偏高嶺土對水泥土動力學性能與微觀特征的影響

夏 玉 杰，賀 瑋

(1.新鄉(xiāng)職業(yè)技術學院 建筑工程系，河南 新鄉(xiāng) 453000； 2.新鄉(xiāng)學院 土木工程與建筑學院，河南 新鄉(xiāng) 453000)

0 引 言

隨著中國大型水利工程建設量日益增加，對大壩基礎填料的工程性能也提出了更高要求[1]。當前，利用如水泥、石灰等普通無機材料進行土體固化處理出現(xiàn)一系列新的問題，例如在振動沖擊荷載的長期作用下水泥固化土容易發(fā)生開裂，對工程的穩(wěn)定性和耐久性十分不利[2-4]。采用外加劑和外摻料進行填料改性是一種有效的改良方法。地聚物是一種常見的固化劑，將其用于填料改性可有效提升材料強度性能，防止結構損傷，同時提升材料的耐久性[5]。偏高嶺土是一種主要由硅氧、鋁氧四面體組成的新型無機地聚物材料，可用于替代水泥作為固化土的凝膠材料[6]。對比普通水泥熟料，偏高嶺土的碳排放量更低、熱膨脹系數更小、塑性變形性能更好且收縮率更小。前人的研究成果表明，偏高嶺土的化學活性對改善水泥土孔隙結構有利，能夠顯著提高材料的力學性能，而當前關于高嶺土基水泥土改性效果的研究主要集中在土體靜力學領域[7-9]。如葉華洋等[10]研究了改性水泥固化土受偏高嶺土摻量變化的影響規(guī)律，發(fā)現(xiàn)經過3%含量的偏高嶺土改性后，試樣的靜抗壓強度可以提升至原來2倍左右；彭暉等[11]通過壓汞與電鏡實驗得到了偏高嶺土改性水泥土的微觀結構，從孔隙分布的角度揭示了偏高嶺土提升材料強度的本質原因。Hayder等[12]開展偏高嶺土改性水泥土的拉伸測試，指出偏高嶺土與水泥的摻和比為1∶3左右時材料的抗拉強度達到最佳。然而，在利用水泥土修筑地基時，不僅要承受來自于上覆荷載和側向壓力等靜載作用，同時也會受到上部動荷載造成的沖擊[13]。因此，需要全面了解動荷載作用下復合水泥土材料的動態(tài)強度特性，以及外摻料改善動力學特性的機理。

本次研究首先利用分離式霍普金森壓桿(SHPB)單軸壓縮試驗測試偏高嶺土改性水泥固化土試樣的動態(tài)強度特征，然后結合核磁共振掃描(NMR)與電鏡掃描(SEM)的結果對材料的微觀孔隙結構特征進行分析，旨在深入認知偏高嶺土改性的壩基水泥土材料力學性能和微觀特征。

1 樣品制備與試驗方法

1.1 原材料

本次研究所用水泥土基料為粉質黏土，取自葛州壩下游近壩區(qū)地基。對土體開展擊實試驗，發(fā)現(xiàn)粉質黏土的最優(yōu)含水率為15.2%。通過開展X射線衍射實驗，得到了如圖1所示的粉質黏土衍射圖譜，結合半定量法獲取了材料的礦物成分。根據半定量分析，對粉質黏土礦物物相的組成進行了測定，該方法可根據衍射圖譜中衍射角及其對應的強度間接計算出不同礦物成分的比例。根據試驗發(fā)現(xiàn)：粉質黏土的礦物成分主要是石英(38.2%)、鈣長石(22.0%)、斜長石(17.9%)、伊利石(9.5%)和方解石(9.1%)。采用篩分與密度計法聯(lián)合測得了粉質黏土的顆粒分布曲線(見圖2)，可以看出該粉質黏土的顆粒組成主要是粉粒(41.8%)和黏粒(45.4%)。粉質黏土顆粒級配曲線的不均勻系數Cu與曲率系數Cc分別為15.5和2.85。

圖1 土壤的X射線衍射圖譜Fig.1 X-ray diffraction pattern of the soil

圖2 土壤的顆粒粒徑分布曲線Fig.2 Particle size distribution curve of the soil

1.2 樣品制備

葉華洋等[10]通過大量試驗發(fā)現(xiàn)：采用堿性激發(fā)的拌和方法制備偏高嶺土改性水泥土樣品對力學性能的提升效果更好，在這項研究中，采用以下具體的混合法制備均勻、致密和高強度的復合水泥土樣品。 首先，在散狀土和干水泥的混合料中添加偏高嶺土，充分攪拌后靜置48 h，然后混合NaOH和Na2SiO3(水玻璃)溶液制成堿性激發(fā)劑，將堿性激發(fā)劑添加到拌和好的物料中充分攪拌均勻，最后依據需水量添加一定質量的蒸餾水。通過壓實法制備圓柱樣，分3層壓實，得到的試樣直徑為50 mm，高度為100 mm。本次試驗中使用的膠凝材料為水泥與偏高嶺土，其總量占粉質黏土質量的15%，偏高嶺土的質量摻量分別選取為0，2%，4%和6%，選取5種養(yǎng)護齡期(1，3，7，14 d與28 d)的水泥土試樣進行動力學和微觀結構的測試。

1.3 試驗方法

1.3.1霍普金森壓桿(SHPB)試驗

動力學試驗采用了分離式霍普金森壓桿試驗系統(tǒng)，所用樣品為直徑50 mm、高25 mm的圓柱樣。由于水泥土的波阻抗較低，根據“三波法”原理得到了改性水泥土樣品的動態(tài)應力-應變關系曲線結果[14]。開展復合水泥土的動荷載沖擊試驗時，為確保試驗結果準確，SHPB試驗的電壓信號需要滿足三波法要求，即εI+εR=εT，其中εI、εR與εT分別對應著應變的入射信號、反射信號和透射信號。圖3為三波法原理的驗證圖，可以看出該試驗采用的入射+反射的疊加信號曲線與透射信號曲線重合度較高，符合SHPB動荷載試驗的要求。

圖3 三波法的電壓信號Fig.3 Typical voltage signals by three-wave method

1.3.2核磁共振試驗

本次研究采用核磁共振分析儀(NMR23-50H型)進行飽和試樣掃描。試驗前對被測試樣品經過真空飽和處理，然后將樣品放置到儀器中進行掃描，根據核磁共振測試獲得了弛豫時間T2及其信號強度結果。

1.3.3掃描電鏡試驗

采用EM-30C型掃描電子顯微鏡對復合固化水泥土樣品間顆粒微觀形貌進行觀察。開展試驗前，先對固化土樣品進行制樣和表面處理，采用的樣品高度約為5 mm，直徑約為7.5 mm，然后對樣品進行抽真空和凍干處理，最后將樣品放在掃描電子顯微鏡下進行SEM圖像獲取。

2 結果分析

2.1 動態(tài)壓縮試驗結果

在SHPB單軸壓縮試驗中，測試了摻入不同含量偏高嶺土和不同養(yǎng)護時間下的復合水泥土樣品，得到了動應力-應變關系曲線。從圖4可以看出：在單次沖擊試驗過程中，動應力-軸向應變關系曲線大致可以被分成壓實變形階段、彈性變形階段、塑性變形屈服階段與破壞階段，其中壓密階段的范圍較小，一般在0.5%以內就結束，進入彈性階段后的試樣內部結構損傷較小，動應力隨應變增加呈線性增大；隨著微裂紋發(fā)生動態(tài)擴展，水泥土開始進入塑性屈服階段，動應力不斷增加直至抵達峰值應力，此時試樣已經達到承載極限；進入破壞階段后，水泥土樣品的應變持續(xù)增加，但動應力值開始迅速下降，內部結構損傷加劇直至試樣完全破壞。根據圖4(a)還可以看出：與其他偏高嶺土摻量相比，偏高嶺土摻量為6%的水泥土動應力-應變曲線達到應力峰值后的下降段曲線相對比較平緩，試樣表現(xiàn)出顯著的塑性破壞的特征。從圖4(b)也可以看出：當偏高嶺土含量為2%時，隨著養(yǎng)護時間的增加，動應力-應變曲線的峰后動應力隨應變增加下降速率明顯加快，且水泥土試樣的破壞形式從塑性逐漸轉變?yōu)榇嘈浴?/p>

圖4 復合水泥土的動應力-軸向應變曲線Fig.4 Dynamic stress-axial strain curves of cemented soil

圖5 復合水泥土的動力學指標Fig.5 Dynamic index curves of cemented soil

由SHPB試驗獲取了不同養(yǎng)護齡期和不同偏高嶺土摻量的復合水泥土動應力-軸向應變曲線，并從中提取出峰值動應力作為材料的動抗壓強度fdc。圖5給出了不同養(yǎng)護期和偏高嶺土含量的復合水泥土的動抗壓強度fdc。由圖5(a)可知，不同養(yǎng)護時間下的復合水泥土其fdc隨著偏高嶺土含量增加呈現(xiàn)先升后降的趨勢，在偏高嶺土含量為4%時達到極值，超過4%后動力學特性明顯下降。由圖5(b)可知，不同偏高嶺土含量的復合水泥土其fdc隨養(yǎng)護時間增加而不斷提高，且在0～14 d范圍內上升幅度比較顯著，在14～28 d養(yǎng)護齡期范圍內動強度值增加緩慢。上述現(xiàn)象表明采用偏高嶺土部分替代水泥可以有效增加水泥土的動力學特性，但當偏高嶺土含量過高時，動抗壓強度明顯下降。動力學性能下降的原因主要是少量偏高嶺土顆粒與水泥之間產生了表面的相互作用，進而加速了水泥的水化反應，再經過膠凝效應形成了黏土團聚體；而偏高嶺土本身不能與Ca(OH)2發(fā)生化學反應，過量的偏高嶺土會阻礙水泥水化凝膠的形成，從而導致動抗壓強度的降低。

2.2 孔隙分布結果

采用核磁共振試驗可得到弛豫時間T2譜，通過分析進而可獲得孔隙尺寸分布的結果。NMR試驗可以對材料內孔隙尺寸分布特征進行測量，T2強度與孔隙的尺寸成正比關系[15]，通過NMR試驗得到的T2分布曲線的變化規(guī)律可以反映復合水泥土內部孔隙結構的特性。不同養(yǎng)護時間和偏高嶺土含量下的復合水泥T2分布曲線如圖6所示(養(yǎng)護1 d和7 d的部分樣品在水飽和過程中發(fā)生崩解破壞，無法進行NMR測試)。該分布曲線存在兩個峰值點(P1和P2)，即復合雙峰分布，兩個峰值之間的差異很大，P1峰的強度明顯高于P2峰，沿橫坐標由左到右分別對應于孔隙尺寸分布情況，說明復合水泥土的孔隙以尺寸較小的孔隙為主，大孔隙占比較少。

圖6 復合水泥土的NMR試驗結果Fig.6 NMR results of cemented soil

不同養(yǎng)護時間和摻量偏高嶺土的改性水泥土其雙峰分布特征指標如表1所列?？梢钥闯鲈谙嗤邘X土摻量下，隨著養(yǎng)護時間的增加，P1峰比例總體呈增大趨勢，P2峰比例呈減小趨勢，表明隨著水化反應的進行，偏高嶺土水泥土中的大孔隙逐漸閉合，微觀結構逐漸致密。而當養(yǎng)護時間相同時，偏高嶺土摻量為4%的水泥土試樣其T2曲線面積最小，且P2的比例也最低，表明摻量為4%的復合水泥土孔隙發(fā)育程度最低，結構最致密。

表1 復合水泥土的T2分布峰面積Tab.1 Peak area of NMR T2 curves of cemented soil

2.3 SEM試驗結果

圖7給出了不同摻量偏高嶺土及不同養(yǎng)護時間下的復合水泥土 SEM圖片。偏高嶺土摻量為0時，養(yǎng)護7 d的樣品內部富含大孔隙，結構疏松；當偏高嶺土摻量為4%時，養(yǎng)護7 d的復合水泥土內部結構較為緊密，孔隙大幅度減少；當偏高嶺土摻量為6%時，水化凝膠物質填充大孔隙，土體內出現(xiàn)了較多的大體積孔洞，如圖7(c)所示。當養(yǎng)護時間為28 d時，在偏高嶺土摻量為4%的水泥土內部出現(xiàn)大量硅酸鈣水合物(C-S-H)組成的凝聚物和針狀的鈣礬石晶體。水化產物在起到填補水泥土內部孔隙作用的同時，也對粉質黏土顆粒起到凝聚的效果，進而使得復合水泥土內部結構更加密實(見圖7(d))，此現(xiàn)象與NMR試驗測到的孔隙結構變化現(xiàn)象相互印證。

根據偏高嶺土改性機理分析可知，當一定含量的偏高嶺土與水泥混合摻入土壤中并擊實成型后，形成土顆粒的團聚體與水發(fā)生接觸，使得土顆粒之間生產出大量水化硅酸鈣凝膠體[16]。由于水化硅酸鈣凝膠體的比表面積遠大于土顆粒，其表面能較高，吸附作用力較強，可以使得水化物中存在的鈣離子與土粒表面吸附的其他陽離子進行離子交換反應，進而引起顆粒的結合而出現(xiàn)團聚。土顆粒團聚體的形成可對固化土結構的穩(wěn)定性起到提升作用，因此固化土抵抗動荷載沖擊變形的性能得以增強。然而，當偏高嶺土的含量過高時，水泥水化的需水量更高，導致內部裂隙增多，動力學性能明顯弱化。在本次研究中，當偏高嶺土的含量為4%時，動抗壓強度特性達到最佳，孔隙發(fā)育程度最低，故4%為最佳改性的摻量。

3 結 論

(1) 偏高嶺土摻量的增加，使得復合固化土試樣的動抗壓強度呈現(xiàn)出先增加后降低的非線性變化規(guī)律，動抗壓強度在摻量為4%摻量時固化土強度達到極大值，當偏高嶺土摻量達到6%時，強度較未摻偏高嶺土的水泥土有所下降；固化土動抗壓強度在0～14 d的養(yǎng)護齡期內增長較快，在14～28 d養(yǎng)護齡期內增長緩慢。

(2) NMP試驗結果表明偏高嶺土改性水泥土的T2分布曲線為雙峰分布。隨著水化反應的進行，復合水泥土中的大孔隙逐漸閉合，微觀結構逐漸致密；當養(yǎng)護時間相同時，偏高嶺土摻量為4%的試樣孔隙發(fā)育程度最低，微觀結構最致密。

(3) 從 SEM圖像看出不含偏高嶺土試樣內部的孔隙數量較多，體積較大。當偏高嶺土摻量為4%時，復合固化土的孔隙數量迅速減少，而當偏高嶺土摻量為6%時，材料的密實度大幅下降，孔隙數量相應地增加。隨著養(yǎng)護時間增加，復合固化土內部的水化硅酸鈣凝膠體增多，對孔隙結構起到改善作用。