地聚合物加固軟土力學(xué)性能及微觀試驗研究

， ，，，

(1.溫州市交通規(guī)劃設(shè)計研究院，溫州 325000； 2.長沙理工大學(xué) 交通經(jīng)濟(jì)研究所，長沙 410014)

1 研究背景

104國道溫州西過境甌海桐嶺至瑞安仙降段改建工程，本線路部分路段經(jīng)過的大部分為軟土路基，表部為厚度1.1～2.9 m的黏土(硬殼層)，其下為較厚的淤泥、淤泥質(zhì)土，飽和，流塑，具高孔隙比，高含水量，高壓縮性，承載力低[1]等特點，屬于典型的海相軟土，需妥善處置方可滿足工程建設(shè)的要求。以往在工程上,多用水泥作為固化劑來加固軟土，以此減小地基沉降和變形，提高地基的承載能力。但對于某些土質(zhì)，僅僅使用水泥加固的效果并不明顯，從而局限了該方法的使用范圍[2]。此外，該方法需使用大量水泥，水泥的生產(chǎn)會排放大量污染物，破壞環(huán)境。所以，找尋一種環(huán)保的、新型的，并且能適應(yīng)于各類土質(zhì)的固化劑，是土木工程軟基處理領(lǐng)域亟待解決的重要課題。

近些年來，國內(nèi)外眾多學(xué)者都在研究一種名為地聚合物的堿激發(fā)膠凝材料[3-4]，該材料原材料具有來源廣泛、工藝簡單、價格低廉等優(yōu)點，且除具有硅酸鹽水泥所具有的較高力學(xué)性能外，還具有低收縮、低水化熱、耐高溫、比普通水泥更為優(yōu)越的耐久性和抗腐蝕性[5]，并且地聚合物是一種綠色環(huán)保材料。因此，以溫州地區(qū)軟土作為研究對象，采用地聚合物作為固化劑，在室內(nèi)對溫州軟土用地聚合物進(jìn)行了加固試驗，在養(yǎng)護(hù)7,28，60 d后進(jìn)行了地聚合物土的直剪試驗和無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗，獲得了相關(guān)力學(xué)性能指標(biāo)，并使用掃描電子顯微鏡(SEM)分析了加固軟土的微觀形貌；同時借助工業(yè)CT分析加固軟土的孔隙結(jié)構(gòu)分布，分析加固土的密實性。從宏觀和微觀的角度驗證加入地聚合物的可行性，為地聚合物加固軟土提供參考。

2 試驗材料、方案與過程

2.1 試驗材料

本次研究的試驗用土為浙江省104國道溫州西過境甌海桐嶺至瑞安仙降段改建工程軟土，屬于典型的海相軟黏土，取樣時先挖除地表面以下雜填土，將取回的土樣經(jīng)過烘干粉碎后，測試其基本物理參數(shù)如表1所示。

表1 溫州軟土的物理指標(biāo)Table 1 Physical indexes of soft soil in Wenzhou

此外，固化劑采用DW型地聚合物，它是由硅、鋁元素為主體的工業(yè)廢渣、礦渣或粉煤灰等為原料，在強(qiáng)堿的激發(fā)作用下經(jīng)過適當(dāng)?shù)墓に囂幚?，并且在較低的溫度條件下(50～80 ℃)，通過化學(xué)反應(yīng)得到的由硅氧四面體和鋁氧四面體構(gòu)成的三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的聚合膠凝材料[1]。由于沒有地聚合物相關(guān)性能指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)，因此參照普通硅酸鹽水泥標(biāo)準(zhǔn)[6]，其性能指標(biāo)如表2所示。

表2 DW型地聚合物物理力學(xué)性能指標(biāo)Table 2 Physical and mechanical properties ofDW type geopolymer

2.2 試驗方案

本次室內(nèi)試驗采用地聚合物基準(zhǔn)聚土比(地聚合物質(zhì)量與軟土濕土質(zhì)量之比)，分別取10%，12%，14%[7]；根據(jù)天然含水率52%(水的質(zhì)量與干土質(zhì)量之比)檢測試件齡期7，28，60 d的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗和抗剪強(qiáng)度，并采集少量土樣用掃描電子顯微鏡和工業(yè)CT進(jìn)行試驗，研究固化土樣的微觀結(jié)構(gòu)特征及孔隙分布情況。

2.3 試驗過程

2.3.1 試樣制備和養(yǎng)護(hù)

根據(jù)上述試驗方案，將取來的軟土置于烘箱烘干，并將烘干的土樣擊碎，過5 mm篩，并將篩余的土置于密封桶中保存以做備用。

直剪試驗試樣由直徑61.8 mm、高20 mm的環(huán)刀制備；無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試樣由70.7 mm×70.7 mm×70.7 mm的立方體試模制備。按照表3的配合比方案稱取一定量的干土、地聚合物置于攪拌鍋中，然后再按照相應(yīng)的含水量及0.5的水灰比所需水量取適量水倒入，開動攪拌機(jī)攪拌均勻。每種比例的試塊均制作3個平行試樣。將試模內(nèi)壁涂好機(jī)油，隨后將攪拌好的土樣分3次填充到試模內(nèi)，每層振動2 min排除試塊內(nèi)氣泡，直至填充完畢后用刮刀刮平，隨后用塑料薄膜密封防止水分蒸發(fā)過快。48 h后，將成型試件拆模后置于標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)箱((20±2)℃，濕度保持在75%左右)中養(yǎng)護(hù)至7,28，60 d設(shè)定齡期。環(huán)刀制樣與上述類似。采集少量加固土樣做掃描試驗，養(yǎng)護(hù)條件相同。

表3 固化劑配合比Table 3 Mix ratio of curing agent

注：為了使誤差降到最小，故試驗次數(shù)3次

2.3.2 無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗與抗剪強(qiáng)度試驗

當(dāng)試件養(yǎng)護(hù)至規(guī)定齡期后，將試件取出至于水中浸泡24 h。試驗設(shè)備為龍威LM-02型數(shù)字式液壓測力儀，將浸泡過的試件依次置于下壓力板，隨后將上壓力板緩慢旋轉(zhuǎn)下移接觸試件的上表面，開動壓力機(jī)，將回油閥門關(guān)閉，送油閥門打開，待試件被壓開裂，讀取最大壓力值；然后計算出試件最大抗壓強(qiáng)度值，試驗3次，在進(jìn)行結(jié)果分析時，取平均值。

快剪試驗設(shè)備為應(yīng)變控制式直剪儀，先對準(zhǔn)剪切容器上下盒，插入固定銷，在下盒內(nèi)放透水石和濾紙，然后將達(dá)到相應(yīng)齡期的環(huán)刀試樣刀刃向上對準(zhǔn)剪盒口推入剪切盒內(nèi)；移動轉(zhuǎn)動裝置使上盒前端鋼珠剛好與測力計接觸，依次加上傳壓板、加壓框架，安裝垂直位移測量裝置，記錄初始讀數(shù)；根據(jù)工程實際分為100,200，300，400 kPa的垂直壓力；因為試樣為非飽和試樣，固在加壓板周圍包濕棉花；隨后拔出固定銷立即開動秒表以0.8 mm/min的剪切速度進(jìn)行；當(dāng)測力計百分表讀數(shù)不變或后退時，繼續(xù)剪切位移至4 mm時停止，記錄破壞值，試驗結(jié)束后進(jìn)行數(shù)據(jù)整理[8]。

2.3.3 電鏡掃描試驗與CT試驗

將試樣制備時采集的少量土樣，在105 ℃烘箱內(nèi)烘干后研磨粉碎，篩去較大顆粒，選取米粒大小表面平整的土樣。電鏡掃描試驗開始前先將土樣放置于小型離子濺射儀內(nèi)鍍一層金膜，以避免試樣表面電荷聚集產(chǎn)生的放電現(xiàn)象，隨之將鍍金后的試樣置于掃描范圍內(nèi)進(jìn)行電鏡掃描分析。試驗設(shè)備為日本日立公司生產(chǎn)的S-3000N型掃描電子顯微鏡，其最大電壓為30 kV，最大放大倍數(shù)能達(dá)到30萬倍，最大分辨率5 nm。

CT試驗所用的設(shè)備為德國YXLON公司生產(chǎn)的20105348型工業(yè)CT，最大加速電壓320 kV，最小分辨率83 μm。將待測的試樣依次放入CT儀載物平臺的中間位置，在底部用雙面膠固定后開始掃描即可。

3 試驗結(jié)果及分析

3.1 宏觀力學(xué)性能分析

待無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗及直剪試驗完成后，試驗結(jié)果見圖1,表4。

從圖1、圖2看出：

(1)在同一齡期下，加固土樣的強(qiáng)度隨著地聚合物摻量(聚土比)的增加而隨之增大；而在同等摻量配比下，加固土樣的強(qiáng)度亦隨著齡期的延長而增大。

圖1 不同地聚合物摻入比情況下，地聚合物土抗壓強(qiáng)度fcu隨養(yǎng)護(hù)齡期T的變化與地聚合物摻入比Aw的關(guān)系Fig.1 Changes of compressive strength(fcu) of reinforced soil with different geopolymer dosages(Aw) against curing age(T)

表4 加固土樣的試驗效果Table 4 Test data of reinforced soil sample

(2)當(dāng)摻加地聚合物的量相同時，在強(qiáng)度增長速度上，當(dāng)養(yǎng)護(hù)齡期分別為7 d到28 d時、28 d到60 d時，后者增長速度遠(yuǎn)大于前者增長速度；當(dāng)試件齡期相同時，在強(qiáng)度增長速度上，地聚合物摻量分別為12%到14%區(qū)間、10%到12%區(qū)間時，前者的強(qiáng)度增長遠(yuǎn)大于后者，可得知在地聚合物摻量為14%的情況下，同時具有足夠長的齡期，能發(fā)揮其最大程度的作用。

(3)以齡期7 d數(shù)據(jù)為例，當(dāng)?shù)鼐酆衔飺搅坑?0%增加到12%時，其黏聚力、內(nèi)摩擦角以及抗壓強(qiáng)度分別提升了37%，10%，16%；當(dāng)?shù)鼐酆衔飺搅坑?2%增加到14%時，土樣的黏聚力、內(nèi)摩擦角和抗壓強(qiáng)度分別提升了64%，13.5%，34%。由上可知，當(dāng)其摻量由12%增加到14%時，強(qiáng)度增長幅度比摻量10%到12%強(qiáng)度增長幅度大。綜合考慮，確定聚土比為14%時為最佳參配比例。從28 d數(shù)據(jù)同樣可得到相關(guān)結(jié)論。

(4)以摻量10%數(shù)據(jù)為例，當(dāng)?shù)鼐酆衔锿琉B(yǎng)護(hù)齡期由7 d到28 d時，其黏聚力、內(nèi)摩擦角以及抗壓強(qiáng)度分別提升了31%，15.8%，162%；當(dāng)養(yǎng)護(hù)齡期由28 d到60 d時，其黏聚力、內(nèi)摩擦角以及抗壓強(qiáng)度分別提升了102%，23.5%，224%。后者的強(qiáng)度增長幅度遠(yuǎn)大于前者，說明要想充分發(fā)揮地聚合物的加固效果還需要足夠長的反應(yīng)時間。從摻量12%數(shù)據(jù)也能得出相關(guān)結(jié)論。

由表4 可知：地聚合物土的黏聚力與內(nèi)摩擦角隨著無側(cè)限抗壓強(qiáng)度的提高而提高，呈線性相關(guān)關(guān)系。當(dāng)fcu=0～4 730 kPa時。地聚合物土的黏聚力c=83.47～421.76 kPa,其內(nèi)摩擦角一般在14.05°～20.73°之間。當(dāng)無側(cè)限抗壓強(qiáng)度fcu在500～4 730 kPa時，抗剪強(qiáng)度大致為無側(cè)向抗壓強(qiáng)度的1/10～1/4,即τ=(1/10～1/4)fcu,并且隨著fcu的增加，無側(cè)限抗壓強(qiáng)度與抗剪強(qiáng)度的比值有逐漸變小的趨勢?？紤]到強(qiáng)度的離散性，抗剪強(qiáng)度值取τ=0.25fcu。

3.2 微觀試驗性能分析

眾所周知，材料的性能取決于材料的內(nèi)部組成和結(jié)構(gòu)，而材料所體現(xiàn)出的各種物理力學(xué)性能則與其微觀結(jié)構(gòu)密切相關(guān)[9]。為了更為深入地了解土樣的宏觀性能與微結(jié)構(gòu)之間的關(guān)系，選取原狀土以及28 d齡期下?lián)搅繛?0%，12%，14%的加固土樣通過SEM電鏡掃描和CT掃描試驗的手段得出的圖樣進(jìn)行分析。

3.2.1 SEM電鏡掃描試驗結(jié)果

分別對試樣a,b,c,d進(jìn)行了電鏡掃描測試，結(jié)果如圖2所示。圖2(a)—圖2(d)為部分試樣的SEM電鏡掃描試樣圖片。

圖2 加固土樣SEM結(jié)構(gòu)Fig.2 SEM images of reinforced soil samples

(1)圖2(a)為溫州原狀土圖片，從圖中可以看出結(jié)構(gòu)分布有較多密集的孔隙，其骨架較為松散，由形狀不一的黏土礦物顆粒雜亂堆積而成。

(2)圖2(b)為28 d齡期摻量10%地聚合物加固土樣，從圖中可以看出，原本松散密集的孔隙變得不再明顯，土顆粒表面出現(xiàn)了一些長條狀、絮狀的白色晶體，粘附在部分孔隙上使得土體間的相互作用增強(qiáng)，強(qiáng)度得以提高。

(3)圖2(c)為28 d齡期下?lián)搅?2%地聚合物加固土樣，從圖中可以看出，與圖2(b)相比，條狀、纖維狀物質(zhì)分布范圍更大。這些物質(zhì)填充于孔隙間，使得土樣結(jié)構(gòu)致密，而且也將周邊的松散顆粒連接起來，提高了整體的強(qiáng)度。

(4)圖2(d)為28 d齡期下?lián)搅?4%地聚合物加固土樣，很明顯能看出土體表面有大量如蜘蛛網(wǎng)般的白色結(jié)晶體，牢牢地捆綁覆蓋在土體表面，使土顆粒與四周膠結(jié)成為了一個完整的整體。這是因為地聚合物水化所產(chǎn)生的凝膠狀的類沸石前驅(qū)體，當(dāng)這些類沸石前驅(qū)體脫水后即形成非晶相物質(zhì)，并與土顆粒相互結(jié)合形成整體，于是土的結(jié)構(gòu)特征由松散雜亂堆積變成了顆粒狀膠結(jié)，孔隙大幅度減少，剪切、抗壓和抗?jié)B性能大幅提升。

3.2.2 CT試驗結(jié)果分析

CT測試結(jié)果如圖3所示，地聚合物摻量依次為10%，12%，14%，試件均為28 d齡期試件，圖3為部分試樣圖片。本次CT試驗所切的橫截面高度分別為60 cm和70 cm[10]。

(a) 截面高度60 cm試件

(b) 截面高度70 cm試件圖3 截面高度60 cm和70 cm試件CT測試結(jié)果Fig.3 CT test results of speciments with sectional height 60 cm and 70 cm

從圖3可以很明顯地看出：同一含水率下(含水率為49%的情況下)，隨著地聚合物摻量的增加，試樣的孔隙的量在逐漸減小，即孔隙率降低，大孔隙比例降低。這從一方面也說明了地聚合物對土體的填充作用，與SEM掃描結(jié)果亦相互驗證。

另外亦能看出：當(dāng)試樣的地聚合物摻量一致時，同一試件的截面高度不同時，它的孔隙也不同，孔隙的發(fā)展并非貫穿整個試件。這說明孔隙的發(fā)展與試件的制作有著密切的關(guān)系。

CT試驗結(jié)果進(jìn)一步證明了地聚合物對土體的填充膠結(jié)作用，即在相同摻量和齡期下，尤其是反映后期大孔隙的減少，土體越加密實緊湊，自然土體的強(qiáng)度就提高了，這亦和之前的宏觀抗剪強(qiáng)度、抗壓強(qiáng)度以及SEM結(jié)果一致。

4 結(jié) 論

本文首先通過大量的無側(cè)限抗壓試驗和直接剪切試驗初步探討了地聚合物對提高溫州軟土強(qiáng)度的效果。隨后通過SEM電鏡掃描和CT掃描試驗，從微觀角度分析了地聚合物加固軟土對抗壓、抗剪強(qiáng)度的影響，試驗研究結(jié)論如下：

(1)地聚合物加固軟土的強(qiáng)度增長規(guī)律表現(xiàn)為隨著齡期和地聚合物摻入量的增加而增加，當(dāng)聚土比為14%時可以獲得比較好的效果。

(2)試驗表明加固土樣的抗剪強(qiáng)度與抗壓強(qiáng)度表現(xiàn)為正相關(guān)的關(guān)系，在一定范圍內(nèi)黏聚力和內(nèi)摩擦角隨著抗壓強(qiáng)度的提高而增大，抗壓強(qiáng)度與抗剪強(qiáng)度的關(guān)系為τ=0.25fcu。

(3)SEM掃描試驗表明地聚合物反應(yīng)后對土體產(chǎn)生了膠結(jié)和填充作用，能提高軟土的密實性；CT掃描試驗表明地聚合物能減少土體的孔隙，降低孔隙率。

綜上所述，用地聚合物加固軟土地基，能夠大幅度提高軟土的強(qiáng)度，可以在實際工程中進(jìn)行推廣應(yīng)用。