偏高嶺土基地聚物改良土最優(yōu)配比及固化效果分析

顧海榮， 張鵬， 王盛年*， 吳凱， 袁潔君， 薛欽培

(1.江蘇省送變電有限公司， 南京 210028； 2.南京工業(yè)大學(xué)交通運輸工程學(xué)院， 南京 211816； 3.南京智慧巖土工程技術(shù)研究院， 南京 211816)

改良土作為一種砂礫料缺乏地區(qū)的建筑材料，具有就地取材、減少運輸、施工方便、價格低廉等優(yōu)點，如水泥土、石灰土等已被廣泛用于地基加固、渠道防滲、深基坑、土石壩等工程[1-2]。然而，實際工程中，石灰土因干縮溫縮顯著，適用性不如水泥土；水泥盡管幾乎適用于各類土體的改良，但用量過多將造成水泥土在硬化過程中出現(xiàn)干縮開裂等缺陷[3]，同時，由于普通硅酸鹽水泥土強度可調(diào)節(jié)范圍小、水穩(wěn)性差[4]，其同樣無法長期保障改良土體的堅固性、穩(wěn)定性和耐久性。此外，水泥生產(chǎn)過程還將釋放大量二氧化碳，導(dǎo)致全球環(huán)境壓力倍增[5]。因此，如何提升改良土工程性能并實現(xiàn)人與自然和諧相處已成為學(xué)術(shù)界和工程界探討的熱點問題。

盡管大量研究表明[10,27-28]，強堿(NaOH)和水玻璃(Na2SiO4)對地聚物活性材料具有更好的激發(fā)效果，但在實際應(yīng)用中，兩者運輸和儲存方面均存在較大困難，且難以保證對環(huán)境的不利影響，因此，現(xiàn)從應(yīng)用可行性出發(fā)，以生石灰(CaO)和小蘇打(NaHCO3)營造堿激發(fā)環(huán)境，采用干混方式配制偏高嶺土基地聚物材料，進而探討其在黏土中的改良參數(shù)設(shè)計及固化效果。

1 試驗材料

1.1 試驗用土

試驗用土取自江蘇省南京市南京工業(yè)大學(xué)江浦校區(qū)某施工場地黏土，黏土級配曲線如圖1所示。原狀土基本物理力學(xué)指標(biāo)如表1所示。為保證制樣壓實度質(zhì)量控制，采用標(biāo)準(zhǔn)擊實試驗獲取最大干密度和最佳含水率。擊實試驗曲線如圖2所示。

圖1 黏土級配曲線Fig.1 Grading curve of clay

表1 黏土基本物理參數(shù)

1.2 活性材料

試驗所用活性材料為河北省盛運礦業(yè)生產(chǎn)的白色粉末狀偏高嶺土，其型號為AS2-1250目，如圖3所示。偏高嶺土化學(xué)成分如表3所示。

1.3 堿激發(fā)劑

以生石灰(CaO)和小蘇打(NaHCO3)的混合物作為堿激發(fā)材料，如圖4所示，兩者均來自南京工業(yè)大學(xué)化工學(xué)院實驗室。其中，小蘇打為純度99%的普通碳酸氫鈉100目粉末狀顆粒，生石灰為粉末狀細(xì)顆粒。試驗用水為普通自來水。

圖2 擊實試驗曲線Fig.2 Proctor compaction test

圖3 偏高嶺土材料Fig.3 Powder of metakaolin

表2 偏高嶺土化學(xué)成分

圖4 堿激發(fā)材料Fig.4 Materials of alkali activator

2 試驗方案與試樣制備

2.1 試驗方案

考慮到核心目的是在常溫弱堿條件下實現(xiàn)地聚物活性材料的穩(wěn)定激發(fā)，進而尋找出其在土中的最優(yōu)摻入比，并揭示土體改良固化效果，因此，試驗內(nèi)容分為3部分：①活性材料(偏高嶺土)與堿激發(fā)劑之間的配比關(guān)系分析；②偏高嶺土基地聚物在土中的最優(yōu)配比分析；③通過與普通硅酸鹽水泥土、純黏土進行強度平行對比試驗，探討地聚物對土體的改良效果及破壞模式，并結(jié)合掃描電鏡試驗從細(xì)觀層面分析三者在微結(jié)構(gòu)上的差異，揭示不同類型土的團聚效應(yīng)和強度改善機制。具體方案如下。

(1)偏高嶺土基地聚物材料配比試驗。如表3所示，按最優(yōu)含水量和水灰比(0.35)確定試驗最終用水量，以生石灰(CaO)和小蘇打(NaHCO3)質(zhì)量比為1∶1制備堿激發(fā)劑，制備不同偏高嶺土和堿激發(fā)劑摻量下的地聚物改良土圓柱試樣，開展室內(nèi)7 d無側(cè)限抗壓強度試驗。試驗設(shè)備采用YSH-2型電動無側(cè)限壓力儀，試驗加載速率為10 mm/min。每組3個試樣作為平行試驗。

表3 試驗方案

(2)偏高嶺土基地聚物改良土配比試驗。依據(jù)上述試驗所得活性材料與堿激發(fā)劑之間的配比關(guān)系，以干混方式制備地聚物(即配制偏高嶺土、生石灰、碳酸氫鈉的粉末狀混合物)。參考Zhang等[25]所述試驗方案，并結(jié)合《水泥土配合比設(shè)計規(guī)范》，制備地聚物摻量為6%、8%、10%和12%的改良土圓柱試樣，開展室內(nèi)7 d無側(cè)限抗壓強度試驗。每組3個試樣作為平行試驗。

(3)強度對比試驗與掃描電鏡試驗。根據(jù)地聚物改良土配比試驗確定出的最優(yōu)摻比，制備相同摻比條件下的普通硅酸鹽水泥土試樣，以及純黏土試樣，開展室內(nèi)7 d抗壓、抗剪、抗拉強度測試，對比分析地聚物對土體的改良效果，并探討不同摻量下地聚物改良土在荷載作用下的破壞模式。同時，通過對恒溫恒濕養(yǎng)護箱中養(yǎng)護7 d后的地聚物改良土、普通硅酸鹽水泥土以及純黏土試樣進行切片，選取具有代表性的土樣塊，自然脫水干燥、打磨、拋光、整平，然后采用JSM-5900掃描電鏡對試樣表面放大500倍和4 000倍兩個倍數(shù)進行成像。其中，500倍數(shù)區(qū)圖像用來觀察試樣切面上松散區(qū)與密實區(qū)的分布情況、大顆粒與較小顆粒及顆粒間的接觸狀況以及孔隙分布情況，4 000倍數(shù)區(qū)圖像用以觀察微小顆粒與特微小孔隙、以及改良土微觀結(jié)構(gòu)，以反映改良土的微觀加固機制。當(dāng)然，需要注意的是，由于觀察范圍小，試驗無法完整反映整個試樣的微觀結(jié)構(gòu)狀態(tài)。

2.2 試樣制備

將試驗黏土放入105 ℃烘箱中持續(xù)烘干24 h，碾壓磨碎，過2 mm篩。按配比設(shè)計分別稱取每組所需的烘干黏土、偏高嶺土、生石灰、小蘇打和水，然后將各組稱好的烘干黏土、偏高嶺土、小蘇打和生石灰混合均勻后(圖5)，加水充分?jǐn)嚢琛⒊浞职韬途鶆虻母牧纪翗臃謩e等分四等份放入試驗托盤中備用。在制樣模具內(nèi)壁均勻涂抹凡士林，并包裹保鮮膜(其目的是為了盡可能保證拆樣時試樣的完整性)。然后分層將改良土樣裝入39.1 mm×80.0 mm模具中，每層均勻壓實至指定高度。制樣結(jié)束后，將試樣編號并放入常溫(約10 ℃)恒濕養(yǎng)護箱靜置24 h后拆模(圖6)，繼續(xù)養(yǎng)護6 d后利用電動無側(cè)限壓力儀進行無側(cè)限抗壓強度試驗。

圖5 偏高嶺土基地聚物改良土混合物Fig.5 Soil mixed with metakaolin-based geopolymer

圖6 偏高嶺土基地聚物激發(fā)改良土Fig.6 Samples of geopolymer-improved soil

3 試驗結(jié)果與分析

3.1 無側(cè)限抗壓強度試驗結(jié)果

地聚物改良土試樣7 d無側(cè)限抗壓強度試驗結(jié)果如表4所示，可知，不同偏高嶺土和堿激發(fā)劑摻量下的地聚物改良土無側(cè)限抗壓強度值均呈現(xiàn)先增大后減小趨勢，最大抗壓強度在偏高嶺土和堿激發(fā)劑摻量分別為10%和5%時獲得，平均抗壓強度值為418.63 kPa。

表4 無側(cè)限抗壓強度試驗結(jié)果

3.2 地聚物堿激發(fā)材料配比分析

對表4數(shù)據(jù)進一步分析發(fā)現(xiàn)，地聚物改良土無側(cè)限抗壓強度在相同偏高嶺土摻量下均隨堿激發(fā)劑摻量呈先增后減變化，對其峰值摻比進行分析發(fā)現(xiàn)，偏高嶺土和堿激發(fā)劑的摻比均在2.0左右，因此，推測穩(wěn)定合成地聚物的偏高嶺土和堿激發(fā)劑的理想配比應(yīng)為2∶1。為進一步驗證該推斷，補充偏高嶺土摻量為8%和12%，堿激發(fā)劑摻量為4%和6%的無側(cè)限抗壓強度試驗，所得偏高嶺土摻量8%、堿激發(fā)劑摻量4%和偏高嶺土摻量12%、堿激發(fā)劑摻量6%的無側(cè)限抗壓強度均值分別為385.38 kPa(試驗值為381.60、377.01、397.52 kPa)和343.77 kPa(試驗值為300.54、350.94、379.83 kPa)。將其與表4結(jié)果匯總，繪制偏高嶺土摻量相同、堿激發(fā)劑摻量不同條件下的地聚物改良土無側(cè)限抗壓強度曲線如圖7所示。

圖7 不同偏高嶺土摻量、堿激發(fā)劑摻量下的地聚物改良土無側(cè)限抗壓強度曲線Fig.7 UCS of improved soil with different metakaolin content and alkali activator contents

從圖7可知，當(dāng)偏高嶺土摻量分別為6%、8%、10%和12%時，其無側(cè)限抗壓強度峰值曲線均隨堿激發(fā)劑摻量的增加呈拋物線型變化，且峰值曲線峰值也確實在堿激發(fā)劑摻量分別為3%、4%、5%和6%時獲得，因此可以斷定地聚物堿激發(fā)材料中活性材料與堿激發(fā)劑間的最佳配比就是2∶1。

3.3 地聚物改良土最佳配比分析

圖8 不同地聚物摻量下改良土無側(cè)限抗壓強度曲線Fig.8 Curves of unconfined compression strength of improved soil with different geopolymer contents

圖8(a)為不同地聚物堿激發(fā)材料摻量下改良土的無側(cè)限抗壓強度曲線(偏高嶺土和堿激發(fā)劑的摻比均為2∶1)?？梢钥闯觯?dāng)?shù)鼐畚飰A激發(fā)材料摻量小于15%時，改良土無側(cè)限抗壓強度隨地聚物堿激發(fā)材料摻量的增加而增大，而當(dāng)?shù)鼐畚飰A激發(fā)材料摻量大于15%后，改良土無側(cè)限抗壓強度卻不增反降。因此，可以初步推斷地聚物堿激發(fā)材料在土體中的最優(yōu)摻量應(yīng)為15%。為進一步論證這一結(jié)論，繪制不同地聚物堿激發(fā)材料摻量下的改良土無側(cè)限峰值抗壓強度均值曲線如圖8(b)所示?？梢钥闯?，隨著地聚物堿激發(fā)材料摻量增加，改良土無側(cè)限峰值抗壓強度確實先增后減，且在地聚物堿激發(fā)材料摻量為15%時最優(yōu)。然而需要注意的是，地聚物堿激發(fā)材料在土體中的摻量不僅與土體的強度提升有關(guān)，也與土體的工程性能需求和經(jīng)濟性有關(guān)，也即強度最優(yōu)摻比不一定就是最佳的工程使用摻比。盡管改良土峰值強度在地聚物堿激發(fā)材料摻量在15%時取得了最大值，但其強度提升效果與地聚物堿激發(fā)材料摻量為12%時相比，差異并不是很大，即優(yōu)勢不明顯，因此，若考慮工程經(jīng)濟性影響，改良土中偏高嶺土基地聚物的最佳摻量取12%更為合理。

另外，從圖8(a)所示改良土無側(cè)限抗壓強度曲線斜率可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)?shù)鼐畚飰A激發(fā)材料摻量小于12%時，曲線斜率隨地聚物堿激發(fā)材料摻量增加呈變陡趨勢，但當(dāng)?shù)鼐畚飰A激發(fā)材料摻量大于12%后，曲線斜率增長速率卻逐漸變緩，曲線斜率甚至近似不變。顯然，若從變形性能來看，地聚物堿激發(fā)材料摻量為12%也是土體改良的最經(jīng)濟選擇。

3.4 偏高嶺土摻量影響分析

圖9為不同偏高嶺土摻量下地聚物改良土的單軸壓縮應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系曲線?？芍?，相同偏高嶺土摻量下，地聚物改良土峰值抗壓強度均隨堿激發(fā)劑摻量增加呈先增后減變化。當(dāng)偏高嶺土摻量近似為2倍堿激發(fā)劑摻量時，地聚物改良土峰值抗壓強度取得最大值。同樣，曲線切線彈性模量也隨著堿激發(fā)劑摻量增加呈先增后減變化，且當(dāng)偏高嶺土摻量近似為2倍堿激發(fā)劑摻量時，曲線切線斜率最大，也即地聚物改良土剛度最好。相同偏高嶺土摻量地聚物改良土峰后曲線特征表明，隨著偏高嶺土與堿激發(fā)劑摻量比接近2.0，峰后曲線逐漸變陡，改良土峰后軟化特征減弱、脆性增強。

圖9 不同偏高嶺土摻量下改良土應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線Fig.9 Stress-strain curves of geopolymer-improved soil with different metakaolin contents

3.5 堿激發(fā)劑摻量影響分析

圖10 不同堿激發(fā)劑摻量下改良土應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系曲線Fig.10 Stress-strain curves of geopolymer-improved soil with different alkali activator contents

4 固化效果與破壞模式

4.1 固化效果

表5所示為偏高嶺土基地聚物改良土(偏高嶺土10%，堿激發(fā)材料5%)、普通硅酸鹽水泥土(水泥摻量15%)以及純黏土的無側(cè)限抗壓強度、直接剪切強度和巴西劈裂抗拉強度平均值。由表5可知，即便是在溫度較低情況下(試驗養(yǎng)護溫度約為5 ℃)，偏高嶺土基地聚物改良土不論是在抗壓強度、抗剪強度，還是在抗拉強度方面均表現(xiàn)出更大的優(yōu)勢，特別是，只要土體中硅鋁酸根離子未反應(yīng)完全，在OH-作用下地聚物網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)隨著時間發(fā)展將持續(xù)形成并不斷相互連接成更大的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，從而將使地聚物改良土強度繼續(xù)增加，因此，同樣可預(yù)判偏高嶺土基地聚物改良土的力學(xué)性能將更好。

圖11 SEM微觀結(jié)構(gòu)特征Fig.11 Microstructural characteristics of soils by SEM

另外，為進一步評價地聚物改良土的固化效果，分別對純黏土、普硅酸鹽水泥土及偏高嶺土基地聚物改良土開展掃描電鏡試驗(圖11)。由圖11(a)、圖11(b)可知，未改良純黏土基本以片狀單元體為主，單元體排列定向性較差，單元體之間以接觸聯(lián)結(jié)為主，但也同時存在著單元體間的膠結(jié)聯(lián)結(jié)，單元體間排列較疏松，結(jié)構(gòu)類型為顆粒-團粒體、接觸-膠結(jié)、架空結(jié)構(gòu)。由圖11(c)、圖11(d)可知，普通硅酸鹽水泥土中，顆粒分布呈團簇狀，具有明顯不規(guī)則立體狀分布特征，水泥水化結(jié)晶將顆粒聯(lián)結(jié)在了一起，構(gòu)成了粒狀-鑲嵌-膠結(jié)結(jié)構(gòu)，而正是這種較強的結(jié)構(gòu)聯(lián)結(jié)，使得普通硅酸鹽水泥土在宏觀上表現(xiàn)出了更高的強度。相比未加固黏土，普通硅酸鹽水泥土團聚顆粒粒徑明顯增大(不排除大顆粒間存在局部架空)，且水泥水化產(chǎn)物的膠結(jié)作用使得片狀黏土顆粒更加致密。由圖11(e)、圖11(f)可知，地聚物改良土中的膠結(jié)物質(zhì)使得片狀黏土顆粒之間的接觸聯(lián)結(jié)轉(zhuǎn)變?yōu)槟z結(jié)聯(lián)結(jié)。由于土顆粒表面及顆粒間存在著不同程度的硅鋁酸鹽聚合物，先前的微小獨立顆粒、疊聚體以及絮凝體在硅鋁酸鹽聚合物的牢牢包裹下形成了大體積的團狀凝聚體及極強的網(wǎng)狀聯(lián)結(jié)，顆粒單元體和絮凝體之間排列緊密，架空現(xiàn)象較普通硅酸鹽水泥土減少，使得地聚物改良土在結(jié)構(gòu)上較普通硅酸鹽水泥土更加密實，地聚物改良土結(jié)構(gòu)強度也呈現(xiàn)不斷增長趨勢。另外，相比普通硅酸鹽水泥土，地聚物改良土中顆粒、疊聚體以及絮凝體在自身周邊呈現(xiàn)有大量凝膠結(jié)晶物質(zhì)(物相分析發(fā)現(xiàn)主要為C—S—H、C—A—H、CaCO3、CaSiO3等)，這種凝膠結(jié)晶物質(zhì)隨時間的發(fā)展存在向外不斷擴展的趨勢，這將使得地聚物改良土密實度進一步提高，進而整體增強改良土的強度。因此，相較黏土和普通硅酸鹽水泥土，地聚物改良土對土體的固化效果更為顯著。

表5 不同類型土力學(xué)強度對比

圖12 不同偏高嶺土和堿激發(fā)劑摻量下土樣破壞形態(tài)Fig.12 Failure patterns of geopolymer-improved soil with different metakaolin and alkali activator contents

4.2 破壞模式

圖12為不同偏高嶺土和摻量堿激發(fā)劑摻量下的土樣破壞情況。由圖12可知，低偏高嶺土和堿激發(fā)劑摻量下，地聚物改良土試樣在荷載作用下均有明顯剪切帶形成，土體的結(jié)構(gòu)性破壞實質(zhì)上屬剪切帶區(qū)域土體的剪切塑性破壞。隨著偏高嶺土摻量和堿激發(fā)劑摻量的增加，試樣在荷載作用下形成的剪切帶不再明顯，而是逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)樨Q向鼓脹開裂及劈裂破壞。究其緣由主要是，當(dāng)偏高嶺土摻量多、堿激發(fā)劑摻量少，即二者摻比大于2∶1時，地聚物改良土中的活性物質(zhì)SiO2、Al2O3將因堿激發(fā)劑摻量不足導(dǎo)致聚合反應(yīng)不充分，地聚物改良土強度增加有限；當(dāng)偏高嶺土摻量少、堿激發(fā)劑摻量多，即二者摻比小于2∶1時，地聚物改良土中的活性物質(zhì)將隨堿激發(fā)劑摻量的增多得到充分溶解與聚合，地聚物改良土脆性因此增強。

5 結(jié)論

通過對不同材料配比下的偏高嶺土基地聚物改良土進行無側(cè)限抗壓強度試驗及掃描電鏡試驗，探討了地聚物改良土的最優(yōu)配比，分析了偏高嶺土和堿激發(fā)劑摻量對土的力學(xué)特性及固化效果的影響，結(jié)論如下。

(1)地聚物改良土應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系曲線均隨活性材料(偏高嶺土)與堿激發(fā)劑(生石灰和小蘇打1∶1混合物)摻量增加呈現(xiàn)先增后減。地聚物中活性材料與堿激發(fā)劑的最佳配比為2∶1，當(dāng)二者在土中的摻比為12%時，地聚物改良土抗壓強度最為理想。

(2)在相同摻比下，地聚物改良土不論是在抗壓和抗剪性能，還是在抗拉性能方面均優(yōu)于普通硅酸鹽水泥土以及純黏土。

(3)微結(jié)構(gòu)分析表明，地聚物改良土中顆粒單元體和絮凝體之間呈緊密網(wǎng)狀聯(lián)結(jié)，架空現(xiàn)象較普通硅酸鹽水泥土更少，固化效果更好。

(4)隨著地聚物摻量增加，改良土破壞模式由塑性剪切破壞向脆性劈裂破壞發(fā)展。