石灰偏高嶺土改良粉砂土強度特性與微觀機理

李新明， 路廣遠， 張浩揚， 尹 松， 任克彬

(1.中原工學院 建筑工程學院, 河南 鄭州 450007; 2.河南省環(huán)境巖土工程與地下工程災(zāi)害控制工程研究中心, 河南 鄭州 450007; 3.河南省文物建筑保護研究院, 河南 鄭州 450002)

中原地區(qū)土遺址多為粉土或粉砂土夯筑，在長期自然環(huán)境作用下，其裂縫和坍塌等病害[1]普遍，有些甚至逐漸消失，土遺址預(yù)防性保護十分緊迫，而保護土遺址的關(guān)鍵在于加固材料是否應(yīng)用得當.目前，廣泛應(yīng)用于土遺址修復(fù)的無機材料有石灰、高模數(shù)硅酸鉀溶液(PS)、水硬性石灰(NHL)等.其中石灰為氣硬性材料，與古建筑兼容性較好，但其硬化速度較慢，強度低，耐水性能差[2-3]；PS材料等在西北干旱地區(qū)土遺址中已得到了廣泛應(yīng)用，顯著提升了中國干旱地區(qū)土遺址保護水平，但其在干-濕交替環(huán)境顯著的中原地區(qū)土遺址中應(yīng)用效果尚不明確[4]；水硬性石灰自20世紀70年代以來在歐美發(fā)達國家土遺址保護中應(yīng)用效果良好，而中國缺乏天然水硬性石灰，雖研制了類似水硬性石灰的替代材料(如燒阿嘎土[5]等)，但整體來說其修復(fù)土遺址成本較高，材料來源不夠廣泛，不利于推廣應(yīng)用[6-8].因此，開發(fā)能夠替代水硬性石灰的修復(fù)材料在土遺址保護相關(guān)領(lǐng)域具有重大需求.

石灰偏高嶺土(L-MK)作為一種環(huán)境友好型材料，符合生態(tài)環(huán)境可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略[9-11].國內(nèi)外研究學者已經(jīng)對水泥砂漿[12-13]、淤泥土[14]、黏性土[15-16]等巖土材料在L-MK改良作用下的力學特性進行了較為系統(tǒng)的研究，可以發(fā)現(xiàn)土樣類別是影響L-MK材料最優(yōu)配比和力學性能的重要因素.然而，目前卻鮮有學者開展L-MK材料對中原地區(qū)土遺址本體(粉砂土等)加固方面的研究.鑒于此，本文以河南地區(qū)典型粉砂土為研究對象，開展L-MK改良粉砂土的擊實試驗、無側(cè)限抗壓強度試驗等，重點探究不同L-MK摻量下改良粉砂土強度特性的變化規(guī)律并確定最優(yōu)L-MK摻量；通過X射線衍射(XRD)和掃描電鏡(SEM)，分析其水硬性效應(yīng)的內(nèi)在微觀機理.

1 試驗

1.1 試驗材料

粉砂土取自河南省鄭州市苑陵故城附近，參照WW/T 0040—2012《土遺址保護工程勘察規(guī)范》進行取樣，其顆粒粒徑級配曲線如圖1所示.由圖1可以看出，其砂粒(>0.075mm)、粉粒(0.075～0.005mm)、黏粒(<0.005mm)體積分數(shù)分別為65.66%、32.48%、1.86%.粉砂土基本物性指標如表1所示.根據(jù)SL237—1999《土工試驗規(guī)程》，判定試驗土樣為粉砂土.

圖1 粉砂土顆粒粒徑級配曲線

表1 粉砂土的基本物性指標

偏高嶺土(MK)：河南省鄭州市鞏義市辰義耐材磨料有限公司.天然水硬性石灰(NHL)：上海市德賽堡建筑材料有限公司，強度等級為NHL2(2～5MPa).石灰(L)：CaO含量(1)1)文中涉及的含量、組成等除特別說明外均為質(zhì)量分數(shù).大于90%，選自江西新余惠灰實業(yè)有限公司.粉砂土、石灰、偏高嶺土及水硬性石灰的化學組成見表2.

1.2 試驗方法

根據(jù)JTG E51—2009《公路工程無機結(jié)合料穩(wěn)定材料試驗規(guī)程》和傳統(tǒng)三七灰土、二八灰土、一九灰土(體積比)摻石灰量的要求，石灰摻量wL(石灰質(zhì)量與總質(zhì)量之比)分別取6%、8%、10%和12%；偏高嶺土摻量wMK(偏高嶺土質(zhì)量與總質(zhì)量之比)分別取0%、4%、8%和12%，制備L-MK改良粉砂土試樣.同時制備單摻水硬性石灰的NHL粉砂土試樣進行對比試驗，水硬性石灰摻量wNHL與L-MK改良粉砂土試樣中的石灰摻量相同.為表述方便，材料均采用英文縮寫方式，如6%L+4%MK為6%石灰+4%偏高嶺土.

參照SL237—1999《土工試驗規(guī)程》進行輕型擊實試驗，測定改良粉砂土的含水率w和干密度ρd，為后續(xù)試樣制備提供相關(guān)參數(shù).

試樣采用95%壓實度，直徑和高度均為5cm的圓柱體.試樣制備完畢后，放入標準養(yǎng)護室(溫度在(20±2)℃之間，相對濕度控制在95%±2%)分別養(yǎng)護7、14、28d，養(yǎng)護齡期最后1d將其放入水中浸潤24h.養(yǎng)護至相應(yīng)齡期后，采用YYW-2型無側(cè)限抗壓強度儀測定試樣無側(cè)限抗壓強度.

采用日本Rigaku公司的D/max2550 VB3+PC型X射線衍射儀進行XRD測試；采用德國蔡司公司的場發(fā)射掃描電鏡(FESEM)進行SEM測試.

2 結(jié)果與分析

2.1 擊實試驗結(jié)果

圖2為L-MK改良粉砂土的擊實曲線，定義最大ρd對應(yīng)的含水率為最優(yōu)含水率.由圖2可見：隨著MK摻量的增加，擊實曲線峰值點逐漸向右下方移動，即最大干密度減小，最優(yōu)含水率增加；同時，峰值后擊實曲線呈變緩趨勢.表明MK能夠有效抑制石灰改良粉砂土的水敏性，有利于現(xiàn)場施工.這是由于MK可協(xié)同石灰發(fā)生化學反應(yīng)，從而促進改良粉砂土吸收更多的水分[15].

圖2 L-MK改良粉砂土的擊實曲線

L-MK改良粉砂土的最大干密度隨著MK摻量的增加而遞減.原因在于：(1)水化產(chǎn)物與粉砂土顆粒間的膠結(jié)作用使土樣結(jié)構(gòu)更加密實，從而導(dǎo)致最大干密度逐漸減小；(2)在相同的擊實條件下，摻入石灰可以降低土樣的塑性，從而提高改良粉砂土的最優(yōu)含水率，降低其最大干密度.

2.2 無側(cè)限抗壓強度試驗結(jié)果

2.2.1軸向應(yīng)力-應(yīng)變曲線

由于不同齡期和不同L-MK摻量下改良粉砂土的應(yīng)力-應(yīng)變曲線變化規(guī)律類似，因此僅列出28d時的部分試樣應(yīng)力-應(yīng)變曲線，見圖3.由圖3可以看出，L-MK及NHL改良粉砂土應(yīng)力-應(yīng)變曲線均存在明顯的峰值點，屬于軟化型.

圖3 試樣應(yīng)力-應(yīng)變曲線

L-MK和NHL改良粉砂土應(yīng)力-應(yīng)變曲線呈現(xiàn)比較明顯的2個階段：(1)應(yīng)力達到峰值前曲線近似呈直線增長；(2)達到峰值后曲線迅速下降，直至試樣破壞，破壞后僅剩殘余強度.前一個階段屬于應(yīng)變硬化階段，后一個階段為應(yīng)變軟化階段，表現(xiàn)出明顯的脆性破壞特征.

定義試樣應(yīng)力達到峰值時對應(yīng)的應(yīng)變?yōu)槠茐膽?yīng)變εf.由圖3可以看出，石灰改良粉砂土εf較小，隨著偏高嶺土摻量從0%增至12%，L-MK改良粉砂土εf呈略微增大趨勢且明顯大于單摻石灰的粉砂土.如單摻6%、8%石灰時，試樣εf均為2.50%，而復(fù)摻4%偏高嶺土后，試樣εf分別增至3.03%和3.16%，與8%、10%NHL改良粉砂土的εf基本相同.湯怡新等[17]認為土樣的變形特征可用破壞應(yīng)變來表征，破壞應(yīng)變越大，土樣韌性越強.由此說明，L-MK改良粉砂土比石灰改良粉砂土具有更好的韌性.

2.2.2無側(cè)限抗壓強度

圖4給出了L-MK改良粉砂土的無側(cè)限抗壓強度fuc.由圖4可以看出，7、14、28d齡期時，相同石灰摻量下，MK的摻入極大提高了單摻石灰改良粉砂土的無側(cè)限抗壓強度.當石灰摻量為6%，MK摻量從0%增加至12%時，改良粉砂土的7d無側(cè)限抗壓強度從0.51MPa增加至4.25MPa.究其原因，水化反應(yīng)產(chǎn)生的水化物不僅增加了土顆粒之間的黏結(jié)力，也增加了砂粒與土樣之間的機械咬合力，從而提高了改良粉砂土的無側(cè)限抗壓強度[18]，這與彭小芹等[13]研究結(jié)果一致.而從強度增長率結(jié)果(圖5)得出，7、14、28d無側(cè)限抗壓強度增長率并非隨著MK摻量的增加而單調(diào)增加，而是呈現(xiàn)先增大后減小的變化規(guī)律，且在MK摻量為4%時達到峰值.當石灰摻量為6%，MK摻量從0%增加到4%時，強度增長率從155%提高至394%，而當MK摻量繼續(xù)從4%增加至12%時，強度增長率反而從394%降至13.3%.其中，L-MK改良粉砂土強度增長率R的表達式為：

圖4 L-MK改良粉砂土的無側(cè)限抗壓強度

圖5 L-MK改良粉砂土強度增長率

(1)

式中：fuc1為某齡期與石灰摻量下L-MK的無側(cè)限抗壓強度，MPa；fuc2為該齡期與石灰摻量下偏高嶺土摻量增加一級后L-MK的無側(cè)限抗壓強度，MPa.需要說明的是，當MK摻量為0%時，fuc1為粉砂土的無側(cè)限抗壓強度(0.2MPa)，fuc2為單摻石灰粉砂土的無側(cè)限抗壓強度.

相同石灰摻量下，在相對濕度95%的養(yǎng)護條件下，隨著齡期的增加，L-MK改良粉砂土的無側(cè)限抗壓強度明顯高于單摻石灰改良粉砂土，說明前者“水硬性”顯著增強.以6%石灰和4%MK摻量為例，單摻6%石灰時，齡期從7d增至28d，其無側(cè)限抗壓強度從0.51MPa提高至0.62MPa，而摻入4%偏高嶺土后，無側(cè)限抗壓強度從2.52MPa提升至4.45MPa.

圖6給出了NHL改良粉砂土的無側(cè)限抗壓強度.由圖6可以看出，NHL改良粉砂土的無側(cè)限抗壓強度隨著NHL摻量的增加而顯著增大.對比圖4、6可發(fā)現(xiàn)，當摻入6%L+4%MK時，試樣的7d無側(cè)限抗壓強度為2.52MPa，且其28d無側(cè)限抗壓強度(4.45MPa)達到了歐洲標準BS EN459-1:2015《Building lime》對28d齡期水硬性石灰NHL2的強度等級，高于8%NHL改良粉砂土的28d無側(cè)限抗壓強度(4.07MPa)；當石灰摻量從6%增至8%時，試樣28d無側(cè)限抗壓強度達到3.40MPa，高于10%NHL改良粉砂土的28d無側(cè)限抗壓強度(2.78MPa).結(jié)合相同強度等級下改良粉砂土的破壞應(yīng)變(見圖3)發(fā)現(xiàn)，當齡期為28d，6%L+4%MK、8%L+4%MK改良粉砂土的破壞應(yīng)變分別與8%、10%NHL改良粉砂土相當.因此，從試樣破壞應(yīng)變和無側(cè)限抗壓強度2個角度考慮，摻入6%L+4%MK、8%L+4%MK能夠有效替代8%、10%NHL.綜上，在土遺址保護工程實際應(yīng)用中，建議石灰的最優(yōu)摻量為6%～8%；MK的最佳摻量為4%.

圖6 NHL改良粉砂土的無側(cè)限抗壓強度

3 微觀機理

Pavlík等[9]研究發(fā)現(xiàn)，L-MK的固化過程主要是水化反應(yīng)、碳化反應(yīng)以及Ca(OH)2結(jié)晶析出共同導(dǎo)致的結(jié)構(gòu)硬化.石灰的水化反應(yīng)生成了Ca(OH)2，同時釋放出大量的熱量，會消耗大量的水分；Ca(OH)2與空氣中的CO2發(fā)生碳化反應(yīng)生成CaCO3；水化后的Ca(OH)2電離出大量的Ca2+和OH-，電離出的離子與偏高嶺土中的主要成分SiO2和Al2O3發(fā)生水化反應(yīng)生成非結(jié)晶態(tài)的水化硅酸鈣(CSH)、結(jié)晶態(tài)的水化鋁酸四鈣(C4AH13).

3.1 XRD分析

圖7為改良粉砂土的XRD圖譜.由圖7可以看出，與單摻石灰改良粉砂土相比，MK的摻入改變了石灰改良粉砂土的水化產(chǎn)物類型.由于石灰與MK的水化作用，生成了一系列與NHL相類似的水化產(chǎn)物，包括Ca(OH)2、CSH和C4AH13等，說明石灰與MK發(fā)生了硬化、離子交換與火山灰等反應(yīng)，使得粉砂土顆粒間的黏結(jié)力增強.由于XRD檢測不出非結(jié)晶態(tài)的水化產(chǎn)物，因此未能發(fā)現(xiàn)CSH，但通過后文的SEM發(fā)現(xiàn)其存在于微觀結(jié)構(gòu)中.需要說明的是，在XRD衍射試驗中，僅針對影響無側(cè)限抗壓強度的主要水化產(chǎn)物進行了分析，其他礦物成分不在此贅述.

圖7 改良粉砂土的XRD圖譜

3.2 SEM分析

圖8為8%L+MK和8%NHL改良粉砂土的SEM照片.由圖8可以看出：8%L改良粉砂土中未發(fā)現(xiàn)明顯的結(jié)晶態(tài)水化產(chǎn)物生成，且結(jié)構(gòu)較為疏松；當MK摻量為4%～12%時，試樣中出現(xiàn)了針狀的鈣釩石、六方板片狀的C4AH13.這也與XRD試驗結(jié)果相互印證.

由圖8(b)可知，當MK摻量為4%時，試樣中C4AH13等水化產(chǎn)物較少，微觀結(jié)構(gòu)較8%L改良粉砂土更加密實，水化產(chǎn)物以少量的六方板片狀C4AH13和針狀鈣釩石為主，這表明石灰與MK的反應(yīng)是一種緩慢過程.隨著MK摻量的增加，結(jié)晶態(tài)以及無規(guī)則的水化產(chǎn)物數(shù)量逐漸增多，同時可見少量絮凝狀的水化產(chǎn)物(見圖8(c)、(d))，根據(jù)吳子龍等[10，14]對非結(jié)晶態(tài)CSH的微觀形態(tài)描述并結(jié)合SEM試驗結(jié)果，推測其為CSH.CSH填充于結(jié)構(gòu)孔隙，使試樣微觀結(jié)構(gòu)更加密實，具有優(yōu)越的強度和韌性[19].從圖8(e)可以看出，L-MK反應(yīng)生成與NHL類似的水化產(chǎn)物.從改良粉砂土整體微觀結(jié)構(gòu)角度分析，摻入MK后的結(jié)構(gòu)要比摻NHL的試樣更加致密和均勻，這與前述的無側(cè)限抗壓強度試驗結(jié)論一致.

圖8 8%L+MK和8%NHL改良粉砂土的SEM照片

4 結(jié)論

(1)偏高嶺土的摻入提高了石灰改良粉砂土的最優(yōu)含水率，降低了其最大干密度；隨著偏高嶺土摻量的增加，石灰偏高嶺土改良粉砂土的擊實曲線在峰值后呈逐漸變緩的趨勢，有利于現(xiàn)場施工.

(2)在相同石灰摻量下，當偏高嶺土摻量從0%增至12%時，改良粉砂土的破壞應(yīng)變增大，無側(cè)限抗壓強度提高.但當偏高嶺土摻量大于4%后，改良粉砂土無側(cè)限抗壓強度增長率出現(xiàn)下降趨勢.養(yǎng)護齡期從7d增至28d時，石灰偏高嶺土改良粉砂土的無側(cè)限抗壓強度增長率明顯高于石灰改良粉砂土.

(3)綜合分析試樣破壞應(yīng)變、無側(cè)限抗壓強度及其增長率，以及歐洲標準BS EN459-1:2015對水硬性石灰NHL2的強度要求，建議采用6%石灰+4%偏高嶺土、8%石灰+4%偏高嶺土分別替代8%、10%的水硬性石灰用于土遺址修復(fù).

(4)偏高嶺土協(xié)同石灰發(fā)生水化反應(yīng)，形成的水硬性膠凝物質(zhì)，增加了粉砂土顆粒間的黏結(jié)力和機械咬合力，從而增加了其微觀結(jié)構(gòu)的整體性和密實性，改善了其力學性能.

(5)本文僅從強度特性角度對石灰偏高嶺土改良粉砂土替代水硬性石灰的可行性進行了初步探索，其耐久性等還有待進一步研究.