樣和水泥加固土樣在第四天后體積還持續(xù)收縮，其他土樣在第四天后體積基本穩(wěn)定。由15%RFFG加固的土樣總體積收縮最大，其次為未加固土樣、水泥加固土樣和10%RFFG加固土樣。石灰加固土樣和MKG加固土樣體積較為穩(wěn)定，對于各種石膏含量的軟土，養(yǎng)護(hù)28 d收縮最小的土樣分別為S1000-MKG13、S5000-L4和S10000-MKG8。

圖2 各土樣的應(yīng)力-應(yīng)變曲線

圖3無側(cè)限抗壓試件隨養(yǎng)護(hù)時(shí)間的體積變化

由圖3可看出，含硫量高的軟土膨脹趨勢高，石膏含量為10 000 ppm的土樣在經(jīng)4%石灰加固后已表現(xiàn)出膨脹趨勢，但是MKG對增強(qiáng)軟土的體積穩(wěn)定性作用顯著。因此，在浸水實(shí)驗(yàn)和微觀表征中，選用加固效果良好的MKG和膨脹趨勢明顯的石灰加固的石膏含量為10 000 ppm的土樣進(jìn)行對比研究。

2.3 加固劑對含硫土浸水后體積穩(wěn)定性的影響

對養(yǎng)護(hù)7 d和28 d石膏含量10 000 ppm的未加固土樣、石灰加固土樣和偏高嶺土加固土樣進(jìn)行了浸水試驗(yàn)，直至試樣高度穩(wěn)定為止。試樣在浸水168 h過程中的高度隨時(shí)間變化曲線如圖4所示。養(yǎng)護(hù)7 d的未加固土試樣基本沒有變化；MKG加固土樣在浸水最初期(1 h后)表現(xiàn)出少量的膨脹(S10000-MKG8-7d膨脹約4%，S10000-MKG13-7d膨脹約5%)并且在后期高度基本穩(wěn)定；石灰加固土樣在浸水過程中一直成膨脹趨勢，直到120 h后高度趨于穩(wěn)定。與短期養(yǎng)護(hù)的土樣不同，養(yǎng)護(hù)28 d的未加固土樣在浸水的前3個(gè)小時(shí)高度持續(xù)膨脹，并穩(wěn)定在8%～9%；養(yǎng)護(hù)28 d的S10000-MKG8土樣的高度在整個(gè)浸水期間間歇、緩慢地增長了8%。這可能是由于兩種土樣在較長期地養(yǎng)護(hù)過程中失去大量水分，在浸水試驗(yàn)過程中吸水使土顆粒松散導(dǎo)致膨脹。而養(yǎng)護(hù)28 d的S10000-MKG13土樣與養(yǎng)護(hù)7 d后表現(xiàn)一致，在第1 h膨脹了3%后就穩(wěn)定了。這可能是因?yàn)樵?3%MKG的加固土樣中，地聚物膠凝材料將土顆粒黏結(jié)在一起，使土樣的整體性更好、更加密實(shí)，在浸水過程中不宜松散。而S10000-L4-28d與S10000-L4-7d類似，在浸水期間高度持續(xù)增長至約96 h穩(wěn)定。加固土樣中，13%MKG加固土樣的浸水體積穩(wěn)定性最優(yōu)，最終高度膨脹量約為3%；而石灰加固土樣膨脹量最大，約為21%，是前者的7倍。由此可見，含鈣加固劑對于含硫軟土路基、路面性能的潛在危害很大，而在相同或更好的加固效果情況下，MKG加固的含硫土不存在這樣的問題。

圖4膨脹試驗(yàn)土樣浸水的厚度變化

2.4 不同加固土樣的微觀結(jié)構(gòu)變化

使用SEM對各MKG加固土樣的微觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行表征和分析。以S10000-MKG13養(yǎng)護(hù)28 d的土樣為例，如圖5所示，原本松散的土顆粒間由連續(xù)地聚物膠凝物質(zhì)黏結(jié)、包裹，形成較為密實(shí)的整體。為了進(jìn)一步驗(yàn)證，對這種平滑、連續(xù)的膠質(zhì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行EDS測試，譜線及物質(zhì)的元素組分如圖5右側(cè)所示?？梢钥闯?，該結(jié)構(gòu)的主要組成成分為地聚物的基本構(gòu)成元素Na、Al、Si和O，且鈉和鋁的原子比(等效于摩爾比)約為1，硅和鋁的原子比約為2，符合理論上地聚物Na/Al≈1、Si/Al=1～3的理論摩爾比。值得注意的是，該處的EDS譜線中還探測到微量S、Ca等元素，為石膏的成分，這是由于土中各組分分散，實(shí)驗(yàn)點(diǎn)可能會覆蓋到其他組分。實(shí)驗(yàn)結(jié)果說明，地聚物加固土樣的力學(xué)性能和體積穩(wěn)定性的提高主要是因?yàn)樵谕林行纬傻牡鼐畚锬z凝材料對土顆粒的膠黏作用。

養(yǎng)護(hù)7 d后浸水7 d的各土樣的SEM圖片如圖6(a)～圖6(d)所示。由圖6可以看出，加固土樣的微觀結(jié)構(gòu)都比未加固土樣(圖6(a))更加密實(shí)、顆粒更加緊湊。其中，相比使用8%MKG的土樣，使用13%MKG的土樣中顆粒表面和顆粒間的連續(xù)、光滑的膠凝物質(zhì)微觀結(jié)構(gòu)更加明顯，從微觀角度說明地聚物的膠結(jié)作用是MKG提高土樣力學(xué)性能和體積穩(wěn)定性的主要因素，增加地聚物的摻量能夠更有效地加固含硫軟土。在圖6(b)及該圖左下角的放大電鏡圖中觀察到針狀或細(xì)棒狀結(jié)構(gòu)，是典型的鈣礬石微觀結(jié)構(gòu)，在未加固和其他加固土樣中均未發(fā)現(xiàn)。鈣礬石是含硫土在使用含鈣加固劑遇水后形成的晶體，是導(dǎo)致土體膨脹的主要因素，與浸水試驗(yàn)中石灰加固土樣發(fā)生大量膨脹的現(xiàn)象一致。值得注意的是，由于石灰用量較少，鈣礬石形成量較少且松散地分散在土樣中，加之其在初期形成后繼續(xù)發(fā)展，使得該針狀或細(xì)棒狀結(jié)構(gòu)在微觀圖片中不是很明顯，但是如此少量的鈣礬石形成仍能引起圖4中顯著的土樣膨脹，說明含鈣加固劑在含硫土改良中應(yīng)用存在的潛在問題不容忽視。

同時(shí)還對浸水土樣進(jìn)行了XRD分析，如圖7所示。土樣中的主要礦物為石英(Quartz)、高嶺石(Kaolinite)和綠錐石(Cronstedtite-6)。由于石膏和加固劑的含量低，鈣礬石的形成很少，所以均未在XRD中觀察到。

(a) S10000-7d; (b) S10000-L4-7d; (c) S10000-MKG8-7d; (d) S10000-MKG13-7d

圖6各浸水土樣的掃描電鏡微觀圖片

3 結(jié) 論

本研究探究了地質(zhì)聚合物作為含硫軟土改良加固劑的可行性，得出如下結(jié)論：

(1) 不同含硫量的軟土經(jīng)地聚物加固后，抗壓強(qiáng)度和破壞應(yīng)變均有提高。偏高嶺土基地聚物加固土樣的力學(xué)性能提高顯著。

(2) 偏高嶺土基地聚物加固土樣的抗壓強(qiáng)度和破壞應(yīng)變隨時(shí)間和摻量的增加均有顯著提高，脆性明顯比水泥加固土樣低。

(3) 偏高嶺土基地聚物加固的含硫土樣在浸水后膨脹甚微，膨脹量隨著地聚物摻量的提高顯著減少。

(4) 經(jīng)過掃描電鏡和X射線能譜分析，發(fā)現(xiàn)土樣經(jīng)偏高嶺土基地聚物加固后顆粒被地聚物膠凝體包裹、形成整體，土體更加密實(shí)，這是地聚物加固軟土的主要機(jī)理。

圖7各養(yǎng)護(hù)28 d浸水7 d土樣的X射線衍射譜線