粉煤灰水泥土強(qiáng)度增長(zhǎng)機(jī)理研究及其試驗(yàn)驗(yàn)證

姜 鵬 章劍青 朱征平

(江蘇華寧工程咨詢(xún)有限公司，江蘇 南京 210018)

0 引言

水泥是一種多相無(wú)機(jī)材料，其主要相為阿利特(硅酸三鈣)、貝利特(硅酸二鈣)、鋁酸鹽(鋁酸三鈣)和鐵鋁酸鹽(鐵鋁酸四鈣)，這些相很大程度上決定水泥的水硬性[1]。水泥常被用做土體固化劑，通過(guò)一系列物理化學(xué)作用，使地基土硬結(jié)成水泥加固土體，廣泛應(yīng)用于軟基處理工程中，研究其固化機(jī)理對(duì)于水泥土設(shè)計(jì)、施工具有重要意義。

1 粉煤灰—水泥系統(tǒng)的水化反應(yīng)

1.1 水泥礦物的水化[1]反應(yīng)

硅酸三鈣、硅酸二鈣水化產(chǎn)物是水化硅酸鈣以及氫氧化鈣(氫氧鈣石)。鋁酸三鈣水化經(jīng)一系列中間產(chǎn)物轉(zhuǎn)化，最終生成單硫相—水化鋁酸四鈣固溶體。鐵鋁酸四鈣與鋁酸三鈣水化反應(yīng)類(lèi)似，只是中間產(chǎn)物均為三價(jià)鐵置換的產(chǎn)物，且三價(jià)鐵置換的產(chǎn)物在結(jié)構(gòu)上與相應(yīng)的純鋁酸鹽非常相似，故易于和它們形成固溶體，即單硫相—水化鋁酸四鈣型固溶體。

1.2 粉煤灰水化及其對(duì)水泥水化反應(yīng)的影響[2]

粉煤灰水化時(shí)先在粉煤灰顆粒表面形成一層水化硅酸鈣凝膠外殼，然后顆粒表面鋁硅玻璃體溶解并與Ca(OH)2反應(yīng)[2]，最終水化產(chǎn)物及結(jié)構(gòu)與水泥水化產(chǎn)物基本類(lèi)似。粉煤灰—水泥系統(tǒng)中水泥熟料礦物首先發(fā)生水化反應(yīng)，生成的Ca(OH)2與粉煤灰的鋁硅玻璃體發(fā)生水化反應(yīng)；水泥熟料水化反應(yīng)提供粉煤灰二次水化所需的Ca(OH)2，而粉煤灰熟料顆粒表面提供水泥熟料水化反應(yīng)產(chǎn)物沉淀場(chǎng)所，從而促進(jìn)水泥熟料礦物的水化作用。交替進(jìn)行的兩類(lèi)水化反應(yīng)相互促進(jìn)、互相制約。

2 粉煤灰—水泥加固土強(qiáng)度增長(zhǎng)機(jī)理

2.1 水泥水化產(chǎn)物與土顆粒的作用

水泥固化過(guò)程中，土中粘粒和水形成的膠體分散系，通過(guò)離子交換和團(tuán)粒化作用[3]，最終形成蜂窩狀結(jié)構(gòu)，使強(qiáng)度提高。隨著水化反應(yīng)深入，粘土中部分礦物成分與離子交換剩余鈣離子發(fā)生化學(xué)反應(yīng)生成不溶于水的穩(wěn)定化合物，生成物逐漸硬化進(jìn)一步提高體系強(qiáng)度。堿性環(huán)境下，水化物中游離的氫氧化鈣與二氧化碳發(fā)生碳酸化反應(yīng)，生成的碳酸鈣不溶于水，使得土的分散度、壓縮性降低，強(qiáng)度增加。

2.2 水泥系統(tǒng)在土骨架中凝結(jié)產(chǎn)生強(qiáng)度

隨著水泥系統(tǒng)交替進(jìn)行兩類(lèi)水化反應(yīng)進(jìn)行，隨著水化物晶體生長(zhǎng)，漿體不斷稠化和硬化。稠化使?jié){體從絮凝系統(tǒng)逐漸變?yōu)檎硰椥怨羌芄腆w[4]，孔隙逐漸被水化物填充，最終形成復(fù)雜的彈脆性物質(zhì)，強(qiáng)度得到發(fā)展。水泥漿體在土骨架中凝結(jié)或結(jié)硬，是水化物結(jié)晶形態(tài)發(fā)展和晶體生長(zhǎng)的結(jié)果[4]。水泥經(jīng)過(guò)復(fù)雜的溶解水化—產(chǎn)物沉淀過(guò)程，成為硬化漿體在土骨架內(nèi)填充并產(chǎn)生一定強(qiáng)度。

2.3 粉煤灰增強(qiáng)水泥加固土作用的機(jī)理

粉煤灰增強(qiáng)水泥加固土作用的機(jī)理，是通過(guò)三種基本效應(yīng)：形態(tài)效應(yīng)、活性效應(yīng)、微集料效應(yīng)[5]引起的充填行為及致密作用、膠凝效應(yīng)及和易性效應(yīng)，促使水泥水化反應(yīng)更充分、徹底，減少土骨架及水泥漿體的孔隙體積，從而有利于系統(tǒng)強(qiáng)度提高。

2.4 粉煤灰—水泥土強(qiáng)度增長(zhǎng)的內(nèi)在機(jī)理

粉煤灰—水泥土強(qiáng)度來(lái)源于漿體硬化以及漿體對(duì)土孔隙充填及擠密產(chǎn)生的強(qiáng)度。硬化粉煤灰—水泥漿體強(qiáng)度來(lái)源[6]于：水化產(chǎn)物顆粒內(nèi)部、顆粒之間的原子力；水化產(chǎn)物的尺寸、形態(tài)以及它們的相互生長(zhǎng)和結(jié)團(tuán)；顯微結(jié)構(gòu)的發(fā)展。原子力為微觀尺度力，對(duì)漿體強(qiáng)度貢獻(xiàn)很小；水化物晶體生長(zhǎng)、形態(tài)發(fā)展、結(jié)團(tuán)以及顯微結(jié)構(gòu)發(fā)展成為粉煤灰—水泥土強(qiáng)度主要來(lái)源。有研究發(fā)現(xiàn)水分進(jìn)入水化物晶格內(nèi)部引起強(qiáng)度增長(zhǎng)，水泥漿體的強(qiáng)度與非蒸發(fā)水量成正比[6]?？梢?jiàn)部分反應(yīng)掉的水進(jìn)入產(chǎn)物晶格內(nèi)，促進(jìn)晶體結(jié)構(gòu)生長(zhǎng)，是漿體強(qiáng)度增長(zhǎng)的源泉。

3 粉煤灰水泥土強(qiáng)度增長(zhǎng)機(jī)理的試驗(yàn)驗(yàn)證

3.1 試驗(yàn)方案

按土樣原位含水量分別配制水灰比0.5，水泥摻量aw=10%,14%,18%，粉煤灰摻量a=2%,4%,8%的粉煤灰水泥土試樣，在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室養(yǎng)護(hù)。分別進(jìn)行多齡期的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度、含水率、掃描電子顯微鏡試驗(yàn)。

3.2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

3.2.1無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果及分析

對(duì)比分析圖1,圖2試驗(yàn)結(jié)果，可以得出以下結(jié)論：

1)粉煤灰水泥加固土強(qiáng)度隨齡期增長(zhǎng)而增長(zhǎng)，且增速逐漸降低，這與前文得出的強(qiáng)度增長(zhǎng)內(nèi)在機(jī)理一致；增加粉煤灰摻量，強(qiáng)度提高，驗(yàn)證了粉煤灰對(duì)水化促進(jìn)作用。

2)粉煤灰—水泥加固土變形特征介于脆性體與彈塑性體之間。因?yàn)榉勖夯摇嘣谕凉羌苤邪l(fā)生水化反應(yīng)，水化物的結(jié)晶與重結(jié)晶、晶體的生長(zhǎng)等都需要時(shí)間，28 d齡期前還不能形成有效的水泥石骨架、顆?？紫遁^大，受壓變形時(shí)，顆粒間有足夠間隙發(fā)生錯(cuò)動(dòng)，因而其變形表現(xiàn)出塑性。齡期28 d后水泥石骨架基本形成，產(chǎn)物晶體在系統(tǒng)顆粒間隙中生長(zhǎng)填充，致使孔隙逐漸減小，受壓變形時(shí)，由于顆粒相互束縛因而錯(cuò)動(dòng)不大，主要是晶枝在錯(cuò)動(dòng)過(guò)程中破壞，因而其變形表現(xiàn)出彈性；達(dá)到一定壓力引起晶枝全部破壞，強(qiáng)度陡降，表現(xiàn)出脆性破壞。

3)水泥摻量相同、增加粉煤灰摻量，應(yīng)力應(yīng)變曲線變陡，說(shuō)明發(fā)生脆斷破壞的齡期提前。脆性破壞齡期提前說(shuō)明晶體生長(zhǎng)及形成水泥石骨架時(shí)間縮短，驗(yàn)證了粉煤灰促進(jìn)水泥水化反應(yīng)。

3.2.2含水量試驗(yàn)結(jié)果及分析

定義水泥加固土的結(jié)合水率為某一齡期水泥加固土中非蒸發(fā)水占水泥加固土初始總含水量的比例。圖3,圖4說(shuō)明：粉煤灰水泥加固土結(jié)合水率隨齡期增長(zhǎng)而增大，強(qiáng)度隨結(jié)合水率增大而增大。因?yàn)殡S齡期增長(zhǎng)進(jìn)入水化物晶格的水分增加、結(jié)合水率相應(yīng)增加，生成的晶格結(jié)構(gòu)增多，因而表現(xiàn)出強(qiáng)度增長(zhǎng)，驗(yàn)證了前文的化學(xué)機(jī)理。

3.2.3掃描電子顯微鏡試驗(yàn)結(jié)果及分析

由圖5a)及圖6a)：齡期較小時(shí)，結(jié)構(gòu)松散、粗大孔洞及裂隙發(fā)育，說(shuō)明結(jié)晶、重結(jié)晶、晶體生長(zhǎng)處于初期；與圖7a)及圖8a)對(duì)比：隨著齡期增長(zhǎng)，結(jié)構(gòu)變密實(shí)、孔洞及裂隙減少，是水化產(chǎn)物結(jié)晶成核、晶體錯(cuò)生長(zhǎng)的結(jié)果，與強(qiáng)度變化規(guī)律及前文的化學(xué)機(jī)理一致。圖5b),圖6b)中纖維狀產(chǎn)物附著的粗大顆粒是水泥礦物、纖維狀產(chǎn)物是水化硅酸鈣，板柱狀產(chǎn)物是單硫相或者Ca(OH)2晶體、鈣礬石，不規(guī)則產(chǎn)物是結(jié)晶不良的水化硅酸鈣多聚物；對(duì)比發(fā)現(xiàn)：隨著齡期增長(zhǎng)粒間孔隙減少，有纖維狀產(chǎn)物生成，這是晶體交錯(cuò)生長(zhǎng)的結(jié)果。驗(yàn)證了水化物首先在水泥礦物顆粒表面生長(zhǎng)，離子遷移過(guò)程中逐漸在顆粒間結(jié)晶成核(裂隙間纖維狀產(chǎn)物)，并隨著齡期增長(zhǎng)，晶體逐漸占據(jù)粒間孔隙，宏觀上表現(xiàn)為強(qiáng)度增長(zhǎng)。對(duì)比圖5～圖8，圖6,圖8中生成纖維狀產(chǎn)物的區(qū)域多于圖5,圖7，說(shuō)明水泥摻入比相同時(shí)，適量粉煤灰能夠促進(jìn)水泥水化及晶體生長(zhǎng)，對(duì)系統(tǒng)早期強(qiáng)度增長(zhǎng)有利。

4 結(jié)語(yǔ)

室內(nèi)試驗(yàn)表明，粉煤灰—水泥加固土變形特征隨介于脆性體與彈塑性體之間；其強(qiáng)度、結(jié)合水率隨齡期增長(zhǎng)而增大；水泥摻量一定時(shí)，適當(dāng)增加粉煤灰摻量，能夠促進(jìn)水泥水化反應(yīng)進(jìn)程。掃描電子顯微鏡對(duì)比不同齡期試樣，驗(yàn)證了其強(qiáng)度受晶體生長(zhǎng)控制，并由晶體生長(zhǎng)內(nèi)在機(jī)理決定。