改性預崩解炭質(zhì)泥巖強度特性及微觀機理分析

唐靜，丁啟龍

改性預崩解炭質(zhì)泥巖強度特性及微觀機理分析

唐靜1，丁啟龍2

(1. 湖南華罡規(guī)劃設計研究院有限公司，湖南 長沙 410015；2. 長沙理工大學 土木工程學院，湖南 長沙 410114)

采用水泥和粉煤灰對預崩解炭質(zhì)泥巖進行改性處理，以期實現(xiàn)炭質(zhì)泥巖填料在工程實際中的有效應用。通過對不同水泥和粉煤灰組合、不同養(yǎng)護齡期下改性預崩解炭質(zhì)泥巖進行無側限抗壓強度試驗，分析了水泥和粉煤灰改良預崩解炭質(zhì)泥巖的力學性能，并結合X射線衍射和電鏡掃描試驗揭示其改性機理。研究結果表明：9%水泥+10%粉煤灰組合改性預崩解炭質(zhì)泥巖時，的其無側限抗壓強度最大，7、14和28 d的強度分別為2.39、2.68、2.94 MPa。從X射線衍射和掃描電子顯微鏡試驗結果表明，隨著養(yǎng)護齡期的增加，改性預崩解炭質(zhì)泥巖內(nèi)部孔隙被水化產(chǎn)物填充，結構逐漸密實，導致其強度持續(xù)提高。

預崩解炭質(zhì)泥巖；無側限抗壓強度；X射線衍射；電鏡掃描

炭質(zhì)泥巖因其強度低、濕化變形大的特征，在實際工程中常被當成劣質(zhì)路堤填料廢棄。但中國西南地區(qū)優(yōu)質(zhì)路堤填料缺乏且炭質(zhì)泥巖分布廣泛，為節(jié)約成本和保證工程進度，已有高速項目采用崩解炭質(zhì)泥巖與土分層填筑的方式將炭質(zhì)泥巖廢棄物成功應用在路堤填筑中。在地下水和降雨豐富地區(qū)，水分入滲仍會引起炭質(zhì)泥巖的后續(xù)崩解，導致路堤變形增大，分層填筑雖然利用黏土的低滲透性阻礙了部分水分入滲，弱化炭質(zhì)泥巖崩解效應，但未從根本上解決預崩解炭質(zhì)泥巖持續(xù)崩解導致其力學性能減小的問題。因此，分層填筑方法具有很大的局限性，急需尋找新的方法保證炭質(zhì)泥巖路堤的正常運營。

水泥加固優(yōu)異、價格低廉等優(yōu)勢，可作為各類土體強度改性的常用摻料[1?2]。國內(nèi)外學者對水泥改性土的研究已有許多成果，并以微觀表征形式詮釋水泥改性土的強度演化機理[3?4]。隨著學者的深入研究，其他外加劑開始摻入水泥改性土中，提升其強度、耐久性[5?6]。其中，粉煤灰作為燃煤電廠排出的主要固體廢物，在資源化利用后，證明能與水泥共同作用，提升巖土體強度和耐久性等性 能[7?10]。目前，國內(nèi)粉煤灰資源化利用率較低，采用水泥和粉煤灰混摻方法，改善土體力學性能。同時，增加粉煤灰在水泥改性土中的消納量，為提高粉煤灰利用率的有效手段之一。朱瑩瑩[11]等人以復摻水泥粉煤灰方式對南方紅黏土進行改良，發(fā)現(xiàn)改性紅黏土抗剪強度增長明顯。張桂榮[12]等人研究了水泥粉煤灰在不同摻量下對細砂土力學性能的影響，發(fā)現(xiàn)水泥摻量為4%時，提高粉煤灰的摻量，可以大幅度的降低細沙土滲透系數(shù)，并提高無側限抗壓強度。邵俐[13]等人通過不同水泥、粉煤灰摻入量和養(yǎng)護齡期下，對水泥改性有機質(zhì)軟土進行無側限抗壓強度試驗，得出粉煤灰最佳摻入量為12%。學者們研究了水泥粉煤灰對各類泥巖土體的宏觀改性效果，但在微觀分析和強度改性機理方面的研究少見。本研究通過無側限抗壓強度試驗，分析粉煤灰和水泥組合、不同養(yǎng)護齡期改性炭質(zhì)泥巖試樣的強度變化規(guī)律，結合X射線衍射和電鏡掃描試驗，分析其改性機理，以期為相關理論研究和工程實踐提供參考。

1 原材料與試驗方案

1.1 原材料

試驗選用炭質(zhì)泥巖，采自湖南婁底龍?zhí)痢樚粮咚俟稫7+040邊坡附近，其主要礦物成分包括：石英、高嶺石和綠泥石等。測試得到預崩解炭質(zhì)泥巖的最佳含水率為10.23%、最大干密度為2.088 g/cm3、塑限為24.08%、液限為32.53%。

所用粉煤灰為河南四通化建公司生產(chǎn)的一級低鈣粉煤灰，氧化物組成包括SiO2、Al2O3和少量的CaO、Fe2O3及MgO等，其中，SiO2和Al2O3含量占總含量的79.6%。粉煤灰的細度11.8%、密度2 g/cm3、需水率97%、燒失量7.3%。

1.2 試驗方案

為研究不同水泥、粉煤灰組合對預崩解炭質(zhì)泥巖無側限抗壓強度影響，根據(jù)《水泥土配合比設計規(guī)程(JGJ/T 233—2011)》及《公路工程無機結合料穩(wěn)定材料試驗規(guī)范(JTG E51—2009)》，對水泥、粉煤灰摻量各選取4個水平，分別表示為：水泥摻量為0%(A1)、3%(A2)、6%(A3)和9%(A4)；粉煤灰摻量為0%(B1)、5%(B2)、10%(B3)和15%(B4)。參考《混凝土結構工程施工質(zhì)量驗收規(guī)范(GB 50204—2015)》中水泥砂漿的養(yǎng)護時間，通過相關試驗分析水泥和粉煤灰組合對改性預崩解炭質(zhì)泥巖7,14,28 d無側限抗壓強度的影響。改性預崩解炭質(zhì)泥巖編號和試驗配比見表1。

表1 試驗編號及配比

2 試驗步驟和試驗方法

2.1 試樣制備

按照《公路土工試驗規(guī)程(JTG E40—2007)》進行無側限抗壓強度測試。預崩解炭質(zhì)泥巖過2 mm孔篩，與對應配比的水泥和粉煤灰混合，在干燥狀態(tài)下攪拌30 s。再加入水，繼續(xù)混合，直到獲得含水率為14%的拌合物。然后，將混合拌料置于密封聚乙烯袋中保存，悶料24 h后，倒入內(nèi)徑為40 mm，高為100 mm的重塑桶模具中，按三層壓實成型。壓制結束后，脫模，并放入(20±2) ℃、相對濕度大于90%的恒溫恒濕養(yǎng)護箱中，分別養(yǎng)護7,14,28 d。

2.2 無側限抗壓試驗

試樣達到養(yǎng)護齡期后，放置于WDW-300E微機控制電子萬能試驗機中，以0.1 mm/min加載速率進行強度測試。各養(yǎng)護齡期下的不同配比均設有3個平行試樣，抗壓試驗結束后，將3個平行試樣所測數(shù)據(jù)取平均值，得到該試樣在特定養(yǎng)護齡期下的最大破壞荷載，再除以該試樣截面面積，得到無側限抗壓強度。將不同齡期下破壞荷載值峰值最大的試樣壓碎成多塊，收集碎塊，并保留無光滑外壁的部分，用于后續(xù)開展X射線衍射(X-ray diffraction, 簡稱為XRD)、掃描電子顯微鏡(scanning electron microscope, 簡稱為SEM)試驗。

2.3 X射線衍射

試驗樣品選擇無側限抗壓強度試驗階段所保存的碎塊，研磨后，過0.075 mm孔篩，得到3 g手摸無顆粒感粉末。在60 ℃，真空干燥箱中烘24 h。使用具有Cu-K輻射源的日本D/max2200vpc X射線衍射系統(tǒng)進行XRD分析。X射線管電壓為40 kV，管流20 mA，掃描速度2.00 d/min，掃描范圍(2)為5°～70°。試驗結果通過JADE6.0軟件進行處理。

2.4 掃描電子顯微鏡

為進一步揭示改性炭質(zhì)泥巖的機理，在無側限抗壓強度試驗階段所留的碎塊中，選取最大寬度不超過10 mm，厚度低于7 mm，表面較為平整的試塊作試驗樣品。放入60 ℃真空干燥箱，進行24 h烘干，再冷卻至室溫，然后噴金。使用日本S-3000N掃描電子顯微鏡進行SEM試驗，在超高真空、30 kV加速電壓的工作條件下，對樣品進行斷裂表面的微觀結構分析，獲得1 000倍下的SEM照片。

3 結果與討論

3.1 無側限抗壓強度試驗

依據(jù)試驗配比方案，將目標養(yǎng)護齡期試樣分批進行無側限抗壓強度試驗，具體試驗結果見表2和圖1,2所示。

由表2可知，有15組改性炭質(zhì)泥巖試樣的強度均高于基準試樣A1B1的，其養(yǎng)護7 d基準試樣的無側限抗壓強度僅為297.64 kPa。繼續(xù)養(yǎng)護后，強度持續(xù)降低。造成這種現(xiàn)象的原因是炭質(zhì)泥巖在養(yǎng)護過程中，遇水崩解，導致試樣結構逐漸疏松，強度下降。在較低的水泥粉煤灰摻量下，改性預崩解炭質(zhì)泥巖的強度增強效應在養(yǎng)護中期可達到最大。若繼續(xù)在相對濕度大于90%的環(huán)境下養(yǎng)護，其強度增強效應無法消除試樣長時間崩解造成的強度下降現(xiàn)象。因此，低摻量試樣A1B2、A2B1、A2B2在養(yǎng)護齡期達到28 d時的強度較養(yǎng)護14 d時的低。試樣A4B3養(yǎng)護7,14,28 d無側限抗壓強度均達到最大，分別為2 386.94,2 678.27,2 943.42 kPa，與同養(yǎng)護齡期下的基準試樣A1B1相比，無側限抗壓強度增幅為701.9%,953.1%和1 258.5%，各養(yǎng)護齡期下強度增長效果顯著。

表2 無側限抗壓強度試驗結果

從圖1,2中可以看出，本試驗摻量變化范圍內(nèi)，水泥對炭質(zhì)泥巖改性體系強度有顯著提升。水泥摻量增加，體系強度持續(xù)增長。但摻量大于6%時，強度增長速度明顯減緩。粉煤灰對預崩解炭質(zhì)泥巖改性試樣強度的影響與養(yǎng)護齡期和水泥摻量有關。從圖2中還可以看出，水泥摻量越高，養(yǎng)護齡期越長，粉煤灰對試樣強度影響越明顯。隨著粉煤灰摻量的不斷增加，試樣強度先增大，達到峰值頂點后，隨摻量的繼續(xù)增加而減小。在達到峰值之前，所摻粉煤灰、預崩解炭質(zhì)泥巖和水泥充分膠結硬凝。達到峰值時，混合料完全膠結，體系強度最高。若繼續(xù)摻入過量粉煤灰，相當于完全膠結的混合料中加入無黏聚力的粉土材料，會導致土體強度降低。表明：對于無側限抗壓強度，所得最佳摻水泥、粉煤灰比率分別為9%和10%。在該配比下，改性預崩解炭質(zhì)泥巖試樣各齡期的強度均大于2.3 MPa，并隨著養(yǎng)護齡期的延長持續(xù)提高。

圖1 無側限抗壓強度隨水泥摻量的變化

圖2 無側限抗壓強度隨粉煤灰摻量的變化

3.2 微觀分析與反應機理

預崩解炭質(zhì)泥巖主要化學成分有SiO2、Al2O3和Fe2O3，其XRD圖譜如圖3所示，結晶相以石英Q、白云母M、高嶺石K和綠泥石C為主。Shaikh[14]等人研究指出：粉煤灰摻入水泥后，微粒均勻分布于水泥漿體中填充孔隙，產(chǎn)生更高的堆積密度，并通過顆粒中的活性組分SiO2和Al2O3，消耗水泥水化過程產(chǎn)生的Ca(OH)2，生成更多水化產(chǎn)物，水化產(chǎn)物與水泥粉煤灰膠緊密結，從而提升強度。

在養(yǎng)護28 d的A4B3試樣XRD圖譜如圖4所示。從圖4中可以看出，水泥水化產(chǎn)物水化硅酸鈣、水化鋁酸鈣和鈣礬石的衍射峰。表明：粉煤灰能提高改性預崩解炭質(zhì)泥巖的密實程度，促進水泥水化反應的作用。

圖3 預崩解炭質(zhì)泥巖XRD圖譜

養(yǎng)護7 d的A1B1試樣電鏡掃描結果如圖5(a)所示，能觀察到未改性預崩解炭質(zhì)泥巖由大量片狀層狀顆粒組成，且顆粒間孔隙較大，整體結構疏松，這從微觀結構角度證明了其較差的強度性能。圖5(b)～5(d)分別為A4B3試樣養(yǎng)護7,14,28 d的電鏡掃描圖片，以1 000倍放大率展示了兩種摻加料影響下炭質(zhì)泥巖改性體系中水化產(chǎn)物的微觀形態(tài)差異。從圖5(b)中可以看出，除了粉煤灰微珠外，還有少量細纖維狀鈣礬石、水化鋁酸鈣和水化硅酸鈣，其中，鈣礬石主要是水化早期水泥顆粒向外放射生長的長條物質(zhì)。此外，還能看到纖維狀鈣礬石與粉煤灰細顆粒相互膠結，對結構孔隙有一定的填充效果，加密了內(nèi)部結構。從圖5(c)中可以看出，養(yǎng)護14 d后，纖維狀鈣礬石長度和數(shù)量增加，而且出現(xiàn)分叉現(xiàn)象，這有利于鈣礬石對結構孔隙的進一步填充，促進了強度的增強。從圖5(d)中可以看出，養(yǎng)護28 d后的，水化產(chǎn)物明顯增加，鈣礬石形態(tài)呈互相聯(lián)鎖的網(wǎng)狀結構，填充布滿內(nèi)部孔隙，促使結構密實，改性預崩解炭質(zhì)泥巖強度顯著提升。因此，當摻加9%水泥和10%粉煤灰時，隨著養(yǎng)護齡期的增加，水泥水化產(chǎn)物逐漸填充內(nèi)部孔隙，有效提高了改性預崩解炭質(zhì)泥巖各階段的強度。

圖4 養(yǎng)護28 dA4B3 XRD圖譜

圖5 不同齡期下A1B1和A4B3電鏡顯微照片

4 結論

通過改性預崩解炭質(zhì)泥巖試樣的無側限抗壓強度試驗、X射線衍射試驗和電鏡掃描試驗，得到結論為：

1) 在水泥和粉煤灰對預崩解炭質(zhì)泥巖改性試驗中，水泥對試樣的強度提升效果明顯優(yōu)于粉煤灰的。但在固定水泥摻量的情況下，粉煤灰的摻入能解決改性預崩解炭質(zhì)泥巖因遇水崩解導致后期強度下降問題，甚至提高巖樣各階段強度。

2) 在標準養(yǎng)護條件下，當摻入9%水泥和10%粉煤灰組合時，試樣養(yǎng)護7,14,28 d無側限抗壓強度最高，分別為2 386.94,2 678.27,2 943.42 kPa。

3) 隨著養(yǎng)護齡期的增加，改性預崩解炭質(zhì)泥巖的內(nèi)部孔隙被水化產(chǎn)物鈣礬石、水化鋁酸鈣水化硅酸鈣凝膠填充，結構逐漸密實，改性預崩解炭質(zhì)泥巖強度持續(xù)提高。

[1] 曹亮,潘倩,孫陶苑正.水泥改良土的力學性能試驗研究[J].四川建筑科學研究,2019,45(4):89?92.(CAO Liang, PAN Qian, SUN Taoyuanzheng. Experimental study on mechanical properties of cement modified soil[J]. Sichuan Building Science, 2019, 45(4): 89?92. (in Chinese))

[2] Subramaniam P, Banerjee S. Dynamic properties of cement-treated marine clay[J]. International Journal of Geomechanics,2020,20(6):04020065.

[3] Chew S H, Kamruzzaman A H M, Lee F H. Physicochemical and engineering behavior of cement treated clays[J]. Journal of Geotechnical and Geoenvironmental Engineering,2004,130(7):696?706.

[4] 尤憶,向杰.水泥穩(wěn)定土強度和微觀結構的凍融損傷規(guī)律[J].硅酸鹽通報,2020,39(2):453?458.(YOU Yi, XIANG Jie. Freeze-thaw damage laws of strength and microstructure of cement stabilized soils[J]. Bulletin of the Chinese Ceramic Society, 2020, 39(2): 453?458. (in Chinese))

[5] Ribeiro D V, Labrincha J A, Morelli M R. Potential use of natural red mud as pozzolan for Portland cement[J]. Materials Research, 2011, 14(1): 60?66.

[6] 王立峰,陳巧紅,陳建建,等.垃圾廢灰改性水泥土的無側限抗壓強度試驗研究[J].科技通報,2019,35(12): 166?170.(WANG Li-feng, CHEN Qiao-hong, CHEN Jian-jian, et al. Experimental study on unconfined compressive strength of modified cement soil of the waste ash[J]. Bulletin of Science and Technology, 2019, 35(12):166?170.(in Chinese))

[7] Liu S T, Li Z Z, Li Y Y, et al. Strength properties of Bayer red mud stabilized by lime-fly ash using orthogonal experiments[J]. Construction and Building Materials, 2018,166:554?563.

[8] 朱蓓蓉,楊全兵.粉煤灰火山灰反應性及其反應動力學[J].硅酸鹽學報,2004,32(7):892?896.(ZHU Bei-rong, YANG Quan-bing. Pozzolanic reactivity and reaction kinetics of fly ash[J]. Journal of the Chinese Ceramic Society,2004,32(7):892?896.(in Chinese))

[9] 劉新海,彭小林.水泥粉煤灰穩(wěn)定碎石力學參數(shù)影響因素研究[J].交通科學與工程,2020,36(1):38?43.(LIU Xin-hai, PENG Xiao-lin. Study on influence factors of mechanical parameters of cement fly ash stabilized crushed stone[J]. Journal of Transport Science and Engineering,2020,36(1):38?43.(in Chinese))

[10] 張海濤,梁爽,楊洪生,等.粉煤灰對振動拌和水泥穩(wěn)定碎石力學性能的影響[J].公路工程,2019,44(5):176?179. (ZHANG Hai-tao, LIANG Shuang, YANG Hong-sheng, et al. Influence of fly ash on performance of cement- stabilized crushed stone based on vibratory mix technology[J]. Highway Engineering, 2019, 44(5): 176? 179.(in Chinese))

[11] 朱瑩瑩,李就好,劉懿韜,等.水泥粉煤灰改良南方紅黏土的試驗研究[J].公路工程,2017,42(2):145?149.(ZHU Ying-ying, LI Jiu-hao, LIU Yi-tao, et al. Experimental study on cement and fly ash improving the southern red soils[J]. Highway Engineering, 2017, 42(2): 145?149. (in Chinese))

[12] 張桂榮,羅紫婧,邵勇,等.水泥、粉煤灰改良細砂土的工程特性與改良機理[J].水利與建筑工程學報,2019,17(5): 128?132.(ZHANG Gui-rong,LUO Zi-jing,SHAO Yong, et al. Engineering characteristics and improvement mechanism of cement and fly ash improved fine sand[J]. Journal of Water Resources and Architectural Engineering,2019,17(5):128?132.(in Chinese))

[13] 邵俐,劉松玉,杜廣印,等.水泥粉煤灰加固有機質(zhì)土的試驗研究[J].工程地質(zhì)學報,2008,16(3):121?127.(SHAO Li, LIU Song-yu, DU Guang-yin, et al. Experimental study on improvement of organic soil with cement and fly- ash[J]. Journal of Engineering Geology, 2008, 16(3): 121?127.(in Chinese))

[14] Shaikh F U A, Supit S W M. Compressive strength and durability properties of high volume fly ash (HVFA) concretes containing ultrafine fly ash (UFFA)[J]. Construction and Building Materials,2015,82:192?205.

Analysis of strength characteristics and microscopic mechanism of modified disintegrated carbonaceous mudstone

TANG Jing1, DING Qi-long2

(1. Hunan Huagang Planning Design & Research Institute Co., Ltd., Changsha 410015, China;2. School of Civil Engineering, Changsha University of Science & Technology, Changsha 410114, China)

In order to effectively use the disintegrated carbonaceous mudstone in engineering practice, the disintegrated carbonaceous mudstone was modified with cement and fly ash. In this paper, the mechanical properties of the modified disintegrating carbonaceous mudstone are analyzed through the unconfined compressive strength tests of modified disintegrated carbonaceous mudstone with cement and fly ash combinations and different curing time, and the mechanism of modification was revealed by X-ray diffraction and scanning electron microscopy. The results show that when the disintegrated carbonaceous mudstone is modified with combination of 9% cement and 10% fly ash, its unconfined compressive strength reaches the maximum on 2.39 MPa, 2.68 MPa and 2.94 MPa at 7, 14 and 28 days, respectively. The X-ray diffraction (XRD) and scanning electron microscope (SEM) show that the pores inside the modified disintegrated carbonaceous mudstone are filled with hydration products with the increase of curing time, and the structure is gradually compact. The strength of modified disintegrated carbonaceous mudstone is enhanced due to the change of its microstructure.

disintegrating carbonaceous mudstone; unconfined compressive strength; X-ray diffraction; scanning electron microscopy

TQ450.4+3

A

1674 ? 599X(2021)01 ? 0013 ? 06

2020?07?13

校級專業(yè)學位研究生“實踐創(chuàng)新與創(chuàng)業(yè)能力提升”(SJCX201919)

唐靜(1985?)，男，湖南華罡規(guī)劃設計研究院有限公司。