堿-偏高嶺土改性水泥土抗壓性能試驗與分析

朱永順，馬芹永,2

(1.安徽理工大學(xué)土木建筑學(xué)院，安徽 淮南 232001；2.安徽理工大學(xué)礦山地下工程教育部工程研究中心，安徽 淮南 232001)

水泥土是由水泥、土以及其他組分按適當(dāng)比例制成的混合材料。因施工方便、成本低、振動小等優(yōu)點，被廣泛應(yīng)用于地基加固以及基坑支護等[1-3]。近年來隨著基礎(chǔ)工程建設(shè)的不斷加大，水泥使用量也在不斷增加。水泥生產(chǎn)過程不僅能源消耗大、污染嚴重、CO2排放量高[4]，而且水泥土隨水泥摻量增加到惰性區(qū)后強度增長緩慢[5]。

偏高嶺土是高嶺土經(jīng)適當(dāng)溫度煅燒形成的，含有大量活性Al2O3和SiO2，具有較高的火山灰活性。研究表明，將偏高嶺土摻入水泥土中，能夠有效提高水泥土的抗壓強度[6-8]，劈裂抗拉強度[9]，降低滲透系數(shù)[10]。文獻[11]906發(fā)現(xiàn)水玻璃及偏高嶺土均能提高水泥土強度，且以水玻璃激發(fā)偏高嶺土和水泥混合物固化效果更好。文獻[12]通過NaOH、偏高嶺土及水泥制備新型堿激發(fā)材料(AMC)固化高液限黏土，發(fā)現(xiàn)其固化效果顯著。

堿激發(fā)膠凝材料因綠色環(huán)保、低耗能及工作性能高等優(yōu)點，近年來受到諸多學(xué)者的關(guān)注。文獻[13-14]用堿激發(fā)水泥改善固化土體的特性，發(fā)現(xiàn)強堿對水泥土強度的提升有很大的促進作用。文獻[15]2 187利用燒堿激發(fā)鋼渣和水泥混合物固化土體，發(fā)現(xiàn)燒堿能激發(fā)鋼渣粉活性，促進固化土的早強。文獻[16]發(fā)現(xiàn)NaOH、Na2CO3及Na2SiO3·9H2O激發(fā)粉煤能有效提高固化土的強度。文獻[17]發(fā)現(xiàn)堿激發(fā)高爐礦渣可以大幅提高土體的強度和耐久性。

為減少水泥的使用，改善土體性能，實現(xiàn)低碳排放。本文通過室內(nèi)試驗分析偏高嶺土和NaOH摻量對水泥固化粉質(zhì)粘土無側(cè)限抗壓強度、應(yīng)力-應(yīng)變曲線及變形模量的影響。對比素水泥土，探討偏高嶺土和NaOH的較優(yōu)摻量，以期為偏高嶺土和NaOH在水泥固化粉質(zhì)粘土工程應(yīng)用中提出參考。

1 試驗

1.1 試驗材料

試驗用土為安徽合肥某工地粉質(zhì)粘土，液限36.50%，塑限21.35%，塑性指數(shù)15.15，最優(yōu)含水率19.60%，最大干密度1.71g/cm3；水泥選用淮南某廠P·O42.5普通硅酸鹽水泥；偏高嶺土(以下簡稱MK)產(chǎn)自內(nèi)蒙古，呈白色粉末狀，平均粒徑為1μm，比表面積為20m2/g,化學(xué)成分如表1所示；分析純氫氧化鈉為粒狀，凈含量≥95%。

表1 偏高嶺土化學(xué)組分

1.2 試驗方案

水泥和MK總摻量占干土質(zhì)量的15%，水膠比為0.5。MK摻量分別為干土質(zhì)量的0%、1.5%、3.0%和4.5%，堿激發(fā)劑NaOH摻量分別為干土質(zhì)量的0%、0.75%、1.50%、2.25%，共設(shè)計16組配合比。

1.3 試驗過程

將原狀土置于105℃的烘箱中烘干24h,粉碎并過2mm篩。按最優(yōu)含水率19.60%進行土樣配置，拌合均勻后裝入密封袋浸潤24h，使水分分布均勻。依次向含水率為19.60%的濕土中加入水泥、MK、NaOH和水(NaOH與水配成溶液，并密封陳伏24h)。拌合均勻后，將混合料分三次裝入φ50mm×100mm的模具并擊實。為保證每次擊實后接觸面粘結(jié)性良好，對接觸面進行拉毛處理，每組制作3個平行試樣。拆模后取出試樣，用保鮮膜包裹，移至標準養(yǎng)護室養(yǎng)護28d。

試驗采用微機控制電子式萬能試驗機，加載速率為1mm/min。在進行試驗結(jié)果分析時，先求3個平行試樣無側(cè)限抗壓強度的平均值，若存在試樣與平均值相對誤差超過15%時，則剔除，取不少于2個試樣的平均值作為該組強度的代表值。

2 實驗結(jié)果與分析

2.1 無側(cè)限抗壓強度

1)NaOH摻量對水泥土抗壓強度的影響

由圖1可以看出，當(dāng)MK摻量一定時，水泥土抗壓強度隨NaOH摻量的增加先增大后減小，且在NaOH摻量為1.50%時，強度達到最大。當(dāng)NaOH摻量為1.50%時，MK摻量為0%、1.5%、 3.0%、4.5%，水泥土抗壓強度分別為4.05MPa、 4.65MPa、4.95MPa、3.71MPa，較素水泥土強度分別提高了26.17%、44.86%、54.21%、15.58%。

圖1 無側(cè)限抗壓強度與NaOH摻量的關(guān)系

水泥土強度來源主要是水泥水化反應(yīng)、土的固有結(jié)構(gòu)和組成、微集料填充效應(yīng)及火山灰效應(yīng)，其中水泥水化反應(yīng)對強度貢獻最大。隨著NaOH的摻入，土中溶液堿性增強，加速了水泥和MK的水化。但過量的NaOH會使水泥水化反應(yīng)產(chǎn)物Ca(OH)2的生成受到嚴重阻礙，進而抑制水泥水化；同時土顆粒表面富含K+、Na+等離子，可以與水泥水化生成Ca2+離子發(fā)生吸附交換作用，若土中溶液Na+濃度過大，則會阻礙土顆粒的雙電層變薄，土顆粒間的摩擦力減小，使得強度降低[15]2 190。

2)MK摻量對水泥土無側(cè)限抗壓強度的影響

由圖2可以看出，當(dāng)NaOH摻量為0%、0.75%、1.50%時，水泥土抗壓強度隨MK摻量的增加先增大后減??；NaOH摻量為2.25%時，水泥土抗壓強度隨MK摻量的增加逐漸增大。

圖2 無側(cè)限抗壓強度與MK摻量的關(guān)系

MK是不穩(wěn)定的無定形硅鋁化合物，在堿激發(fā)作用下生成一系列膠凝水化產(chǎn)物，能有效改善土體空間結(jié)構(gòu)[11]912。當(dāng)NaOH摻量為0%時，MK主要與水泥水化產(chǎn)物Ca(OH)2發(fā)生反應(yīng)，此時MK摻量為1.5%，強度達到最大，隨著MK摻量繼續(xù)增加，水泥摻量相對不足，使得水化產(chǎn)物Ca(OH)2減少，參與反應(yīng)的MK也隨之減少，導(dǎo)致強度降低。NaOH的摻入使得土體溶液堿含量增多，未反應(yīng)的MK進一步參與反應(yīng)。當(dāng)NaOH摻量為0.75%和1.50%時，不僅加速了水泥水化，同時參與反應(yīng)的MK增多，此時MK摻量為3.0%，強度達到最大，而當(dāng)MK摻量大于3.0%時，土體溶液堿含量相對不足，強度降低。當(dāng)NaOH摻量為2.25%時，隨著MK摻量的增加，不僅有更多的MK參與反應(yīng)，同時MK消耗了大量堿，使得土體溶液堿性降低，有效緩解了因土體溶液堿性過高對水泥水化的抑制，此時MK摻量為4.5%，強度達到最大。

2.2 應(yīng)力-應(yīng)變曲線

圖3是不同MK摻量下水泥土應(yīng)力-應(yīng)變曲線。水泥土應(yīng)力-應(yīng)變曲線具有明顯峰值，屬于應(yīng)變軟化型。全過程大致可分為4個階段：壓密階段，試件內(nèi)部孔隙逐漸封閉，應(yīng)力增長緩慢，應(yīng)變快速增加，彈性模量呈增長趨勢；線彈性階段，應(yīng)力隨應(yīng)變近似線性增長，彈性模量基本不變，其內(nèi)部孔隙和裂紋穩(wěn)定發(fā)育、擴展；塑性階段，內(nèi)部孔隙和裂紋加速膨脹，應(yīng)力增加速度小于應(yīng)變，并達到峰值；破壞階段，應(yīng)力達到峰值后，出現(xiàn)軟化現(xiàn)象，應(yīng)力隨應(yīng)變增大而減小。

(a)NaOH摻量0% (b)NaOH摻量0.75%

(c)NaOH摻量1.50% (d)NaOH摻量2.25%圖3 不同MK摻量時水泥土應(yīng)力-應(yīng)變曲線

由圖3可以看出，水泥土應(yīng)力-應(yīng)變曲線具有明顯峰值，且破壞應(yīng)變較小，呈現(xiàn)脆性破壞特征。當(dāng)未摻NaOH和NaOH摻量過量(NaOH摻量為0%和2.25%)時，水泥土的脆性與MK摻量無明顯關(guān)系；當(dāng)NaOH摻量適量(NaOH摻量為0.75%和1.50%)時,水泥土隨MK摻量的增加破壞階段應(yīng)力減小速度先增大后減小，脆性先增強后減弱。當(dāng)NaOH摻量為0%～1.50%時，不同MK摻量的水泥土隨NaOH摻量的增加，破壞階段應(yīng)力下降速度增大，脆性增強。當(dāng)NaOH摻量為1.50%～2.25%時，不同MK摻量的水泥土隨NaOH摻量的增加，破壞階段應(yīng)力下降速度減慢，脆性減弱。

圖4是水泥土試件的破壞形態(tài)，如圖4(a)是NaOH摻量為0%，MK摻量為3.0%時水泥土的破壞形態(tài)，此時抗壓強度較小，水泥土試件受壓后表面出現(xiàn)若干細小斜裂縫，并最終發(fā)展成為貫穿試件的斜向破壞面，應(yīng)力-應(yīng)變曲線破壞階段應(yīng)力下降較慢，呈現(xiàn)脆性剪切破壞。如圖4(b)是NaOH摻量為1.50%，MK摻量為3.0%時水泥土的破壞形態(tài)，此時抗壓強度較大，水泥土試件受壓后表面出現(xiàn)多條縱向裂縫，應(yīng)力-應(yīng)變曲線破壞階段應(yīng)力迅速下降，呈現(xiàn)縱向劈裂破壞。

2.3 變形模量

變形模量反應(yīng)了材料抵抗彈塑性變形的能力，是復(fù)合地基設(shè)計、計算的基礎(chǔ)參數(shù)，對變形分析和穩(wěn)定性評價具有重要意義。由于水泥土材料為非線性變形，工程上常采用變形模量E50作為表征參數(shù)。E50是指無側(cè)限抗壓強度峰值應(yīng)力的50%所對應(yīng)的割線模量。

E50=0.5qu/ε0.5

式中：qu為抗壓強度峰值應(yīng)力，ε0.5為qu對應(yīng)的應(yīng)變值。

圖5 不同NaOH和MK摻量水泥土的變形模量

由圖5可以看出，對于同一MK摻量的水泥土，變形模量隨NaOH摻量的增加先增大后減??；當(dāng)NaOH摻量為0%、0.75%、1.50%時，水泥土變形模量隨MK摻量的增加亦先增大后減小，這與對水泥土無側(cè)限抗壓強度的影響規(guī)律相似。當(dāng)NaOH摻量為2.25%時，水泥土變形模量隨MK摻量的增加呈現(xiàn)波動式增大。這可能是由于土體溶液中堿性過高，抑制了水泥水化，當(dāng)MK摻量較低時，未水化的水泥在土體中填充作用明顯，使得水泥土變密實；隨著MK摻量的增多，水泥摻量減少，MK在堿激發(fā)作用下形成的硅鋁酸鹽網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)填充土體內(nèi)部孔隙，使得變形模量增大。

圖6 變形模量與抗壓強度的關(guān)系

圖6是不同NaOH和MK摻量下的水泥土E50和抗壓強度的關(guān)系。由圖5可以看出，隨著水泥土抗壓強度的增大，變形模量總體上呈增大趨勢，水泥土的變形模量E50與無側(cè)限抗壓強度的比值范圍在68.53～109.03之間。

3 結(jié)論

通過對不同MK及NaOH摻量的水泥土進行無側(cè)限抗壓強度試驗，分析了無側(cè)限抗壓強度、應(yīng)力-應(yīng)變曲線及變形模量，結(jié)論如下。

(1)當(dāng)MK摻量一定時，水泥土強度隨NaOH摻量的增加先增大后減小，且在NaOH摻量為1.50%時強度達到最大。

(2)當(dāng)NaOH摻量一定時，適量的MK能有效提高水泥土抗壓強度。NaOH摻量為0%時，MK較優(yōu)摻量為1.5%；NaOH摻量為0.75%、1.50%時，MK較優(yōu)摻量為3.0%； NaOH摻量為2.25%時，MK較優(yōu)摻量為4.5%。

(3) 不同MK和NaOH摻量的水泥土應(yīng)力應(yīng)變曲線大致分為壓密階段、線彈性階段、塑性階段和破壞階段等4個階段，且均呈現(xiàn)脆性破壞特征。

(4)變形模量隨著水泥土抗壓強度的增加總體上呈增大趨勢，變形模量E50與抗壓強度的比值在68.53～109.03之間。