赤泥-鈣基復(fù)合水泥土的強度與電阻率特性研究

溫浩，索崇嫻，郝雅芬，樊佩閣，董曉強

(太原理工大學(xué) 土木工程學(xué)院， 山西 太原 030024)

0 引言

水泥土作為一種土壤加固技術(shù)，在工程中有著廣泛的應(yīng)用[1]，但水泥固化土也存在著強度不高，穩(wěn)定性較差等缺點。近年來一些學(xué)者通過向水泥土體系中添加其它材料的方法，達到改善水泥土力學(xué)性能的目的。固體廢物作為一種潛在資源，在土體改良中有著廣泛的應(yīng)用。KOLIAS等[2]利用高鈣粉煤灰與水泥穩(wěn)定細粒土，兩種粘結(jié)劑反應(yīng)生成的水化產(chǎn)物提高了材料的早期強度和最終強度，同時對彈性模量和CBR性能提升顯著。ROMANO等[3]向波蘭特水泥中添加赤泥，通過等溫傳導(dǎo)量熱法監(jiān)測水化反應(yīng)，并通過Vicat試驗監(jiān)測水泥的凝固時間，觀察到有大量的硅鋁酸鈣水化物形成，同時水泥砂漿中石膏消耗量增加。CHEN等[4]在水泥土中添加赤泥，結(jié)果表明赤泥摻入對無側(cè)限抗壓強度(UCS)有增強效果，相較于未處理黃土，動彈性模量提高四倍，赤泥摻量為15%～20%時效果最好。在水泥土中，Ca(OH)2對于CSH凝膠的生成速率影響較大[5]，通過提高Ca(OH)2含量可以有效促進水化反應(yīng)的進行[6]，同時固化土體系中生成的鈣礬石(AFt)等具有膨脹性質(zhì)的礦物可以填充材料孔隙[7]，對于強度提升效果明顯。一些學(xué)者將赤泥與脫硫石膏搭配，同樣也取得了一定成果。對于赤泥-石膏-礦渣-水泥熟料膠凝體系，高術(shù)杰等[8]研究了不同種類石膏對于膠凝體系抗壓強度的影響，指出添加不同種類石膏的材料水化產(chǎn)物類似，主要有AFt與CSH凝膠，脫硫石膏效果最好。祝麗萍等[9]通過X射線衍射(X-ray diffraction, XRD)、掃描電鏡(scanning electron microscope, SEM)、核磁共振等研究了膠凝體系早期水化產(chǎn)物，指出反應(yīng)初期有纖維狀與細針狀A(yù)Ft生成，與CSH凝膠相互膠結(jié)，形成了致密的結(jié)構(gòu)。

電阻率法作為一種快速的無損檢測手段，可以通過電阻率這一材料固有電學(xué)參數(shù)，表征材料力學(xué)性質(zhì)，繆林昌等[10]對水泥土電阻率模型進行了推導(dǎo)，分析了齡期、含水率等因素的影響。劉松玉等[11]分析了電阻率與UCS之間的關(guān)系，對應(yīng)用電阻率法檢測水泥土樁進行了可行性研究。董曉強等[12]對現(xiàn)場鉆取的水泥土芯樣進行了電阻率、UCS試驗及滲透試驗，進一步驗證了電阻率法應(yīng)用的可行性。文獻[13-15]指出，固化土體系中生成的AFt等膨脹礦物與CSH凝膠的協(xié)調(diào)性對于材料強度影響較大，但對于兩者協(xié)調(diào)性的檢測難度較大。本文著眼于利用赤泥、脫硫石膏、水泥研發(fā)新型膠結(jié)劑，利用電阻率表征AFt等膨脹礦物的填充作用，研究了赤泥的添加對于赤泥-鈣基復(fù)合水泥土強度與電阻率的影響。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

試驗所用赤泥取自山西孝義某鋁廠，屬于拜爾法生產(chǎn)Al2O3的副產(chǎn)物;脫硫石膏取自山西太原市二電廠;水泥為普通42.5硅酸鹽水泥;黃土取自山西太原東山某工地。

赤泥與脫硫石膏的掃描電鏡圖像及X射線射衍圖譜如圖1所示，圖1(a)、圖1(c)為赤泥、脫硫石膏掃描電鏡圖像，圖1(b)、圖1(d)為赤泥、脫硫石膏X射線射衍圖譜。由圖1可見，赤泥顆粒極小，呈細小片狀顆粒堆積膠結(jié)而成，XRD分析可知赤泥中含有CaCO3、水化硅酸鈣和其他成分復(fù)雜的礦物。相較于赤泥，脫硫石膏的顆粒尺寸較大，呈較規(guī)則的棱柱狀晶體，主要成分為CaSO4·0.5H2O及CaSO4·2H2O。主要原材料化學(xué)成分組成見表1。赤泥、脫硫石膏、黃土粒徑分布如圖2所示。

表1 主要原材料化學(xué)成分組成

(a) 赤泥掃描電鏡圖像

圖2 原料粒徑分布

1.2 試驗方法

原材料配合比見表2，其中以黃土質(zhì)量為基準，赤泥摻量CR依次為3%、6%、9%、12%、15%，含水量統(tǒng)一設(shè)為29%。制樣過程中原料總質(zhì)量保持不變，加蒸餾水攪拌均勻后分層裝入可拆卸三聯(lián)鋼模，振蕩成型，制成邊長70.7 mm立方體試樣，得到試塊的質(zhì)量在680～690 g，同一配比試塊質(zhì)量差在5 g以內(nèi)，使試樣密實度相對一致。試樣制備完成后標準養(yǎng)護至7、14、28 d，達到相應(yīng)齡期后進行強度及電阻率試驗。

表2 原材料配合比

抗壓強度試驗使用WAW-2000型微機控制電子萬能實驗機，選擇位移控制，速率為1 mm/min，取破壞后試樣用于XRD試驗。取指定齡期的小塊試樣，置于無水乙醇中，經(jīng)自然風干后將試樣打磨為50 mm×50 mm、厚度為2～3 mm的片狀樣品，噴金后用于掃描電鏡(SEM)試驗。掃描電鏡試驗和能譜分析(energy dispersive spectrometer, EDS)試驗采用UltimaIV 2036E102型電子顯微鏡進行試樣的微觀圖像采集和元素分析。

參照文獻[16-17]建議的試驗方法，得到試樣初始電阻率。參照文獻[18]建議的試驗方法，得到應(yīng)力-應(yīng)力-電阻率數(shù)據(jù)。

2 試驗結(jié)果分析

2.1 強度分析

圖3所示為不同赤泥摻量下養(yǎng)護齡期對抗壓強度的影響。由圖3可以看出，14 d齡期內(nèi)試樣抗壓強度增長迅速，齡期后半段增長緩慢。CR分別為3%、6%、9%、12%、15%時，對應(yīng)14 d齡期抗壓強度分別為2.32、2.27、2.64、2.72、2.74 MPa，分別達到28 d齡期抗壓強度的81%、74%、82%、83%、89%。14 d齡期對于試樣強度的形成較為關(guān)鍵。

圖3 養(yǎng)護齡期對抗壓強度的影響

圖4所示為不同養(yǎng)護齡期下赤泥摻量對抗壓強度的影響。由圖4可以看出，赤泥摻入對抗壓強度有增強效果，在CR=12%時，抗壓強度達到峰值。7、14 d齡期抗壓強度變化幅度較大，28 d齡期抗壓強度變化趨于平緩；當CR=6%時，7、14 d齡期試樣抗壓強度相較于CR=3%時出現(xiàn)下降；而當CR小于12%時，28 d齡期試樣抗壓強度表現(xiàn)為增加的趨勢。在養(yǎng)護初期，由于復(fù)合水泥土內(nèi)部水化反應(yīng)尚未完全進行，在試樣內(nèi)部存在大量孔隙，CR=6%時對應(yīng)脫硫石膏摻量為12%，在石膏摻量較小的情況下，生成的AFt無法有效填充孔隙，造成強度下降。養(yǎng)護后期，水泥水化反應(yīng)基本完成，AFt對于試樣中孔隙的填充效應(yīng)逐漸明顯，整體結(jié)構(gòu)趨于致密，當CR=6%時28 d齡期試樣的抗壓強度出現(xiàn)明顯增長。赤泥材料本身無法形成有效的強度，過量赤泥造成試樣堿性較大，抑制水化反應(yīng)的進行，因此CR=15%時抗壓強度出現(xiàn)明顯下降。

圖4 赤泥摻量對抗壓強度的影響

2.2 初始電阻率分析

圖5所示為養(yǎng)護齡期對電阻率的影響。由圖5可以看出，對于不同CR下，初始電阻率隨養(yǎng)護齡期增長的變化趨勢類似。圖6為不同赤泥摻量下初始電阻率與抗壓強度的關(guān)系，圖6中每條直線對應(yīng)的3個點表示3個不同的齡期。按照線性關(guān)系對圖6中數(shù)據(jù)進行擬合，得到的線性方程如公式(1)所示：

圖5 養(yǎng)護齡期對電阻率的影響

圖6 不同赤泥摻量下初始電阻率與抗壓強度的關(guān)系

qU=a+bρ,

(1)

式中，qU為抗壓強度，MPa；ρ為初始電阻率，Ω·m；a、b為常數(shù)。初始電阻率與抭壓強度線性方程相關(guān)參數(shù)見表3。除CR=9%外，其余摻量下R2>0.95，CR=12%時R2=0.98?？傮w而言，初始電阻率與抗壓強度相關(guān)性良好。

表3 初始電阻率與抗壓強度線性方程相關(guān)參數(shù)

圖7所示為不同養(yǎng)護齡期下試樣初始電阻率與赤泥摻量的關(guān)系。赤泥的摻入提高了試樣初始電阻率，當CR=12%時，初始電阻率達到最大值，同時抗壓強度也到達峰值。比較不同齡期下初始電阻率變化趨勢，28 d齡期變化規(guī)律相較于7、14 d齡期表現(xiàn)出一定的差異性，變化幅度較大。電阻率作為土體固有的電學(xué)參數(shù)，表征試樣內(nèi)部結(jié)構(gòu)變化。當CR較小時，對應(yīng)脫硫石膏摻量較小，反應(yīng)生成的AFt無法有效填充試樣中的孔隙，抗壓強度與初始電阻率較低。當CR=12%時，CSH凝膠與AFt協(xié)調(diào)性最好，AFt的填充效果明顯，試樣抗壓強度與初始電阻率達到峰值。當CR較大時，過量的赤泥抑制了水化反應(yīng)的進行，反應(yīng)生成過量的AFt對孔隙結(jié)構(gòu)有破壞作用，試樣初始電阻率下降。AFt填充效應(yīng)對試樣孔隙的數(shù)量有較大影響，但土體孔隙率的測試不僅操作困難，同時價格昂貴，由于初始電阻率與強度相關(guān)性良好，可利用初始電阻率這一材料固有參數(shù)表征AFt與CSH凝膠生成速率的協(xié)調(diào)性。

圖7 不同養(yǎng)護齡期下初始電阻率與赤泥摻量的關(guān)系

2.3 應(yīng)力-應(yīng)變-電阻率分析

根據(jù)文獻[17]，當原材料相同配合比不同時，試樣應(yīng)力-應(yīng)變-電阻率曲線具有相似性，因此取不同齡期的應(yīng)力-應(yīng)變-電阻率曲線進行分析。圖8為CR=12%,齡期分別為7、14、28 d時試樣的應(yīng)力-應(yīng)變-電阻率曲線圖。復(fù)合水泥土應(yīng)力-應(yīng)變-電阻率曲線可分3個階段進行討論[19]：①初始加載階段，此階段應(yīng)變增長較快，應(yīng)力變化較小，試樣內(nèi)部孔隙被持續(xù)壓縮，土體微觀重組，孔隙水通道貫通，電阻率快速下降。②持續(xù)加載階段，隨應(yīng)變增加，試樣進入彈性變形階段，此時應(yīng)力快速增長，電阻率在經(jīng)過快速降低后趨于穩(wěn)定，在試樣表面薄弱處有微小裂紋產(chǎn)生。③破壞階段，當應(yīng)力達到峰值后，隨著應(yīng)變進一步增長，應(yīng)力迅速降低，直至試樣發(fā)生破壞。試樣表面裂紋迅速發(fā)展，形成了較大的裂紋，最終完全貫通。此階段在可以觀察到電阻率有上升的趨勢，但變化幅度很小，可以認為電阻率保持穩(wěn)定。

(a) 7 d

本文所選用試樣采用振蕩成型，與靜壓法成型的試樣相比較[17]，應(yīng)力-應(yīng)變-電阻率曲線有所不同，靜壓法成型試樣應(yīng)力達到峰值后，隨著試驗的進行，試樣電阻率有明顯的上升，試驗大約在應(yīng)變達到5%后停止。采取振蕩成型的試樣，隨應(yīng)力增長，電阻率迅速降低至穩(wěn)定值，之后變化很小，應(yīng)變基本達到8%以上，此后隨著試驗進行，發(fā)現(xiàn)試樣有被壓成“餅狀”的情形發(fā)生，對應(yīng)于圖8(a)中8%應(yīng)變時應(yīng)力-應(yīng)變曲線相對平緩的現(xiàn)象。靜壓法成型試樣試驗完成后較破碎，振蕩法成型試樣試驗完成后試樣完整度較高。

2.4 SEM&EDS分析

圖9 不同齡期下試樣XRD圖譜

圖9為不同齡期下試樣XRD圖譜，為使分析更為全面，對56 d齡期試樣同樣進行XRD測試。對比可知，相較于7、28 d齡期試樣，56 d齡期試樣在10°附近有峰消失，此峰代表CaSO4·2H2O；同樣代表CaSO4·2H2O的峰在30°至35°范圍內(nèi)也有消失，可見反應(yīng)中有CaSO4·2H2O被消耗。7、14、28 d齡期試樣的XRD圖譜中都可以觀察到有AFt與CSH凝膠生成。

圖10為28 d齡期試樣的SEM圖像與EDS圖譜，圖10(b)、圖10(d)依次為圖10(a)、圖10(c)中方框與橢圓框區(qū)域EDS圖譜。圖10(a)中可見有大量無定形CSH凝膠形成[20]，圖10(c)中可見有大量短柱狀A(yù)Ft生成[8]，EDS元素分析證明了以上觀點。由圖1(a)、圖1(c)可知，赤泥與脫硫石膏顆粒尺寸相差較大，在赤泥-鈣基復(fù)合水泥土體系中，未參與反應(yīng)脫硫石膏顆粒起到了骨架作用。反應(yīng)過程中，試樣碳酸化反應(yīng)生成CaCO3，同時孔隙水中有的大量Ca(OH)2晶體析出。水泥水化生成的不定形CSH凝膠將CaCO3和Ca(OH)2晶體包裹，初步形成穩(wěn)定結(jié)構(gòu)。試樣內(nèi)部依舊存在大量孔隙，脫硫石膏反應(yīng)生成的AFt填充其中，使試樣孔隙大量減少，強度增長。

(a) ×5000

復(fù)合水泥土體系中，赤泥析出的OH-離子與脫硫石膏溶解產(chǎn)生的Ca2+相結(jié)合，使孔隙水中過量的Ca(OH)2析出，充足的Ca(OH)2對于體系水化反應(yīng)較為關(guān)鍵[6]，在此過程中脫硫石膏起到了“補鈣”的作用。赤泥中同時也含有部分水泥熟料的成分，同樣參與水化反應(yīng)。在赤泥的堿激發(fā)作用下，脫硫石膏發(fā)生火山灰反應(yīng)生成了大量的AFt，AFt是具有膨脹性質(zhì)的礦物，過量的AFt會破壞體系結(jié)構(gòu)。原料中水泥水化反應(yīng)提供了大量CSH凝膠。此時AFt與CSH凝膠生成速率的協(xié)調(diào)性對于試樣強度發(fā)展很重要，AFt的孔隙填充效果越好，強度越大。

3 結(jié)論

① 赤泥摻入加速了水泥的水化進程，同時對脫硫石膏有激發(fā)作用，生成的AFt對于孔隙填充作用明顯，CR=12%時CSH凝膠與AFt協(xié)調(diào)性最好，強度表現(xiàn)最優(yōu)。

② 赤泥的摻入顯著提高了赤泥-鈣基復(fù)合水泥土的強度，選擇配合比為：赤泥12%、脫硫石膏24%、水泥10%、黃土100%時，試樣的強度表現(xiàn)最優(yōu)。CR小于12%時，火山灰反應(yīng)產(chǎn)生的AFt的填充效果隨赤泥摻量的增加逐漸增強，CR大于12%時，生成的過量AFt對結(jié)構(gòu)體系有破壞作用。

③ 赤泥的摻入對試樣初始電阻率影響明顯，初始電阻率隨CR的增加而增加，當CR=12%時達到最大值，此后隨著CR的增加而減小，初始電阻率與抗壓強度線性擬合相關(guān)性良好?？衫贸跏茧娮杪时碚鰽Ft的填充作用。隨著應(yīng)力的增長，電阻率呈現(xiàn)出迅速下降后趨于穩(wěn)定的特點。