稻殼灰纖維水泥改性鹽漬土的力學性能研究與機理分析

戴文亭，劉德浩，司澤華，安 胤，郝如意

(吉林大學，吉林 長春 130022)

0 引言

吉林省西部鹽漬土分布廣泛，鹽漬土中鹽類的相態(tài)和含量會受到溫度和濕度的影響，使鹽漬土路基具有不穩(wěn)定的工程特性[1-2]。針對鹽漬土不穩(wěn)定的工程特性，使用固化劑對鹽漬土進行加固提高土體強度，目前利用水泥增強鹽漬土路基強度的做法較為普遍[3-5]。但水泥的水化物與土中氯鹽反應生成Friedel鹽，其強度極低且會抑制作為水泥骨架的水化硅酸鈣和水化鋁酸鈣形成，進而影響水泥固化鹽漬土強度，同時土中硫酸鹽和碳酸鹽與水泥水化物反應所生成的鈣礬石(AFT)在吸水膨脹和晶體發(fā)育后使水泥加固鹽漬土體積發(fā)生膨脹，進而降低了水泥土力學性能;另外,水泥水化產(chǎn)生的碳酸鈣雖然可以膠結土體并達到較高的強度水平，但是在其破壞時為脆性破壞具有一定安全隱患[6]。因此對水泥加固鹽漬土進行改良具有重要意義。

MUSA[13]等提出，稻殼灰作為一種摻入路基土填料可以有效增加路基土強度。MUHAMMAD[14]等研究表明，摻入稻殼灰可以在對黏土進行加固的同時提高其承載能力。李麗華[15]等研究了不同比例稻殼灰混合黏土應力應變和強度特性，結果表明稻殼灰摻量對稻殼灰纖維加固黏土有影響，摻量在10%～15%時的初始切線模量和最大應力值最高。GANESAN[16]等研究了稻殼灰作為水泥摻合組分的最佳替代水平。結果表明，在不影響混凝土強度和滲透性能的情況下，30%的稻殼灰可與水泥有利地混合對其進行加固。

本文使用稻殼灰、聚丙烯纖維對水泥加固鹽漬土改良，嘗試利用稻殼灰和纖維對水泥加固鹽漬土進行化學物理學雙項加固，通過進行CBR試驗與無側限抗壓強度、劈裂抗拉強度等力學試驗探究稻殼灰、聚丙烯纖維對水泥加固鹽漬土力學性能的改良效果，并基于XRD和化學式分析對稻殼灰對水泥加固鹽漬土改良效果和作用機理進行探討。

1 試驗

1.1 試驗材料

采用土樣取自吉林省通榆縣。本次取土深度為40 cm，最大干密度為1.885 g /cm3，最佳含水率為12.8%。所取原狀土液限為33.1%，塑限為12.3%，塑性指數(shù)為20.8，屬于低液限黏土，易溶鹽總量為0.421%，定性為弱鹽漬土。土樣易溶鹽質(zhì)量分數(shù)如表1所示。

表1 土樣易溶鹽質(zhì)量分數(shù)Table 1 Mass fraction of soluble salt in soil sample土樣深度/cm質(zhì)量分數(shù)/%易溶鹽分量質(zhì)量分數(shù)/%K++Na+Ca2+Mg2+SO42-CO2-3HCO-3Cl-400.4210.0520.0690.0040.0070.0610.1540.021

選取吉林市某生物質(zhì)能發(fā)電廠在600 ℃～800℃內(nèi)焚燒的稻殼灰， SiO2的含量為75.65%，其中晶態(tài)SiO2和非晶狀態(tài)SiO2的比例分別為23.15%和52.5%。稻殼灰的化學組成(質(zhì)量分數(shù))如下:SiO2為75.65%，A2O3為0.66%，K2O為1.52%，CaCO3為11.48%，CaO為2.41%，MgO為1.46%，F(xiàn)e2O3為2.31%，P2O5為3.56%，SO3為0.86%。

采用P.O42.5水泥，纖維密度為0.91 g /cm3，直徑取0.018～0.048 mm。

1.2 配合比

根據(jù)工程經(jīng)驗并通過對不同的水泥、稻殼灰和纖維摻量進行三軸試驗，以抗剪強度為指標確定最佳配合比為10%水泥+20%稻殼灰+0.3%聚丙烯纖維。

2 改良水泥加固鹽漬土力學性能試驗結果

采用稻殼灰輔以聚丙烯纖維進行水泥加固鹽漬土的改良，配制不同種類水泥加固鹽漬土(CS)、水泥纖維加固鹽漬土(CFS)、稻殼灰水泥纖維加固鹽漬土(RCFS)試件。

2.1 無側限抗壓強度試驗

根據(jù)《公路工程無機結合料穩(wěn)定材料試驗規(guī)程》(JTG E51-2009)制備試件并標準養(yǎng)生至規(guī)定時間，測定不同齡期試件無側限抗壓強度，結果如表2所示。

表2 不同齡期試件的無側限抗壓強度Table 2 Unlimited compressive strength of different age specimensMPa加筋土類型28 d無側限抗壓強度60 d無側限抗壓強度CS2.5392.849CFS3.0453.427RCFS3.4213.758

由表2可知，CFS的28 d無側限抗壓強度為3.045 MPa，相較于只摻入水泥的加固土CS的抗壓強度高出19.9%；RCFS的抗壓強度為3.421 MPa，比CS抗壓強度高出34.7%，比CFS高出12.3%。RCFS的60 d無側限抗壓強度3.758 MPa，相較于只摻入水泥的水泥固化土CS的抗壓強度高出31.9%；比CFS高出9.7%?？梢钥闯龅練せ姨岣吡怂喙袒}漬土強度，可能是由于稻殼灰在鹽漬土中與水泥水化產(chǎn)物發(fā)生反應，提高水泥加固系統(tǒng)在鹽漬土中的作用，加固土體提高強度。

2.2 劈裂抗拉強度試驗

根據(jù)《公路工程無機結合料穩(wěn)定材料試驗規(guī)程》制備試件并養(yǎng)生至規(guī)定時間后進行劈裂抗拉強度試驗。結果如表3所示。

表3 不同齡期試件的無側限抗壓強度Table 3 Unlimited compressive strength of different age specimensMPa加筋土類型28 d劈裂抗拉強度60 d劈裂抗拉強度CS0.1810.214CFS0.2240.260RCFS0.2710.319

由表3可知，CFS的 28 d劈裂抗拉強度為0.224 MPa，相較于只摻入水泥的水泥固化土CS劈裂強度高出23.8%；RCFS的劈裂強度為0.271 MPa，比CS劈裂強度高出49.7%，比CFS高出21.0%。RCFS的60 d劈裂抗拉強度為0.319 MPa，相較于CS的劈裂強度高出49.1%，比CFS的劈裂強度高出22.7%。摻入纖維提高了水泥固化鹽漬土劈裂抗拉強度，是由于纖維在土體中起到了“加筋”作用，在土體中形成纖維網(wǎng)固定住土體，從而提高抗拉強度，而摻入稻殼灰后的纖維加固水泥鹽漬土劈裂抗拉強度進一步得到提高，可能是由于摻入的稻殼灰與水泥水化產(chǎn)物反應的生成物對纖維進行有效包裹，提高強度的同時在纖維上形成強有力的“包裹筒”，加強纖維在受拉時的抵抗拔出的能力，進而提高土體的劈裂抗拉強度。

2.3 改性鹽漬土的CBR試驗

CBR(California Bearing Ratio)試驗可以反映土體在部分無側限條件下所具有的抵抗局部剪切的能力。根據(jù)重型擊實試驗進行CFS和RCFS試件制備并養(yǎng)生至規(guī)定時間后進行試驗，結果如表4所示。

表4 不同加固土試件CBR值Table 4 Unlimited compressive strength of different age specimens 加筋土類型CBR值/%CS74.12CFS84.40RCFS90.64

由表4可知，CFS的CBR值為84.40，相較于只摻入水泥的水泥加固土CS高出10.28；RCFS的CBR值為90.64，比CS高出16.52，比CFS高出6.24?？梢钥闯鰮饺氲練せ液屠w維對水泥加固鹽漬土的CBR值均得到提高，可能是由于纖維加強了與土體間的摩擦，增大了水泥加固鹽漬土的黏聚力，從而提高了CBR值。而摻入的稻殼灰可能與與水泥水化產(chǎn)物反應形成結晶網(wǎng)格，加強土體含水硅酸鈣和鋁酸鈣膠凝物強度，從而起到固結土體的作用，進而使CBR值得到顯著提高。

3 機理分析

3.1 XRD

XRD(X射線衍射)是通過對材料發(fā)射一定波長的X射線，根據(jù)材料中不同晶體的衍射規(guī)律，得到材料的成分與其內(nèi)部結構狀態(tài)等信息的一種技術。利用Jade對所制備的CFS和RCFS試件土樣衍射圖譜進行處理，不同齡期CFS、RCFS土樣的XRD衍射圖譜如圖1～圖4所示。

圖1 28 d的CFS土樣XRD衍射圖譜

圖2 28 d的RCFS土樣XRD衍射圖譜

圖3 60 d的CFS土樣XRD衍射圖譜

圖4 60 d的RCFS土樣XRD衍射圖譜

根據(jù)XRD圖譜分析加固土反應過程中的水化產(chǎn)物可以明顯看出，CFS和RCFS在28 d的水化產(chǎn)物大致相同，其主要產(chǎn)物為水化硫鋁酸鈣(鈣礬石)AFT、水化硅酸鈣 CSH2、水化鋁酸鈣 C4AH13、鋁硅酸鉀KAlSi3O8和鈣硅石CaSiO3，其中鈣礬石和鈣硅石的生成會使土體發(fā)生膨脹，造成土顆粒間無法緊密接觸使空隙增大從而影響土體強度。從60 d的XRD圖譜中可以看出，CFS和RCFS中化合物均明顯減少，可能是因為經(jīng)過60 d后的改性鹽漬土中水泥和稻殼灰的發(fā)生反應已經(jīng)結束，其內(nèi)部的化學物已經(jīng)趨于穩(wěn)定。從CFS在60 d的XRD圖譜中可以看出最后產(chǎn)物中有鈣礬石和鈣硅石存在，二者會使土體膨脹從而影響結構穩(wěn)定。而從摻入稻殼灰的RCFS 60 d的XRD圖譜中可以看出最后產(chǎn)物中沒有鈣礬石和鈣硅石的存在，可能是因為稻殼灰中的SiO2與水化產(chǎn)物Ca(OH)2發(fā)生反應，抑制并消耗了會使土體產(chǎn)生膨脹的鈣礬石和鈣硅石的生成，這對稻殼灰在鹽漬土中后期的力學性能的提升做出了解釋。

3.2 稻殼灰在水泥加固鹽漬土中改良作用的化學機理

改性鹽漬土試件中含有一定量的氯鹽和硫酸鹽，其中水泥水化產(chǎn)物C3A與鹽漬土中的氯鹽反應生成Friedel鹽(C3A·CaCl2·10H2O)，化學方程式如下：

Ca(OH)2+2NaCl=CaCl2+2Na++2OH-

C3A+CaCl2+10H2O=C3A·CaCl2·10H2O

(1)

Friedel鹽黏附在土顆粒周圍對形成骨架的水化鋁酸鈣(C-A-H)和水化硅酸鈣(C-S-H)的生成產(chǎn)生抑制作用，降低土體強度。

水泥水化產(chǎn)物Ca(OH)2與鹽漬土中硫酸鹽反應生成鈣礬石(3CaO·Al2O3·3CaSO4·32H2O)和鈣硅石(CaSiO3)，鈣礬石和鈣硅石具有膨脹性：

C3A+3CaSO4·6H2O+2Ca(OH)2+24H2O=

3CaO·Al2O3·3CaSO4·32H2O

CaCO3+Ca(OH)2+SiO2+CaSO4·2H2O+

12H2O=CaSiO3·CaCO3·CaSO4·15H2O

(2)

具有膨脹性的鈣礬石和鈣硅石在與結晶水結合之后膨脹，阻礙土顆粒接觸從而使土顆粒無法充分發(fā)生接觸反應，這使得土體固結程度發(fā)生變化最終影響水泥加固鹽漬土強度。稻殼灰中的大量的活性SiO2對生成Friedel鹽的稀釋C3A具有稀釋作用，同時與水泥水化生成物Ca(OH)2會發(fā)生化學反應并降低pH，從而使Friedel鹽無法達到適宜pH，最終起到抑制Friedel鹽生成的作用。SiO2與Ca(OH)2在溶液中反應方程式如下：

SiO2+Ca(OH)2+H2O=CSH

(3)

水化硅酸鈣(CSH)填充在土顆粒之間起到膠凝作用，提高了其間的相互作用與黏聚力，是土體水泥骨架的重要組成，且由于水化硅酸鈣(CSH)濃度提高而Ca(OH)2濃度減少，有利于其形成單晶從而促進晶體形成，進而使水化產(chǎn)物更加均勻散布于溶膠之中，最終提高了土體強度。

4 結論

本文在水泥加固鹽漬土中加入稻殼灰與聚丙烯纖維進行改良，對改良后的水泥加固鹽漬土進行力學試驗，探討稻殼灰和聚丙烯纖維對水泥加固鹽漬土力學性能的改良效果。并在XRD試驗的基礎上分析了稻殼灰在水泥加固鹽漬土中反應機理，探討了稻殼灰在水泥水化過程中參與有利于水泥加固鹽漬土的加固的反應式。主要得出以下結論:

a.相比于水泥加固鹽漬土，摻入稻殼灰和聚丙烯纖維改良后的水泥加固鹽漬土的力學性能得到提升，其無側限抗壓強度、劈裂強度和CBR值都有較大幅度的提高，稻殼灰和纖維改良后的無側限抗壓強度要比改良前提高了1.3倍以上，改良后加固土的劈裂強度相較于改良前高出近0.5倍，RCFS的 CBR值比只用水泥加固鹽漬土增加了16.5。

b.從XRD試驗結果最后土中的化合物可以看出，稻殼灰摻入到水泥改性鹽漬土中具有良好的改良效果，稻殼灰在水泥土中一定程度阻止生成并消耗了鈣礬石AFT和鈣硅石CaSiO3，防止AFT和CaSiO3在土體中結合晶體水膨脹，提升土顆粒之間的黏聚力，保護土顆粒間能夠充分進行接觸反應，提升了水泥土的加固效果。

c.在稻殼灰水泥纖維土中，稻殼灰富含的大量活性SiO2抑制了水泥水化物與鹽漬土內(nèi)的氯離子和硫酸根離子的化學反應，同時對水泥水化產(chǎn)物Ca(OH)2進行消耗，降低了溶液pH，減少了低強度的Friedel鹽和不溶鹽鈣礬石(3CaO·Al2O3·3CaSO4·32H2O)和鈣硅石Ca(OH)2的產(chǎn)生，抑制了水泥土的鹽脹。同時由于稻殼灰摻入生成的CSH沉淀物填充在土顆粒間，增強了土顆粒間黏聚力，形成結晶使水化產(chǎn)物更加均勻散布于溶膠之中，最終提高土體強度。