巖土工程中粉煤灰-礦渣地質(zhì)聚合物 對(duì)水泥土攪拌樁性能的影響

薄勇 劉洋洲 龍建輝 張紅

摘 要：針對(duì)巖土工程中常見(jiàn)的軟土地基問(wèn)題，如何提高軟土地基的力學(xué)性能，是當(dāng)前思考和研究的重點(diǎn)。對(duì)此，結(jié)合地質(zhì)聚合物的特點(diǎn)，以粉煤灰、礦渣等作為地質(zhì)聚合物原材料，在一定配比下制備地質(zhì)聚合物。然后將得到的地質(zhì)聚合物與黃土混合。最后對(duì)地質(zhì)聚合物和混合地質(zhì)聚合物的性能進(jìn)行測(cè)試。結(jié)果表明，當(dāng)?shù)V渣和粉煤灰的比例在70：30的情況下，得到的地質(zhì)聚合物的壓縮強(qiáng)度最大。以上述比例的地質(zhì)聚合物為基礎(chǔ)，與黃土按照90：10的比例混合，得到混合后的無(wú)側(cè)限壓縮強(qiáng)度在堿濃度為2.5mol/L時(shí)達(dá)到最大，達(dá)到5MPa。由此看出，粉煤灰-礦渣地質(zhì)聚合物可用作攪拌樁材料的基材。

關(guān)鍵詞：粘結(jié)力;攪拌樁;地質(zhì)聚合物;無(wú)側(cè)限壓縮強(qiáng)度

中圖分類號(hào)：TU528 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1001-5922（2021）05-0111-04

Influence of Fly Ash Slag Geopolymer on Performance of Cement Soil Mixing Pile in Geotechnical Engineering

BoYong 1， Liu Yangzhou1， Long Jianhui2， Zhang Hong3

（1.Shanxi Metallurgical Rock-Soil Engineering Investation Co.，Ltd.，Taiyuan 030002，China2.Taiyuan University of Technology，Taiyuan 030024，China;3.The Third Geological Exploration Institute of China Metallurgical Geology Bureau，Taiyuan 030002，China）

Abstract：In view of the common soft soil foundation problems in geotechnical engineering， how to improve the mechanical properties of soft soil foundation is the focus of current thinking and research. In this paper， according to the characteristics of geopolymer， fly ash and slag are used as raw materials to prepare geopolymer in a certain proportion. Then the geopolymer is mixed with loess. Finally， the properties of geopolymer and hybrid geopolymer are tested. The results show that the compressive strength of geopolymer is the highest when the ratio of slag to fly ash is 70：30. Based on the above proportion of geopolymer and loess in the proportion of 90：10， the unconfined compressive strength reaches the maximum value of 5MPa when the alkali concentration is 2.5mol/l. Therefore， fly ash slag geopolymer can be used as the base material of mixing pile.

Key words：cohesive force; mixing pile; geopolymer; unconfined compressive strength

軟土指的是孔隙比≥1，并且含水量超過(guò)液限的細(xì)粒土，常見(jiàn)類型有泥炭、淤泥、泥炭質(zhì)土、淤泥質(zhì)土等。軟土的深度厚、流動(dòng)性大，當(dāng)表面壓力過(guò)大時(shí)會(huì)出現(xiàn)土質(zhì)下沉現(xiàn)象，因此并不適用于作為建筑物的地基[1-2]。在長(zhǎng)期實(shí)踐中，人們總結(jié)出了多樣化的軟土處理辦法，如利用水泥土攪拌法能夠有效加固軟土地基。水泥土攪拌法的工作原理是利用軟土中的Al2O3、SiO2與水泥中的氫氧化鈣發(fā)生反應(yīng)，從而生成了水化鋁酸鈣和水化硅酸鈣等化合物，這些物質(zhì)凝結(jié)硬化后可提高軟土密度，增強(qiáng)軟土的整體性，甚至構(gòu)造出具有一定強(qiáng)度的圓柱樁體。通過(guò)圓柱樁體與相鄰樁體之間的土質(zhì)，共同構(gòu)造了能夠承擔(dān)更大載荷的復(fù)合地基[3]。同時(shí)通過(guò)從工業(yè)固體廢棄物、硅鋁酸鹽材料中可以提煉出非晶態(tài)的硅鋁化合物，通過(guò)非晶態(tài)的硅鋁化合物的聚合反應(yīng)能夠制備出一種特殊水泥——地質(zhì)聚合物。地質(zhì)聚合物是利用堿性激發(fā)劑和活性鋁硅酸鹽粉體反應(yīng)產(chǎn)出的膠凝材料，它具有優(yōu)異的力學(xué)性能，比如結(jié)構(gòu)致密、快硬早強(qiáng)等，并且利用多種工業(yè)廢棄物作為基材，包括礦渣、粉煤灰、冶煉礦渣等[4-5]，憑借綠色環(huán)保、低能耗、價(jià)格低等優(yōu)點(diǎn)，在當(dāng)今建筑建材領(lǐng)域大受歡迎。相較于塑料水泥，地質(zhì)聚合物具有基材廉價(jià)、基材已獲得、無(wú)需鍛造、性能穩(wěn)定等優(yōu)勢(shì)特征，因而備受基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)領(lǐng)域的青睞。因此，本研究嘗試在水泥中摻入地質(zhì)聚合物，以驗(yàn)證是否可用于水泥土攪拌樁材料。

1 材料與方法

1.1 原材料

原材料：①礦渣超細(xì)粉，由江淮龍達(dá)粉體加工廠提供;②粉煤灰，由江淮精達(dá)發(fā)電廠供應(yīng)的一級(jí)低鈣灰;③氫氧化鈉、氫氧化鉀，從化工市場(chǎng)上采購(gòu)活動(dòng);④硅酸鉀水玻璃，實(shí)驗(yàn)室配置，以SiO2∶KOH=1.25：2比例，把SiO2溶入KOH水溶液中，最后調(diào)節(jié)KOH水溶液的濃度是50%。

利用X射線熒光分析（XRF）分析礦渣超細(xì)粉和粉煤灰的化學(xué)成分，具體成分結(jié)果如表1所示。

1.2 地質(zhì)聚合物制備

本次試驗(yàn)的主要原料是礦渣、粉煤灰，利用氫氧化鈉、水玻璃作為堿硅酸鹽激發(fā)劑，按照表2的配比，同時(shí)依據(jù)圖1所示的工藝流程，成功產(chǎn)出礦物聚合物材料。

據(jù)上圖1流程，量取適量的固體氫氧化鈉和模數(shù)為2.8的水玻璃溶液，攪拌均勻，調(diào)整濃度制得堿硅酸鹽激發(fā)劑;量取固定比例的礦渣、粉煤灰、砂子等置入砂漿攪拌鍋，不斷攪拌并摻入堿硅酸鹽激發(fā)劑。首先快速攪動(dòng)90s，然后慢速攪動(dòng)30s;把攪勻的砂漿添加至ISO水泥膠砂三聯(lián)試模（40mm×40mm×160mm）中，先是在振動(dòng)臺(tái)上振動(dòng)1min，然后在室溫環(huán)境中靜置1d，最后將脫模后的試件置于標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室內(nèi)進(jìn)行養(yǎng)護(hù)處理。

1.3 測(cè)試方法

1.3.1 硬化時(shí)間

同時(shí)利用維卡儀在不同固化時(shí)間點(diǎn)檢測(cè)地質(zhì)聚合物的針入深度。如果針入深度大于零，說(shuō)明地質(zhì)聚合物尚未完全硬化，針入深度等于零，說(shuō)明地質(zhì)聚合物的聚合反應(yīng)充分，在檢測(cè)時(shí)間點(diǎn)已經(jīng)完全固結(jié)硬化。

1.3.2 地質(zhì)聚合物X射線衍射分析（XRD）測(cè)試

利用D8ADVANCEX-射線衍射儀對(duì)由礦渣和粉煤灰制備的地聚合物進(jìn)行XRD成分檢測(cè)，設(shè)置的管電壓、管電流依次是40kV、40mA，設(shè)置的工作模式是Cu的Ka輻射，設(shè)定的掃描速率是0.02°/s。

1.3.3 地質(zhì)聚合物壓縮強(qiáng)度測(cè)試

礦渣與粉煤灰的占比是70∶30，添加適量的氫氧化鈉溶液，混勻后的液固比是0.4;將地質(zhì)聚合物漿轉(zhuǎn)移到高度50mm、直徑50mm的塑料圓盒內(nèi)，封閉圓盒，在室溫環(huán)境中靜置1d，隨后脫模。根據(jù)以上流程制備出多個(gè)試件，并分別置于室溫環(huán)境中養(yǎng)護(hù)7d、14d、21d、28d。遵照GB/T17671《水泥膠砂強(qiáng)度檢驗(yàn)方法》，對(duì)經(jīng)歷不同養(yǎng)護(hù)期的試件進(jìn)行檢測(cè)。

1.3.4 黃土/地質(zhì)聚合物無(wú)側(cè)限壓縮強(qiáng)度測(cè)試

篩選出粒徑小于2mm的風(fēng)干黃土，將其與地質(zhì)聚合物分別以70∶30、80∶20、90∶10的比例進(jìn)行混勻，然后向混料中添加不同濃度的氫氧化鈉溶液，固液比均為0.4，隨后攪拌10min。分兩個(gè)批次對(duì)地質(zhì)聚合物黃土漿拌合物進(jìn)行插倒、振實(shí)、刮平等操作，最終獲得高度20mm、直徑61.8mm的環(huán)刀圓柱體試樣。靜置1d后脫模，轉(zhuǎn)移至溫度（20±2℃）、相對(duì)濕度≥95%的養(yǎng)護(hù)室內(nèi)進(jìn)行不同時(shí)長(zhǎng)（7d、14d、21d、28d）的養(yǎng)護(hù)。最后，遵照GB/T50123-2002《土工試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》，測(cè)試各組試件的無(wú)側(cè)限壓縮強(qiáng)度。

2 結(jié)果與分析

2.1 地質(zhì)聚合物反應(yīng)硬化時(shí)間

根據(jù)測(cè)試獲得的不同地質(zhì)聚合物物的硬化時(shí)間列于下表3所示。

據(jù)從表3分析，不斷減小液固比，F(xiàn)級(jí)粉煤灰地聚合物的硬化時(shí)間明顯縮短，但礦渣地聚合物的硬化時(shí)間并未出現(xiàn)顯著變化，這證實(shí)了在室溫環(huán)境中，粉煤灰的反應(yīng)活性小于礦渣，單獨(dú)使用粉煤灰需要較長(zhǎng)的硬化時(shí)間。對(duì)此，可以通過(guò)添加適量礦渣來(lái)提高粉煤灰地聚物在室溫環(huán)境中的反應(yīng)活性，本文建議的粉煤灰與礦渣的摻混比是70∶30以及水灰比是0.4。

2.2 地聚合物XRD測(cè)試結(jié)果與分析

本小節(jié)分別對(duì)粉煤灰地聚合物和礦渣地聚合物進(jìn)行了XRD檢測(cè)，測(cè)試結(jié)果如圖2和圖3所示。

結(jié)合圖2、圖3分析，在粉煤灰中檢測(cè)發(fā)現(xiàn)許多晶體，它們?cè)诘鼐酆衔锞酆戏磻?yīng)前后并未發(fā)生明顯變化，但對(duì)于粉煤灰地聚合物的反應(yīng)過(guò)程產(chǎn)生了直接作用，這是因?yàn)榉蔷B(tài)的硅鋁化合物的反應(yīng)驅(qū)動(dòng)了地聚合物的聚合反應(yīng);在地聚合物反應(yīng)以前，礦渣的整個(gè)物態(tài)表現(xiàn)為非晶態(tài)，而受到堿激發(fā)以后，地聚合物中出現(xiàn)了許多晶態(tài)化合物，這是因?yàn)樵诘V渣中包含的硅鈣化合物較多而硅鋁化合物較少，這種成分構(gòu)成決定了硅酸鈣的水化反應(yīng)直接驅(qū)動(dòng)了礦渣地聚合物的聚合反應(yīng)，另外，雖然也發(fā)生了非晶態(tài)的硅鋁化合物的地聚合反應(yīng)，但并未發(fā)揮主導(dǎo)作用。

2.3 壓縮強(qiáng)度測(cè)試結(jié)果

礦渣中的硅鈣化合物加快了粉煤灰地質(zhì)聚合物的硬化過(guò)程，摻入適量礦渣后的粉煤灰地聚合物更適于用作黃土樁材料的基材。如果摻入的礦渣量過(guò)少，無(wú)法顯著縮短粉煤灰地聚合的硬化時(shí)間，如果摻入的礦渣量過(guò)多，這會(huì)強(qiáng)化硅鈣水合物的膨脹作用，使得粉煤灰地聚合物發(fā)生開(kāi)裂。結(jié)合試驗(yàn)數(shù)據(jù)，本文建議的礦渣與粉煤灰的摻混比是30∶70，這既能有效提高粉煤灰地聚合物的硬化速度，又能夠防止地聚合物試件發(fā)生開(kāi)裂問(wèn)題。此外，結(jié)合表3的試驗(yàn)結(jié)果，在水固比0.4的條件下能夠收獲最佳結(jié)果。本研究主要就堿濃度對(duì)粉煤灰-礦渣地質(zhì)聚合物的壓縮強(qiáng)度進(jìn)行實(shí)驗(yàn)統(tǒng)計(jì)，試驗(yàn)結(jié)果展示如圖4所示。

據(jù)上圖4分析，隨著齡期的增長(zhǎng)，礦渣-粉煤灰地質(zhì)聚合物的壓縮強(qiáng)度同步增大;礦渣-粉煤灰地質(zhì)聚合物在堿濃度2.5mol/L條件下的壓縮強(qiáng)度最大，若堿濃度過(guò)小，無(wú)法對(duì)地聚合物反應(yīng)產(chǎn)生足夠的激發(fā)效果，若堿濃度過(guò)大，在地聚合物內(nèi)部的游離堿發(fā)生了泛霜反應(yīng)，破壞了地聚合物對(duì)于周邊顆粒的粘附力。

2.4 地質(zhì)聚合物與黃土黃土的無(wú)側(cè)限壓縮強(qiáng)度測(cè)試結(jié)果

采用粉煤灰-礦渣（70：30）地聚合物，控制地質(zhì)聚合物與黃土的摻混比分別是10∶90、20∶80，、30∶70，向混料中添加不同濃度的氫氧化鈉溶液，各組別的液固比均為0.4，由此制得試樣并對(duì)試樣進(jìn)行無(wú)側(cè)限壓縮強(qiáng)度測(cè)試，結(jié)果如圖5～7所示。

對(duì)比分析，在不斷增加地質(zhì)聚合物的混入量后，攪拌土的無(wú)側(cè)限壓縮強(qiáng)度同步增大，并且養(yǎng)護(hù)齡期越長(zhǎng)，無(wú)側(cè)限壓縮強(qiáng)度越大;在相同黃土配比下，地質(zhì)聚合物攪拌土的無(wú)側(cè)限壓縮強(qiáng)度在堿溶液濃度2.5mol/L時(shí)達(dá)到最大。

同時(shí)，在堿溶液濃度5mol/L條件下，隨著養(yǎng)護(hù)齡期的延長(zhǎng)，地聚合物攪拌土的壓縮強(qiáng)度增速趨緩，且明顯小于其它堿濃度條件下的壓縮強(qiáng)度增速。對(duì)此，本文認(rèn)為是黃土包含的非晶態(tài)硅鋁化合物較少，在堿溶液濃度較大時(shí)，地聚合物內(nèi)部存在大量游離堿，在缺少條件下會(huì)發(fā)生結(jié)晶，在富水條件下會(huì)發(fā)生潮解，但這兩類反映都會(huì)削弱黃土顆粒間的粘結(jié)力。

在水泥土中配入10%的水泥，經(jīng)過(guò)28d的養(yǎng)護(hù)期后，試件的無(wú)側(cè)限壓縮強(qiáng)度可達(dá)1～2MPa。在本次試驗(yàn)中，在地聚合物土中配入10%的地聚合物，控制堿濃度依次是1.5mol/L和2.5mol/L，經(jīng)過(guò)28d的養(yǎng)護(hù)后，試件無(wú)側(cè)限壓縮強(qiáng)度分別可達(dá)到3MPa和5MPa。究其成因，黃土中的活性非晶態(tài)硅鋁化合物與地聚合物中的堿發(fā)生地聚合反應(yīng)，這使得地聚合物攪拌土的壓縮強(qiáng)度超過(guò)了水泥土，完全滿足攪拌樁材料的要求。

3 結(jié)語(yǔ)

根據(jù)上述的試驗(yàn)看出，當(dāng)粉煤灰-礦渣（70∶30）時(shí)，地質(zhì)聚合物表現(xiàn)出較高的反應(yīng)活性，同時(shí)配加適量的中等濃度的堿，能夠在室溫條件凝結(jié)硬化并且擁有較高的壓縮強(qiáng)度;粉煤灰-礦渣（70∶30）地質(zhì)聚合物還可用作攪拌樁材料的基材，將其以10%的比例摻入到黃土中，地質(zhì)聚合物攪拌土的無(wú)側(cè)限壓縮強(qiáng)度可達(dá)到5MPa，其應(yīng)用性能不劣于熟料水泥。

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