納米SiO2–超細水泥固化鈣質(zhì)砂靜力特性試驗

矯慧慧 陳 昊 赫慶坤 高 盟

（1.山東科技大學 土木工程與建筑學院，山東青島 266590；2.山東科技大學 山東省土木工程防災減災重點實驗室，山東青島 266590；3.山東科技大學材料科學與工程學院實驗中心，山東青島 266590）

0 引言

近年來，我國陸續(xù)提出“海洋強國”與“一帶一路”戰(zhàn)略，南海地區(qū)基礎設施建設正在提速。目前，島礁基礎設施建設的主要阻力為島礁地基處理。鈣質(zhì)砂是島礁中常見的建筑材料，其具有顆粒不均勻、易破碎和孔隙多的特點，與一般的海砂和陸源性砂具有很大的差異[1-2]。

鈣質(zhì)砂地基承載力低且松散性大，受到雨水和海浪沖刷后承載力喪失嚴重，必須經(jīng)過加固后才能應用于工程中[3-4]，因此有必要開展鈣質(zhì)砂的加固研究。

目前，對于鈣質(zhì)砂的加固與工程特性改良已經(jīng)取得一些進展。Lee 等[5]對近海鈣質(zhì)砂特殊性土灌注樁特性進行研究，并對鈣質(zhì)砂地基灌注樁的操作過程做了詳細描述。方祥位等[6]運用微生物誘導碳酸鈣沉積（MICP）技術對鈣質(zhì)砂進行加固，通過對加固體進行三軸壓縮試驗，建立基于損傷力學理論的微生物固化鈣質(zhì)砂的本構(gòu)模型。高運昌等[7]設計單軸壓縮試驗和三軸剪切試驗，對聚氨酯膠凝鈣質(zhì)砂的變形及應力規(guī)律進行研究。但是這些方法都存在操作困難、難以大規(guī)模應用的問題，南海鈣質(zhì)砂加固需要更加有效的方法。

納米SiO2與超細水泥作為地基處理材料正在逐步推廣應用。Kwan 等[8]將超細水泥微觀形態(tài)與普通水泥進行對比，得到超細水泥能顯著提高水泥石的填充密度和水膜厚度的結(jié)論。周茗如等[9]將黃土作為待加固材料，應用超細水泥與普通水泥進行注漿，通過對加固體強度、耐久性等試驗進行對比分析，發(fā)現(xiàn)應用超細水泥進行黃土注漿比普通水泥有更好的效果。黃 謙等[10]對于不同納米SiO2摻量下水泥砂漿進行侵蝕試驗，并利用掃描電子顯微鏡（SEM）與X 射線衍射（XRD）對微觀形貌與物相組成進行分析，表明納米SiO2能有效細化砂漿內(nèi)部孔隙并阻礙孔隙連通性，增強水泥砂漿在半浸泡下的抗硫酸鹽侵蝕能力。但超細水泥及納米SiO2沒有被應用在鈣質(zhì)砂地基的加固中。

為此，本文通過對不同加固體進行無側(cè)限抗壓強度試驗與不固結(jié)不排水剪切試驗（UU），分析納米SiO2-超細水泥對于鈣質(zhì)砂地基的改良作用與變形特性的影響，并通過SEM 試驗對加固體的微觀形貌進行觀察，分析納米SiO2-超細水泥強度作用原理，為實際工程提供幫助。

1 研究方法

1.1 原材料

無側(cè)限抗壓強度試驗及不排水不固結(jié)三軸試驗（UU）設備采用TSZ-6A 型應變控制式三軸儀（見圖1）。試樣為圓柱形，直徑3.91 cm，高度8 cm，軸向施加荷載最大值為30 kN，圍壓為0～2.0 MPa，控制誤差±1%FS，軸向應變加載速率為1.0 mm/min。

圖1 TSZ-6A 型應變控制式三軸儀

電鏡掃描采用美國FEI 公司生產(chǎn)的Nova Nano SEM450 高分辨掃描電鏡（見圖2）。高真空模式分辨率：1 nm (15 KV)；1.6 nm (1 KV)；低真空模式分辨率：1.5 nm；標樣放大倍數(shù)：40 倍～40 萬倍。

圖2 掃描電子顯微鏡與高壓噴射涂布機

普通硅酸鹽水泥選用山水水泥廠生產(chǎn)的P·O 42.5 級普通硅酸鹽水泥，超細水泥選用“蟠龍山”牌k1000 型超細水泥，技術參數(shù)見表1。納米SiO2為德固賽A200 型納米SiO2，技術參數(shù)見表2。試驗所用鈣質(zhì)砂取自南海某島礁，主要形成于貝殼碎屑與珊瑚碎片沉積，其礦物成分為文石和高鎂方解石，鈣質(zhì)含量達到92%以上，見圖3(a)。通過水流沖刷對原狀鈣質(zhì)砂進行處理，得到試驗鈣質(zhì)砂，見圖3(b)。去除石子等雜物，經(jīng)烘箱完全干燥后按照篩分法進行粒徑分析，其粒徑級配曲線見圖4。

圖3 鈣質(zhì)砂示意圖

圖4 鈣質(zhì)砂顆粒級配曲線

表1 普硅水泥與超細水泥物理性能比較

表2 納米SiO2 的主要性質(zhì)指標

1.2 試樣制備

參照《土工試驗規(guī)程》[11-12]進行試樣制備，由于鈣質(zhì)砂有吸水性，在進行試樣制備前對砂進行預濕處理[13]，試樣水灰質(zhì)量比統(tǒng)一選擇0.9。取計算好質(zhì)量的水、水泥、納米SiO2攪拌5 min，分三次加入到直徑3.91 cm、高度8.0 cm 的模具中，每次加入后經(jīng)擊實錘擊實，用土工刀刮毛后再裝入下一層。試樣1 d后脫模，養(yǎng)護至7 d 進行試驗。試塊具體參數(shù)見表3，每組同種參數(shù)的試件數(shù)量為3 個。

表3 試樣參數(shù)

2 結(jié)果與分析

2.1 無側(cè)限抗壓試驗

2.1.1 水泥種類影響

圖5為超細水泥與普通水泥在相同摻量下加固鈣質(zhì)砂的無側(cè)限抗壓強度對比。為直觀表現(xiàn)不同水泥種類對鈣質(zhì)砂固化的效果，兩組試驗起始點取素砂無側(cè)限抗壓強度。為方便表述，用NCa表示水泥摻量a%的超細水泥，用Cb表示水泥摻量b%的普通水泥。從圖中可以看出，素砂的無側(cè)限抗壓強度僅為56 kPa。隨水泥摻量增加，超細水泥較普通水泥強度增長更為迅速，NC8、NC10強度分別為C8、C10的211%和229%。因此，超細水泥相較于普通水泥其作為膠凝材料能有效提高固化鈣質(zhì)砂強度。

圖5 不同摻量下兩種水泥無側(cè)限抗壓強度對比

2.1.2 納米SiO2摻量影響

本文選擇6%超細水泥摻量，分析不同納米SiO2摻量對于強度影響。

以6%水泥摻量為基礎加入5%、10%、15%、20%、25%、30%六個不同摻量納米SiO2進行無側(cè)限抗壓強度試驗。從圖6可以看出，較小納米SiO2摻量下，加固體強度增長緩慢，隨著納米SiO2摻量繼續(xù)增加，強度上升速度加快，當納米SiO2摻量超過25%時，強度增長發(fā)展緩慢，甚至還有下降趨勢。據(jù)此分析，納米SiO2對6%超細水泥加固體改良效果存在臨界摻入量，臨界摻入量為25%。

圖6 不同納米SiO2 摻量下超細水泥強度變化

2.2 不固結(jié)不排水三軸試驗（UU）

三軸壓縮試驗能夠更好反映試樣在真實情況下受力狀態(tài)[14]。根據(jù)實際工程情況，鈣質(zhì)砂的加固一般在吹填后不久進行，固化試樣滲透系數(shù)較小且在現(xiàn)實工程施工進度快，因此選擇不固結(jié)不排水三軸試驗（UU），用以得到更符合實際情況的數(shù)據(jù)。采用TSZ-6A 型應變控制式三軸儀對于加固體進行三軸試驗并記錄數(shù)據(jù)。

2.2.1 固化鈣質(zhì)砂的三軸試驗結(jié)果

圖7分別為水泥摻量6% (NC6)情況下，摻入10% (NCS10)、20%(NCS20)、30%(NCS30)納米SiO2加固體不排水不固結(jié)三軸試驗應力-應變曲線。

圖7 不同圍壓下加固體應力–應變曲線

從圖7中可以看出，鈣質(zhì)砂加固體應力-應變曲線均呈現(xiàn)出應變軟化現(xiàn)象，其與素鈣質(zhì)砂應力-應變曲線相比只存在彈性、屈服、破壞三個階段。這是由于水泥加入增加了鈣質(zhì)砂的黏聚力，從而跳過壓實階段；隨圍壓增大，加固體所能承受的偏應力增大。這是由于更大的側(cè)向約束增加砂礫之間擠密程度，破壞時軸向應力增大；在圍壓σ3=200 kPa、300 kPa 條件下，高納米SiO2摻量試樣呈現(xiàn)脆性破壞特征，且偏應力峰值較高；30%納米SiO2摻量試樣其最大偏應力相較于20%摻量下有一定程度下降，這與無側(cè)限抗壓強度試驗結(jié)果相吻合。

由摩爾-庫倫準則獲得加固體在不同納米SiO2摻量下的剪切強度指標[15]，見表4。納米SiO2摻量對摩擦角的影響較小，對黏聚力的影響較大。隨納米SiO2含量增加，試樣黏聚力呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢，峰值強度出現(xiàn)提前。NC6試樣黏聚力為102.2 kPa，NCS10、NCS20、NCS30試樣黏聚力分別提高75%、201%、79%。這說明適量納米SiO2對于增加超細水泥加固體黏聚力有利，使加固體在較小應變下發(fā)揮最大抗剪性能。

表4 剪切參數(shù)匯總表

2.2.2 破壞特性

三種破壞形式（鼓脹、剪切、劈裂）在試驗過程中均出現(xiàn)，主要影響因素為納米SiO2的摻量。在相同圍壓（300 kPa）下，NCS10試塊破壞形式主要為鼓脹破壞；NCS20為剪切破壞，破壞后形成一個明顯剪切破壞面，剪切破壞面與水平面夾角約55°；NCS30試塊為劈裂破壞。試件破壞如圖8所示。

圖8 三軸破壞模式

2.3 微觀分析

在強度試驗結(jié)束之后，收集C6、NC6、NCS20、NCS30納米SiO2四種試樣碎片進行烘干直至質(zhì)量不發(fā)生變化，利用Pella 108Auto 全自動離子濺射儀對試樣進行噴金處理，循環(huán)噴金八次后采用Nova Nano SEM450 高分辨掃描電鏡對試樣進行SEM 試驗，圖9為強度試驗結(jié)束后各試塊電鏡掃描圖像。

從圖9（a）中可以看出，普通水泥加固體砂礫之間存在大量板狀Ca(OH)2晶體相互之間沒有接觸，針狀鈣礬石(AFt)晶體數(shù)量較少且較細，導致顆粒間存在較大空隙。在圖9（b）中可以看到針狀鈣礬石晶體大量生成，其相互排列交錯形成一定網(wǎng)格狀結(jié)構(gòu)，生成Ca(OH)2晶體更加細小，能夠填充到鈣質(zhì)砂細小孔隙之中，加固體結(jié)構(gòu)更加致密，且水泥顆粒發(fā)生水化反應程度更高。

從圖9（c）中可以看出，在鈣礬石網(wǎng)格內(nèi)部生成大量絮凝狀水化硅酸鈣凝膠(C-S-H)，凝膠物質(zhì)裹挾鈣礬石晶體，填充大顆粒之間的縫隙，使加固體結(jié)構(gòu)更加密實，增強結(jié)構(gòu)整體性。此外，水化氫氧化鈣含量降低，晶體界面得到進一步改善[16]。這是因為納米SiO2比表面積大且表面存在大量不飽和殘鍵及不同鍵合狀態(tài)的羥基，在溶于水后電解成硅酸根離子。超細水泥由于其粒徑更小，在水化過程中生成更多、更細的Ca(OH)2。硅酸根離子與水泥漿體中的Ca+發(fā)生反應生成水化硅酸鈣凝膠（C-S-H）。

圖9 試樣SEM 圖

納米SiO2的火山灰反應表達式[17]：

從圖9（d）可以看出，大量納米SiO2吸附在水化硅酸鈣凝膠上，阻礙顆粒之間接觸。此外，由于水泥總量的限制，氫氧化鈣生成數(shù)量有限，體系內(nèi)的火山灰反應效率降低，剩余大量未反應納米SiO2顆粒，納米SiO2自身并無膠凝作用，加固體整體性降低，強度呈下降趨勢。這也就從微觀上解釋納米SiO2摻量較大時，加固體強度降低的現(xiàn)象。

3 結(jié)論

（1）使用納米SiO2和超細水泥對鈣質(zhì)砂進行加固，能夠有效提升鈣質(zhì)砂抗壓強度，含有6%水泥摻量的20%納米SiO2-超細水泥加固體最大強度分別為相同條件下普通水泥與純超細水泥的2.81 倍和1.36 倍。納米SiO2摻量存在一個臨界值，在超過25%之后，繼續(xù)加入納米SiO2會降低加固體強度。

（2）納米SiO2對于超細水泥鈣質(zhì)砂加固體靜力特性有改良效果，主要表現(xiàn)為三軸試驗中峰值強度的提高、破壞類型的改變、峰值應變的減小和黏聚力的增加。

（3）微觀角度分析發(fā)現(xiàn)超細水泥比普通水泥生成更多鈣礬石晶體，形成網(wǎng)格結(jié)構(gòu)，增強宏觀強度。納米SiO2通過火山灰反應消耗水泥水化作用生成的氫氧化鈣，形成水化硅酸鈣凝膠，更好提升超細水泥強度。