凍融循環(huán)對(duì)赤泥-鋼渣改性水泥土強(qiáng)度的試驗(yàn)研究

郝雅芬，溫 浩，樊珮閣，董曉強(qiáng)

(太原理工大學(xué) 土木工程學(xué)院，太原 030024)

水泥土由于價(jià)格低廉、性能良好、材料來源廣泛等優(yōu)點(diǎn)，在地基基礎(chǔ)、公路、鐵路、橋梁等工程領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。但是，大量的研究[1-3]表明，水泥土的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度普遍偏低且凍融循環(huán)極大地影響著水泥土的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度，導(dǎo)致水泥土在寒冷地區(qū)的應(yīng)用受到了限制。針對(duì)上述現(xiàn)象，寧寶寬等[4]得出水泥摻量在10%～15%時(shí)其抵抗凍融破壞的性能較好，但是更高的水泥摻量下不僅會(huì)抑制水泥土的抗凍融效果，同時(shí)也會(huì)造成水泥資源的浪費(fèi)；宋愛蘋等[5]通過實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)粉煤灰的摻入對(duì)水泥土的抗凍性能有所提高，但其前期作用效果不是很明顯；王鳳池等[6]發(fā)現(xiàn)橡膠水泥土的抗凍效果較好，但在實(shí)際應(yīng)用中所需要的橡膠量太大，仍需進(jìn)一步改進(jìn)；SHIHATA和BAGHDADI[7]通過試驗(yàn)得出了無側(cè)限抗壓強(qiáng)度可作為評(píng)價(jià)水泥土凍融下耐久性的一項(xiàng)指標(biāo)。

赤泥和鋼渣分別是從鋁土礦中提取氧化鋁時(shí)產(chǎn)生的高堿性廢渣[8]和煉鋼時(shí)排出的熔渣，吳燕開等[9]利用一定含量的NaOH激發(fā)鋼渣粉的活性后，利用鋼渣與水泥固化淤泥質(zhì)土，發(fā)現(xiàn)鋼渣-水泥固化土的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度更高；劉光燁[10]對(duì)凍融循環(huán)下鋼渣二灰土的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)在鋼渣的摻入下試塊的抗凍性能有所提升；KALKAN[11]利用水泥和赤泥固化黏土襯墊，其無側(cè)限抗壓強(qiáng)度值明顯提高；董曉強(qiáng)和陳瑞鋒[12]指出凍融次數(shù)這一參數(shù)值將會(huì)對(duì)土體凍融循環(huán)試驗(yàn)的結(jié)果產(chǎn)生不同的影響。迄今為止，許多學(xué)者在赤泥、鋼渣單獨(dú)改善水泥土的性能方面取得了一定的研究成果，但對(duì)于二者共同改善水泥土抗凍融性能方面的研究還鮮有報(bào)道。

為此，考慮到赤泥呈堿性，且鋼渣在堿性環(huán)境下激發(fā)活性后具有較強(qiáng)的水硬膠凝性，故本次試驗(yàn)選用赤泥和鋼渣對(duì)水泥土聯(lián)合進(jìn)行改性，研究二者對(duì)水泥土無側(cè)限抗壓強(qiáng)度的影響規(guī)律及其凍融循環(huán)下改性水泥土的破壞機(jī)理，以實(shí)現(xiàn)提高水泥土強(qiáng)度(文中指無側(cè)限抗壓強(qiáng)度)并改善其抗凍融性能的目的。

1 試驗(yàn)材料和方法

1.1 試驗(yàn)材料

黃土取自山西太原東山地區(qū)，經(jīng)曬干粉碎后過1.25 mm的方孔砂石篩，土粒比重為2.69，其顆粒粒徑及質(zhì)量分?jǐn)?shù)見表1.水泥選用P·O 42.5級(jí)。赤泥取自山西柳林某鋁廠，顏色呈紅褐色；鋼渣由武漢某公司煉鋼產(chǎn)生，外觀呈黑色，密度為3.19 g/cm3.水泥、赤泥和鋼渣的主要化學(xué)成分及其質(zhì)量分?jǐn)?shù)見表2.

表1 黃土顆粒粒徑及質(zhì)量分?jǐn)?shù)Table 1 Loess grain size %

表2 主要化學(xué)組成Table 2 Main chemical compositions

1.2 試驗(yàn)方法

本次試驗(yàn)參照《水泥土配合比設(shè)計(jì)規(guī)程》(JGJ/T 233-2011)的要求進(jìn)行制塊。根據(jù)前期試驗(yàn)得出以黃土干重為基準(zhǔn)，在赤泥摻量為8%，鋼渣摻量為2%時(shí)改性水泥土的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度達(dá)到最大值,為證明該結(jié)論的可靠性以及進(jìn)一步分析赤泥和鋼渣對(duì)水泥土強(qiáng)度的影響規(guī)律，本次試驗(yàn)以10%的水泥改性土[13-14]為主進(jìn)行凍融試驗(yàn)。首先將黃土、水泥、鋼渣和赤泥初步干拌均勻，再加入自來水充分?jǐn)嚢栊纬蓾{體，裝入邊長(zhǎng)為70.7 mm的鋼制立方體試模中，置于振動(dòng)臺(tái)上振搗密實(shí)后將表面多余部分刮掉抹平，并用塑料膜將表面覆蓋，24 h后脫模編號(hào)，每組配比在次數(shù)相同的凍融循環(huán)條件下各制3個(gè)試塊[15]。脫模后，送至標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)箱內(nèi)養(yǎng)護(hù)至28 d后取出，使用混凝土快速凍融試驗(yàn)機(jī)(SRTDR-16)進(jìn)行凍融循環(huán)試驗(yàn)。參照文獻(xiàn)[1,12]以及《普通混凝土長(zhǎng)期性能和耐久性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》(GBT 50082-2009)，凍結(jié)溫度設(shè)為-15 ℃，融化溫度設(shè)為5 ℃，一個(gè)凍融循環(huán)周期為6 h，周期設(shè)為0，1，3，5，7次[13]。將達(dá)到凍融循環(huán)次數(shù)的試塊進(jìn)行無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)，強(qiáng)度采用微機(jī)控制的電子萬能試驗(yàn)機(jī)(YHS-229WJ-50 kN)測(cè)試，加載速率為1 mm/min.試驗(yàn)配比及相應(yīng)結(jié)果見表3所示，含水量為改性劑與水泥土總量的31%.

表3 試樣材料配比及結(jié)果Table 3 Sample material ratio and results

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 改性劑對(duì)水泥土強(qiáng)度的影響

2.1.1強(qiáng)度與改性劑的關(guān)系

圖1為赤泥和鋼渣摻量對(duì)水泥土強(qiáng)度的影響規(guī)律。從表3和圖1中可以看出,相同凍融循環(huán)次數(shù)下以赤泥、鋼渣為外摻劑的改性水泥土都比純水泥土的強(qiáng)度高，且其隨著鋼渣摻量(CRS-組)和赤泥摻量(CSRS-組)的增加，強(qiáng)度在整體上都呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì)。當(dāng)鋼渣摻量為2%，赤泥摻量為8%(CRS2/CSR8組)時(shí)，強(qiáng)度達(dá)到峰值，得到了最優(yōu)配比；其強(qiáng)度(4.4 MPa)相比純水泥土的強(qiáng)度(1.2 MPa)增加了267%，F(xiàn)為循環(huán)次數(shù)。

圖1 改性劑對(duì)水泥土強(qiáng)度的影響Fig.1 Influence of modifier on the strength of cemented soil

2.1.2微觀機(jī)理分析

結(jié)合前面的數(shù)據(jù)，本小節(jié)進(jìn)一步研究改性劑與水泥土之間的作用機(jī)理。圖2(a)，(b)分別是純水泥土和最優(yōu)配比下改性水泥土(CRS2組)試塊在5 000倍下的掃描電鏡對(duì)比圖片。

圖2 純水泥土和改性水泥土的微觀形貌圖Fig.2 Microstructure of pure cement soil and modified cemented soil

由圖2(a)可以看出，純水泥土試塊內(nèi)小顆粒較多，存在片狀、層狀的Ca(OH)2晶體結(jié)構(gòu)，棒針狀和凝膠類物質(zhì)較少，結(jié)構(gòu)相對(duì)疏松多孔、不穩(wěn)定，宏觀表現(xiàn)為試塊承載能力較低，抗凍融性差。由圖(b)可以明顯看出，水泥土試樣在加入改性劑后，微觀結(jié)構(gòu)發(fā)生了很大的變化，小顆粒物質(zhì)減少，大顆粒狀物質(zhì)增多，水泥土試塊內(nèi)部水化速度和程度都相應(yīng)提高，水化產(chǎn)物明顯增多，膠凝產(chǎn)物中主要以團(tuán)絮狀凝膠為主，同時(shí)也有大量棒針狀晶體存在。

這是由于經(jīng)堿激發(fā)后鋼渣與水泥的水化性質(zhì)很相似，摻入赤泥后增加了土中溶液的pH值，為水泥的水化提供了有利的環(huán)境。由于水泥的水化進(jìn)程加快，水化后土溶液中的pH值迅速增大，進(jìn)而為鋼渣的水化提供了良好的環(huán)境，鋼渣中的玻璃體會(huì)發(fā)生Si-O和Al-O鍵的斷裂，釋放出Ca2+與硅氧四面體，生成更多的C-S-H凝膠和AFt晶體[16]，強(qiáng)度提高。同時(shí)受堿激發(fā)后膠凝材料的水化進(jìn)程持續(xù)加快，土中溶液的pH值不斷升高，土顆粒表面的硅、鋁元素在堿激發(fā)下發(fā)生硬凝反應(yīng)生成新的固化產(chǎn)物，承載力提高；同時(shí)水泥、赤泥和鋼渣粉中的Al2O3，SiO2等活性氧化物與Ca2+在堿性環(huán)境下發(fā)生火山灰反應(yīng)(又被稱為“二次反應(yīng)”)，化學(xué)反應(yīng)[17]如下：

SiO2+Ca(OH)2+lH2O→CaO·SiO2·(l+1)H2O
Al2O3+Ca(OH)2+nH2O→CaO·Al2O3·(n+1)H2O

火山灰反應(yīng)在消耗Ca2+的同時(shí)SiO2生成水化硅酸鈣凝膠(C-S-H)，Al2O3生成水化鋁酸鈣凝膠(C-A-H)[9]，與水泥單獨(dú)水化生成的膠凝物相比，水化產(chǎn)物數(shù)目明顯增加。這些膠凝物質(zhì)將水化產(chǎn)物與其周圍的土顆粒緊密聯(lián)結(jié)在一起，表面積相比水泥顆粒大近1 000倍，表面能大幅增加，吸附性能增強(qiáng)；較大的團(tuán)粒進(jìn)一步結(jié)合，形成較為堅(jiān)固的水泥團(tuán)體結(jié)構(gòu)，改性水泥土中形成連續(xù)或半連續(xù)的一張張三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)膜，增強(qiáng)了試塊內(nèi)部的整體性能，同時(shí)膠凝物質(zhì)的填充在一定程度上封閉了一部分孔隙，抑制了裂隙的發(fā)育。

此外，AFt晶體交織在一起形成良好的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，骨架整體結(jié)構(gòu)隨之增強(qiáng)，膠結(jié)而成的顆粒團(tuán)填充在骨架空隙區(qū)域部分，土體單元多為塊狀結(jié)構(gòu)，以面-面形式接觸，固體顆粒間接觸較為緊密，使得土顆粒間的咬合作用和整體結(jié)構(gòu)性增強(qiáng)，促使加入改性劑后的改性水泥土無側(cè)限抗壓強(qiáng)度和抗凍性顯著增強(qiáng)。

2.2 凍融循環(huán)次數(shù)對(duì)水泥土強(qiáng)度的影響

2.2.1強(qiáng)度與凍融循環(huán)次數(shù)的關(guān)系

表3列出了改性水泥土在不同凍融循環(huán)次數(shù)下的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度，由表3可知，經(jīng)一次凍融循環(huán)作用后，C組(純水泥土)的強(qiáng)度由1.2 MPa下降至0.5 MPa，CSR0組(鋼渣摻量為2%，赤泥摻量為0%)的強(qiáng)度由1.6 MPa下降至0.7 MPa，兩組試塊強(qiáng)度損失較大，喪失了極大部分承載力，后續(xù)不再進(jìn)行凍融試驗(yàn)。圖3為其余6組改性水泥土在不同凍融循環(huán)次數(shù)下的強(qiáng)度變化曲線。

圖3 凍融循環(huán)作用對(duì)改性水泥土強(qiáng)度的影響Fig.3 Effect of freeze-thaw cycle on the strength of modified cemented soil

由圖可知，隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加，改性水泥土試塊的強(qiáng)度明顯減小，其中，在相同凍融循環(huán)次數(shù)下，鋼渣摻量為2%，赤泥摻量為8%時(shí)的改性水泥土試塊(CSR8/CRS2)強(qiáng)度損失較小，經(jīng)1次凍融循環(huán)后，其強(qiáng)度損失28%(強(qiáng)度由4.4 MPa降至3.1

MPa)，經(jīng)3次和5次凍融循環(huán)，強(qiáng)度損失分別增加16%(強(qiáng)度由3.1 MPa降至2.5 MPa)和17%(強(qiáng)度由2.5 MPa降至1.7 MPa)，經(jīng)7次凍融循環(huán)后強(qiáng)度損失增加3%(強(qiáng)度由1.7 MPa降至1.6 MPa)，即經(jīng)第1次凍融循環(huán)作用的強(qiáng)度損失最為明顯，其后強(qiáng)度損失幅度逐漸減小。

2.2.2凍融損傷機(jī)理分析

為了更直觀形象地說明改性水泥土在不同凍融循環(huán)次數(shù)下內(nèi)部微觀結(jié)構(gòu)的變化，筆者也做了相應(yīng)的掃描電鏡試驗(yàn)。圖4為最優(yōu)配比下的改性水泥土(CRS2/CSR8組)分別在0，1，3，5，7次凍融循環(huán)時(shí)的內(nèi)部微觀結(jié)構(gòu)變化特征，如圖4(a)-(e)所示。

由圖4(a)和圖2(b)可以看出，未經(jīng)凍融前的改性水泥土中團(tuán)絮狀凝膠物C-S-H和C-A-H膠結(jié)而成的顆粒團(tuán)填充在骨架空隙區(qū)域部分，結(jié)構(gòu)致密，孔隙較少。隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加，如圖4(b) -(e)所示，改性水泥土顆粒間的空隙逐漸增大，內(nèi)部連通的孔隙增多，外觀逐漸表現(xiàn)出不同程度的損傷，結(jié)構(gòu)越來越松散，表面逐漸粗糙、凹凸不平，裂縫明顯增多。

圖4 不同凍融次數(shù)下改性水泥土的微觀形貌圖Fig.4 Micromorphologies of modified cemented soil in different freeze-thaw cycles

分析原因，未經(jīng)凍融前，膠凝物質(zhì)的填充在一定程度上封閉了一部分孔隙，進(jìn)而阻擋了裂縫的發(fā)育，但在凍融過程中，孔隙水因水結(jié)冰體積膨脹，對(duì)水泥土骨架結(jié)構(gòu)產(chǎn)生張拉效應(yīng)，當(dāng)其超過凝膠體的抗拉強(qiáng)度時(shí)，土顆粒團(tuán)被撐開，分布在原處的顆粒破碎并且發(fā)生位移，固體顆粒之間連接狀態(tài)發(fā)生改變，引起裂紋、孔洞等結(jié)構(gòu)變化，進(jìn)而使得土顆粒間的膠結(jié)程度降低，引起骨架結(jié)構(gòu)產(chǎn)生不同程度的損傷；經(jīng)再次凍融時(shí)，原先的裂痕再次擴(kuò)展、延伸，故隨著凍融次數(shù)的增加,土顆粒不斷分離，水化凝膠體發(fā)生破壞，膠體之間的膠結(jié)力越發(fā)減弱，膠凝團(tuán)咬合力不斷減小甚至消失,骨架結(jié)構(gòu)的損傷破壞也越來越嚴(yán)重。

3 結(jié)論

1) 在赤泥和鋼渣的共同作用下可以有效提高水泥土的強(qiáng)度。其中，在鋼渣摻量為2%，赤泥摻量為8%時(shí)，水泥土的強(qiáng)度增幅最大，改性效果最好；

2) 從微觀角度分析得出加入赤泥和鋼渣有助于水泥土中AFt晶體和C-S-H凝膠等水化產(chǎn)物的產(chǎn)生，進(jìn)而改善其微觀結(jié)構(gòu)；

3) 經(jīng)凍融循環(huán)試驗(yàn)后，改性水泥土的強(qiáng)度降低。前期的凍融作用對(duì)強(qiáng)度有更大的影響，以第1次凍融循環(huán)對(duì)改性水泥土強(qiáng)度損失的影響最為強(qiáng)烈；

4) 隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加，改性水泥土顆粒間的空隙逐漸增大，內(nèi)部連通的孔隙增多，結(jié)構(gòu)越來越松散，外觀逐漸表現(xiàn)出不同程度的損傷。