碳化作用下改良膨脹土物理力學(xué)性質(zhì)及微觀結(jié)構(gòu)特征試驗研究

孫獻國,朱山山,潘 濤,李浩男

(1.安徽省薈資建設(shè)工程有限公司,安徽 蕪湖 241005;2.合肥工業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境工程學(xué)院,合肥 230009)

0 引 言

膨脹土是具有吸水膨脹和失水收縮變形特征的特殊土[1]。當土體天然含水率高，則在泡水后的土體膨脹力和膨脹量會較小，而失水后的收縮力和收縮量相對較大。其特殊工程性質(zhì)常對工程建設(shè)造成危害。膨脹土分布廣泛[2]，工程中不可避免會遇到膨脹土區(qū)域，相關(guān)調(diào)查顯示其危害地基面積達1 000萬平方米左右，鐵路、公路工程的均受到嚴重影響[3-4]。巖土工程界已經(jīng)對膨脹土工程性質(zhì)愈加重視。1959年美國科羅拉多州召開了膨脹性粘土學(xué)術(shù)會議[5]；包括英、美、日在內(nèi)的多國陸續(xù)將膨脹土相關(guān)的條文內(nèi)容寫進正式的土工規(guī)范與鐵路規(guī)范等文件中。中國在20世紀70年代開展了膨脹土普查工作，建立了大量科研基地，并獲得了大量研究成果和實踐經(jīng)驗[6]。就現(xiàn)階段而言，國際膨脹土研究與工程會議已舉辦了七屆[7]，對于膨脹土的成分、強度、結(jié)構(gòu)、膨脹機理以及變形特征等方面開展了深入的研究，并取得了眾多有價值的成果。

目前，大量學(xué)者對膨脹土的改良進行了研究。如查甫生等[8]研究了擊實膨脹土的強度特性、水穩(wěn)性能和膨脹土工程處理技術(shù)與施工工藝；張小平等[9]開展了石灰改良膨脹土微孔結(jié)構(gòu)試驗研究，明確了膨脹土加石灰前后微孔結(jié)構(gòu)的變化及改性機理；夏瓊等[10]依托實際工程研究了石灰改良膨脹土的物理性質(zhì)、脹縮性、強度特性和水穩(wěn)定性；陳愛軍等[11]開展石灰改良膨脹土無側(cè)限抗壓強度試驗，報道了石灰改良膨脹土的強度變化規(guī)律；周葆春等[12]探討石灰改良膨脹土的變形特征與破壞機制。孫樹林等[13]通過室內(nèi)試驗,探討利用堿渣作為添加劑對膨脹土改良的可行性和改良效果和堿渣改性土的基本物理力學(xué)性質(zhì)和膨脹性。

碳化作用是指空氣中的二氧化碳與土體發(fā)生相互作用，從而影響到土體工程性質(zhì)及結(jié)構(gòu)。研究表明碳化作用能對混凝土基質(zhì)材料性能有一定的提升效果，同時，也對部分化學(xué)改良土性能造成劣化。

綜上所述，當前雖對膨脹土的改良已有一定的研究，但對于碳化作用對改良膨脹土的工程性質(zhì)的影響規(guī)律和微觀機理研究較少。因此，本文采用加速碳化作用試驗對碳化作用后改良膨脹土的宏、微觀物理性質(zhì)、力學(xué)性質(zhì)變化進行了研究。

1 試驗材料與方法

1.1 試驗材料

本次試驗用土取自合肥市附近施工現(xiàn)場的膨脹土，使用比重瓶法測定土的比重，采用液塑限聯(lián)合測定法測定含水率，使用50 ml量筒進行自由膨脹率和自由膨脹比試驗，采用合肥工業(yè)大學(xué)分析測試中心Mastersizer2000激光粒度儀進行黏粒試驗分析，土樣的基本物理性質(zhì)指標列于表1。粒徑分布結(jié)果如圖1所示，圖2為土樣X射線衍射分析結(jié)果。由表1可知，土樣塑性指數(shù)為30，液限56%，自由膨脹率55%，依據(jù)GB/T 50145-2007《土的工程分類標準》[17]該土樣定名為膨脹土，且為中膨脹土。由于土體塑性指數(shù)較大，需采用改良劑進行改良，石灰和堿渣對膨脹土具有較好的改良效果，因此試驗所用改良劑為堿渣和石灰。石灰的主要成分為CaO，堿渣作為一種堿性材料主要化學(xué)成分如下：CaCO3為34.33%，MgCO3為30.0%，SiO2為10.0%，CaSCl4·2H2O為6.72%，Al(OH)3為4.27%[9]。

表1 膨脹土的基本物理力學(xué)性質(zhì)指標

圖1 素土的粒度成分累計曲線

圖2 素土的X射線衍射分析

石灰的最佳摻量為6%～8%[10]，堿渣的最佳摻量在20%以上。為比較碳化作用對改良劑種類和摻量對膨脹土基本物理性質(zhì)和無側(cè)限抗壓強度的影響，本試驗設(shè)計改良劑的配比分別為石灰(L) 6%(L6)；堿渣(AR)20%(AR20)，30%(AR30)，40%(AR40)。

1.2 試驗方法

1.2.1試樣制備

將土樣、石灰、堿渣放在烘箱中105 ℃烘干24 h后取出碾碎，分別過0.5 mm的標準篩。根據(jù)JTGE 40—2007《公路土工試驗規(guī)程》制樣，采用壓樣法，擊實試驗所得最大干密度的95%認定為壓實度，試樣含水率按照最優(yōu)含水率配制。采用靜壓法將土樣制成5 cm× 5 cm(直徑×高) 的柱狀試樣，放在標準養(yǎng)護室(溫度20±2℃，相對濕度95%以上)養(yǎng)護28 d。

1.2.2碳化土樣

參照混凝土碳化試驗標準GB/T 50082-2009《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗方法標準》對試樣進行碳化，采用天津市港源試驗儀器廠生產(chǎn)的TH-B型混凝土碳化試驗箱來模擬碳化條件，以二氧化碳濃度為20±2%，溫度為20±2℃，相對濕度為75±2%作為碳化的標準環(huán)境，碳化養(yǎng)護3 d。

1.2.3無側(cè)限抗壓試驗與微觀測試

依據(jù)JTGE 40—2007《公路土工試驗規(guī)程》，采用YSH-2型石灰土無側(cè)限壓力儀對土樣進行無側(cè)限抗壓強度試驗。采用德國產(chǎn)STA449F5型同步熱分析儀進行熱重分析試驗；采用JSM-6490LV型鎢燈絲掃描電子顯微鏡進行SEM試驗；使用DX-2700型X射線衍射儀進行XRD試驗。

2 結(jié)果與分析

2.1 碳化作用前后不同固化劑改良膨脹土物理性質(zhì)試驗結(jié)果及分析

圖3與圖4分別為石灰改良膨脹土和堿渣改良膨脹土的顆粒級配曲線圖(C表示碳化后，S表示碳化前，下同)。與圖1對比可知，摻入堿渣和石灰后膨脹土中的黏粒含量減少，顆粒粒徑總體變大，膨脹性降低。粒徑的增大表明堿渣和膨脹土之間存在離子交換作用，促進土顆粒的凝聚作用。從圖3和圖4對比可知，石灰改良膨脹土碳化后的黏粒含量增多，堿渣改良膨脹土碳化后的黏粒含量減少。

圖3 石灰改良膨脹土的顆粒級配曲線

圖4 堿渣改良膨脹土顆粒級配曲線

圖5為石灰和不同堿渣摻量下改良膨脹土pH變化圖。素土的pH值在5.2左右，由圖可知，石灰和堿渣改良膨脹土pH值明顯增加。由于所使用的石灰和堿渣的pH值分別為11.6和9.24，故改良后的膨脹土pH值明顯增大。碳化后相對于碳化前pH值降低，原因為改良膨脹土與空氣中的CO2反應(yīng)形成弱鈣碳或鎂碳結(jié)合物質(zhì)，酸堿中和反應(yīng)導(dǎo)致其pH值降低。

圖5 石灰和不同堿渣摻量下改良膨脹土pH變化

圖6 石灰和不同堿渣摻量下改良膨脹土液限變化

圖7 石灰和不同堿渣摻量下改良膨脹土塑限變化

圖6、7和圖8分別為石灰和不同堿渣摻量下改良膨脹土液限、塑限和塑性指數(shù)變化。由圖可知，加入石灰和摻量為30%和40%堿渣的改良膨脹土液限減小，塑限增加，塑性指數(shù)減??；塑性指數(shù)越小，土的膨脹性則越差[11]。隨著堿渣摻量的增加，液限變小而塑限增大，導(dǎo)致其塑性指數(shù)越來越小。由此可知，摻入堿渣和石灰可達到降低膨脹土的膨脹性的效果。這是由于Ca2+大量存在于堿渣溶液，對于黏土顆粒中的Na+與K+可以通過離子交換作用置換出大幅度降低改性土的液限，而升高塑限，降低了土的塑性指數(shù)，進而降低土的膨脹勢[8,12]。

圖8 石灰和不同堿渣摻量下改良膨脹土塑性指數(shù)變化

圖9生石灰和不同堿渣摻量下改良膨脹土自由膨脹率變化

由圖9可知，摻入石灰改良膨脹土的自由膨脹率為0，摻入堿渣改良膨脹土的自由膨脹率也有明顯的降低，但碳化作用后改良土的自由膨脹率均有所增大。自由膨脹率在一定程度上能反應(yīng)粘土礦物成分、粒度成分、化學(xué)成分和交換陽離子等基本特性，可用于評價土的膨脹潛勢[13]。

圖10石灰和不同堿渣摻量下改良膨脹土自由膨脹比變化

由圖10可知，摻入石灰或堿渣的改良膨脹土自由膨脹比都有所減小。隨著摻入堿渣含量的增加，土的自由膨脹比減小，且碳化后自由膨脹比均有一定程度的減??；而摻入6%較少劑量石灰的膨脹土自由膨脹比顯著減小，但碳化后自由膨脹比又有所增大，說明碳化后堿渣改良膨脹土的黏粒含量減少，石灰改良膨脹土的黏粒含量增加。

2.2 碳化作用對改良膨脹土力學(xué)性質(zhì)的影響

為了研究碳化作用對石灰和堿渣改良膨脹土力學(xué)性質(zhì)的影響，本文開展了改良土碳化前后的無側(cè)限抗壓強度試驗，試驗結(jié)果如圖11所示。由圖11可知，摻入石灰和堿渣的改良膨脹土的無側(cè)限抗壓強度均增大；隨著堿渣摻量的增加無側(cè)限抗壓強度增大。

圖11不同石灰和堿渣摻量比下改良膨脹土無側(cè)限抗壓強度變化

Thompson(1966)認為膨脹土在摻入生石灰和堿渣后發(fā)生了表面陽離子交換和凝聚、結(jié)塊反應(yīng)。在土體中摻入生石灰(CaO)和堿渣(CaCO3，CaO)后，Ca2+和OH-的含量顯著增加，pH值增大，從而使土體中產(chǎn)生了堿性環(huán)境，堿渣的摻入使得改性土的無側(cè)限抗壓強度顯著提高，CaO·SiO2·nH2O可由堿渣中的氧化物CaO和SiO2生成，該絡(luò)合物是很好的膠凝材料，并可隨著反應(yīng)的進行強度逐漸增強。堿渣中的CaCO3與Ca(OH)2生成絡(luò)合物CaCO3·Ca(OH)2，該絡(luò)合物與膨脹土中含有的SiO2生成新的復(fù)合絡(luò)合物CaSiO3·CaCO3·Ca(OH)2·nH2O,該復(fù)合絡(luò)合物會影響孔隙的分布，同時會減少吸水率、增加密實度[12]。

同時，土體顆粒表面的金屬陽離子例如K+、Fe2+等會被Ca2+置換，膨脹土顆粒表面的雙電層厚度會變薄，導(dǎo)致土體表面的帶電狀態(tài)改變，土中的膠粒相互吸引團聚起來產(chǎn)生絮凝作用，土體中原有的顆粒組成會“變粗”，從而土的抗水性能和強度得到提高。由于石灰與土中硅、鋁會生成具有較強黏結(jié)性膠結(jié)物質(zhì)，而膠結(jié)作用的強弱是膨脹土強度的關(guān)鍵，然而碳化作用后石灰改良土樣強度降低，堿渣改良土強度增大。

2.3 微觀試驗分析

2.3.1X射線衍射試驗( XRD)

圖12和13分別為石灰和堿渣摻量為40%的改良膨脹土 X 射線衍射圖。本次試驗檢測到了6種主要的礦物成分：二氧化硅、方解石、球文石、氫氧化鈣、CSH和原硅酸鈣，在圖譜中所對應(yīng)的峰的位置分別標為 1、2、3、4、5、6。其中灰色曲線為碳化后的膨脹土，黑色曲線為未碳化的膨脹土。摻入石灰改良土碳化前后主要成分為SiO2。因為堿渣中含有較多CaCO3，碳化前后主要成分為SiO2和CaCO3。

圖12 石灰改良膨脹土X射線衍射

圖13 堿渣摻量為40%改良膨脹土X射線衍射

2.4 熱重分析(TGA)

圖14和圖15分別為石灰改良膨脹土和堿渣改良膨脹土熱重分析曲線。由圖可知，摻入石灰和堿渣后，堿渣中的氧化物CaO和SiO2可生成水化硅酸鈣(CSH)，CSH也會由于石灰與土中大量存在的硅、鋁或兩者同時作用形成。堿渣主要成分有CaCO3，碳化作用前后CaCO3的含量變化不大，碳化后增加的部分由CSH與CO2反應(yīng)轉(zhuǎn)化而來。石灰的主要成分是CaO，摻入土中后生成CSH，碳化作用后CSH與CO2反應(yīng)生成CaCO3，CSH質(zhì)量減少，CaCO3的質(zhì)量增加很多。

圖14 石灰改良膨脹土熱重分析

圖15 堿渣改良膨脹土熱重分析

2.4.1掃描電鏡試驗(SEM)

為觀察改良土的粒徑，排列和孔隙等微觀結(jié)構(gòu)的變化，對改良膨脹土進行了掃描電鏡試驗，如圖16所示。改良膨脹土的顆粒間排列了大量長條狀晶體，晶體的尖端插入使其周圍的微顆粒緊密相連，粘合成一個整體，縮小微孔和微裂隙，降低膨脹土的親水性，有效抑制膨脹和收縮。改性土顆粒邊緣無卷曲現(xiàn)象表明改性后以膨脹土邊緣卷曲為特征的黏土礦物含量顯著降低，膨脹土親水性減弱，物理力學(xué)性能下降[15]。堿渣本身是一種無黏性的類似于粉土的材料，堿渣含量的增加可有效降低黏粒的質(zhì)量分數(shù)，起著降低膨脹勢的作用[13]。

圖16 石灰和堿渣改良膨脹土碳化前后掃描電鏡

碳化作用后，空氣中的CO2滲透入膨脹土中，與堿性物質(zhì)Ca(OH)2和C-S-H凝膠等發(fā)生反應(yīng)，生成CaCO3和H2O[16]。H+離子與孔液中的OH-離子反應(yīng)生成H2O，CO32-與孔液中微量Ca2+反應(yīng)生成溶解度極低的CaCO3沉淀，導(dǎo)致孔液中Ca2+濃度降低。此時,Ca(OH)2晶體溶解補充消耗的Ca2+，該反應(yīng)一直持續(xù)到Ca(OH)2晶體被完全消耗為止[20]。Ca(OH)2晶體對土壤顆粒結(jié)合的作用提高強度降低，同時破壞強堿性環(huán)境，反應(yīng)后改性土的結(jié)合力全部降低。通過分析掃描電鏡圖片可知石灰改良土碳化后大孔隙增加，堿渣改良土碳化后大孔隙減少。

3 結(jié) 論

(1) 摻入石灰和堿渣后的膨脹土，黏粒含量減少，無側(cè)限抗壓強度明顯增強，起到了良好的改良效果。

(2) 碳化作用后，水化產(chǎn)物如氫氧化鈣、水化硅酸鈣與二氧化碳反應(yīng)生成碳酸鈣和水，導(dǎo)致水化產(chǎn)物對膨脹土顆粒的膠結(jié)作用減弱。

(3) 堿渣改良膨脹土在碳化作用后，膠結(jié)物質(zhì)減少，大孔隙減少，自由膨脹比減小，無側(cè)限抗壓強度增加。