應(yīng)用木質(zhì)素磺酸鈣-粉煤灰對寒區(qū)碳酸鹽漬土力學性能的改良1)

張淼鑫 孫劍飛 張曉東 李震威 徐凡林 丁琳

(黑龍江大學，哈爾濱，150080)(黑龍江省隆業(yè)水利水電工程建設(shè)有限公司)(黑龍江大學)

木質(zhì)素作為一種新型的土體固化材料成為了研究的新方向，已有較多研究，從不同角度闡述了木質(zhì)素改良土體的機制原理[1-7]、改善土壤的強度與抗凍性[8-12]、木質(zhì)素磺酸鈣作為膨脹土穩(wěn)定劑的有效性[13]及穩(wěn)定機理[14-15]。隨著電力工業(yè)的發(fā)展，燃煤電廠的粉煤灰排放量逐年增加，已有較多研究[16-22]探索了關(guān)于粉煤灰的應(yīng)用。利用木質(zhì)素磺酸鈣、粉煤灰改良土已經(jīng)逐漸開展研究，通過試驗對比素土、傳統(tǒng)方法粉煤灰改良土、木質(zhì)素改良土的無側(cè)限抗壓強度，發(fā)現(xiàn)木質(zhì)素改良土及木質(zhì)素和粉煤灰混合改良土的無側(cè)限抗壓強度提升巨大，具有很好的改良效果。

為此，本研究以取自哈爾濱市某地區(qū)的粉質(zhì)黏土為土樣，添加碳酸氫鈉(占鹽漬土質(zhì)量比1%)制備碳酸鹽漬土；按照試驗設(shè)計，在碳酸鹽漬土中分別添加不同質(zhì)量比例的木質(zhì)素磺酸鈣、粉煤灰，采用擊樣法制作土工試驗標準試樣；將土工試樣經(jīng)凍融循環(huán)“-20 ℃(冷凍12 h)—20 ℃(融化12 h)”后，進行無側(cè)限抗壓強度試驗；分析木質(zhì)素磺酸鈣、粉煤灰的添，對碳酸鹽漬土抗凍性、無側(cè)限抗壓強度的影響。旨在為優(yōu)化木質(zhì)素磺酸鈣、粉煤灰混合改良土的配比提供參考。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

《巖土工程勘察規(guī)范》[23]規(guī)定：巖土中易溶鹽質(zhì)量比例大于0.3%，應(yīng)判定為鹽漬土。

本研究用土取自哈爾濱市某地區(qū)的粉質(zhì)黏土，取回粉質(zhì)黏土土樣后，烘干并碾散，過2 mm篩，人工調(diào)配碳酸鹽漬土，碳酸氫鈉質(zhì)量比例占鹽漬土質(zhì)量的1%；土體物理力學指標：液限28.3%、塑限15.1%、最大干密度2.01 g/cm3、最優(yōu)含水率16.1%。

選取的木質(zhì)素磺酸鈣，其木質(zhì)素質(zhì)量分數(shù)為40%～50%；木質(zhì)素磺酸鈣(以下簡稱木鈣)為擁有特殊氣味的棕黃色粉末，是高分子聚合物陰離子表面活性劑，具有較強的水溶性，溶于水后顯黑色，黏性強，水溶液中木質(zhì)素質(zhì)量分數(shù)越大黏度越大。選取的粉煤灰，顏色偏灰白，化學成分及質(zhì)量比例為：51.00%的SiO2、3.87%的CaO、0.93%的MgO、0.60%的SO3、1.44%的燒失量、32.30%的Al2O3、7.56%的Fe2O3、2.30%的FeO。

1.2 試樣制備及試驗方案

按照試驗設(shè)計，添加木鈣占鹽漬土質(zhì)量的比例(木鈣添加量)，分別為0.25%、0.50%、0.75%、1.00%、3.00%、5.00%；添加粉煤灰占鹽漬土質(zhì)量的比例(粉煤灰添加量)，分別為1.00%、3.00%、5.00%、7.00%。準備不同添加量的試樣，攪拌均勻，密封并浸潤12 h。采用擊樣法制作直徑39.1 mm、高80.0 mm的土工試驗標準試樣。成型后的試樣采用聚酯薄膜密封，放入標準養(yǎng)護室內(nèi)，在溫度為20 ℃、相對濕度為95%的條件下養(yǎng)護28 d。添加木鈣和粉煤灰并經(jīng)完成養(yǎng)護的改良碳酸鹽漬土試件、不添加木鈣和粉煤灰碳酸鹽漬土試件(對照試件)，一同放入冰箱內(nèi)，設(shè)冰箱凍結(jié)溫度為-20 ℃，冷凍12 h后，放入20 ℃的標準養(yǎng)護室內(nèi)融化12 h，以此為1個凍融循環(huán)；試驗凍融循環(huán)次數(shù)分別設(shè)為，0(不經(jīng)凍融)、1、3、5、7、9、12次。土體經(jīng)歷凍融循環(huán)后，用微機控制電子式萬能試驗機(WDW-100E)進行無側(cè)限抗壓強度試驗，對比不同添加量外加劑及其不同凍融循環(huán)次數(shù)的改良后碳酸鹽漬土無側(cè)限抗壓強度。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同木鈣添加量對寒區(qū)碳酸鹽漬土無側(cè)限抗壓強度的影響

試驗發(fā)現(xiàn)，單獨添加木鈣添加量超過5.00%的改良碳酸鹽漬土試樣，在養(yǎng)護期間自行崩裂，已無研究價值。這是因為過高添加量會使木質(zhì)素與土體礦物間難以完全反應(yīng)，土體中存在木質(zhì)素過多，形成局部軟弱，從而表現(xiàn)為改良土無側(cè)限抗壓強度降低的現(xiàn)象[24]；且添加量較高時木鈣會優(yōu)先與自身結(jié)合，產(chǎn)生局部聚集，降低土顆粒間吸引力，從而削弱團聚體的均勻性，增大土體孔隙率，暴露出較多孔隙，使力學性能下降[25]。故在上述條件下改良的碳酸鹽漬土，木鈣添加量不能超過5.00%(見圖1)。

由圖2可見：不經(jīng)凍融循環(huán)的試樣，隨著木鈣添加量的增加，改良碳酸鹽漬土的無側(cè)限抗壓強度增加，在木鈣添加量達到0.50%時無側(cè)限抗壓強度最高。隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加，試樣的無側(cè)限抗壓強度均減小，在木鈣添加量為0.75%時，改良碳酸鹽漬土的無側(cè)限抗壓強度降幅最小。木鈣添加量為5.00%時，經(jīng)凍融循環(huán)3次以上后，試樣發(fā)生嚴重凍脹現(xiàn)象，表面粗糙易碎，蓬松多孔(見圖3)，力學性能驟降；這是因為木鈣具有一定的引氣性[26]，加入過量的木鈣導(dǎo)致試樣土體中微小氣泡過多，且木鈣添加量為5.00%的試樣中部分木鈣的局部聚集，再加上凍融循環(huán)作用，破壞了土體原有結(jié)構(gòu)，造成嚴重的凍脹。

對不同添加量的木鈣改良土進行無側(cè)限抗壓強度試驗后，繪制改良土的應(yīng)力-應(yīng)變曲線(見圖4)。由圖4可見：不同木鈣添加量改良土的應(yīng)力都隨應(yīng)變的增大先增大后減小。這是由于試樣應(yīng)力達到最高點后開始產(chǎn)生破壞，試樣產(chǎn)生屈服，該峰值點對應(yīng)的應(yīng)力即為試樣的無側(cè)限抗壓強度，超過該峰值點后試樣發(fā)生破壞；不添加木鈣的碳酸鹽漬土破壞時應(yīng)變在5.6%左右，屬于脆性破壞；當木鈣添加量為0.50%時試樣破壞的應(yīng)變在10.4%左右，屬于塑性破壞，說明木質(zhì)素可以有效改善粉土的無側(cè)限抗壓強度。

不同添加量木鈣改良土，經(jīng)過凍融循環(huán)7次后進行無側(cè)限抗壓強度試驗，改良土的應(yīng)力-應(yīng)變曲線(見圖5)與圖4相比，圖5中試樣受凍融循環(huán)破壞作用，不同添加量木鈣改良土的無側(cè)限抗壓強度應(yīng)力-應(yīng)變曲線已經(jīng)產(chǎn)生了明顯的變化。其中，木鈣添加量為3.00%的改良土，其應(yīng)力-應(yīng)變曲線與不添加木鈣改良土的應(yīng)力-應(yīng)變曲線基本契合。而木鈣添加量在3.00%以下的改良碳酸鹽漬土，在相同的應(yīng)變條件下其應(yīng)力均高于不添加木鈣的碳酸鹽漬土的應(yīng)力。由圖5可知，木鈣最優(yōu)添加量為0.75%，此時土體試樣出現(xiàn)應(yīng)變硬化現(xiàn)象，破壞形式由脆性破壞轉(zhuǎn)變?yōu)樗苄云茐?，說明木鈣具有良好的抗凍性，這是因為木鈣在土體中發(fā)生了化學反應(yīng)，產(chǎn)生了具有一定強度的膠結(jié)性物質(zhì)，連接了土顆粒，使土顆粒之間更加密實，同時堵塞空隙，從而提高水密性和降低霜凍敏感性[27-28]。

2.2 不同粉煤灰添加量對寒區(qū)碳酸鹽漬土無側(cè)限抗壓強度的影響

由于粉煤灰發(fā)生物理化學反應(yīng)需要較多的水，經(jīng)多次試驗表明，在本研究試驗固定含水率時，粉煤灰添加量不宜超過7.00%。由圖6可見：隨著粉煤灰添加量的增加，試樣的無側(cè)限抗壓強度先增大后減小，粉煤灰添加量為3.00%的改良碳酸鹽漬土的無側(cè)限抗壓強度最高。這是由于粉煤灰的形態(tài)效應(yīng)及微集料效應(yīng)能對碳酸鹽漬土起減水、致密作用[29]；并在堿性環(huán)境下能發(fā)生一定的水解和水化反應(yīng)，游離出活性的SiO2、Al2O3，生成Ca(OH)2、水化硅酸鈣、水化鋁酸鈣、水化鐵酸鈣等化合物[16]，在土顆粒間能起到一定的膠結(jié)作用。由不同粉煤灰添加量改良土的應(yīng)力-應(yīng)變曲線(見圖7)可見，粉煤灰改良的碳酸鹽漬土主要破壞形式為脆性破壞。這是由粉煤灰在發(fā)生火山灰反應(yīng)具有一定的水硬性所致，其化學反應(yīng)方程為：

SiO2+Ca(OH)2+nH2O→CaO·SiO2·(n+1)H2O；

Al2O3+Ca(OH)2+nH2O→CaO·Al2O3·(n+1)H2O。

由圖8可見：粉煤灰添加量為3.00%的改良碳酸鹽漬土，經(jīng)凍融循環(huán)后的無側(cè)限抗壓強度，與未凍融的不添加粉煤灰對照組無側(cè)限抗壓強度比較接近。這是因為添加3.00%的粉煤灰有效地填充了土壤孔隙，降低了孔隙率，其改良后的無側(cè)限抗壓強度得到了提高，經(jīng)過凍融循環(huán)后無側(cè)限抗壓強度仍然較大。但粉煤灰添加量較低的改良土抗凍性較差，這是因為粉煤灰添加量較低時無法有效填充孔隙。而粉煤灰較高添加量時，卻因進行火山灰反應(yīng)所需的水不足，導(dǎo)致試樣中缺水，經(jīng)過凍融循環(huán)的作用，使得粉煤灰改良的碳酸鹽漬土試件中的微裂縫增大增多[30]，導(dǎo)致其無側(cè)限抗壓強度相應(yīng)下降。

2.3 復(fù)合添加木鈣-粉煤灰對寒區(qū)碳酸鹽漬土無側(cè)限抗壓強度的影響

由圖9可見：木鈣與粉煤灰的復(fù)合添加，具有與單獨添加粉煤灰相似的強度。其中，“木鈣添加量為0.75%+粉煤灰添加量為1.00%”的復(fù)合添加，既具有木鈣改良碳酸鹽漬土所具有的良好抗凍性，又具有粉煤灰改良碳酸鹽漬土所具有的力學性能(見圖10)，復(fù)合添加木鈣-粉煤灰的效果略好于單獨添加3.00%粉煤灰的效果。

由圖11可見：復(fù)合添加木鈣-粉煤灰改良的碳酸鹽漬土破壞形式、單獨添加粉煤灰改良的碳酸鹽漬土破壞形式，同屬脆性破壞；但復(fù)合添加木鈣-粉煤灰改良的碳酸鹽漬土應(yīng)力-應(yīng)變曲線，在應(yīng)變3.2%后各階段下降幅度，比單獨添加粉煤灰改良的碳酸鹽漬土應(yīng)變下降幅度更大。這是因為木鈣加速了粉煤灰的水化作用，導(dǎo)致其脆性更大。復(fù)合添加木鈣-粉煤灰改良的碳酸鹽漬土試樣，在養(yǎng)護7 d后，無側(cè)限抗壓強度已基本達到最大值；而單獨添加粉煤灰改良的碳酸鹽漬土試樣，則需養(yǎng)護28 d，這是由于粉煤灰早期強度偏低；驗證了復(fù)合添加木鈣-粉煤灰的優(yōu)越性。

3 結(jié)論

在寒區(qū)碳酸鹽漬土中加入一定量的木鈣可以有效地改善其力學性能，其無側(cè)限抗壓強度隨木鈣添加量增加先增大后減小，由改良后的無側(cè)限抗壓強度及凍融循環(huán)后的無側(cè)限抗壓強度應(yīng)力-應(yīng)變曲線可知木鈣最優(yōu)添加量在0.75%左右，此時土樣的抗凍性能最好。

在寒區(qū)碳酸鹽漬土中加入3.00%粉煤灰作為固化劑，可有效提高其無側(cè)限抗壓強度；但因粉煤灰晚強的特性，決定了試樣必須滿足養(yǎng)護28 d才能到達最大無側(cè)限抗壓強度。

復(fù)合添加特定比例木鈣-粉煤灰(0.75%木鈣+1.00%粉煤灰)，在無側(cè)限抗壓強度方面可起到與粉煤灰最佳添加量(3.00%)一樣的效果，且養(yǎng)護周期比單獨添加粉煤灰短很多。

因條件所限，本研究試驗中的“木鈣-粉煤灰”復(fù)合改良，未進行微觀機制研究，國內(nèi)外也無參考資料可供查詢，尚需更多試驗與研究進行深層次的驗證與探討。