不同齡期下粉煤灰水泥土的UU抗剪強度試驗研究*

解邦龍 張吾渝 張丙印 季港澳 崔靖俞

(①青海大學(xué)土木工程學(xué)院， 西寧 810016， 中國) (②青海省建筑節(jié)能材料與工程安全重點實驗室， 西寧 810016， 中國) (③清華大學(xué)土木水利學(xué)院， 北京 100084， 中國)

0 引 言

青海自然資源豐富，煤炭作為優(yōu)勢資源帶來豐厚的經(jīng)濟收益，但煤炭資源的大量消耗使得粉煤灰產(chǎn)量也隨之增大，造成環(huán)境污染、資源浪費等問題。因此，粉煤灰作為一種工業(yè)廢料，由于粉煤灰質(zhì)輕、耐腐蝕(張夢萌等， 2019)以及加工流動性好等良好的特性被許多學(xué)者研究后發(fā)現(xiàn)，將其作為一種外加劑添加到其他性質(zhì)不良的土或砂石之中，會改善和優(yōu)化其性能，如變形特性和力學(xué)特性。王娟娣(2000)通過室內(nèi)試驗研究粉煤灰水泥土，發(fā)現(xiàn)添加粉煤灰會提高試樣的強度； 賈蒼琴等(2004)、吳瑞潛等(2006)通過將粉煤灰和水泥加入到黏土中，研究發(fā)現(xiàn)隨著齡期和粉煤灰摻入量的增加試樣的后期強度較高，同時，粉煤灰的加入會降低工程造價，具有良好的經(jīng)濟效益、環(huán)境效益和社會效益(徐紅等， 2001)； 邵俐等(2008)通過研究發(fā)現(xiàn)水泥摻加粉煤灰可以改善有機質(zhì)土的抗壓強度； 赫文秀等(2012)利用玻璃纖維和粉煤灰加入到水泥土中進行室內(nèi)試驗，研究發(fā)現(xiàn)摻加一定量的粉煤灰會提高試樣的后期強度； 張艷軍等(2015)發(fā)現(xiàn)將石棉纖維配合粉煤灰與水泥可以提高軟土的強度； 劉成才等(2017)通過將粉煤灰添加到水泥礫質(zhì)土后研究發(fā)現(xiàn)，試樣的強度隨齡期的增加而增大。因此，針對各種不同性質(zhì)較差的土或砂土，摻入粉煤灰會大幅度改善其不良性質(zhì)，能有較好的工程性質(zhì)和工程應(yīng)用前景。

在青海地區(qū)，黃土分布廣、土層較厚且黃土自重濕陷等級高(張吾渝，2018；高英等，2019)，導(dǎo)致黃土的工程性質(zhì)較差，同時表現(xiàn)的力學(xué)性質(zhì)復(fù)雜(陳宗基等， 1989)，主要表現(xiàn)為三相或多相體系共同作用。針對不同地區(qū)特殊土的性質(zhì)，許多學(xué)者將粉煤灰與水泥摻入土中進行研究，崔永成等(2012)通過對銀川地區(qū)軟土摻加粉煤灰及水泥進行研究，發(fā)現(xiàn)試樣后期的強度增長較快； 蒙強等(2017)將粉煤灰和水泥作為固化材料摻入上海蘇州河區(qū)域的軟土中，發(fā)現(xiàn)該材料可以改善飽和軟黏土的抗壓強度； 王東星等(2018)、高中南等(2019)、張豫川等(2019)以粉煤灰和水泥為主要的固化劑固化黃土，研究發(fā)現(xiàn)添加粉煤灰、水泥后黃土的強度明顯提高。由此看出，粉煤灰及水泥可以提高土的承載力和水穩(wěn)性(諶文武等， 2014)。其次，土的抗剪強度參數(shù)是確定其承載能力的重要指標(biāo)(呂永高等，2009；阮波等，2016)，對工程設(shè)計和施工具有重要意義。各學(xué)者對不同地區(qū)特殊土在摻入粉煤灰等固化材料后研究其強度并取得相應(yīng)的成果。

目前針對粉煤灰水泥土在強度方面研究存在的不足，本試驗將粉煤灰和水泥摻入濕陷性黃土中，對粉煤灰水泥土進行不固結(jié)不排水三軸剪切試驗、SEM和XRD試驗，從宏觀和微觀角度對不同齡期粉煤灰水泥土的抗剪強度指標(biāo)進行分析，研究青海地區(qū)在施工進度較快且改良黃土的透水性和排水條件較差的工況下其抗剪強度的變化規(guī)律，為粉煤灰等綠色材料改良濕陷性黃土的不良性質(zhì)提供試驗依據(jù)。

1 試樣制備與試驗方法

1.1 試驗材料的性質(zhì)

試驗所用粉煤灰和水泥的主要物理性質(zhì)和化學(xué)成分如表 1、表 2、表 3所示。

表 1 粉煤灰的主要物理性質(zhì)Table 1 The main physical properties of fly ash

表 2 粉煤灰的化學(xué)成分(%)Table 2 Chemical composition of fly ash(%)

表 3 水泥化學(xué)參數(shù)Table 3 Chemical parameters of cement

試驗所用的黃土為青海西寧地區(qū)黃土，其基本物理性質(zhì)如表 4所示。

表 4 黃土的基本物理性質(zhì)Table 4 Basic physical properties of loess

1.2 試驗方案

陶高梁等(2018)、呂晨煒等(2019)通過研究發(fā)現(xiàn)水泥摻量為3%左右時，水泥土的滲透系數(shù)小且能滿足固化要求； 張豫川等(2019)通過研究發(fā)現(xiàn)粉煤灰摻量為12%時材料的強度最佳； 崔靖俞等(2019)采用水玻璃摻量為水泥質(zhì)量的3%進行試驗研究。同時，結(jié)合本地區(qū)黃土的濕陷等級高、粉粒含量較大等特性，本試驗采用質(zhì)量配合比為黃土︰水泥+粉煤灰=1︰0.15，水泥和粉煤灰的質(zhì)量配合比為2︰8，水玻璃的摻量為水泥質(zhì)量的3%，水灰比為1.0。添加水玻璃的目的是起到加速凝結(jié)的作用，同時為粉煤灰提供堿性環(huán)境進行礦物聚合反應(yīng)(侯云芬等， 2008)。按上述配比制作試樣，并進行標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(養(yǎng)護溫度為20±2℃、濕度為96%，養(yǎng)護條件恒定)，養(yǎng)護齡期分別為3d、7d和28d。以不同的固結(jié)圍壓為變量進行不固結(jié)不排水三軸剪切試驗，得到相應(yīng)的應(yīng)力-應(yīng)變曲線和抗剪強度指標(biāo)。

試驗施加的固結(jié)圍壓和應(yīng)變速率按照《土工試驗方法標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T 50123-2019)(中華人民共和國行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)編寫組，2019)中規(guī)定的進行設(shè)定，試驗施加的固結(jié)圍壓如表 5所示，試驗施加0.8mm·min-1的應(yīng)變速率。

表 5 試驗施加的固結(jié)圍壓Table 5 Consolidation confining pressure applied by test

每組三軸試驗制作3塊試樣，共3組平行試驗，養(yǎng)護齡期分別為3d、7d、28d，總試塊27塊。

按上述配比制作試塊。稱量好所有材料備用，混合均勻，攪拌至無固體顆粒出現(xiàn)且流動性較好時，倒入150mm×150mm×150mm的標(biāo)準(zhǔn)三聯(lián)模，倒入相同質(zhì)量的漿液后，統(tǒng)一放在震動臺上進行振搗密實，在常溫下養(yǎng)護2d后脫模，脫模后利用削土器制成標(biāo)準(zhǔn)的圓柱試樣(高80mm，直徑39.1mm)。將削好的試樣放入標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護室養(yǎng)護，當(dāng)達到設(shè)定齡期時進行不固結(jié)不排水三軸剪切試驗，試驗儀器如圖 1所示。

圖 1 SLB-1型應(yīng)力-應(yīng)變控制式三軸剪切滲透儀Fig. 1 SLB-1 stress-strain controlled triaxial shear penetrator

圖 2 粉煤灰水泥土應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線Fig. 2 Curves of stress versus strain of fly ash cement stabilized soil a. 養(yǎng)護齡期為3d； b. 養(yǎng)護齡期為7d； c. 養(yǎng)護齡期為28d

2 試驗結(jié)果與分析

2.1 粉煤灰水泥土的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系

圖2為不同齡期粉煤灰水泥土的應(yīng)力-應(yīng)變曲線，從曲線可以看出，養(yǎng)護齡期相同時，隨著試樣軸向應(yīng)變的持續(xù)增大，主應(yīng)力差也逐漸增大，曲線出現(xiàn)峰值后呈現(xiàn)逐漸下降的趨勢，但變化幅度不大，曲線整體呈現(xiàn)應(yīng)變軟化型。同時，應(yīng)力-應(yīng)變曲線大致分為兩個階段，第1階段為試驗開始到出現(xiàn)峰值，這一階段試樣的抗剪強度持續(xù)增加，呈現(xiàn)線性變化趨勢； 第2階段為出現(xiàn)峰值到試驗結(jié)束，該階段內(nèi)試樣達到破壞條件后抗剪強度會緩慢降低，但存在一定的強度。隨著養(yǎng)護齡期的增加，其抗剪強度逐漸提高， 28d試樣的抗剪強度最大， 3d試樣的抗剪強度最小。

在不同固結(jié)圍壓下，粉煤灰水泥土的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線呈現(xiàn)應(yīng)變軟化型，從圖 2看出，在相同圍壓下，試樣的主應(yīng)力差隨著養(yǎng)護齡期的增加而逐漸增大，且都有峰值的存在，說明試樣均已被剪切破壞。曲線的平滑度較差，是由于粉煤灰水泥土內(nèi)部的化學(xué)反應(yīng)生成物的分布不均勻而導(dǎo)致曲線凹凸起伏。

圖 3 粉煤灰水泥土抗剪強度包絡(luò)線Fig. 3 Shear strength envelope of fly ash cement stabilized soil a. 養(yǎng)護齡期為3d； b. 養(yǎng)護齡期為7d； c. 養(yǎng)護齡期為28d

研究發(fā)現(xiàn)，粉煤灰水泥土的抗剪強度與漿液中水泥成分有關(guān)。水泥中的礦物(硅酸三鈣(3CaO·SiO2)、硅酸二鈣(2CaO·SiO2)、鋁酸三鈣(3CaO·Al2O3)、鐵鋁酸四鈣(4CaO·Al2O3·Fe2O3)等)與其他材料加水拌和時發(fā)生水化反應(yīng)，而粉煤灰在水玻璃所提供的堿性環(huán)境中進行礦物聚合反應(yīng)(蘇玉柱等， 2006)且與水泥進行反應(yīng)。

水泥主要的水化反應(yīng)：

2(3CaO·SiO2)+6H2O=3CaO·2SiO2·3H2O+3Ca(OH)2

3CaO·Al2O3+6H2O=3CaO·Al2O3·6H2O

粉煤灰與水泥的反應(yīng)：

在后期凝結(jié)硬化過程中，試樣內(nèi)部產(chǎn)生一些晶體物質(zhì)和膠凝物質(zhì)，如鈣礬石、C-S-H凝膠等會對整體結(jié)構(gòu)的強度起到加強作用，隨著養(yǎng)護齡期的增加，試樣內(nèi)部水泥的水化反應(yīng)以及粉煤灰的聚合反應(yīng)可能持續(xù)進行，試樣內(nèi)部產(chǎn)生的物質(zhì)會逐漸填充孔隙使得結(jié)構(gòu)更密實，也能承受一部分的外力，因此，試樣后期的抗剪強度提高越多。

2.2 粉煤灰水泥土的抗剪強度指標(biāo)

圖 3所示為粉煤灰水泥土抗剪強度包絡(luò)線。粉煤灰水泥土的黏聚力和內(nèi)摩擦角隨著養(yǎng)護齡期的增加呈現(xiàn)一定的變化規(guī)律，黏聚力和內(nèi)摩擦角隨著齡期的增加而呈現(xiàn)增大的趨勢，通過試驗可以得出，齡期越長，試樣中生成物質(zhì)的成分較多，顆粒間的膠結(jié)作用較強，固化黏聚力越大，即齡期為28d試樣的黏聚力最大，黏聚力為48.5kPa。同時，齡期越長，試樣內(nèi)部表現(xiàn)的密實性越好，當(dāng)受到外力時，顆粒間產(chǎn)生的滑動摩擦和咬合摩擦越大，即內(nèi)摩擦角越大， 28d試樣的內(nèi)摩擦角為25.9°； 齡期越短，試樣內(nèi)部進行的化學(xué)反應(yīng)進程緩慢，生成的膠凝物質(zhì)以及水化產(chǎn)物等較少，密實度相對較差， 3d試樣的內(nèi)摩擦角為23.8°。

2.3 微觀試驗結(jié)果分析

圖 4所示為500倍下試樣的SEM圖，從圖 4a可以看出試樣內(nèi)部存在完整的粉煤灰顆粒，且數(shù)量較多，由于養(yǎng)護齡期較短，水泥的水化反應(yīng)和粉煤灰的聚合反應(yīng)較慢，試樣內(nèi)部的生成物開始逐漸形成，物質(zhì)之間開始相互黏結(jié)。從圖 4b可以看出試樣內(nèi)部已經(jīng)有針狀結(jié)晶-鈣礬石生成，各種物質(zhì)之間的黏結(jié)也更加密實，圖 4c中可以反映出試樣內(nèi)部進行的化學(xué)反應(yīng)可能更加活躍，致使試樣內(nèi)部的物質(zhì)黏結(jié)更密實。

圖 4 粉煤灰水泥土500倍的SEM圖Fig. 4 SEM diagram of fly ash soil-cement 500 times a. 養(yǎng)護齡期為3d； b. 養(yǎng)護齡期為7d； c. 養(yǎng)護齡期為28d

圖 5所示為2000倍下試樣的SEM圖，從圖 5看出隨著養(yǎng)護齡期的增加，土顆粒表面的黏結(jié)物質(zhì)更多，呈現(xiàn)網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)或絮狀結(jié)構(gòu)，致使試樣內(nèi)部的孔隙減少，試樣越密實。因此，隨著養(yǎng)護齡期的增加與化學(xué)反應(yīng)持續(xù)進行，試樣內(nèi)部結(jié)構(gòu)的密實度越高。

圖 5 粉煤灰水泥土2000倍的SEM圖Fig. 5 SEM diagram of fly ash soil-cement 2000 times a. 養(yǎng)護齡期為3d； b. 養(yǎng)護齡期為7d； c. 養(yǎng)護齡期為28d

圖 6 水泥的XRD衍射圖Fig. 6 X-ray diffraction of cement a. C3S； b. C2S； c. Calcite； d. C3A

圖 7 粉煤灰的XRD衍射圖Fig. 7 X-ray diffraction of fly ash C. 硬石膏； M. 莫來石； Q. 石英

圖 8 黃土的XRD衍射圖Fig. 8 X-ray diffraction of loess L. 綠泥石； M. 蒙脫石； O. 鉀長石； Q. 石英

2.4 XRD成分分析

圖 6～圖 8為水泥、粉煤灰和黃土的XRD衍射圖。從XRD譜圖上可以看出水泥存在較多的衍射峰，主要含有C3S、C2S、C3A和Calcite。粉煤灰中20°～30°的范圍內(nèi)衍射峰呈現(xiàn)駝峰形，其原因在于粉煤灰中存在非晶體相SiO2，同時，粉煤灰中存在衍射特征峰，含有莫來石、硬石膏等。

水泥中含有的C3A水化速度較快，與水反應(yīng)生產(chǎn)水化鋁酸三鈣，粉煤灰中含有硬石膏(化學(xué)式為CaSO4)。試樣內(nèi)部的水化鋁酸三鈣與石膏反應(yīng)，生成高硫型水化硫鋁酸鈣針狀晶體，即為鈣礬石(蘇卿， 2016)。同時，隨著養(yǎng)護齡期的增加，粉煤灰中含有的CaSO4消耗完后部分的高硫型水化硫鋁酸鈣會逐漸轉(zhuǎn)化為單硫型水化硫鋁酸鈣晶體。同時，水泥水化反應(yīng)生成的氫氧化鈣會與粉煤灰中的SiO2等活性氧化物反應(yīng)生成水化鋁酸鈣和水化硫酸鈣，而這些物質(zhì)又和石膏反應(yīng)生成晶體。除此之外，生成的水化鋁酸鈣會相互凝結(jié)，在土顆粒表面生成網(wǎng)狀或絮狀結(jié)構(gòu)，使試樣的強度提高。

從XRD譜圖上看出黃土內(nèi)部存在較多的衍射峰，主要包含石英、長石等原生礦物和蒙脫石等黏土礦物，因此，黃土內(nèi)部礦物成分較為復(fù)雜(李廣信， 2013)，對粉煤灰水泥土強度有所影響。試樣在后期養(yǎng)護過程中，漿液內(nèi)部進行的聚合反應(yīng)可能會消耗黃土中的SiO2等礦物成分而生成水化硅酸鈣膠凝物質(zhì)等物質(zhì)，使得試樣內(nèi)部各物質(zhì)之間黏結(jié)密實。

圖 9 粉煤灰水泥土的XRD衍射圖Fig. 9 X-ray diffraction of fly ash cement stabilized soil C. 方解石； I. 伊利石； L. 綠泥石； M. 蒙脫石； O. 鉀長石； P. 氫氧化鈣； Q. 石英

圖 9所示為粉煤灰水泥土的XRD衍射圖。與圖 6～圖 8對比分析可發(fā)現(xiàn)，粉煤灰水泥土試樣內(nèi)部出現(xiàn)了原材料中未存在的物質(zhì)，氫氧化鈣和方解石，說明不同物質(zhì)之間已經(jīng)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)。氫氧化鈣既作為生成物又作為反應(yīng)物，與粉煤灰和黃土中的SiO2相互反應(yīng)，相互吸附，生成水化硅酸鈣膠凝物質(zhì)，這種膠凝物質(zhì)會隨著時間推移逐漸變?yōu)榫w，同時，試樣內(nèi)部生成的水化鋁酸鈣也會逐漸硬化。因此，試樣內(nèi)部的強度隨著齡期增加而提高。

方解石的化學(xué)成分主要為CaCO3，主要由于試樣內(nèi)部生成的氫氧化鈣與試樣內(nèi)部含有的CO2共同反應(yīng)，在試樣內(nèi)部生成極少含量的CaCO3，CaCO3結(jié)晶較為堅硬且不易溶于水，對試樣的抗剪強度有所提高。同時，從XRD譜圖可以看出，隨著齡期的增加，試樣內(nèi)部生成的各種物質(zhì)的衍射峰會逐漸增多，這些物質(zhì)之間又相互吸附，相互反應(yīng)，使得試樣內(nèi)部結(jié)構(gòu)密實，抗剪強度增大。

3 結(jié) 論

本文為了研究粉煤灰、水泥等材料固化濕陷性黃土的強度特性，使粉煤灰等工業(yè)副產(chǎn)品在工程應(yīng)用上有推廣價值，進行了不固結(jié)不排水三軸剪切試驗、SEM和XRD試驗，得出以下幾點結(jié)論：

(1)通過不固結(jié)不排水三軸剪切試驗可以發(fā)現(xiàn)，該配合比下粉煤灰水泥土的應(yīng)力-應(yīng)變曲線呈現(xiàn)應(yīng)變軟化型，養(yǎng)護齡期越長，試樣的抗剪強度越高。

(2)粉煤灰水泥土的黏聚力和內(nèi)摩擦角會隨著齡期的增加呈現(xiàn)出增大的趨勢，其主要原因在于隨著齡期增加試樣內(nèi)部的生成物增多，與土顆粒等材料之間的膠結(jié)作用增強，顆粒之間的滑動摩擦和咬合摩擦就越大，試樣的密實程度越高。

(3)隨著養(yǎng)護齡期的增加與試樣內(nèi)部化學(xué)反應(yīng)的持續(xù)進行，土顆粒表面的黏結(jié)物質(zhì)增多，內(nèi)部形成的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)和絮狀結(jié)構(gòu)與材料間的黏結(jié)程度越密實。

(4)試樣內(nèi)部各物質(zhì)之間的反應(yīng)會生成各種結(jié)晶物質(zhì)與膠凝物質(zhì)，這些物質(zhì)對試樣抗剪強度的提高有很大作用。