流態(tài)固化土的電化學(xué)特性及其施工與力學(xué)性能

王宇杰, 杜紅秀

(太原理工大學(xué)建筑與土木工程學(xué)院, 太原 030024)

在城市建設(shè)等工程中每年產(chǎn)生高達幾十億立方米的渣土,以太原市小店區(qū)瀟河新城建設(shè)項目為例,挖填方區(qū)域達到200萬m3,需要大量換土處置和廢放外運,同時面臨著回填施工場地小、空間窄、回填深度大、回填土夯實質(zhì)量不穩(wěn)定、難以達到設(shè)計要求等難題。流態(tài)固化土作為一種新型綠色工程材料,利用了工程渣土,無需振搗成型,可泵送或溜槽澆筑,減少了傳統(tǒng)素土、灰土回填的壓實工序,特別是狹窄空間的填筑工程,更具有無可替代的技術(shù)優(yōu)勢[1-3]。

國內(nèi)對流態(tài)固化土已經(jīng)有了一定的研究,周永祥等[4]提出了流態(tài)固化土概念,闡明了流態(tài)固化土的施工工藝及基本性能。王麗筠等[5]發(fā)現(xiàn)肥槽回填采用流態(tài)固化土具有施工速度快、安全隱患少、施工過程綠色、環(huán)保、無污染等優(yōu)點,極大改善了肥槽回填的均勻性。陳榮華等[6]基于粉質(zhì)黏土對流態(tài)固化土展開研究,采用水泥質(zhì)量摻量10%～15%、粉煤灰質(zhì)量摻量30%～50%、生石灰質(zhì)量摻量10%為固化劑時,流態(tài)固化土流動性和強度表現(xiàn)良好。王藝程[7]發(fā)現(xiàn)粉煤灰可以很好地改善流態(tài)固化土流動性,但若粉煤灰替代水泥量過大就會出現(xiàn)強度降低的問題。高強[8]利用單純形重心法設(shè)計流態(tài)固化土固化劑,確定了固化劑的最佳摻量,并通過掃描電鏡分析水泥基流態(tài)土固化劑的加固機理。

電化學(xué)阻抗譜法是一種以小振幅的正弦波電位為擾動信號的電化學(xué)測量方法[9-10],在評價固化土內(nèi)部固化效果方面有了較為廣泛的應(yīng)用。現(xiàn)選取水泥-粉煤灰-礦粉三元體系固化劑固化太原市瀟河新城工程地基土,利用流動性測試、凝結(jié)時間測試、無測限抗壓強度測試選擇既能達到施工性能以及強度要求,又可以節(jié)約成本的最優(yōu)固化劑配比。同時通過電化學(xué)阻抗譜測試,建立阻抗參數(shù)與抗壓強度之間的關(guān)系,探討該方法應(yīng)用于評價流態(tài)固化土內(nèi)部固化效果的可行性。

1 試驗方案

1.1 原材料

(1)土:土樣取自瀟河國際會展中心施工現(xiàn)場,測得土質(zhì)液限WL、塑限Wp、塑性指數(shù)Ip、最優(yōu)含水率wop和最大干密度ρd如表1所示。

表1 土的基本物理性質(zhì)

(2)水泥:采用P·O42.5級普通硅酸鹽水泥,礦物摻合料選用Ⅱ級粉煤灰和S95級礦渣粉,主要化學(xué)成分如表2所示。

表2 水泥、礦渣粉和粉煤灰化學(xué)組分

(3)拌合水:本試驗中制備所用的水為瀟河國際會展中心施工現(xiàn)場工地水。工地水的化學(xué)組分如表3所示。

表3 工地水的化學(xué)組分

1.2 配合比

單純形重心法通過測定試驗點的性能指標,從而預(yù)測試驗區(qū)域內(nèi)其他點的性能[11]。實驗設(shè)計需要滿足的混料條件(Xi≥0,X1+X2+…+Xn=1)進行合理的實驗安排。本試驗設(shè)定有3種成分的固化劑材料,取上下邊界約束條件為:水泥摻量占固化劑總量的40%～100%,粉煤灰和礦粉摻量均占固化劑總量的0～60%。單純形重心設(shè)計法的配料點如圖1所示。

上下界約束條件下固化劑配合比實驗區(qū)域是正規(guī)單純形——等邊三角形,應(yīng)用三分量系統(tǒng)的三階單純形重心設(shè)計方案,因此回歸方程模型為三個分量的三階重心多項式[12],即

(1)

式(1)中:y為固化土的預(yù)測值;bi=yi,bij=4yij-2(yi+yj),b123=27y123-12(y12+y13+y23)+3(y1+y2+y3),其中y1、y2、y3、y12、y13、y23、y123分別為7個試驗點T1～T7下的固化土實測坍落度、凝結(jié)時間、抗壓強度值;x1、x2、x3為3種固化劑的摻量。將各個重心點的實測抗壓強度代入回歸方程得到固化土強度預(yù)測方程。

本次試驗固化劑摻量取10%,實驗組編號中的字母代表固化劑摻量,數(shù)字對應(yīng)單純形重心設(shè)計法配料點。不同固化劑配比如表4所示。

圖1 單純形重心設(shè)計法的配料點Fig.1 Ingredient points of simplex center of gravity design

表4 固化劑配比表

1.3 流態(tài)固化土試樣制備

對土料進行破碎、篩選,得到粒徑小于5 mm的土粒,將土粒置于烘箱內(nèi),在105 ℃下烘至恒重,取出待用。先將部分水加入攪拌機內(nèi),再向攪拌機中加入固化劑,啟動攪拌器攪30 s。按照配比加入土料,可將土料分成多組多次添加。加入第一次土料后,在保持攪拌器持續(xù)攪拌的狀態(tài)下,約20 s內(nèi)再加入下一次土料,直至將土料完全加入攪拌機內(nèi),根據(jù)土料流態(tài)情況加入剩余水量,攪拌器攪拌30 s后取出。根據(jù)《水泥土配合比設(shè)計規(guī)程》JGJ/T 233—2011相關(guān)規(guī)定,將攪拌好的流態(tài)土裝入 70.7 mm×70.7 mm ×70.7 mm的試模中,試樣在24 h 脫模,將脫模后的試塊(20±1) ℃、相對濕度95%以上的標準養(yǎng)護條件下養(yǎng)護至14 d進行抗壓強度測試。流態(tài)固化土制備及裝模過程如圖2所示。

圖2 流態(tài)固化土的制備及裝模Fig.2 Preparation and installation of fluid solidified soil

1.4 試驗方法

1.4.1 流態(tài)固化土坍落度測試

擬用普通混凝土坍落度筒測試,為了保證預(yù)拌流態(tài)固化土的坍落度可以到達150～180 mm,試驗采用0.49水膠比(水的質(zhì)量比干土與固化劑質(zhì)量)。

1.4.2 流態(tài)固化土凝結(jié)時間測試

將拌合均勻的流態(tài)固化土裝入圓模中抹平,并將其放在維卡儀試針下。當試針下降到距離底板 3～5 mm時判定流態(tài)固化土達到初凝狀態(tài)。終凝針上安裝一個環(huán)形附件,當環(huán)形附件不能在試體上留下痕跡時,判定流態(tài)固化土達到終凝狀態(tài)。

1.4.3 流態(tài)固化土抗壓強度

測定流態(tài)固化土抗壓強度選用儀器為萬能試驗機。本次實驗選定加載速度1 mm/min開始加載,直到壓力峰值出現(xiàn)后試件破壞結(jié)束試驗,記錄峰值壓力并計算極限抗壓強度。

1.4.4 阻抗譜試驗

采用單通道電化學(xué)工作站測定電化學(xué)阻抗譜。通過分析Nyquist圖的容抗弧半徑和Bode圖的阻抗模值來評價固化劑固化效果。

2 試驗結(jié)果與分析

表5總結(jié)了流態(tài)固化土的坍落度、凝結(jié)時間和抗壓強度。

表5 流態(tài)固化土坍落度、凝結(jié)時間、抗壓強度值

2.1 流態(tài)固化土坍落度

不同配比固化劑下的流態(tài)固化土坍落度如圖3所示。從圖3中可以看出粉煤灰含量從0增加到60%時,流態(tài)固化土的坍落度由180 mm增加到 186 mm。這是由于粉煤灰表面光滑,在流態(tài)固化土內(nèi)起到良好的潤滑作用。當水泥與礦粉復(fù)摻時,流態(tài)固化土的坍落度由180 mm降低到175 mm,說明復(fù)摻水泥-礦粉時的需水量增加,需要結(jié)合更多的自由水,導(dǎo)致坍落度的小幅度下降。

圖3 坍落度值變化Fig.3 Changes in slump value

根據(jù)7個實驗點的坍落度值,可求解式(1)。坍落度值與三元固化劑摻量組成的關(guān)系式為

y=180x1+178x2+186x3-16x1x2-

4x1x3+51x1x2x3

(2)

通過上述坍落度預(yù)測方程,可以計算不同組分比例來滿足特定要求的三元體系固化土的坍落度值。

2.2 流態(tài)固化土凝結(jié)時間

不同配比固化劑下的流態(tài)固化土凝結(jié)時間如圖4所示。在水膠比0.49情況下,預(yù)拌流態(tài)固化土的終凝時間的變化規(guī)律與初凝時間大致相同,如圖4所示。隨著固化劑配合比不同初凝時間由10 h縮短到8 h,終凝時間由15.5 h縮短到13 h。水泥與礦粉復(fù)摻下的流態(tài)固化土凝結(jié)時間最短,水泥與粉煤灰復(fù)摻下的流態(tài)固化土的凝結(jié)時間最長。

圖4 凝結(jié)時間變化圖Fig.4 Setting time variation diagram

根據(jù)7個實驗點的凝結(jié)時間,可求解式(1),凝結(jié)時間與三元固化劑摻量組成的關(guān)系式為

y=8.5x1+8.0x2+10x3+x1x2-x1x3-

1.6x2x3-12.3x1x2x3

(3)

y=14x1+13x2+15.5x3+2.8x1x2+

0.2x1x3+0.2x2x3-27.6x1x2x3

(4)

通過上述凝結(jié)時間預(yù)測方程,可以計算不同組分比例來滿足特定要求的三元體系固化土的凝結(jié)時間。

2.3 流態(tài)固化土抗壓強度

固化劑摻量為10%,水泥-粉煤灰-礦粉不同配比下抗壓強度等值線圖如圖5所示。從圖5中可以看出強度較低的區(qū)域主要集中在粉煤灰40%～60%,水泥摻量40%～60%這片區(qū)域,表明粉煤灰對固化土強度增長的作用較低。強度較高的區(qū)域主要集中在礦粉摻量為20%～50%,粉煤灰摻0～20%,水泥摻量40%～80%這片區(qū)域內(nèi)。水泥中加入礦粉,其內(nèi)部水化程度較高,生成了更多的水化硅酸鈣和水化鋁酸鈣凝膠,降低了內(nèi)部孔隙率,提高了流態(tài)固化土密實度。高強[8]研究也確定了水泥與礦粉是提高固化土強度的重要因素。在工程實際中,在此區(qū)域選取水泥、粉煤灰、礦粉復(fù)合固化流態(tài)土,既能達到較高的抗壓強度,又可以減少固化劑中水泥的用量,達到節(jié)約成本的目的。

圖5 10%、14 d固化土抗壓強度等值線圖Fig.5 Contour map of compressive strength of 10%,14 d

據(jù)7個實驗點的抗壓強度,可求解式(2),抗壓強度與三元固化劑摻量組成的關(guān)系式為

y=1.73x1+1.99x2+0.86x3+1.44x1x2+

0.14x1x3+0.06x2x3-5.88x1x2x3

(5)

通過上述抗壓強度預(yù)測方程,可以計算不同組分比例來滿足特定要求的三元體系固化土的抗壓強度。

2.4 流態(tài)固化土的電化學(xué)阻抗譜特征

2.4.1 等效電路模型建立

流態(tài)固化土是由固體、液體、氣體組成,它的導(dǎo)電路徑大致分為3種:固化土中的孔隙溶液傳導(dǎo)、固化土內(nèi)部水化反應(yīng)產(chǎn)生的膠體與土顆粒相接觸部分的傳導(dǎo)、膠體以及土顆粒與之間的孔隙溶液傳導(dǎo)[13]。因此可以在理想條件下獲得流態(tài)固化土內(nèi)部的等效電路模型,通電后,電流通過銅電極傳導(dǎo)至固化土表面,產(chǎn)生雙電層電容。在實際測量中,由于“彌散效應(yīng)”的存在,雙電層電容不是固定值,會出現(xiàn)一定程度的偏差,為防止這種效應(yīng),將雙電層電容換成常相位角元件(constant phase angle element,CPE)。電流通過固化土中孔隙溶液傳導(dǎo)產(chǎn)生的電阻用Rs表示。電流通過膠體、土顆粒與它們之間的孔隙溶液傳導(dǎo)產(chǎn)生的電阻為法拉第阻抗,用F表示。法拉第阻抗分為電化學(xué)過程電荷轉(zhuǎn)移電阻Rct和擴散阻抗W,因此可以得到等效電路圖如圖6所示[14-15]。

圖6 流態(tài)固化土的等效電路圖Fig.6 Equivalent circuit of fluid solidified soil

2.4.2 流態(tài)固化土阻抗譜分析

如圖7所示選擇4個具有明顯特點配合比下固化土的電化學(xué)阻抗譜圖。

Z′為阻抗實部;|Z″|為阻抗虛部圖7 不同固化劑配比下流態(tài)固化土的電化學(xué)阻抗譜圖Fig.7 EIS diagram of fluidized solidified soil with different solidifying agent proportions

從Nyquist圖來看均由高頻區(qū)容抗弧和低頻區(qū)不同程度的擴散斜線組成。水泥與礦粉復(fù)摻下的流態(tài)固化土的容抗弧半徑最大,水泥與粉煤灰復(fù)摻下的流態(tài)固化土的容抗弧半徑最小?？梢钥闯鋈菘够“霃降拇笮∨c固化土抗壓強度的大小成正比。在理想狀態(tài)下,低頻區(qū)的擴散斜線應(yīng)該是一條45°的斜線,但是由于試件表面粗糙不能與電極面充分接觸,導(dǎo)致其擴散斜線的斜率變低。從Bode圖來看固化土的阻抗模值|Z|在水泥與礦粉復(fù)摻下達到最大,其次是單摻水泥以及水泥、粉煤灰、礦粉復(fù)摻,在水泥與粉煤灰復(fù)摻下達到最小。固化土的阻抗模值隨著頻率的增大先減小后趨于穩(wěn)定。

2.4.3 等效電路參數(shù)

以圖6所示等效電路模型使用Z-view軟件模擬得出的等效電路參數(shù)如表6所示。

表6 等效電路參數(shù)

(1)流態(tài)固化土溶液電阻Rs:反映的是流態(tài)固化土孔隙溶液電阻,它反比與孔隙溶液中離子的濃度[16]以及材料的內(nèi)部總孔隙率[17-18]?？紫度芤褐写嬖谥伤嗨a(chǎn)生的游離的Ca2+、OH-等離子[19],水泥與礦粉復(fù)合添加時,水泥礦粉間的二次水化反應(yīng)更加充分,消耗了大量的OH-離子,導(dǎo)致孔隙溶液中的離子濃度降低,同時生成了相對較多的水化硅酸鈣和水化鋁酸鈣凝膠,更好地填充了固化土內(nèi)部孔隙,降低了流態(tài)固化土的內(nèi)部總孔隙率,因此其溶液電阻Rs是最大的。

(2)固-液界面電阻Rct:反映的是固液界面離子交換過程的阻力,隨著水泥、粉煤灰、礦粉水化反應(yīng)的持續(xù),越來越多弱結(jié)合水、自由水與離子參與水化反應(yīng),在固化土強度增加的同時使得固-液間電荷的轉(zhuǎn)移變得越來越困難,固-液界面電阻Rct不斷增大。其大小與抗壓強度成正比。

(3)雙電層電容CPE-T:隨著水泥、粉煤灰、礦粉水化反應(yīng)的持續(xù),越來越多弱結(jié)合水、自由水與離子參與水化反應(yīng),生成水化硅酸鈣和水化鋁酸鈣凝膠,導(dǎo)致土體結(jié)構(gòu)越來越密實。

因此雙電層間的電荷量越來越少,最終導(dǎo)致CPE-T越來越小。表明CPE-T值與水化程度、離子濃度以及孔隙率有很大關(guān)系。CPE-P 是一個無量綱的參數(shù),與彌散角φ有關(guān)。

綜上,流態(tài)固化土的無側(cè)限抗壓強度從宏觀的角度反映其固化劑固化效果。電化學(xué)阻抗譜參數(shù)可以從微觀的角度來反映其固化劑固化效果,Nyquist 圖的容抗弧半徑和 Bode 圖的阻抗模值大小與固化體試樣的強度大小呈正相關(guān),內(nèi)部孔隙溶液Rs與強度呈正相關(guān),固-液界面電阻Rct與強度呈正相關(guān),雙電層電容CPE-T與強度呈負相關(guān)。其主要原因是隨著水泥、粉煤灰、礦粉的加入,土體內(nèi)部發(fā)生水化反應(yīng),離子、弱結(jié)合水和自由水參與水化反應(yīng)生成凝膠,導(dǎo)致土體內(nèi)部的孔隙率降低,離子濃度降低。因為水泥與礦粉水化反應(yīng)相對其他配比最充分,所以其容抗弧半徑、阻抗模值、Rs、Rct最大。從中可以看出電化學(xué)阻抗譜測試可以反映固化土試樣內(nèi)部的水化過程,是評價預(yù)拌流態(tài)土固化劑固化效果的一種有效途徑。

3 結(jié)論

(1)采用單純形重心法建立的水泥、粉煤灰、礦粉三元固化劑與流態(tài)固化土坍落度、凝結(jié)時間和抗壓強度的數(shù)學(xué)模型,可針對不同要求計算固化劑配合比,有效指導(dǎo)配合比設(shè)計優(yōu)化。

(2)水泥、礦粉質(zhì)量比為7∶3復(fù)合固化流態(tài)固化土?xí)r,抗壓強度最高,固化效果最好。水泥、粉煤灰、礦粉質(zhì)量比6∶2∶2的流態(tài)固化土流動性和凝結(jié)時間適宜,抗壓強度較高,既能提升固化土強度又能達到節(jié)約成本,改善環(huán)境的目的。

(3)利用電化學(xué)阻抗譜法可以通過分析固化土試樣內(nèi)部的水化過程,從微觀的角度來反映其固化劑固化效果,其結(jié)論和無側(cè)限抗壓強度得出的固化劑固化效果一致,是評價預(yù)拌流態(tài)固化劑固化效果的一種有效途徑。