廢棄硅粉提升水泥土強(qiáng)度與抗硫酸鹽侵蝕試驗(yàn)研究

岳喜兵

(中設(shè)設(shè)計(jì)集團(tuán)股份有限公司，江蘇 南京 210014)

水泥土攪拌樁將水泥粉末或水泥漿通過動(dòng)力泵送到地下，采用攪拌葉將其與軟弱土體進(jìn)行充分?jǐn)嚢枋怪纬蓸扼w，以承擔(dān)上覆荷載，從而加固軟土地基。其具有施工周期短、工藝簡(jiǎn)單、造價(jià)低廉及處理效果明顯等特點(diǎn)，在軟弱地基處理中得到大量應(yīng)用。但水泥是一種環(huán)境不友好材料，其在生產(chǎn)過程中會(huì)污染大氣，同時(shí)造價(jià)較高，且由于沿海區(qū)域地下水中存在大量硫酸根離子，會(huì)加劇水泥土材料惡化，大幅降低其力學(xué)強(qiáng)度和耐久性。

硅粉是在高溫熔煉硅及硅鐵的過程中將逸出的煙塵進(jìn)行回收而形成的一種粉末材料，具有價(jià)格低廉、顆粒度較小、比表面積大及火山灰活性較高等特點(diǎn)，已被大量用作砼添加劑。針對(duì)現(xiàn)有水泥土攪拌樁存在的問題，該文將廢棄硅粉材料應(yīng)用于水泥土攪拌樁，通過試驗(yàn)，評(píng)價(jià)添加廢棄硅粉后水泥土的力學(xué)強(qiáng)度及在硫酸鹽侵蝕作用下的力學(xué)性能。

1 試驗(yàn)材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)所用黏土取自溫州某高速公路。采用烘干法測(cè)量其天然含水率、跌勢(shì)液限儀法和搓條法分別測(cè)試其液限和塑限、比重瓶法測(cè)量其比重、密度計(jì)測(cè)試其黏粒含量、XRD衍射方法檢測(cè)其基本礦物成分，結(jié)果見表1。根據(jù)土體劃分規(guī)范，該試驗(yàn)土樣為高液限黏土，且其中含有大量石英、綠泥石、伊利石及鈉長(zhǎng)石。

試驗(yàn)采用徐州水泥廠的海螺牌硅酸鹽水泥、山東博肯硅材料有限公司的硅粉，其化學(xué)組成見表2。水泥的主要化學(xué)成分為SiO2和CaO，硅粉的化學(xué)成分主要為SiO2。

表1 溫州黏土的基本物理指標(biāo)與礦物成分

表2 水泥和硅粉的化學(xué)成分

1.2 試驗(yàn)方案

室內(nèi)試驗(yàn)采用相同的初始含水率(水質(zhì)量與干土質(zhì)量之比)，為96.6%。評(píng)價(jià)廢棄硅粉提升水泥土力學(xué)強(qiáng)度時(shí)，水泥基準(zhǔn)摻量(水泥質(zhì)量與濕土質(zhì)量之比)為10%和12%，硅粉摻量(硅粉干質(zhì)量與濕土質(zhì)量之比)為0、2%、4%和6%；評(píng)價(jià)其抗硫酸鹽侵蝕性能時(shí)，水泥摻量為10%和12%，硅粉摻量為0和4%。

1.3 試驗(yàn)方法

1.3.1 試樣制備與養(yǎng)護(hù)

基于上述試驗(yàn)方案，在試驗(yàn)室稱量相應(yīng)質(zhì)量的水泥、風(fēng)干粉碎后的溫州軟黏土及廢棄硅粉，將它們充分?jǐn)嚢?，使之達(dá)到均勻狀態(tài)。然后將相應(yīng)質(zhì)量的蒸餾水摻入混合后的土體中，再次攪拌確保其達(dá)到均勻狀態(tài)。將均勻的漿體分3次填充在內(nèi)壁涂有凡士林的PVC塑料管(管體內(nèi)徑50 mm，高度100 mm)中。為排除試樣中的空氣，每次填充結(jié)束后輕微振搗2 min。試樣制備完畢養(yǎng)護(hù)1 d后脫模，使水泥土試樣與PVC管分離。為增加試驗(yàn)結(jié)果的說服力，每種比例下制備3個(gè)平行試樣。

評(píng)價(jià)摻入廢棄硅粉后水泥土力學(xué)強(qiáng)度時(shí)，將制備好的試樣放在一次性塑料袋中，置于正常養(yǎng)護(hù)室(溫度為20 ℃±2 ℃，濕度為95%±2%)中養(yǎng)護(hù)7、14、28 d。

評(píng)價(jià)抗硫酸鹽侵蝕性能時(shí)，參照文獻(xiàn)[10]中的方法，將正常養(yǎng)護(hù)28 d后的試樣浸泡在1.5 L硫酸鈉(Na2SO4)溶液中，溶液濃度為2.5%，浸泡時(shí)間為7、14、28 d，每7 d更換一次 Na2SO4溶液。

1.3.2 無側(cè)限抗壓試驗(yàn)

對(duì)養(yǎng)護(hù)至設(shè)定齡期的試樣按ASTM(D4219-02)規(guī)范流程進(jìn)行無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)。加載過程中軸向應(yīng)變速率為1%/min。進(jìn)行結(jié)果分析時(shí)，先求3個(gè)平行試樣的強(qiáng)度平均值，若試樣強(qiáng)度與均值之差超過均值的10%則剔除，取不小于2個(gè)試樣的平均值作為該組試樣的強(qiáng)度代表值。

1.3.3 微觀試驗(yàn)

通過壓汞試驗(yàn)(MIP)分析硫酸鈉浸泡試樣的密室程度；利用熱重分析試驗(yàn)(TGA)測(cè)試膠凝性水化產(chǎn)物的數(shù)量。微觀試驗(yàn)對(duì)象的齡期均為28 d，試樣的摻量為水泥10%，硅粉0.4%、6%。由于試驗(yàn)原因，沒有開展硫酸鈉浸泡試樣的微觀試驗(yàn)。

在進(jìn)行微觀試樣準(zhǔn)備時(shí)，先將選取的試樣置于沸點(diǎn)為-196 ℃的低溫液氮中快速冷卻20 min，使自由水變成固態(tài)水，再將冷卻處理后的試樣放在干燥機(jī)中連續(xù)抽真空24 h。MIP、TGA試驗(yàn)各制備3個(gè)試樣。試樣制備完成后，根據(jù)操作規(guī)范分別開展TGA、MIP試驗(yàn)。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 正常養(yǎng)護(hù)條件下試樣力學(xué)強(qiáng)度

圖1為正常養(yǎng)護(hù)條件下試樣的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度與硅粉摻量的關(guān)系。由圖1可知：1) 純水泥土試樣的抗壓強(qiáng)度隨著水泥摻量和養(yǎng)護(hù)時(shí)間的增加而增加，這是由于有更多的膠凝性水化產(chǎn)物形成所致。2) 試樣的抗壓強(qiáng)度隨著硅粉摻量的增加而增加，如水泥摻量為10%、養(yǎng)護(hù)時(shí)間為28 d時(shí)，硅粉摻量從0增加至4%，試樣的抗壓強(qiáng)度從1.23 MPa增加至1.91 MPa，增幅接近60%。已有研究表明硅粉的摻入能促進(jìn)水泥的水化反應(yīng)，生成更多的水化產(chǎn)物填充試樣內(nèi)部孔隙，使試樣的內(nèi)部結(jié)構(gòu)更密實(shí)；更多的膠凝性產(chǎn)物亦能增加黏土顆粒的膠結(jié)程度，進(jìn)一步增加試樣的力學(xué)強(qiáng)度。3) 硅粉摻量與抗壓強(qiáng)度之間存在一個(gè)臨界值(4%)，摻量為0～4%時(shí)抗壓強(qiáng)度增加明顯，超過4%時(shí)增加不明顯?？烧J(rèn)為水泥土試樣的最佳硅粉摻量為4%。

圖1 無側(cè)限抗壓強(qiáng)度與硅粉摻量的關(guān)系

為更直觀地反映廢棄硅粉對(duì)水泥土抗壓強(qiáng)度的提升效果，定義一個(gè)強(qiáng)度增加量IR，其表達(dá)式如下：

(1)

式中：UCS1為任意養(yǎng)護(hù)時(shí)間和水泥摻量下?lián)饺霃U棄硅粉后水泥土的抗壓強(qiáng)度；UCS0為相同養(yǎng)護(hù)時(shí)間和水泥摻量下純水泥土的抗壓強(qiáng)度(硅粉摻量為零)。

按式(1)對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行處理，結(jié)果見圖2。從圖2可以看出：硅粉摻量為4%時(shí)，水泥土抗壓強(qiáng)度提升比例平均值為60%，硅粉的最佳摻量為4%，與圖1的結(jié)論相符。廢棄硅粉是一種良好的水泥土添加材料。

圖2 抗壓強(qiáng)度增加量與硅粉摻量的關(guān)系

2.2 抗硫酸鹽侵蝕性能

圖3為硫酸鹽浸泡環(huán)境下水泥土試樣的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度。由圖3可知：將純水泥土試樣浸泡在硫酸鈉溶液中，其抗壓強(qiáng)度衰減明顯，如水泥摻量為12%時(shí)，浸泡時(shí)間從0增加至28 d，水泥土的抗壓強(qiáng)度從1.41 MPa減小至0.86 MPa。摻入硅粉能降低水泥土的抗壓強(qiáng)度衰減程度，如水泥摻量為12%、硅粉摻量為4%時(shí)，浸泡時(shí)間從0增加至28 d，水泥土的抗壓強(qiáng)度從2.15 MPa減小至1.85 MPa，衰減程度很小?？梢?，硅粉是一種良好的添加材料，能顯著提高水泥土的抗硫酸鈉侵蝕能力。

硅粉的添加能使試樣的微觀結(jié)果更密實(shí)，硫酸根離子難以入侵水泥土試樣，也就是說其難以影響水泥的水化反應(yīng)。為更直觀地反映硅粉對(duì)水泥土抗硫酸鈉的侵蝕效果，采用類似于式(1)的表征方法，定義一個(gè)強(qiáng)度損失率，處理結(jié)果見圖4。由圖4可知：浸泡時(shí)間為28 d時(shí)，硅粉摻量從0增加至4%，試樣強(qiáng)度損失率從42%減小至10%。硅粉能顯著提高水泥土試樣的抗硫酸鈉侵蝕能力。

圖3 無側(cè)限抗壓強(qiáng)度與硫酸鹽浸泡時(shí)間的關(guān)系

圖4 強(qiáng)度損失率與硫酸鹽浸泡時(shí)間的關(guān)系

3 微觀機(jī)理分析

圖5為正常養(yǎng)護(hù)條件下微觀試樣的TGA試驗(yàn)結(jié)果。由圖5可知：1) 純水泥土試樣的質(zhì)量損失曲線位于最上方，摻入4%硅粉試樣的曲線位于中間，摻入6%硅粉試樣的曲線位于最下方。表明純水泥土試樣中膠凝性水化產(chǎn)物總量最少，這是其強(qiáng)度最低的本質(zhì)原因。2) 摻入4%、6%硅粉試樣的曲線較接近，即兩種試樣中膠凝性水化產(chǎn)物總量較接近，這與兩者的宏觀強(qiáng)度對(duì)應(yīng)。3) 根據(jù)文獻(xiàn)[11-13]，CSH膠凝產(chǎn)物、CASH及氫氧化鈣CH會(huì)在100、250及450 ℃附近失水。從試驗(yàn)結(jié)果來看，對(duì)于純水泥土，在450 ℃附近CH對(duì)應(yīng)的熱分解速率曲線位于最上方，而摻入硅粉后CH對(duì)應(yīng)的熱分解速率位于下方，表明硅粉的摻入能促進(jìn)水泥的二次火山灰反應(yīng)。正是由于這個(gè)原因，摻入硅粉后CSH、CASH對(duì)應(yīng)的熱分解曲線位于下方，即CSH和CASH數(shù)量較多，最終導(dǎo)致?lián)饺牍璺酆笏嗤猎嚇拥膹?qiáng)度較高。4) 摻入4%、6%硅粉后，水泥土試樣的熱分解曲線較接近，這與質(zhì)量損失曲線和宏觀強(qiáng)度對(duì)應(yīng)。

圖5 正常養(yǎng)護(hù)條件下試樣的熱重分析結(jié)果

圖6為微觀試樣的壓汞試驗(yàn)(MIP)結(jié)果。由圖6可知：純水泥土試樣的累計(jì)孔隙數(shù)量為0.135 mg/L，硅粉摻量為4%、6%試樣的累計(jì)孔隙數(shù)量分別為0.12 和0.018 mg/L。這是由于硅粉的摻入能促進(jìn)水泥的二次火山灰反應(yīng)，形成更多的水化產(chǎn)物，進(jìn)一步填充試樣的孔隙，使試樣的微觀結(jié)構(gòu)更密實(shí)，最終使試樣的強(qiáng)度更高?？紫对囼?yàn)結(jié)果均與試樣的宏觀力學(xué)強(qiáng)度和熱重分析結(jié)果一一對(duì)應(yīng)。

圖6 正常養(yǎng)護(hù)試樣的壓汞試驗(yàn)結(jié)果

4 結(jié)論

(1) 廢棄硅粉能顯著提高水泥土試樣的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度，硅粉的最佳摻量為4%，此時(shí)水泥土試樣的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度增加60%。

(2) 硅粉能顯著提高水泥土試樣的抗硫酸鹽侵蝕能力。浸泡時(shí)間為28 d時(shí)，硅粉摻量從0增加至4%，強(qiáng)度損失率從42%減小至10%。

(3) 硅粉的摻入能促進(jìn)水泥的二次火山灰反應(yīng)，形成更多的膠凝性水化產(chǎn)物填充試樣的孔隙，使試樣的微觀結(jié)構(gòu)更密實(shí)，這是其提升試樣宏觀力學(xué)強(qiáng)度的本質(zhì)原因。由于試驗(yàn)原因，沒有開展硫酸鈉浸泡試樣的微觀試驗(yàn)，后續(xù)將繼續(xù)研究。