復(fù)合粉煤灰砒砂巖水泥土力學(xué)性能室內(nèi)試驗(yàn)研究

楊健，李曉麗，王輝，耿凱強(qiáng)

(內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)水利與土木建筑工程學(xué)院，內(nèi)蒙古 呼和浩特010018)

鄂爾多斯高原是紅色砒砂巖的集中分布地區(qū)，砒砂巖結(jié)構(gòu)疏松散塌，且其粒間的膠結(jié)能力極差，水蝕潰散，風(fēng)侵變砂[1].隨著中國經(jīng)濟(jì)建設(shè)的迅猛發(fā)展，鄂爾多斯地區(qū)的城市交通建設(shè)和房屋建設(shè)也得到跨越式發(fā)展.該地區(qū)對于開采完的砒砂巖主要還是用于基坑與地基的回埋，這樣會使砒砂巖暴露于地表，如遇雨水沖刷、風(fēng)力侵蝕等內(nèi)力的共同作用，會使砒砂巖土體整體結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性和強(qiáng)度有所降低，很難起到穩(wěn)固地基和基坑的作用，這將給土建、房建工程帶來嚴(yán)重的安全隱患[2-3],因此開發(fā)經(jīng)濟(jì)實(shí)用的各類砒砂巖與水泥、粉煤灰、礦渣粉等復(fù)合新材料，并系統(tǒng)地研究各類砒砂巖復(fù)合土材料的最佳配比，充分發(fā)揮砒砂巖復(fù)合土力學(xué)性能，既可以減少當(dāng)?shù)厮亮魇В€可以變廢為寶，實(shí)現(xiàn)資源的有效利用.

為了改善砒砂巖的性能，已經(jīng)有相關(guān)砒砂巖和水泥形成復(fù)合材料的研究成果.鄔尚贇等[4]研究顯示，由于水泥具有較好的膠結(jié)能力，通過砒砂巖中加入水泥，解決了砒砂巖遇水潰散的特性，并使砒砂巖的強(qiáng)度大幅提高.除此之外，復(fù)合粉煤灰水泥土的相關(guān)研究亦有大量成果.賈蒼琴等[5]通過對水泥土做掃描電鏡(SEM)可知，粉煤灰對填充骨料顆粒的空隙具有良好作用，使孔隙填充得更加密實(shí)，有利于提升強(qiáng)度和控制變形.陳峰等[6]通過對粉煤灰摻量為0和8%的水泥土進(jìn)行無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn),研究發(fā)現(xiàn)粉煤灰摻量和養(yǎng)護(hù)齡期的增加對水泥土變形模量的增長有促進(jìn)作用.徐紅等[7]將淤泥質(zhì)黏土中摻入了不同比例粉煤灰，并進(jìn)行三軸剪切以及滲透等試驗(yàn),探究了摻粉煤灰對其變形特性以及力學(xué)性能變化的特征.楊有海等[8]研究了水泥和粉煤灰摻入對水泥攪拌飽和黃土強(qiáng)度有改善作用，指出粉煤灰與水泥的適宜配比為0.5時更為經(jīng)濟(jì)合理.KANIRAJ等[9]通過對水泥土進(jìn)行無側(cè)限抗壓試驗(yàn)，分析得出在不同含水量、不同粉煤灰摻量、不同齡期下無側(cè)限抗壓強(qiáng)度和變形模量的函數(shù)關(guān)系.

粉煤灰作為工業(yè)廢料因其具有細(xì)化孔隙，強(qiáng)化水泥土內(nèi)部結(jié)構(gòu)密實(shí)度等特點(diǎn)被廣泛應(yīng)用于軟土、有機(jī)質(zhì)土的加固.但有關(guān)砒砂巖水泥土和粉煤灰形成復(fù)合新材料的研究尚少，故文中充分利用鄂爾多斯地區(qū)富產(chǎn)的粉煤灰制成復(fù)合粉煤灰砒砂巖水泥土，對其力學(xué)特性變化進(jìn)行研究，通過無側(cè)限抗壓強(qiáng)度、SEM掃描電鏡、超景深三維顯微鏡等試驗(yàn)方法探究復(fù)合水泥土強(qiáng)度變化規(guī)律和變形破壞特性，為復(fù)合粉煤灰砒砂巖水泥土在路基墊層和農(nóng)田襯砌等實(shí)際工程中的應(yīng)用提供理論依據(jù).

1 試驗(yàn)方案

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)選取內(nèi)蒙古鄂爾多斯市準(zhǔn)格爾旗的紅色砒砂巖土樣，砒砂巖的物理參數(shù)：飽和含水量θs為18.60%～19.50%，液限指數(shù)WL為29.30%，塑限指數(shù)WP為19.60%，塑性指數(shù)IP為9.0，滲透系數(shù)k為5.20×10-3mm/s，孔隙率P為31.04%～35.15%，密度ρ為1.85～1.96 g/cm3,土的分類為砂土.把砒砂巖取回進(jìn)行碾磨壓碎，自然風(fēng)干后，通過2.36 mm篩篩選備用.水泥選取冀東P·O42.5普通硅酸鹽水泥.本試驗(yàn)粉煤灰采用呼和浩特金橋熱電廠生產(chǎn)的Ⅰ級粉煤灰，其主要化學(xué)物質(zhì)為SiO2，F(xiàn)e2O3，Al2O3，用水為普通自來水.

1.2 試驗(yàn)方法

普通硅酸鹽水泥摻量根據(jù)《公路工程無機(jī)結(jié)合料穩(wěn)定材料試驗(yàn)規(guī)程》(JTG E51-2009)相關(guān)規(guī)定進(jìn)行計(jì)算，制作表征試塊Φ50×H50，水泥摻量10%，粉煤灰摻量為0，6%，9%，12%，15%，每組試樣制作3個平行塊.試樣制作需預(yù)先將80%的水和砒砂巖攪拌均勻，密封袋密封浸潤24 h后，再將粉煤灰、水泥和20%的水?dāng)嚢杈鶆蛐纬伤w系摻入浸潤土中再次攪拌后，直接裝模壓實(shí)成型.脫模后將試件放入濕度95%, 溫度 (20±2) ℃的標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)箱中養(yǎng)護(hù)7，28，60 d.當(dāng)試件到達(dá)養(yǎng)護(hù)齡期后按照《土工試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T50123—2019)的有關(guān)規(guī)定取平行試樣放入溫度為(20±2) ℃水中浸泡24 h，水面高于試件，飽水后取出試件，用濾紙擦拭表面殘留水，進(jìn)行無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)以及微觀結(jié)構(gòu)試驗(yàn).

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 無側(cè)限抗壓強(qiáng)度分析

圖1為在不同粉煤灰摻量、不同齡期下砒砂巖復(fù)合水泥土的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度變化情況,圖中σ為無側(cè)限抗壓強(qiáng)度，t為齡期，w為粉煤灰摻量.隨著粉煤灰摻量的增加，砒砂巖復(fù)合水泥土無側(cè)限抗壓強(qiáng)度發(fā)展均呈現(xiàn)上升趨勢.但在粉煤灰摻量為15%時，試件無側(cè)限抗壓強(qiáng)度增長緩慢，在7,28,60 d齡期時，粉煤灰摻量為15%時試件無側(cè)限抗壓強(qiáng)度較粉煤灰摻量為12%時增幅分別僅為0.02%，0.51%，0.54%.由此可見，粉煤灰的摻入可有效提高砒砂巖水泥土的強(qiáng)度性能，但當(dāng)粉煤灰過量時(15%)，由于粉煤灰是一種無黏性材料[10]，未完全反應(yīng)的部分粉煤灰會降低顆粒間的連接和砒砂巖粒間的黏結(jié)力，使摻粉煤灰砒砂巖復(fù)合水泥土(15%)的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度增速減緩.粉煤灰摻量不變時，隨著齡期的增長砒砂巖復(fù)合水泥土抗壓強(qiáng)度增長迅速，28 d抗壓強(qiáng)度較7 d增長尤為明顯，增幅分別為73.74%，85.12%，64.13%，56.20%，56.97%，60 d抗壓強(qiáng)度較7 d分別增長了57.30%，73.41%，50.10%，45.54%，45.82%.當(dāng)齡期為28 d時，6%粉煤灰摻量的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度為4.02 MPa，近似達(dá)到耿凱強(qiáng)等[11]單摻15%水泥形成砒砂巖水泥土抗壓強(qiáng)度，因此在相近膠凝材料下，摻入6%粉煤灰具有較高的經(jīng)濟(jì)價(jià)值，且可實(shí)現(xiàn)生態(tài)環(huán)保.

圖1 各摻量、齡期下砒砂巖復(fù)合水泥土無側(cè)限抗壓強(qiáng)度

2.2 變形破壞模式

2.2.1 變形特征

圖2為未摻粉煤灰水泥土在28 d齡期的應(yīng)力-應(yīng)變曲線.FA-0，F(xiàn)A-6，F(xiàn)A-9，F(xiàn)A-12，F(xiàn)A-15分別表示粉煤灰摻量為0,6%,9%,12%,15%.圖3為不同粉煤灰摻量和不同齡期的砒砂巖復(fù)合水泥土的應(yīng)力-應(yīng)變曲線.水泥土應(yīng)力-應(yīng)變特性有助于分析其在單軸壓縮下產(chǎn)生的變形特性.通過無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)，得到粉煤灰摻量下砒砂巖復(fù)合水泥土的應(yīng)力-應(yīng)變曲線，如圖2,3所示.從圖中可以看出，摻粉煤灰砒砂巖復(fù)合水泥土和素砒砂巖水泥土的應(yīng)力-應(yīng)變曲線大致可分為4個階段：壓密階段(OA)、彈性階段(AB)、塑性屈服階段(BC)和破壞階段(CD).

圖2 FA-0應(yīng)力-應(yīng)變曲線

1) 壓密階段：在單軸壓縮條件下，從單向受壓初始到4.8%～27.1%的峰值應(yīng)力σ為砒砂巖復(fù)合水泥土試樣的壓密階段.該階段砒砂巖復(fù)合水泥土試樣變形量增加較快，內(nèi)部微孔逐漸壓密，荷載上升相對平緩，斜率被用來近似反映復(fù)合水泥土內(nèi)部微孔變化狀況[12].在不同齡期和不同粉煤灰摻量下，普通砒砂巖水泥土和摻粉煤灰砒砂巖水泥土試樣的斜率均隨著齡期和粉煤灰摻量增加逐漸變大，應(yīng)變?yōu)?.003 4～0.004 7.

2) 彈性階段：壓密階段后至57.5%～86.7%峰值應(yīng)力為彈性階段.該階段應(yīng)力與應(yīng)變近似成直線關(guān)系，曲線進(jìn)入線性上升階段，主要是水泥土裂縫的穩(wěn)定發(fā)展階段.與壓密階段相比，該階段曲線斜率較大，應(yīng)變增長率降低.在不同齡期時，隨著粉煤灰摻量的增加曲線斜率均呈現(xiàn)增大趨勢，且摻粉煤灰砒砂巖復(fù)合水泥土曲線斜率均比普通水泥土大，養(yǎng)護(hù)齡期為28 d時，摻0,6%,9%,12%,15%粉煤灰砒砂巖水泥土最大線應(yīng)變分別為0.014 0,0.011 0,0.092 3,0.091 4,0.083 5.表明粉煤灰的摻量會使最大線應(yīng)變減小，使砒砂巖復(fù)合水泥土材料塑性降低，脆性有所增強(qiáng).

3) 塑性屈服階段：彈性階段結(jié)束后到峰值應(yīng)力為塑性屈服階段.該階段主要是水泥土裂縫的加速擴(kuò)展階段，砒砂巖復(fù)合水泥土的應(yīng)力與應(yīng)變呈非線性，應(yīng)變增長速度快而應(yīng)力增長變緩并逐漸達(dá)到應(yīng)力峰值.由圖3b可知，峰值應(yīng)力隨著粉煤灰的摻入和齡期的增大而增大，分別為1.71,2.17,3.08,3.62,3.63 MPa，表明粉煤灰摻入和齡期的增長有利于強(qiáng)度的增長，但當(dāng)粉煤灰超過臨界含量(文中為12.0%)時，由于粉煤灰的不黏性能，導(dǎo)致峰值應(yīng)力增長減緩.

圖3 不同粉煤灰摻量、養(yǎng)護(hù)齡期砒砂巖復(fù)合水泥土應(yīng)力-應(yīng)變曲線

4) 破壞階段：應(yīng)變達(dá)到峰值后，曲線呈下降趨勢，表明承載力下降.該階段是單軸壓縮下?lián)p傷急劇發(fā)展階段，砒砂巖復(fù)合水泥土微小裂縫快速擴(kuò)展為宏觀裂縫，并形成貫通而使試件破壞.

2.2.2 變形模量

圖4為粉煤灰摻量對復(fù)合水泥土E50影響與E50和qu的變化關(guān)系.

圖4 粉煤灰摻量對復(fù)合水泥土E50影響與E50和qu的變化關(guān)系

由于在單向荷載作用下，粉煤灰摻量與齡期的變化直接影響著砒砂巖水泥土的變形能力，故引入平均變形模量E50來描述砒砂巖水泥土在單軸壓縮下的變形特征，即

(1)

式中：E50為平均變形模量；Δσ和Δε分別為其應(yīng)力增量和應(yīng)變增量；qu為應(yīng)力峰值；ε0.5為應(yīng)力等于0.5qu所對應(yīng)的應(yīng)變值.

通過式(1)計(jì)算得出不同齡期、不同粉煤灰摻量下平均變形模量E50值，可知平均變形模量隨著標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)齡期與粉煤灰摻量的增加呈現(xiàn)上升趨勢，如圖4a所示.在7，28，60 d齡期時，各粉煤灰摻量下平均變形模量均僅為粉煤灰摻量為0的1.05倍左右，而各粉煤灰摻量下，60，28 d養(yǎng)護(hù)齡期平均變形模量值均為7 d的1.30倍和1.76倍左右.結(jié)果表明粉煤灰摻量的增加對復(fù)合水泥土變形模量的增長幅度影響不大，主要是受齡期的影響.由圖4b可知，砒砂巖復(fù)合水泥土的平均變形模量與峰值應(yīng)力基本滿足E50=(46～99)qu,基本可以反映單軸壓縮下砒砂巖復(fù)合水泥土試樣強(qiáng)度與彈塑性變形之間的變化關(guān)系.

2.2.3 破壞模式

通過單軸壓縮試驗(yàn)研究了砒砂巖復(fù)合水泥土在受荷結(jié)束后的最終破壞形式.粉煤灰摻量為0時砒砂巖復(fù)合水泥土的損傷裂紋形成貫通擴(kuò)展趨勢，裂紋寬度和深度發(fā)展較大，導(dǎo)致砒砂巖復(fù)合水泥土表面大量結(jié)塊剝落，砒砂巖復(fù)合水泥土試樣破壞.當(dāng)粉煤灰摻量為12.0%時，砒砂巖復(fù)合水泥土裂紋寬度變薄，損傷裂紋與粉煤灰摻量0相比更加細(xì)小.由于隨著粉煤灰的摻入，粉煤灰-水泥體系反應(yīng)生成具有更好吸附膠結(jié)能力的水化硅酸鈣(C-S-H)凝膠，構(gòu)成均勻致密的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，對砒砂巖土體顆粒的膠結(jié)作用增強(qiáng)，使土體結(jié)構(gòu)更加穩(wěn)定，從而使裂紋萌生的發(fā)展受到抑制.

2.3 微觀機(jī)理分析

為了進(jìn)一步研究粉煤灰砒砂巖水泥土微結(jié)構(gòu)特征，選取養(yǎng)護(hù)齡期為28 d，粉煤灰摻量為0和粉煤灰摻量為12.0%砒砂巖復(fù)合水泥土進(jìn)行微觀結(jié)構(gòu)分析.

圖5為各試塊放大2 000倍,5 000倍的微觀結(jié)構(gòu)圖.由圖5a可知，當(dāng)粉煤灰摻量為0，試樣微結(jié)構(gòu)出現(xiàn)細(xì)小裂紋，且在砒砂巖表面只附著少量水化硅酸鈣(C-S-H凝膠)和鈣礬石(AFt)晶體，在砒砂巖顆粒之間形成了牢固的結(jié)合.由圖5b可知，隨著粉煤灰摻量的增加，內(nèi)部孔隙穿插著大量交錯生長且紋理十分致密的針狀、絮狀水化硅酸鈣(C-S-H)凝膠相，并大量附著于砒砂巖顆粒表面，而鈣礬石(AFt)晶體多以重疊簇?fù)淼男问酱┎逵诩?xì)小孔隙和附著于水泥土基質(zhì)表層.同時圖中可清晰地看出未反應(yīng)的微珠狀粉煤灰對水泥土內(nèi)部細(xì)小孔隙進(jìn)行物理填充和細(xì)化.表明粉煤灰的摻入增大了水化體系的火山灰反應(yīng)效率，使活性SiO2，Al2O3在堿性環(huán)境下Si-O鍵和Al-O鍵斷裂與Ca(OH)2反應(yīng)，產(chǎn)生了更大比表面積和吸附力的C-S-H凝膠相，使砒砂巖顆粒之間的連接由接觸連接變?yōu)槟z合連接，砒砂巖顆粒間孔隙逐漸減少，結(jié)構(gòu)更加規(guī)則有序且均勻致密.

圖5 各試塊放大2 000倍，5 000倍微觀結(jié)構(gòu)圖

反應(yīng)機(jī)理如下：

SiO2+αCa(OH)2+βH2O→αCaO·SiO2·βH2O,

(2)

Al2O3+αCa(OH)2+βH2O→αCaO·Al2O3·βH2O,

(3)

C4AH13+CaSO4+H2O→AFt+Ca(OH)2.

(4)

2.4 細(xì)觀微孔的演變規(guī)律

采用德國Lecia的Z16APO型超景深三維顯微鏡對砒砂巖水泥復(fù)合土的表觀形貌特征進(jìn)行觀測.通過超景深三維顯微鏡高分辨率攝像頭將砒砂巖水泥復(fù)合土試件表觀放大50倍，對試件表面形貌變化進(jìn)行高度還原.

首先將試件放置在工作臺指定位置，對不同粉煤灰摻量試件進(jìn)行觀測，然后通過Lecia Map軟件構(gòu)建試件表觀三維立體圖像.圖6為砒砂巖復(fù)合水泥土超景深3D圖，圖中D為孔調(diào)深度.以粉煤灰摻量為0 (見圖6a)與粉煤灰摻量為12.0%(見圖6b)為例分析可知，當(dāng)粉煤灰摻量為0時其表觀平均高差為232 μm，粉煤灰摻量為12.0%時試樣表觀平均高差為145 μm，相比較可知，粉煤灰摻量為12.0%時試樣的平均高差較粉煤灰摻量為0時減小了87 μm.研究結(jié)果表明粉煤灰的摻量能夠有效地修復(fù)砒砂巖復(fù)合水泥土內(nèi)部孔隙的缺陷，并對表觀微孔隙的有填充作用，從而對強(qiáng)度的提升具有促進(jìn)作用.

圖6 砒砂巖復(fù)合水泥土超景深3D圖

圖7為不同粉煤灰摻量試樣切剖圖，圖中L為x軸坐標(biāo)點(diǎn).通過引入剖面孔洞深度的變化來描述2種粉煤灰摻量下表觀形貌及微小孔隙的演化，使用Leica Map軟件將2種粉煤灰摻量下的表觀3D圖橫向切割成4等份，對粉煤灰摻量為0和粉煤灰摻量為12.0%的三剖面孔洞界面深度變化進(jìn)行分析,如圖7所示，3D圖切割法如圖6所示.由切剖圖分析可知，粉煤灰摻量為12.0%時的試塊表觀超景深3D圖的3個切剖面豎向位置較粉煤灰摻量為0時有所上移，通過Leica Map軟件進(jìn)行分析得出剖面A，B，C處上移的縱向最大孔洞深度為80.1，77.3，132.3 μm，同時對試樣表觀不同觀測位置的原樣圖進(jìn)行對照分析得出，粉煤灰摻量為12.0%試樣表觀較未摻時更加平滑，由此表明粉煤灰的摻入對砒砂巖水泥復(fù)合土試樣的表觀孔洞具有一定的填充和密實(shí)作用.

圖7 不同粉煤灰摻量試樣切剖圖

3 結(jié) 論

1) 隨著粉煤灰摻量的增加，砒砂巖復(fù)合水泥土的強(qiáng)度呈現(xiàn)增大的趨勢，但當(dāng)粉煤灰摻量一定時(文中為12.0%)，再摻入對強(qiáng)度的影響減小，隨著齡期的增長，其強(qiáng)度迅速增大.

2) 在單軸壓縮條件下，砒砂巖復(fù)合水泥土的應(yīng)力-應(yīng)變曲線可以分為壓密階段、彈性階段、塑性屈服階段和破壞階段.在壓密階段，試樣變形量增加較快，內(nèi)部孔隙逐漸壓密；在彈性階段，隨著粉煤灰摻量和齡期的增加，砒砂巖復(fù)合水泥土試樣應(yīng)力-應(yīng)變曲線斜率與峰值應(yīng)力均逐漸變大，而最大線應(yīng)變減小；在塑性屈服階段，試樣應(yīng)變增長速率快而應(yīng)力變緩并逐漸達(dá)到峰值應(yīng)力；在破壞階段，當(dāng)達(dá)到峰值應(yīng)力后，承載力下降，試樣表面裂縫迅速擴(kuò)展形成貫通而使試件破壞.

3) 隨著粉煤灰摻量和養(yǎng)護(hù)齡期的增加，砒砂巖復(fù)合水泥土的平均變形模量逐漸增強(qiáng).

4) 粉煤灰的摻入改變了砒砂巖水泥土內(nèi)部微觀結(jié)構(gòu)以及表觀形貌特征，在摻入粉煤灰后，粉煤灰玻璃網(wǎng)絡(luò)中的活性SiO2迅速與水化體系中Ca(OH)2反應(yīng)生成比表面積更大且吸附力更強(qiáng)的C-S-H凝膠以及重疊簇?fù)淼腁Ft貫穿于試樣內(nèi)部，使內(nèi)部結(jié)構(gòu)更加致密穩(wěn)定以及對表觀孔洞進(jìn)行填充，促使宏觀強(qiáng)度有所提升，抑制了裂紋和孔隙的擴(kuò)展、貫通.