凍融循環(huán)對堿激發(fā)高爐礦渣微粉加固軟土強度的影響

邵 俐，李佩青，王彬杰

(上海理工大學(xué) 環(huán)境與建筑學(xué)院，上海 200093)

0 引言

高爐礦渣微粉(ground granulated blast furnace slag，簡稱GGBS)作為一種工業(yè)副產(chǎn)品，具有與水泥相似的膠凝性能，且具有穩(wěn)定性好、活性高、成本低等優(yōu)點[1-3]，因此可被用來代替波蘭特水泥進(jìn)行軟土固化。高爐礦渣微粉發(fā)生水化反應(yīng)產(chǎn)生的水化硅酸鈣(CSH)和水化鋁酸鈣(CAH)能夠使松散的土顆粒膠結(jié)，從而提高固化土的塑性指數(shù)和無側(cè)限抗壓強度[4-5]。

由于軟土的強度低、孔隙比大等特性，僅添加GGBS的固化土耐久性和力學(xué)性質(zhì)較差，且其本身的水化速度慢[6-7]，不足以滿足工程需要。許多學(xué)者進(jìn)行了大量的試驗，研究表明在添加GGBS的基礎(chǔ)上，再加入Na2CO3，NaOH，CaO或MgO等堿性激發(fā)劑能夠有效地加速其水化反應(yīng)，顯著提高軟土的抗壓強度、降低孔隙體積和滲透系數(shù)[4,8-9]。Song等[10]通過試驗改變礦渣/堿激發(fā)劑的比例，提高了固化土28 d的抗壓強度。Wentao Li等[11]對比發(fā)現(xiàn)相比于水泥固化，MgO-GGBS的固化效果更好，且所造成的膨脹性更小。

復(fù)雜的氣候環(huán)境會影響軟土的固化效果。周梅等[12]研究發(fā)現(xiàn)地質(zhì)聚合物膠砂強度受養(yǎng)護(hù)溫度的影響較大，尤其對早期強度影響顯著。Tebaldi[13]等對不同凍融循環(huán)次數(shù)下石灰改性土的試驗表明隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加，土體強度逐漸下降，而在10次循環(huán)后逐漸趨于穩(wěn)定。董慧等[14]通過研究凍融水泥土發(fā)現(xiàn)凍融水泥土的無側(cè)限抗壓強度隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加逐漸減小且凍融前后水泥土的應(yīng)力應(yīng)變曲線均呈應(yīng)變軟化型?？骂５萚15]研究發(fā)現(xiàn)凍融循環(huán)作用使固化淤泥土的內(nèi)摩擦角和黏聚力減小，塑性破壞轉(zhuǎn)變?yōu)榇嘈云茐模瑥亩鴮?dǎo)致強度低、承載能力差。吳王意[16]對改性濱海水泥土進(jìn)行凍融循環(huán)試驗發(fā)現(xiàn)凍融循環(huán)對其強度有劣化作用，且主要發(fā)生在前期。吳燕開等[17]采用水泥、鋼渣粉和NaOH改良膨脹土發(fā)現(xiàn)外摻料的水化作用能夠產(chǎn)生膠凝物質(zhì)，從而使膨脹土顆粒變得密實且凍融循環(huán)作用下，體積變化率降低。

目前關(guān)于GGBS在堿性激發(fā)劑促進(jìn)下固化土體的研究有很多，且有研究表明石膏硫酸鹽能夠提高堿激發(fā)劑對GGBS活性的影響，使其強度進(jìn)一步提高[18]，但大多數(shù)的研究都停留在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)條件下。本研究考慮到溫度變化對堿激發(fā)高爐礦渣固化土特性的影響，利用復(fù)合激發(fā)劑激發(fā)原理，采用高爐礦渣微粉輔以石灰作為堿性激發(fā)劑并外摻石膏和硫酸鈉的方法對上海地區(qū)軟土進(jìn)行固化處理，通過無側(cè)限抗壓強度試驗、X射線衍射(XRD)試驗和掃描電鏡(SEM)試驗，研究了標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)和凍融養(yǎng)護(hù)兩種條件下固化土的強度特性，對比分析凍融循環(huán)養(yǎng)護(hù)條件對其特性的影響，并通過XRD試驗和SEM試驗探究其微觀機理。

1 試驗方案與方法

1.1 試驗材料

試驗所用的軟土取自上海地區(qū)，其基本物理性質(zhì)如表1所示。

表1 土體的基本物理性質(zhì)Tab.1 Basic physical properties of soil

圖1 土體的粒徑分析Fig.1 Particle size analysis of soil

土體的顆粒級配用BT-9300Z型激光粒度分布儀測得(如圖1)。所用礦渣為標(biāo)號S105的礦渣微粉，石灰為分析純CaO，材料的具體化學(xué)成分如表2所示，所用外摻劑石膏和硫酸鈉均為分析純試劑。

表2 材料的化學(xué)組成成分Tab.2 Chemical compositions of materials

1.2 試驗方案

為研究凍融循環(huán)養(yǎng)護(hù)條件對添加外摻劑固化軟土強度特性的影響，本試驗采用4種摻入方案，分別為單摻GGBS，Lime+GGBS，Lime+GGBS+石膏，Lime+GGBS+硫酸鈉。固化劑(GGBS，Lime+GGBS)的總摻入量均為干土質(zhì)量的20%，且經(jīng)過前期的試驗研究，Lime與GGBS的最佳配合比為6∶14，石膏硫酸鹽外摻劑的摻量為固化劑的5%。為了與標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)條件形成對比，各摻量組別設(shè)置在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)及凍融循環(huán)養(yǎng)護(hù)兩類養(yǎng)護(hù)條件下養(yǎng)護(hù)7，14，28，60，90，120 d。具體試驗方案如表3所示。

表3 兩種養(yǎng)護(hù)條件試驗對比Tab.3 Comparison of 2 curing conditions

1.3 試驗方法

固化土試樣制作過程：(1)將現(xiàn)場所取的軟土放入105 ℃恒溫干燥箱中烘干8 h后，進(jìn)行粉碎并過0.5 mm篩；(2)按照42%的天然含水率計算并稱取所需干土、固化劑、外摻劑和水的質(zhì)量；(3)將干土與稱取好的干燥的固化劑及外摻劑攪拌均勻后加入定量的水進(jìn)行拌和；(4)將拌和均勻后的土分層裝入直徑為39.1 mm，高度為80 mm的圓柱形模具中，通過分層振搗后將表面刮平成型；(4)蓋上塑料薄膜，48 h后脫模并放入塑料密封袋中，并進(jìn)行標(biāo)號。為了減小試驗誤差，每組試驗做3個平行樣，試驗結(jié)果取其各組的平均值。

養(yǎng)護(hù)過程：為研究凍融對固化效果的影響，試驗中分兩類養(yǎng)護(hù)條件，第1類試塊放入恒溫恒濕標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)箱中進(jìn)行養(yǎng)護(hù)，設(shè)置養(yǎng)護(hù)溫度為18～22 ℃，控制相對濕度≥95%；第2類在凍融條件下進(jìn)行養(yǎng)護(hù)，所用儀器為WGD501凍融試驗箱，凍融循環(huán)養(yǎng)護(hù)溫度范圍為-10～30 ℃，設(shè)置程序在1 h 內(nèi)升溫至30 ℃并保持此溫度2 h，然后1 h降溫至-10 ℃并保持此溫度2 h，至此為一個凍融循環(huán)。養(yǎng)護(hù)齡期分別為7，14，28，60，90，120 d。

試樣養(yǎng)護(hù)到預(yù)定齡期后進(jìn)行以下試驗：(1)根據(jù)《公路土工試驗規(guī)程》(JTG E40—2007)進(jìn)行試樣的無側(cè)限抗壓強度試驗。(2)對無側(cè)限抗壓強度試驗破壞后的小塊樣品進(jìn)行真空冷凍干燥預(yù)處理，為了消除土中水分對試驗的影響，用國產(chǎn)LGJ-10D型冷凍干燥機對土樣進(jìn)行脫水處理，確保含水率降至1%以下，以保證成像效果。選取干燥處理后的樣品中含有較好自然斷裂面的小薄片用手輕輕掰成約為10 mm ×10 mm ×5 mm的方片，在其表面均勻連續(xù)地噴鍍厚度為10～20 nm的金膜后進(jìn)行SEM試驗。(3)對固化土破碎較好的部分進(jìn)行烘干后碾壓過0.075 mm篩，得到均勻粉末進(jìn)行XRD試驗。

2 試驗結(jié)果與分析

2.1 無側(cè)限抗壓強度

圖2(a)為標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)條件下固化土的無側(cè)限抗壓強度隨養(yǎng)護(hù)齡期的變化規(guī)律，可以看出隨著養(yǎng)護(hù)齡期的增加，固化土的無側(cè)限抗壓強度不斷增大。單摻GGBS固化土強度隨著養(yǎng)護(hù)齡期的增加呈線性增長，且60 d前的增長速率大于60 d后，其主要原因是隨著水化反應(yīng)的進(jìn)行，后期GGBS含量減少，從而造成強度增長速率降低。GGBS+Lime固化土的強度在28 d前有大幅提升(28 d強度為5 148.8 kPa)，這表明Lime提供的堿性條件可使GGBS表現(xiàn)出明顯的水硬性能，同時石灰與水反應(yīng)生成的Ca(OH)2與礦渣中的活性SiO2，Al2O3作用生成CSH和CAH凝膠[19]，將土顆粒包裹、膠結(jié)，有效地提高土體的抗壓強度。在此基礎(chǔ)上加入石膏或硫酸鈉可以進(jìn)一步增強土體抗壓強度(120 d強度分別由7 018.9 kPa提高至8 371.8 kPa，7 902.3 kPa)，說明高爐礦渣自身的活性較低，堿性條件和石膏硫酸鹽能激發(fā)礦渣的活性，促進(jìn)其水化反應(yīng)，使得固化土強度大幅提高。比較添加石膏和硫酸鈉的兩種情況，可以看出添加石膏的效果略優(yōu)于硫酸鈉，主要原因在于石膏在這個體系中不僅能夠起到堿激發(fā)劑的作用，同時還可作為強度增強劑，提高固化土的無側(cè)限抗壓強度[17]。圖2(b)為凍融養(yǎng)護(hù)條件下無側(cè)限抗壓強度隨齡期的變化規(guī)律，由圖可知：其無側(cè)限抗壓強度增長規(guī)律與標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)條件下的固化土相似，但凍融循環(huán)條件下試樣的強度均有不同程度的降低。

圖2 固化土的無側(cè)限抗壓強度與齡期的關(guān)系Fig.2 Relationships between unconfined compressive strength of solidified soil and curing period

圖3 兩種養(yǎng)護(hù)條件下固化土的強度對比Fig.3 Comparison of strengths of solidified soil under 2 curing conditions

圖3為兩種養(yǎng)護(hù)條件下固化土無側(cè)限抗壓強度對比圖，從圖中可以看出，在7 d時(如圖3(a)所示)凍融養(yǎng)護(hù)對各組固化土的影響較小，單摻GGBS組甚至出現(xiàn)凍融循環(huán)養(yǎng)護(hù)提高固化土強度的現(xiàn)象，這主要是因為前期土體的含水量較大，高爐礦渣能與土中水充分接觸且30 ℃的條件下在一定程度上促進(jìn)了其水化反應(yīng)，同時在冷凍過程中土體內(nèi)部發(fā)生凍脹，使其產(chǎn)生微裂縫，水分?jǐn)U散加快使水進(jìn)入土體內(nèi)部與未完全水化的GGBS進(jìn)一步發(fā)生水化反應(yīng)，產(chǎn)生膠凝物質(zhì)填充微裂縫和顆粒孔隙，一定程度上彌補了土體的強度的損失，因此強度相差不大。但是這種填充效果并不是一直進(jìn)行的，隨著養(yǎng)護(hù)齡期的增加(如圖3(b)～(f))，固化土的無側(cè)限抗壓強度在凍融循環(huán)條件下明顯降低，分別下降了22.4%，54.1%，51.6%，48.0%，其原因是隨著養(yǎng)護(hù)齡期的增加，高爐礦渣水化反應(yīng)逐漸完全，標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)條件下強度較大，而凍融循環(huán)時土中水凍結(jié)膨脹使得土顆粒重新排列，微裂隙不斷增多，破壞了固化土原本的結(jié)構(gòu)，同時凍融循環(huán)次數(shù)的增加使其對水化反應(yīng)的抑制作用增強，產(chǎn)生了破壞作用。

圖4為強度變化率(凍融養(yǎng)護(hù)條件下固化土無側(cè)限抗壓強度與標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)下固化土無側(cè)限抗壓強度之比)與齡期之間的關(guān)系。凍融循環(huán)對試樣無側(cè)限抗壓強度影響越大，強度變化率越偏離1。從圖中可以看出，隨著養(yǎng)護(hù)齡期的增加，強度變化率減小，說明凍融循環(huán)次數(shù)增加，對各試樣的影響增大。4組對比，GGBS組的強度變化率最小，說明其受凍融循環(huán)影響大；石膏硫酸鹽的加入，能夠在一定程度上降低凍融循環(huán)的影響，且Lime+GGBS+硫酸鈉一組的強度變化率均大于Lime+GGBS+石膏，說明加入硫酸鈉對凍融循環(huán)作用的抵抗性更強。兩種養(yǎng)護(hù)條件下無側(cè)限抗壓強度的對比(見圖2)，凍融條件下加入硫酸鈉的強度反高于添加石膏固化土，也證明添加硫酸鈉能更好地抵抗凍融循環(huán)的影響。

圖4 強度變化率與齡期關(guān)系Fig.4 Relationship between change rate of strength and curing period

2.2 應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系

圖5為養(yǎng)護(hù)60 d時固化土的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系。由圖可知，固化土的應(yīng)力應(yīng)變曲線可以分為4個階段：彈性階段、塑性階段、強度屈服階段和應(yīng)力衰減階段。在土體中單摻GGBS時，土體彈性階段斜率較小，而當(dāng)土體中同時摻入石灰和高爐礦渣時，彈性階段的斜率增加，說明其水化反應(yīng)產(chǎn)物的膠結(jié)作用提高了固化土的彈性模量。各組固化土的破壞應(yīng)變均處于1.5%～4%之間，均屬于應(yīng)變軟化型破壞，且加入復(fù)合激發(fā)劑時，破壞應(yīng)力增大而破壞應(yīng)變減小，主要是由于高爐礦渣水化反應(yīng)產(chǎn)生的CSH和CAH凝膠的連接作用阻礙了裂隙的發(fā)展。

圖5 養(yǎng)護(hù)60 d的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系Fig.5 Stress-strain relationship after curing for 60 days

兩種養(yǎng)護(hù)條件下固化土的破壞應(yīng)變圖如圖6所示，可以看出兩種養(yǎng)護(hù)條件下隨著齡期的增加，各組固化土的破壞應(yīng)變均減小，說明GGBS發(fā)生水化反應(yīng)產(chǎn)生凝膠增強了土顆粒間的黏結(jié)作用，結(jié)構(gòu)相對有韌性。對比圖6(a)，(b)，可以看出凍融養(yǎng)護(hù)條件下固化土的破壞應(yīng)變相對較高，主要原因是凍融循環(huán)抑制了水化反應(yīng)，使得產(chǎn)生的膠凝物質(zhì)減少，同時土中水的凍脹作用在一定程度上破壞了固化土的膠凝結(jié)構(gòu)，改變了固化土的結(jié)構(gòu)，抵抗土體變形的能力降低。在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)條件下，添加石膏固化土的破壞應(yīng)變更小，說明在石膏的作用下高爐礦渣產(chǎn)生的膠凝物質(zhì)更多，結(jié)構(gòu)更有韌性；而對比凍融養(yǎng)護(hù)條件下各組固化土的破壞應(yīng)變可以看出，添加硫酸鈉后的破壞應(yīng)變小于添加石膏的固化土，進(jìn)一步說明添加硫酸鈉能夠抵抗凍融循環(huán)的影響。

圖6 兩種養(yǎng)護(hù)條件下固化土的破壞應(yīng)變曲線Fig.6 Curves of damage strain of solidified soil under 2 curing conditions

2.3 掃描電鏡(SEM)分析

圖7為各組固化土試樣養(yǎng)護(hù)60 d后放大10 000倍的掃描電鏡圖，可以看出單摻GGBS中雖然存在無定型凝膠相產(chǎn)物，但仍有較多的孔隙存在，土顆粒間黏結(jié)效果弱，土體結(jié)構(gòu)仍較松散，而其他3組固化土中堿性環(huán)境的存在，使得高爐礦渣的水化反應(yīng)程度提高，土體結(jié)構(gòu)比較緊密，孔隙較少，且存在大量的纖維狀水化產(chǎn)物，土顆粒間有明顯的的針狀物連接，顆粒表面有絮狀物包裹，使得土體形成黏聚體，因而無側(cè)限抗壓強度高。對比標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)和凍融養(yǎng)護(hù)條件下的SEM圖，以圖7(c)為例可以看出標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)條件下固化土的結(jié)構(gòu)致密均一，整體性好，無明顯的大孔隙。而凍融養(yǎng)護(hù)條件下土顆粒較為破碎，生成的凝膠物質(zhì)比標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)條件下少且孔隙相對于標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)下較多，同時可以看出仍有較多的高爐礦渣存在，說明其水化不充分。主要是因為凍融循環(huán)條件下土中水凍結(jié)，影響了火山灰反應(yīng)，進(jìn)而導(dǎo)致高爐礦渣微粉的水化反應(yīng)程度降低。且土體發(fā)生凍脹，破壞了土骨架結(jié)構(gòu)，土體中存在較多孔隙，使其固化土的強度遠(yuǎn)小于標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)條件下土體的強度，與前面分析無側(cè)限抗壓強度的情況相符。

圖7 齡期60 d的各組固化土的SEM照片F(xiàn)ig.7 SEM images of solidified soil after curing for 60 days

2.4 X射線衍射(XRD)分析

圖8 標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)60 d各組固化土與原狀土的XRD衍射圖Fig.8 X-ray diffractograms of different groups of solidified soil and undisturbed soil after standard curing for 60 days

為探究土體固化后的物相含量組成，對各組土進(jìn)行XRD試驗，并利用Jade軟件找出主要產(chǎn)物并標(biāo)注物相相應(yīng)的峰。圖8為標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)60 d后各組土與原狀土的XRD衍射對比圖，可以看出原狀土中的主要物質(zhì)為石英(SiO2)，還有鈉長石(NaAlSi3O8)、鈣鋁黃長石(CaAl2Si2O8)、高嶺石(Al2SiO5)等黏土礦物質(zhì)。在單摻GGBS情況下，僅檢測出少量的水化硅酸鈣(C-S-H)；在此基礎(chǔ)上加入Lime為其提供堿性環(huán)境，高爐礦渣微粉水化反應(yīng)加劇，消耗了大量SiO2使其衍射峰值降低，同時反應(yīng)生成水化硅酸鈣凝膠(C-S-H)和水化硅鋁酸鈣凝膠(C-A-S-H)；石膏和硫酸鈉的加入并沒有明顯改變水化生成物的物相種類，但隨著SiO2含量的減少，凝膠的生成量增多，增加了土顆粒之間的黏結(jié)性，這是導(dǎo)致固化土無側(cè)限抗壓強度提高的主要原因。

圖9為凍融養(yǎng)護(hù)60 d時各組固化土的XRD衍射圖，可以看出在凍融循環(huán)的作用下，水化硅酸鈣(C-S-H)和水化硅鋁酸鈣凝膠(C-A-S-H)的衍射峰數(shù)量少且峰值均低于標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)條件下的衍射峰值，而SiO2、鈉長石等的衍射峰值相對較高。主要由于凍融循環(huán)作用會抑制高爐礦渣微粉的水化反應(yīng)，使得參與反應(yīng)的SiO2的消耗量減少，水化產(chǎn)物的生成量較少，故而固化土的強度相對較低。

圖9 凍融養(yǎng)護(hù)60 d各組固化土的XRD衍射圖Fig.9 X-ray diffractograms of different groups of solidified soil after freeze-thaw cycle curing for 60 days

3 結(jié)論

本研究在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)和凍融養(yǎng)護(hù)兩種條件下，針對摻加4種不同固化劑的固化土強度和微觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行了研究。主要有以下幾個結(jié)論：

(1)GGBS自身的活性較低，單獨固化軟土的效果較差，但在Lime提供的堿性環(huán)境下，能夠很好地發(fā)生水化反應(yīng)，增強土體強度。石膏和硫酸鈉作為外摻劑，可以進(jìn)一步促進(jìn)高爐礦渣的水化反應(yīng)，同時石膏還能夠起到強度增強劑的作用，效果略優(yōu)于硫酸鈉。

(2)兩種養(yǎng)護(hù)條件下，固化土的無側(cè)限抗壓強度均隨齡期的增長而增大。在凍融養(yǎng)護(hù)條件下，養(yǎng)護(hù)初期由于土中水含量較大、凍融循環(huán)次數(shù)較少，無側(cè)限抗壓強度與標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)條件下相差不大。但隨著養(yǎng)護(hù)時間的增長，各組固化土強度均低于標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)下的土體強度，說明凍融循環(huán)抑制了高爐礦渣的水化反應(yīng)，且對固化土的結(jié)構(gòu)造成破壞。

(3)在軟土中加入復(fù)合激發(fā)劑后，土體的彈性模量增加，破壞應(yīng)變減小，破壞應(yīng)力增大。由于凍融循環(huán)抑制了GGBS的水化反應(yīng)，其破壞應(yīng)變相較于標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)下較大。兩種養(yǎng)護(hù)條件下，各組固化土的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系均為應(yīng)變軟化型。

(4)GGBS在Lime提供的堿性環(huán)境下發(fā)生水化反應(yīng)產(chǎn)生大量CSH和CAH凝膠，增強土顆粒間的黏結(jié)作用，顆粒表面有絮狀物包裹，黏結(jié)成為整體，使結(jié)構(gòu)更加致密。養(yǎng)護(hù)齡期越長，土體的整體性越好，越難看到粒間孔隙。凍融條件對水化反應(yīng)的抑制作用，使得膠凝物質(zhì)比標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)條件下量少，整體性較差，且在SEM照片中仍能發(fā)現(xiàn)未反應(yīng)的高爐礦渣微粉。

(5)復(fù)合激發(fā)的情況下，高爐礦渣微粉的水化反應(yīng)程度高，SiO2的消耗量均大于單摻情況，且水化凝膠物質(zhì)的產(chǎn)量也較多。凍融循環(huán)在一定程度上抑制水化反應(yīng)，使得凝膠物質(zhì)的生成量降低，從而導(dǎo)致固化土的強度低于標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)條件下的強度，但其并不改變固化土的物相類型。