干濕循環(huán)下鋼渣粉水泥改良膨脹土室內(nèi)試驗(yàn)研究

吳燕開，喬曉龍，李丹丹，韓 天，苗盛瑤，曹玉鵬

(1.山東科技大學(xué) 土木工程與建筑學(xué)院，山東 青島 266590;2.中鐵建工集團(tuán)山東有限公司，山東 青島 266061;3.山東科技大學(xué) 交通學(xué)院，山東 青島 266590)

膨脹土的主要組成為蒙脫石、伊利石等強(qiáng)親水性粘土礦物，具有顯著的吸水膨脹與失水收縮的特性.已有研究表明，膨脹土的含水率及環(huán)境的濕度變化都會(huì)對(duì)其物理力學(xué)性能造成極大的影響[1]，尤其在干濕變化比較頻繁的氣候條件下，膨脹土在多次經(jīng)歷浸水和蒸發(fā)的過程后裂隙發(fā)展，土體軟化，強(qiáng)度明顯減弱，對(duì)工程安全帶來極大的隱患.

為了有效改善膨脹土的漲縮特性，需要對(duì)其進(jìn)行改良處理.膨脹土的改良措施主要包括濕度控制、土壤置換、特殊地基處理和化學(xué)改良[2].目前化學(xué)改良膨脹土的研究成果已有不少，使用的改良材料也較為多樣：李東森等[3]利用水泥和石灰改良膨脹土；Cokca[4]使用粒化高爐礦渣水泥改良膨脹土；Ashango[5]使用鋼渣、稻殼灰和生石灰改良膨脹土；吳燕開[6]等采用鋼渣粉水泥改良膨脹土；郭鑠[7]采用稻殼灰和電石渣改性膨脹土；畢海民[8]等使用粉煤灰混合聚丙烯纖維改良膨脹土；孫孝海[9]等使用工業(yè)堿渣改良膨脹土等，以上改良方式均能有效抑制膨脹土的膨脹性，并提高膨脹土的強(qiáng)度.為了探討改良膨脹土在外界條件變化(如干濕循環(huán)、凍融循環(huán))情況下的工程應(yīng)用問題，有部分學(xué)者對(duì)干濕循環(huán)作用下改良膨脹土的性質(zhì)進(jìn)行研究：Dong[10]利用石灰對(duì)膨脹土改性后，發(fā)現(xiàn)經(jīng)過多次干濕循環(huán)后改良膨脹土的強(qiáng)度和變形指數(shù)都達(dá)到穩(wěn)定值；韓春鵬[11]等發(fā)現(xiàn)在干濕循環(huán)條件下，向膨脹土中摻入纖維，可以有效抑制土體表面裂隙的開展；單熠博[12]等通過試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)硅灰改良膨脹土具有較好的水穩(wěn)性，經(jīng)歷干濕循環(huán)后其粘聚力和內(nèi)摩擦角仍能保持較高水平；孫樂樂[13]等利用粉煤灰對(duì)膨脹土進(jìn)行改良，發(fā)現(xiàn)該方法可以抑制膨脹土在干濕循環(huán)過程中的裂隙發(fā)展，降低膨脹土的水敏性；張德恒[14]等研究了秸稈灰渣改良膨脹土在干濕循環(huán)條件下的抗剪強(qiáng)度變化規(guī)律，發(fā)現(xiàn)隨著秸稈灰渣摻量的增加，干濕循環(huán)對(duì)改良土抗剪強(qiáng)度的影響程度逐漸減小.隨著可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略的不斷深化，利用固體廢棄物改良膨脹土正成為一個(gè)熱門話題，但有關(guān)固體廢棄物改良膨脹土在干濕循環(huán)作用下性質(zhì)變化的研究還較少，所以合理利用廢棄資源改良膨脹土，研究干濕循環(huán)作用下其性質(zhì)變化和微觀作用機(jī)理具有重要的理論意義和工程實(shí)用價(jià)值.

鋼渣的主要化學(xué)成分與水泥相似，有CaO、SiO2、Al2O3、MgO、Fe2O3等，將鋼渣作為膠凝材料使用是目前有關(guān)鋼渣研究的主題[15]，目前對(duì)于鋼渣的研究有不少，其活性激發(fā)工藝也日趨完善，鋼渣在建筑工程中也逐漸成為熱點(diǎn)材料.但我國鋼渣的利用率與發(fā)達(dá)國家相比仍有較大差距，2014年我國鋼渣綜合利用率僅為10%[16]，2018年我國鋼渣利用率提升至約30%，而日本為98.4%，歐洲為87.0%，美國為84.4%[17]；堆放丟棄的鋼渣不僅嚴(yán)重占用土地資源，還會(huì)導(dǎo)致土壤、表層水和地下水污染[18].

綜上所述，采用鋼渣粉代替部分水泥改良膨脹土，不僅可以有效改善膨脹土的工程特性[6]，還可以對(duì)廢棄的鋼渣進(jìn)行有效利用.所以本文以臨沂膨脹土為研究對(duì)象，采用水泥、鋼渣粉和活性激發(fā)劑NaOH對(duì)膨脹土進(jìn)行改良，研究干濕循環(huán)作用下鋼渣粉水泥對(duì)膨脹土的改良效果及對(duì)干濕循環(huán)環(huán)境的承受能力，并通過微觀結(jié)構(gòu)分析，探討其物理力學(xué)性質(zhì)變化的內(nèi)在機(jī)理.

1 試驗(yàn)材料與方案

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)所用膨脹土取自山東省臨沂市南郊，土樣呈灰黑色，可塑，粘性較強(qiáng)，天然含水率高，裂隙面呈蠟狀、光滑，土體天然狀態(tài)下的物理力學(xué)參數(shù)如表1所示.根據(jù)土的分類標(biāo)準(zhǔn)，該土為高液限黏土，根據(jù)膨脹土的潛勢(shì)分類可定為中膨脹土，試驗(yàn)中取晾干研磨后直徑在2 mm以下的土樣制作試樣.根據(jù)水泥化學(xué)分析方法(GB/T 176-2017)[19]，水泥與鋼渣粉的化學(xué)成分如表2所示，可以看出，鋼渣粉和水泥的組成成分相似.鋼渣粉活性激發(fā)劑采用NaOH，純度為分析純.

表1 膨脹土物理力學(xué)參數(shù)Tab.1 Physical and mechanical parameters of expansive soil

表2 鋼渣粉和水泥的主要化學(xué)成分及百分含量Tab.2 Main chemical composition and percentage of steel slag powder and cement

1.2 試樣制備與試驗(yàn)方案

1.2.1 試樣制備

試樣的制備采用壓實(shí)法，初始含水率為最優(yōu)含水率，由擊實(shí)試驗(yàn)確定，根據(jù)課題組前期的研究成果[6，20]，各摻合料的最佳配比如表3所示.根據(jù)擊實(shí)試驗(yàn)得到的最大干密度計(jì)算制樣所需膨脹土的質(zhì)量，并根據(jù)各摻合料的配比，計(jì)算出水泥、鋼渣粉、NaOH和水的質(zhì)量.將膨脹土樣和各摻合料在容器中攪拌均勻后，放入39.1×80 mm和61.8×20 mm的模具中成型(前者用于UCS試驗(yàn)，后者用于膨脹率試驗(yàn)).脫模后的樣品放入95%濕度和20 ℃的標(biāo)準(zhǔn)恒溫恒濕養(yǎng)護(hù)箱中養(yǎng)護(hù).樣品的養(yǎng)護(hù)時(shí)間分別為7 d、28 d、60 d和90 d.

表3 各類改良土摻合料配比(質(zhì)量百分比)Tab.3 Material ratio of various samples (mass percentage)

1.2.2 試驗(yàn)方案

對(duì)養(yǎng)護(hù)不同齡期的試樣，分別進(jìn)行室內(nèi)模擬干濕循環(huán)試驗(yàn)，對(duì)不同次數(shù)干濕循環(huán)后的試樣進(jìn)行無荷載膨脹率、體積變化率、質(zhì)量變化率、無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)，再利用掃描電鏡(SEM)和能譜分析(EDS)試驗(yàn)對(duì)其微觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析.

室內(nèi)模擬干濕循環(huán)試驗(yàn)方法：先增濕后干燥構(gòu)成一次干濕循環(huán).①增濕，膨脹土試樣采用與文獻(xiàn)[21]相似的方法：選取兩個(gè)容器，一個(gè)盛放試樣，另一個(gè)盛水，盛放試樣的容器高度略低于盛水容器，將制作好的試樣包上紗布放入容器中，通過紗布將存于較高容器中的水引出并逐漸浸潤試樣；對(duì)于改良土試樣采用浸泡法[22]，在一個(gè)容器中盛水，將制作好的試樣用紗布包好，直接放入水中吸水，吸水時(shí)間為12 h.②干燥，采用自然晾干的方法，將吸水后的試樣取出，取下紗布后立即量取質(zhì)量和體積，再包上干燥的紗布放置于自然室溫條件下，靜置12 h，完成一次干濕循環(huán).

干濕循環(huán)試驗(yàn)方案如表4所示.其中，60 d養(yǎng)護(hù)齡期的試樣循環(huán)次數(shù)為0、1、3、5、7、9、15次.

表4 干濕循環(huán)試驗(yàn)方案Tab.4 dry wet cycle test scheme

2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 干濕循環(huán)對(duì)改良膨脹土物理特性的影響分析

2.1.1 無荷載膨脹率

圖1為純膨脹土試樣在經(jīng)歷不同次數(shù)干濕循環(huán)后的無荷載膨脹率，由圖可知，干濕循環(huán)作用后無荷載膨脹率具有階段分級(jí)現(xiàn)象，分別為0次循環(huán)，第1、2次循環(huán)及第3、4、5次循環(huán)，其無荷載膨脹率約為5.4%、8.9%和13.1%，且試樣的無荷載膨脹率在經(jīng)歷5次循環(huán)之后達(dá)到穩(wěn)定，劉寬[23]等將這三個(gè)階段分為啟裂期、傳播期和平衡期.在濕漲干縮的反復(fù)作用下，土體中裂隙發(fā)展和微裂隙貫通是一個(gè)漸變的過程，裂隙的不斷發(fā)展導(dǎo)致無荷載膨脹率增大，前三次循環(huán)對(duì)試樣的影響較大，膨脹率增長明顯，隨著循環(huán)次數(shù)繼續(xù)增加，裂隙發(fā)展至平衡期，無荷載膨脹率最終趨向于穩(wěn)定.

圖1 未改良膨脹土的無荷載膨脹率Fig.1 No-load expansion rate of unimproved expansive soil

從圖中還可以發(fā)現(xiàn)，土體無荷載膨脹率的變化規(guī)律可分為快速上升階段、緩慢上升階段和穩(wěn)定階段，經(jīng)過干濕循環(huán)后，無荷載膨脹率的快速上升階段時(shí)間有所延長，這是由于膨脹儀有側(cè)壁約束，試驗(yàn)中試樣只能通過下表面吸水，并通過滲透和毛細(xì)作用等輸送到試樣內(nèi)部，致使水分向試樣內(nèi)部傳輸較慢，而經(jīng)歷干濕循環(huán)后，試樣內(nèi)部的裂隙發(fā)展，裂隙中可承載的水量隨之增多，達(dá)到飽和所需的時(shí)間更長，所以曲線上升階段逐漸變緩.

圖2是各類改良土不同齡期時(shí)的無荷載膨脹率，與純膨脹土相比，改良土的膨脹性大幅度降低，土體膨脹變形的時(shí)間明顯縮短.隨著齡期增加，三種改良土在多次干濕循環(huán)作用下，其膨脹變形的快速上升階段所需時(shí)間逐漸縮短，即改良土試樣達(dá)到無荷載膨脹率最大值的時(shí)間隨著養(yǎng)護(hù)齡期的增加而減小.這是因?yàn)樵噳K與水接觸后水分迅速進(jìn)入試樣外表面的微裂隙中，產(chǎn)生微小的膨脹變形，但改良土試樣致密性良好，試樣內(nèi)部存在的裂隙較少[6]，水分的滲透量很快就會(huì)達(dá)到飽和狀態(tài)；表明在改良土試樣的內(nèi)部結(jié)構(gòu)中由水分起到的膨脹作用十分微弱，鋼渣粉水泥可以有效減弱膨脹土的膨脹性.

圖2 不同齡期改良土在干濕循環(huán)作用下的無荷載膨脹率Fig.2 No-load expansion rate of improved soils at different ages under the action of dry and wet cycles

Es-SSP-C的無荷載膨脹率均在較短的時(shí)間內(nèi)增長到最大值，然后保持穩(wěn)定；而Es-C和Es-SSP-C-N則相對(duì)較慢，達(dá)到最大值所需的時(shí)間相對(duì)較長，這是由于養(yǎng)護(hù)齡期相同時(shí)，Es-C和Es-SSP-C-N試樣的水化反應(yīng)更充分，試樣外表面和內(nèi)部的密實(shí)性均較好，水分經(jīng)過試樣外表面滲入內(nèi)部的時(shí)間更長，致使試樣的快速膨脹階段所需時(shí)間相對(duì)較長.

對(duì)比圖1和圖2可以發(fā)現(xiàn)，相比于未改良土試樣，各類改良土無論是正常養(yǎng)護(hù)條件下還是干濕循環(huán)后試樣的無荷載膨脹率均有大幅度減小，達(dá)95%以上.養(yǎng)護(hù)齡期60 d前后，各試樣對(duì)膨脹性的控制效果呈現(xiàn)不同的發(fā)展趨勢(shì).養(yǎng)護(hù)60 d前，Es-SSP-C-N對(duì)膨脹性的控制效果最好，穩(wěn)定時(shí)無荷載膨脹率最小值僅為0.025%，Es-C次之，Es-SSP-C效果最差，養(yǎng)護(hù)時(shí)間達(dá)到90 d后，Es-C和ES-SSP-C對(duì)膨脹性的控制效果有顯著提高，Es-SSP-C-N的效果反而有所降低.

對(duì)于早期(7～28 d)養(yǎng)護(hù)齡期的試樣，Es-C試樣內(nèi)的膠凝材料持續(xù)水化，無荷載膨脹率在干濕循環(huán)作用下有所減小，而Es-SSP-C試樣無荷載膨脹率先增大后保持穩(wěn)定，穩(wěn)定值分別為0.3%和0.4%，這是因?yàn)殇撛矍捌谒俣缺人嗦瑩郊愉撛鄣脑嚇觾?nèi)部結(jié)構(gòu)較松散，孔隙較多，故其吸水膨脹的性質(zhì)更為突出；Es-SSP-C-N試樣無荷載膨脹率均保持在0.15%以下，說明NaOH可以有效提高鋼渣粉前期的水化速率.

對(duì)于中后期(60～90 d)養(yǎng)護(hù)齡期的試樣，在干濕循環(huán)作用下，Es-SSP-C試樣60 d齡期時(shí)，初始無荷載膨脹率達(dá)到了1.2%，是各類改良土中的最大值，但經(jīng)歷1次干濕循環(huán)后其無荷載膨脹率就快速降低至0.2%以下，說明此時(shí)鋼渣粉的水化反應(yīng)已開始進(jìn)行，增濕后加速了鋼渣粉的水化，養(yǎng)護(hù)90 d的試樣經(jīng)歷多次循環(huán)后其無荷載膨脹率穩(wěn)定在0.1%以下，可以認(rèn)為鋼渣粉自身起水化作用的周期約為60 d.Es-SSP-C-N試樣在90 d時(shí)的膨脹性有所提高，這是因?yàn)闅溲趸c激發(fā)鋼渣粉的活性促進(jìn)其水化效率，使得養(yǎng)護(hù)齡期90 d的試樣其內(nèi)部水化過程已趨于完成，此時(shí)外界干濕循環(huán)的環(huán)境對(duì)其無荷載膨脹率的影響較為明顯，同時(shí)試驗(yàn)過程中觀察到試樣外表面有所脫落，增大了試樣與水的接觸面積，從而膨脹率有所提高.

2.1.2 體積變化率

進(jìn)行干濕循環(huán)試驗(yàn)時(shí)，因干燥過程易受天氣、氣溫等客觀因素的影響，所以試樣吸水后體積變化率比干燥后更具有規(guī)律性.圖3是4種試樣養(yǎng)護(hù)7 d后在不同干濕循環(huán)次數(shù)作用下的體積變化率.對(duì)于未改良土試樣，隨干濕循環(huán)次數(shù)增加，吸水后的體積變化率從第1次循環(huán)時(shí)的10.01%增大至第5次循環(huán)時(shí)的13.15%.試樣干燥后，其體積變化率始終大于零，在整個(gè)干濕循環(huán)的過程中，試樣體積都比初始體積大，這表明未改良膨脹土試樣在干濕循環(huán)作用下其內(nèi)部結(jié)構(gòu)產(chǎn)生不可恢復(fù)的變形，裂隙的擴(kuò)展致使試樣結(jié)構(gòu)逐漸松散，土體顆粒間距加大，吸水時(shí)試樣體積變化率增大.

圖3 各類土在干濕循環(huán)下的體積變化率(7 d)Fig.3 Volume change rate of each improved soil under dry and wet cycle (7 days)

圖4是不同齡期時(shí)3種改良土在干濕循環(huán)過程中體積的變化情況.結(jié)合圖3和圖4可以看出，在干濕循環(huán)作用下，隨著齡期增加，Es-C的體積先增大后減小，而Es-SSP-C和Es-SSP-C-N的體積變化不大，兩種試樣的體積變化率始終穩(wěn)定在0.6%、1.0%以下，說明相對(duì)于單摻水泥的試樣而言，摻入鋼渣粉的試樣具有較好的水穩(wěn)性，對(duì)膨脹土體積的控制力更強(qiáng).對(duì)比圖3和圖4，經(jīng)過干濕循環(huán)后，三種改良土在4個(gè)齡期時(shí)體積變化率均在1.6%以下，相比于未改良土的10.01%，減小了85%以上，表明三種改良方案均能有效控制膨脹土的體積變化.試樣在干濕循環(huán)過程中體積變化率比膨脹率試驗(yàn)中的膨脹率更大，是因?yàn)楦蓾裱h(huán)試驗(yàn)中，試塊四周沒有約束，其體積漲縮不受外界條件影響，而膨脹儀對(duì)試塊有側(cè)壁約束作用，使得試塊只能產(chǎn)生縱向變形.

圖4 不同齡期改良土在干濕循環(huán)過程中的體積變化率Fig.4 Volume change rate of improved soils at different ages during the dry-wet cycle

改良土可以有效降低膨脹土的膨脹性，是因?yàn)槟z凝材料水化將生成堿性環(huán)境，水化產(chǎn)物中存在的Ca2+和Al3+等高價(jià)陽離子在堿性環(huán)境中會(huì)與親水性黏土顆粒中的K+和Na+進(jìn)行離子交換反應(yīng)[24]，使土體的雙電層結(jié)構(gòu)厚度減薄，減少土體顆粒表面吸附水的厚度，土顆粒之間產(chǎn)生的吸附力更大，形成絮凝作用，結(jié)構(gòu)將更加穩(wěn)定，并且高價(jià)陽離子的存在使膨脹土的滲透壓力減小，抑制滲透膨脹量的發(fā)展.

2.1.3 質(zhì)量變化率

圖5是3種改良土在不同養(yǎng)護(hù)齡期下進(jìn)行干濕循環(huán)作用時(shí)的質(zhì)量變化率曲線圖.在干濕循環(huán)作用下，吸水后Es-C和Es-SSP-C-N的質(zhì)量變化率隨齡期增加而減小，而Es-SSP-C的質(zhì)量變化率變化不大.除7 d齡期外，3種改良土中質(zhì)量增長率最大的始終是Es-C，最大值為5.6%，Es-SSP-C的質(zhì)量穩(wěn)定保持在2.0%左右，Es-SSP-C-N質(zhì)量增長率最小約為-8%，這是因?yàn)樵诟蓾裱h(huán)多次作用下，Es-SSP-C-N有外表皮侵蝕剝落的現(xiàn)象，即使吸水后試樣質(zhì)量仍有所減小.

圖5 不同齡期改良土在干濕循環(huán)過程中的質(zhì)量變化率Fig.5 Mass change rate of improved soils at different ages during the dry-wet cycle

結(jié)合改良土質(zhì)量和體積的變化規(guī)律，說明改良土對(duì)干濕循環(huán)的承受能力有了極大的改善.且3類改良土中，Es-C對(duì)干濕循環(huán)變形方面的承受能力最差；Es-SSP-C的表現(xiàn)較好，隨干濕循環(huán)次數(shù)的增加其質(zhì)量和體積變化率都可以保持穩(wěn)定的狀態(tài)；而Es-SSP-C-N在水和NaOH的作用下，質(zhì)量和體積變化率多以負(fù)值形式出現(xiàn)，經(jīng)受多次干濕循環(huán)作用后，試樣的體積和質(zhì)量變化率呈減小趨勢(shì)，且有外表皮侵蝕剝落的現(xiàn)象.因此在實(shí)際工程中，Es-SSP-C土體抵抗干濕循環(huán)作用的能力更強(qiáng)，但鑒于其養(yǎng)護(hù)周期過長，建議在Es-SSP-C土體中摻加微量活性激發(fā)劑NaOH，一方面提高鋼渣粉前期的水化能力，另一方面微量NaOH在參與反應(yīng)過程中被逐漸消耗，可以延長Es-SSP-C養(yǎng)護(hù)后期抵抗干濕循環(huán)的能力.

2.2 干濕循環(huán)對(duì)改良土強(qiáng)度的影響

不同養(yǎng)護(hù)齡期、不同試樣的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度(UCS)試驗(yàn)結(jié)果如圖6所示.干濕循環(huán)試驗(yàn)前，7 d齡期的Es-C、Es-SSP-C、Es-SSP-C-N的強(qiáng)度分別為0.886 MPa、0.797 MPa和1.49 MPa，相比未改良土的0.39 MPa，分別提高了128%、104%和282%，由此可見水泥作為常用的膠凝材料，對(duì)膨脹土的強(qiáng)度具有明顯的提升作用；混摻鋼渣粉-水泥對(duì)膨脹土同樣具有增強(qiáng)作用，但與單摻水泥時(shí)相比效果有所降低，這是鋼渣粉自身活性低導(dǎo)致的，摻加NaOH活性激發(fā)的Es-SSP-C-N，其強(qiáng)度相比于Es-SSP-C提升87%，相比于Es-C提升68.2%，說明相對(duì)于單摻水泥而言，鋼渣粉-水泥復(fù)合摻料對(duì)試樣強(qiáng)度的提升作用更為明顯.

圖6 不同養(yǎng)護(hù)齡期下各試樣隨干濕循環(huán)過程的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度Fig.6 UCS of each sample under different curing ages with the process of dry and wet cycles

干濕循環(huán)后，純膨脹土強(qiáng)度明顯降低，尤其在第1次干濕循環(huán)后，其強(qiáng)度降至0.19 MPa，降低幅度達(dá)到51.3%；之后其強(qiáng)度降低幅度減小，但降低趨勢(shì)不變，并在第3次干濕循環(huán)后達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài).對(duì)于改良土試樣，在干濕循環(huán)作用下，Es-C的強(qiáng)度從7 d時(shí)的先增大后減小逐漸發(fā)展為28 d和60 d時(shí)的先減小后上升，90 d后又持續(xù)減小，體現(xiàn)了試樣強(qiáng)度是膠凝材料水化和干濕循環(huán)作共同作用的結(jié)果；Es-SSP-C的強(qiáng)度在7 d和28 d齡期時(shí)呈先增大后減小再增大的趨勢(shì)，60 d和90 d齡期試樣的強(qiáng)度規(guī)律不明顯，但始終在初始強(qiáng)度附近波動(dòng)，說明鋼渣粉在四個(gè)齡期中持續(xù)保持水化狀態(tài)，干濕循環(huán)作用和鋼渣粉的水化作用相輔相成，互相影響；7 d齡期的Es-SSP-C-N試樣經(jīng)歷第1次循環(huán)后強(qiáng)度降低，多次循環(huán)后強(qiáng)度逐漸恢復(fù)并略有提高，28 d和60 d齡期的強(qiáng)度在初始值附近波動(dòng)，90 d齡期的試樣強(qiáng)度隨循環(huán)次數(shù)的增多略有下降，表明摻入NaOH后的試樣養(yǎng)護(hù)90 d后其水化反應(yīng)已基本完成，此時(shí)干濕循環(huán)的影響占主導(dǎo)地位.

2.3 干濕循環(huán)作用下改良土的微觀結(jié)構(gòu)分析及宏微觀性質(zhì)討論

為探索在干濕循環(huán)過程中試樣內(nèi)部結(jié)構(gòu)的變化，對(duì)試樣進(jìn)行SEM及EDS試驗(yàn).選取養(yǎng)護(hù)60 d、經(jīng)過UCS試驗(yàn)后的試樣進(jìn)行試驗(yàn)，分析改良土在干濕循環(huán)作用下的微觀結(jié)構(gòu)變化規(guī)律.

圖7是3種改良土的SEM圖像.由圖7(b)可知，Es-SSP-C試樣中有大量的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)連接著周邊的團(tuán)聚體，這種網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)是由條狀物質(zhì)以中間的連接點(diǎn)為匯聚中心，相互之間交錯(cuò)排列形成的，在干濕循環(huán)過程中具有阻止水分進(jìn)入試樣內(nèi)部的功能.通過EDS進(jìn)行定點(diǎn)分析，發(fā)現(xiàn)這種物質(zhì)是由大量的C、Ca、Si和O元素及少量Fe和Al元素構(gòu)成，如圖8所示.通過元素原子百分比發(fā)現(xiàn)，這種物質(zhì)是水化產(chǎn)物的組合體，其主要成分為水化硅酸鈣(C-S-H)，具有很好的膠凝性；還有水化鐵鋁酸鈣(C-A-F-H)，這是Fe和Al元素存在的原因.還有其中大量的C元素和Ca、O元素組成CaCO3，其產(chǎn)生的原因是由于膠凝材料的水化中會(huì)生成大量的Ca(OH)2，該物質(zhì)微溶于水[25]且穩(wěn)定性較差，在隨齡期增大的過程中與空氣中的CO2反應(yīng)，轉(zhuǎn)化成更加穩(wěn)定的CaCO3結(jié)構(gòu)；除此之外，經(jīng)過UCS試驗(yàn)使試樣受到壓縮破壞，其內(nèi)部與空氣接觸加快了碳化反應(yīng)的進(jìn)行，因此試樣中有較多CaCO3存在.通過以上分析，可以得出結(jié)論：這種空間網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)是以CaCO3為連接點(diǎn)，通過C-S-H和C-A-F-H等具有膠結(jié)性的水化產(chǎn)物與周圍聚合物連接而形成，它能提高試樣的整體性和強(qiáng)度，保證試樣內(nèi)部物質(zhì)的緊密聯(lián)系.

圖8 EDS能譜圖Fig.8 Energy spectrum

觀察圖7(a)和(c)發(fā)現(xiàn)，在Es-SSP-C-N和Es-C試樣微裂隙結(jié)構(gòu)中，有相同的填充孔隙的物質(zhì)，呈短棒狀和針狀.通過EDS能譜分析，該物質(zhì)主要由Ca、Al、Si、O元素以及少量的S元素組成，根據(jù)李巖賓[20]的研究成果，該物質(zhì)為鈣礬石(AFt).在Es-C中，AFt以短棒狀為主填充于團(tuán)聚體和土顆粒之間的空隙中，細(xì)小的針狀A(yù)Ft填充于更狹窄的縫隙之中.Es-SSP-C-N試樣中的AFt以細(xì)小的針狀為主，連接著堆疊在一起的膠結(jié)物.AFt是有S元素參與的水化反應(yīng)的產(chǎn)物，以結(jié)晶物存在，在整個(gè)水化反應(yīng)中占有一定的比例.但因在Es-SSP-C-N試樣中S元素量較少，水化過程中S元素逐漸減少并消耗完，此時(shí)AFt就會(huì)逐漸轉(zhuǎn)化為單硫型硫鋁酸鈣(AFm)，直至最終轉(zhuǎn)化為穩(wěn)定的C-A-F-H，在微觀結(jié)構(gòu)中表現(xiàn)為針狀和棒狀物質(zhì)減少.這種現(xiàn)象也表明Es-SSP-C-N和Es-C中，前者的水化反應(yīng)更充分.

圖7 各改良土經(jīng)歷干濕循環(huán)前SEM圖像(×10 000)Fig.7 SEM image of each improved soil before dry-wet cycles (×10 000)

圖9是各類改良土養(yǎng)護(hù)60 d后經(jīng)過9次干濕循環(huán)的SEM圖.與圖8干濕循環(huán)前相比，各改良土的物質(zhì)成分沒有較大差別，仍以團(tuán)絮狀分布的C-S-H和C-A-F-H凝膠包裹土顆粒，顆粒之間的縫隙中存在AFt連接周邊的團(tuán)聚體，提高土體的整體性.值得注意的是，AFt是一種不溶于水的晶體，其強(qiáng)度較高卻不具備膠凝特性[26]，在水泥土中作為中間物質(zhì)存在，會(huì)隨著水化反應(yīng)的進(jìn)行逐漸轉(zhuǎn)化為更加穩(wěn)定的C-A-F-H.但在干濕循環(huán)過程中，AFt作為針狀物質(zhì)填充于孔隙之中，其不溶于水的性質(zhì)可以有效地防止干濕循環(huán)中水對(duì)裂隙周邊結(jié)構(gòu)的破壞，使土體仍能保持較高的強(qiáng)度.

圖9 各改良土經(jīng)歷9次干濕循環(huán)后的SEM圖像(×10 000)Fig.9 SEM images of each improved soil after 9 cycles of dry and wet (×10 000)

圖10是各類改良土體養(yǎng)護(hù)60 d后經(jīng)過15次干濕循環(huán)的SEM圖.對(duì)比圖9、10，發(fā)現(xiàn)經(jīng)歷15次干濕循環(huán)后試樣中的物質(zhì)成分有所變化.在Es-C中，孔隙周邊出現(xiàn)少量碎小且些許透明的片狀物質(zhì)，根據(jù)Xiao[27]等的研究結(jié)果，認(rèn)為該物質(zhì)為Ca(OH)2，是多次干濕循環(huán)重結(jié)晶的難溶物質(zhì).同時(shí)AFt在水化反應(yīng)中減少，并且隨著干濕循環(huán)次數(shù)的增加，裂隙周邊結(jié)構(gòu)被破壞，AFt缺少附著點(diǎn)，排列更加無序，試樣內(nèi)部結(jié)構(gòu)不再完整，導(dǎo)致試樣的強(qiáng)度降低.相比而言，摻入鋼渣粉的Es-SSP-C和Es-SSP-C-N的變化則較小.尤其是前者，其結(jié)構(gòu)十分密實(shí)，碎小的顆粒很少，說明其內(nèi)部結(jié)構(gòu)受到干濕循環(huán)的影響很小.這也反映了Es-SSP-C試樣對(duì)多次干濕循環(huán)的承受能力更強(qiáng).

圖10 各改良土經(jīng)歷15次干濕循環(huán)后的SEM圖像(×10 000)Fig.10 SEM images of each improved soil after 15 cycles of dry and wet (×10 000)

3 結(jié)論

通過在室內(nèi)進(jìn)行改良膨脹土的干濕循環(huán)試驗(yàn)，研究了改良土的物理特性、力學(xué)特性變化規(guī)律，并初步探討了其變化的內(nèi)在機(jī)理，得到了以下結(jié)論：

(1)改良后膨脹土的膨脹率均有大幅度減小，達(dá)95%以上，膨脹率上升階段時(shí)間明顯縮短，改良膨脹土的膨脹性得到有效控制.在干濕循環(huán)條件下，摻加鋼渣粉可以長期有效控制膨脹土的膨脹率.

(2)干濕循環(huán)作用下，改良土的體積變化率比未改良土減小85%以上.隨循環(huán)次數(shù)的增加，Es-C對(duì)干濕循環(huán)的承受能力最差，Es-SSP-C的體積和質(zhì)量變化率基本穩(wěn)定，Es-SSP-C-N的質(zhì)量變化率持續(xù)減小.證明在干濕循環(huán)作用下，鋼渣粉水泥復(fù)合摻料對(duì)膨脹土的體積控制能力比水泥更好.

(3)3種改良方案均能大幅度提升膨脹土的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度.在干濕循環(huán)作用下，不同齡期的三種改良土的強(qiáng)度變化規(guī)律有所不同，試樣的水化反應(yīng)始終和干濕循環(huán)的侵蝕作用相互影響，顯著提高了膨脹土抵抗干濕循環(huán)破壞的能力，其中Es-C和Es-SSP-C強(qiáng)度較為接近，Es-SSP-C-N試樣的強(qiáng)度最高、變化最為穩(wěn)定.

(4)干濕循環(huán)次數(shù)較少時(shí)改良土顆粒排列上更加緊密，其中以Es-SSP-C-N結(jié)構(gòu)最為致密，在水化產(chǎn)物的膠結(jié)作用下有更強(qiáng)的整體性體現(xiàn)；循環(huán)次數(shù)較多時(shí)Es-SSP-C試樣的內(nèi)部結(jié)構(gòu)整體性更強(qiáng)，聯(lián)結(jié)最為致密，其體積變化率、強(qiáng)度變化規(guī)律最穩(wěn)定.