工業(yè)及建筑廢棄物固化鹽漬土的力學(xué)性能和路用性能影響

謝宇軒, 朱連勇, 王立成

(塔里木大學(xué)水利與建筑工程學(xué)院, 阿拉爾 843300)

在《公路路基設(shè)計(jì)規(guī)范》(JTG D30—2015)中定義鹽漬土為易溶鹽含鹽量超過(guò)0.3%的土[1]。鹽漬土?xí)a(chǎn)生溶陷、鹽脹、腐蝕等工程病害,導(dǎo)致鹽漬土地區(qū)基礎(chǔ)設(shè)施的穩(wěn)定性顯著降低[2]。隨著“絲綢之路經(jīng)濟(jì)帶”的加速推進(jìn),鹽漬土分布地區(qū)的公路建設(shè)得到了迅猛的發(fā)展,而有效地減少鹽漬土的工程病害與合理利用就近資源,成了近年來(lái)研究的熱點(diǎn)。經(jīng)前人研究發(fā)現(xiàn),通過(guò)使用固化劑固化鹽漬土作為路基填料,能夠很好地解決這一難題。

很多學(xué)者針對(duì)鹽漬土進(jìn)行大量的固化研究。宮經(jīng)偉等[3]發(fā)現(xiàn)鹽漬土中加入電石渣、粉煤灰、礦渣后力學(xué)性能得到提高,并且火山灰質(zhì)(由粉煤灰和礦渣組成)的摻量是影響抗壓強(qiáng)度提升的主要因素。張衛(wèi)兵等[4]使用粉煤灰、氯化鈣固化硫酸鹽漬土,通過(guò)宏觀力學(xué)與微觀試驗(yàn),分析得出固化后的硫酸鹽漬土凍融耐久性得到提高。陳康亮等[5]基于生石灰和粉煤灰固化鹽漬土,研究了初始含水率、固化劑摻量、含鹽量對(duì)固化土的強(qiáng)度變化規(guī)律的影響,得到初始含水率17%、生石灰和粉煤灰摻量為6%+18%固化含鹽量為2%的硫酸鹽漬土效果最佳。Moayed等[6]利用微硅石和石灰固化鹽漬土,發(fā)現(xiàn)固化后的鹽漬土具有較好的抗水穩(wěn)性。Celik等[7]利用高爐礦渣與石灰去固化硫酸鹽漬土,發(fā)現(xiàn)其能有效抑制硫酸鹽漬土吸水鹽脹的情況,達(dá)到固化鹽漬土力學(xué)性能的提升。丁永發(fā)等[8]通過(guò)抗壓試驗(yàn)與掃描電鏡,研究水泥與粉煤灰、硅灰、脫硫石膏固化鹽漬土的力學(xué)性能與微觀固化機(jī)理,得到其具有很強(qiáng)的工程適用性。王一名等[9]研究廢棄混凝土再生微粉聯(lián)合粉煤灰、水泥固化鹽漬土的強(qiáng)度特性,發(fā)現(xiàn)固化鹽漬土的抗壓強(qiáng)度得到提高。王來(lái)發(fā)等[10]使用水泥窯粉塵、水泥作為固化劑固化鹽漬土,發(fā)現(xiàn)固化鹽漬土表現(xiàn)出良好的力學(xué)性能,能夠很好地作為路堤填料使用。

眾多學(xué)者對(duì)鹽漬土進(jìn)行了固化研究與應(yīng)用,探討了不同固化劑種類(lèi)、固化劑摻量、養(yǎng)護(hù)齡期等諸多因素對(duì)固化鹽漬土力學(xué)性能的影響。但是針對(duì)水泥窯粉塵(cement kiln dust, CKD)、廢棄混凝土再生微粉(recycled fine powder of waste concrete, RFP)單摻和雙摻固化鹽漬土力學(xué)性能、路用性能對(duì)比研究鮮有報(bào)道。并且沒(méi)有報(bào)道過(guò)初始含水率對(duì)于CKD、RFP固化鹽漬土力學(xué)性能與路用性能的影響研究。

隨著中國(guó)經(jīng)濟(jì)建設(shè)的發(fā)展,工業(yè)化、城鎮(zhèn)化、基礎(chǔ)設(shè)施的完善等帶動(dòng)了大量水泥生產(chǎn)及建筑廢棄物的產(chǎn)生,合理地利用這些廢物成為了迫在眉睫的問(wèn)題。水泥窯粉塵是水泥生產(chǎn)過(guò)程中產(chǎn)生的顯著細(xì)粉狀廢棄物。廢棄混凝土再生微粉是人們使用廢棄混凝土制備再生骨料時(shí),產(chǎn)生的一種粒徑小于0.16 mm廢棄粉塵。由于CKD、RFP與水泥有一定相似性,將其固化鹽漬土后用作路基填料的使用,具有一定的經(jīng)濟(jì)價(jià)值與工程意義。

現(xiàn)以CKD、RFP作為固化劑,采用單摻與雙摻作為固化方式,以初始含水率、養(yǎng)護(hù)齡期、固化劑摻量為試驗(yàn)因素,通過(guò)無(wú)側(cè)限抗壓試驗(yàn)研究固化鹽漬土力學(xué)性能,并進(jìn)行干濕與凍融耐久性試驗(yàn)、承載比試驗(yàn),以評(píng)估固化鹽漬土路用性能,采用掃描電鏡試驗(yàn)對(duì)固化鹽漬土進(jìn)行微觀分析,揭露其固化機(jī)理。首次進(jìn)行單摻與雙摻CKD、RFP固化鹽漬土的力學(xué)性能對(duì)比研究;首次以干濕耐久性、凍融耐久性、承載比指標(biāo)對(duì)單摻與雙摻CKD、RFP固化鹽漬土的路用性能進(jìn)行對(duì)比評(píng)估;首次引入初始含水率,探究其對(duì)單摻與雙摻CKD、RFP固化鹽漬土力學(xué)性能與路用性能的影響。旨在進(jìn)一步為CKD、RFP等工業(yè)及建筑廢棄物參與鹽漬土地區(qū)公路路基與路面基層的工程應(yīng)用提供參考。

1 試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)用土選自新疆阿拉爾市八團(tuán),參照《公路土工試驗(yàn)規(guī)程》[11](JTG 3430—2020)與《公路路基設(shè)計(jì)規(guī)范》[1](JTG D30—2015)通過(guò)室內(nèi)試驗(yàn)得到其物理、化學(xué)性質(zhì),分別如表1、表2所示。

表1 試驗(yàn)鹽漬土基本物理參數(shù)

表2 試驗(yàn)鹽漬土的理化參數(shù)

水泥窯粉塵取自新疆青松建材化工股份有限公司水泥生產(chǎn)廠。通過(guò)使用熒光光譜儀對(duì)水泥窯粉塵進(jìn)行X射線熒光光譜分析(X-ray fluorescence, XRF),得到水泥窯粉塵的化學(xué)成分,如表3所示。

表3 固化材料的理化參數(shù)

廢棄混凝土再生微粉取自塔里木大學(xué)廢棄混凝土塊,經(jīng)過(guò)人工初次破碎,再使用球磨儀細(xì)磨,得到粒徑小于0.16 mm的粉末,再經(jīng)過(guò)XRF分析得到化學(xué)成分,如見(jiàn)表3所示。

1.2 試樣制備與試驗(yàn)方法

1.2.1 試樣制備

從現(xiàn)場(chǎng)取回鹽漬土,然后對(duì)鹽漬土、固化劑進(jìn)行烘干,鹽漬土過(guò)2.36 mm網(wǎng)篩備用。參照《公路工程無(wú)機(jī)結(jié)合料穩(wěn)定材料試驗(yàn)規(guī)程》(JTG E51—2009)[12],基于表1中鹽漬土的最大干密度1.96 g/cm3、表4固化試驗(yàn)方案中的初始含水率、固化劑摻量、壓實(shí)度為96%等制件參數(shù),使用電液式壓力試驗(yàn)機(jī),將鹽漬土制備成Ф50 mm×50 mm的試件。將制備好的試件通過(guò)薄膜與密封袋包裹后進(jìn)行養(yǎng)護(hù)。按照以上方法制成試件用作無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)、干濕與凍融循環(huán)試驗(yàn)使用。

表4 固化鹽漬土試驗(yàn)方案

CBR試件參照《公路土工試驗(yàn)規(guī)程》(JTG 3430—2020)[11]進(jìn)行制備。根據(jù)表1中鹽漬土的最大干密度1.96 g/cm3、最優(yōu)含水率9.9%、壓實(shí)度為96%,以及表4固化試驗(yàn)方案中A-2、B-2、C-2、D-2、E-2的固化劑摻量等制件參數(shù),使用多功能電動(dòng)擊實(shí)儀對(duì)鹽漬土進(jìn)行擊實(shí)制樣。

1.2.2 試驗(yàn)方法

無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)是檢驗(yàn)公路路基填料強(qiáng)度的基本力學(xué)試驗(yàn),無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度是路基填料的力學(xué)性能指標(biāo)。參照《公路工程無(wú)機(jī)結(jié)合料穩(wěn)定材料試驗(yàn)規(guī)程》(JTG E51—2009)[12],將制備并養(yǎng)護(hù)后的試件,使用微機(jī)控制壓力試驗(yàn)儀進(jìn)行無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度測(cè)試,保持加載速率為1 mm/min,同時(shí)記錄試件破壞時(shí)的最大壓力與試件截面面積。通過(guò)計(jì)算試件破壞時(shí)的最大壓力與試件截面面積之比,得出最大破壞壓強(qiáng),即是試件的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度。設(shè)置3組平行試樣,取平均值進(jìn)行記錄。

凍融、干濕耐久性試驗(yàn)?zāi)軌蚰M固化鹽漬土在受到溫差、水的影響下,具備抵抗這種影響的能力。通過(guò)凍融循環(huán)、干濕循環(huán)得到的干濕、凍融耐久性是檢驗(yàn)固化鹽漬土路用性能的重要指標(biāo)。根據(jù)新疆氣溫特點(diǎn)(最冷1月平均氣溫在-20 ℃以下,最熱7月平均氣溫在33 ℃以上)[13]進(jìn)行凍融、干濕循環(huán)試驗(yàn)。一次凍融循環(huán)為“飽水4 h,放入凍融可控溫式冰箱(設(shè)置溫度為-25 ℃)10 h,取出試件放入室內(nèi)(27～33 ℃)進(jìn)行融化10 h”。一次干濕循環(huán)為“在室內(nèi)(27～33 ℃)泡水12 h,然后室內(nèi)(27～33 ℃)風(fēng)干12 h”。將養(yǎng)護(hù)28 d的試件取出,分別各自進(jìn)行10次凍融、干濕循環(huán),最后按照上述無(wú)側(cè)限抗壓試驗(yàn)方法檢測(cè)其干濕、凍融循環(huán)后的抗壓強(qiáng)度,即是殘余強(qiáng)度值。設(shè)置3組平行試樣,取平均值進(jìn)行記錄。干濕、凍融強(qiáng)度損失率分別是指同一摻量、同一初始含水率的固化鹽漬土未干濕循環(huán)、未凍融循環(huán)抗壓強(qiáng)度與干濕循環(huán)、凍融循環(huán)殘余強(qiáng)度之差除以固化鹽漬土未干濕循環(huán)、未凍融循環(huán)抗壓強(qiáng)度。殘余強(qiáng)度、強(qiáng)度損失率能夠反映出固化鹽漬土的干濕、凍融耐久性。

承載比(California bearing ratio, CBR)試驗(yàn)是檢驗(yàn)路基承載力的常用方法之一。CBR試驗(yàn)得到的CBR與膨脹率是檢驗(yàn)固化鹽漬土路用性能的重要指標(biāo)。本文中CBR試驗(yàn)參考《公路土工試驗(yàn)規(guī)程》(JTG 3430—2020)[11],按照上文所述進(jìn)行CBR試件制備,將制備好的CBR試件放入水槽浸泡4晝夜后,通過(guò)百分表檢測(cè)試件膨脹率,通過(guò)路面材料強(qiáng)度試驗(yàn)儀檢測(cè)試件CBR。

掃描電鏡試驗(yàn)(scanning electron microscopy, SEM)能夠探究固化鹽漬土體內(nèi)部結(jié)構(gòu)特征,常作為解釋固化鹽漬土強(qiáng)度變化的重要依據(jù)。本次試驗(yàn)將制備好的試樣養(yǎng)護(hù)后,進(jìn)行烘干處理,部分削成片狀,最后使用可變真空超高分辨場(chǎng)發(fā)射掃描電子顯微鏡分析固化鹽漬土試樣的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。

2 無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 未固化鹽漬土

圖1為未固化鹽漬土齡期、含水率與強(qiáng)度關(guān)系曲線圖。如圖1所示,未固化鹽漬土的抗壓強(qiáng)度較弱,初始含水率、養(yǎng)護(hù)齡期影響著未固化鹽漬土的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度。初始含水率為5%的未固化鹽漬土在4個(gè)養(yǎng)護(hù)齡期下,強(qiáng)度比同一齡期的初始含水率為9.9%未固化鹽漬土分別提高352.44、307.13、297.06、231.61 kPa;強(qiáng)度比同一齡期的初始含水率為15%未固化鹽漬土分別提高443.07、448.11、473.28、483.36 kPa。未固化鹽漬土的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度隨著含水率的增加而減弱,因?yàn)楹试黾雍笸令w粒的雙電子層厚度增加、鹽漬土孔隙中易溶鹽溶解等,造成土顆粒的膠結(jié)能力較弱。但是在最佳含水率下,未固化鹽漬土強(qiáng)度隨著齡期的增長(zhǎng)而呈現(xiàn)出增長(zhǎng)趨勢(shì)。通過(guò)對(duì)不同齡期、不同初始含水率的未固化鹽漬土進(jìn)行強(qiáng)度探討,為下文固化鹽漬土強(qiáng)度的提升提供對(duì)照說(shuō)明。

圖1 未固化鹽漬土齡期、含水率與強(qiáng)度關(guān)系曲線Fig.1 Curve of the relationship between age, moisture content and strength of unsolidified saline soil

2.2 CKD固化鹽漬土

圖2為CKD固化鹽漬土齡期、含水率與強(qiáng)度關(guān)系曲線圖。如圖2所示,不同養(yǎng)護(hù)齡期、不同初始含水率、30% CKD都能夠顯著提高鹽漬土的強(qiáng)度。初始含水率為5%、30% CKD固化鹽漬土在4個(gè)養(yǎng)護(hù)齡期下,強(qiáng)度比同一齡期的初始含水率為5%的未固化鹽漬土分別提高1 424.89、1 480.27、1 535.66、1 616.21 kPa;強(qiáng)度比同一齡期的初始含水率為15%、30% CKD固化鹽漬土分別提高684.75、694.82、725.04、745.17 kPa;強(qiáng)度比同一齡期的初始含水率為9.9%、30% CKD固化鹽漬土分別提高417.90、352.45、246.71、120.83 kPa。其中養(yǎng)護(hù) 28 d、初始含水率為5%、30% CKD固化鹽漬土強(qiáng)度最大達(dá)到2 225.44 kPa。不同初始含水率、30% CKD固化鹽漬土強(qiáng)度都會(huì)隨著養(yǎng)護(hù)齡期的增長(zhǎng)而增強(qiáng),但初始含水率為9.9%、30% CKD固化鹽漬土的強(qiáng)度增長(zhǎng)趨勢(shì)最大。

圖2 CKD固化鹽漬土齡期、含水率與強(qiáng)度關(guān)系曲線圖Fig.2 Curve diagram of the relationship between age, moisture content and strength of CKD solidified saline soil

2.3 RFP固化鹽漬土

圖3為RFP固化鹽漬土齡期、含水率與強(qiáng)度關(guān)系曲線圖。如圖3所示,不同養(yǎng)護(hù)齡期、不同初始含水率、30% RFP都能夠顯著提高鹽漬土的強(qiáng)度。初始含水率為9.9%、30% RFP固化鹽漬土在4個(gè)養(yǎng)護(hù)齡期下,強(qiáng)度比同一試驗(yàn)因素下未固化鹽漬土分別提高2 250.62、2 537.61、2 673.55、2 849.78 kPa,強(qiáng)度比同一試驗(yàn)因素下30% CKD固化鹽漬土分別提高891.19、1 102.66、1 087.54、1 122.79 kPa。初始含水率為9.9%、30% RFP固化鹽漬土在養(yǎng)護(hù)7 d時(shí),強(qiáng)度低于初始含水率為5%、30% RFP固化鹽漬土強(qiáng)度,但隨著養(yǎng)護(hù)齡期的增長(zhǎng),初始含水率為9.9%、30% RFP固化鹽漬土強(qiáng)度與強(qiáng)度增長(zhǎng)率大于其他初始含水率的30% RFP固化鹽漬土。初始含水率為5%、30% RFP固化鹽漬土由于缺少水分進(jìn)行化學(xué)反應(yīng),所以強(qiáng)度增長(zhǎng)率最低。其中,養(yǎng)護(hù)28 d、初始含水率為9.9%、30% RFP固化鹽漬土強(qiáng)度達(dá)到3 227.40 kPa,力學(xué)性能最佳。

圖3 RFP固化鹽漬土齡期、含水率與強(qiáng)度關(guān)系曲線圖Fig.3 Curve diagram of the relationship between age, moisture content and strength of RFP solidified saline soil

2.4 CKD+RFP固化鹽漬土

圖4所示為CKD+RFP固化鹽漬土齡期、含水率與強(qiáng)度關(guān)系曲線圖。由圖4可知,不同養(yǎng)護(hù)齡期、不同初始含水率的CKD+RFP都能夠顯著提高鹽漬土的強(qiáng)度。如圖4(a)所示,初始含水率為5%、20% CKD+10% RFP固化鹽漬土在4個(gè)養(yǎng)護(hù)齡期的強(qiáng)度分別達(dá)到 2 089.50、2 280.83、2 531.88、2 561.17 kPa,強(qiáng)度高于其他初始含水率20% CKD+10% RFP固化鹽漬土。

圖4 CKD+RFP固化鹽漬土齡期、含水率與強(qiáng)度關(guān)系曲線圖Fig.4 Curve diagram of the relationship between age, moisture content and strength of CKD+RFP solidified saline soil

如圖4(b)所示,初始含水率為5%、10% CKD+20% RFP固化鹽漬土在4個(gè)養(yǎng)護(hù)齡期的強(qiáng)度分別達(dá)到2 275.09、2 552.72、2 623.9、2 643.55 kPa,在養(yǎng)護(hù)0～21 d時(shí)強(qiáng)度高于其他初始含水率10% CKD+20% RFP固化鹽漬土,但在養(yǎng)護(hù)28 d時(shí)初始含水率為9.9%、10% CKD+20% RFP固化鹽漬土強(qiáng)度最大。隨著養(yǎng)護(hù)齡期的增加,3個(gè)初始含水率的20% CKD+10% RFP、10% CKD+20% RFP固化鹽漬土強(qiáng)度增長(zhǎng)率最高都為初始含水率9.9%的固化鹽漬土。雖然各養(yǎng)護(hù)齡期、各初始含水率、各摻量的CKD+RFP固化鹽漬土的強(qiáng)度明顯高于CKD固化鹽漬土、未固化鹽漬土的強(qiáng)度,但是低于RFP固化鹽漬土強(qiáng)度。

以上無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果說(shuō)明,初始含水率、固化劑摻量、養(yǎng)護(hù)齡期、固化劑種類(lèi)是影響固化鹽漬土力學(xué)性能的主要因素。由圖1～圖4可知,在不同的養(yǎng)護(hù)齡期、不同的初始含水率下,固化鹽漬土強(qiáng)度隨著RFP占比的增大而提高,說(shuō)明RFP提升鹽漬土強(qiáng)度的能力優(yōu)于CKD。隨著養(yǎng)護(hù)齡期的增長(zhǎng),不同初始含水率的各摻量CKD、RFP、CKD+RFP固化鹽漬土強(qiáng)度都會(huì)呈現(xiàn)不同程度的增長(zhǎng)。初始含水率也是影響各固化鹽漬土強(qiáng)度的重要因素。從強(qiáng)度增長(zhǎng)率與28 d的抗壓強(qiáng)度角度分析可知,30% RFP、10% CKD+20% RFP固化鹽漬土最優(yōu)初始含水率為9.9%。從28 d的抗壓強(qiáng)度角度分析可知,30% CKD、20% CKD+10% RFP固化鹽漬土化最優(yōu)初始含水率為5%,但初始含水率為9.9%的30% CKD、20% CKD+10% RFP固化鹽漬土強(qiáng)度增長(zhǎng)速率優(yōu)于其他初始含水率。從各試驗(yàn)因素綜合分析固化鹽漬土的力學(xué)性能可知,養(yǎng)護(hù)28 d、初始含水率為9.9%、30% RFP固化鹽漬土的強(qiáng)度最高,力學(xué)性能最佳。

3 耐久性試驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 干濕循環(huán)試驗(yàn)

圖5為10次干濕循環(huán)后固化鹽漬土殘余強(qiáng)度、強(qiáng)度損失率與固化配比變化曲線圖。由圖5可知,A-1～A-3、B-1～B-3、C-1、D-1已經(jīng)嚴(yán)重破壞,無(wú)法檢測(cè)強(qiáng)度,說(shuō)明養(yǎng)護(hù)28 d,不同初始含水率的未固化鹽漬土、30% CKD固化鹽漬土、初始含水率為5%的CKD+RFP固化鹽漬土的干濕耐久性差。養(yǎng)護(hù)28 d、初始含水率為9.9%的20% CKD+10% RFP、10% CKD+20% RFP、30% RFP固化鹽漬土的殘余強(qiáng)度分別為1 837.19、2 427.14、2 924.60 kPa,強(qiáng)度損失率為26.14%、11.77%、9.38%。可見(jiàn),隨著RFP占比的增加,固化鹽漬土的殘余強(qiáng)度升高、強(qiáng)度損失率降低、干濕耐久性增強(qiáng)。養(yǎng)護(hù)28 d、初始含水率為5%、9.9%、15%的30% RFP固化鹽漬土的殘余強(qiáng)度分別為2 221.67、2 924.60、2 688.66 kPa,強(qiáng)度損失率為22.88%、9.38%、1.7%?？梢?jiàn),隨著初始含水率的增加,30% RFP固化鹽漬土的強(qiáng)度損失率降低,但初始含水率為9.9%的30% RFP固化鹽漬土的殘余強(qiáng)度最高。

圖5 10次干濕循環(huán)后固化鹽漬土殘余強(qiáng)度、強(qiáng)度損失率與固化配比變化曲線圖Fig.5 Variation curve of residual strength, strength loss rate and curing ratio of solidified saline soil after 10 dry-wet cycles

以上試驗(yàn)結(jié)果說(shuō)明,初始含水率、固化劑摻量、養(yǎng)護(hù)齡期、固化劑種類(lèi)是影響固化鹽漬土干濕耐久性的重要因素。固化劑摻量、固化劑種類(lèi)影響著固化鹽漬土的干濕耐久性,從殘余強(qiáng)度與強(qiáng)度損失率來(lái)分析固化鹽漬土的干濕耐久性可知,不同初始含水率的30% RFP固化鹽漬土的干濕耐久性優(yōu)于其他固化鹽漬土。初始含水率也影響著固化鹽漬土的干濕耐久性,初始含水率為9.9%各固化鹽漬土殘余強(qiáng)度高于其他初始含水率各固化鹽漬土,但初始含水率為15%各固化鹽漬土強(qiáng)度損失率低于其他初始含水率各固化鹽漬土。從各試驗(yàn)因素下固化鹽漬土干濕耐久性綜合分析可知,養(yǎng)護(hù)28 d、初始含水率15%、30% RFP固化鹽漬土經(jīng)過(guò)10次干濕循環(huán)后的強(qiáng)度損失率僅為1.7%、殘余強(qiáng)度為 2 688.66 kPa,故其干濕耐久性最佳。養(yǎng)護(hù)28 d、初始含水率為9.9%、30% RFP固化鹽漬土經(jīng)過(guò)10次干濕循環(huán)后的殘余強(qiáng)度高達(dá)2 924.60 kPa、強(qiáng)度損失率為9.72%,其干濕耐久性也較為良好。

3.2 凍融循環(huán)試驗(yàn)

圖6為10次凍融循環(huán)后固化鹽漬土殘余強(qiáng)度、強(qiáng)度損失率與固化配比變化曲線圖。由圖6可知,A-1～A-3、B-1～B-3、C-1、C-3、D-1已經(jīng)嚴(yán)重破壞,無(wú)法檢測(cè)強(qiáng)度,說(shuō)明養(yǎng)護(hù)28 d,不同初始含水率的未固化鹽漬土、30% CKD固化鹽漬土、初始含水率為5%的CKD+RFP固化鹽漬土的凍融耐久性差。養(yǎng)護(hù)28 d、初始含水率為9.9%,20% CKD+10% RFP、10% CKD+20% RFP、30% RFP固化鹽漬土的殘余強(qiáng)度分別為579.02、1 507.63、2 243.49 kPa,強(qiáng)度損失率為76.72%、45.2%、30.49%。可見(jiàn),隨著RFP占比的增加,固化鹽漬土的殘余強(qiáng)度升高、強(qiáng)度損失率降低、凍融耐久性增強(qiáng)。養(yǎng)護(hù)28 d、初始含水率為5%、9.9%、15%的30% RFP固化鹽漬土的殘余強(qiáng)度分別為714.96、2 243.49、1816.43 kPa,強(qiáng)度損失率為75.18%、30.49%、33.56%。從殘余強(qiáng)度、強(qiáng)度損失率分析,初始含水率為9.9%、30% RFP固化鹽漬土的凍融耐久性強(qiáng)于其他含水率的30% RFP固化鹽漬土。

圖6 10次凍融循環(huán)后固化鹽漬土殘余強(qiáng)度、強(qiáng)度損失率與固化配比變化曲線圖Fig.6 Variation curve of residual strength, strength loss rate and solidification ratio of solidified saline soil after 10 freeze-thaw cycles

以上試驗(yàn)結(jié)果說(shuō)明,初始含水率、固化劑摻量、養(yǎng)護(hù)齡期、固化劑種類(lèi)是影響固化鹽漬土的凍融耐久性重要因素。從殘余強(qiáng)度與強(qiáng)度損失率來(lái)分析固化鹽漬土的凍融耐久性可知,不同初始含水率的30% RFP固化鹽漬土的凍融耐久性優(yōu)于其他固化鹽漬土;初始含水率為9.9%各固化鹽漬土凍融耐久性高于其他初始含水率各固化鹽漬土。各試驗(yàn)因素下固化鹽漬土凍融耐久性綜合分析可知,養(yǎng)護(hù)28 d、初始含水率為9.9%、30% RFP固化鹽漬土經(jīng)過(guò)10次凍融循環(huán)后的殘余強(qiáng)度高達(dá)2 243.49 kPa,強(qiáng)度損失率為30.49%,其凍融耐久性最好。

4 承載比(CBR)試驗(yàn)結(jié)果與分析

圖7為固化鹽漬土CBR、膨脹率與固化配比關(guān)系曲線。由圖8可知,鹽漬土加入CKD、RFP后,CBR值顯著增長(zhǎng)。根據(jù)《公路路基設(shè)計(jì)規(guī)范》[1](JTD D30—2015)對(duì)路基填料的CBR要求,結(jié)合本試驗(yàn)的CBR結(jié)果,可以得到以下結(jié)果:20% CKD+10% RFP固化鹽漬土CBR達(dá)到3.71%、膨脹率為1.8%,可以滿足三、四級(jí)公路路基下路床的填筑要求;10% CKD+20% RFP固化鹽漬土CBR達(dá)到5.63%、膨脹率為1.38%,可以滿足高速公路路基的下路床填筑要求;30% RFP固化鹽漬土CBR達(dá)到8.12%、膨脹率為0.94%,可以滿足高速公路路基的上路床填筑要求。固化鹽漬土的CBR隨著RFP摻量占比的增加呈線性增長(zhǎng)、膨脹率隨著RFP摻量占比的增加而減小。從CBR、膨脹率整體進(jìn)行分析,初始含水率為9.9%、30% RFP固化鹽漬土用作路基填料的工程效果最好。

圖7 固化鹽漬土CBR值、膨脹率與固化配比關(guān)系曲線圖Fig.7 Curve of the relationship between CBR value, expansion rate and solidification ratio of solidified saline soil

圖8 SEM照片F(xiàn)ig.8 Photograph of SEM

5 SEM微觀特性分析

圖8(a)、圖8(b)為RFP、CKD放大1 000倍的SEM圖像,可知,兩種物質(zhì)的顆粒大小不一,礦物成分較為復(fù)雜,成分與水泥相似,其中RFP的礦物顆粒較大。根據(jù)前人對(duì)再生微粉的研究可知,RFP含有大量以SiO2為主的砂石碎屑[14]。通過(guò)SEM結(jié)合前面的XRF試驗(yàn)分析,RFP確實(shí)存在大量以SiO2為主要成分的大塊菱形、多邊形狀的砂石碎屑。

圖8(c)～圖8(e)為養(yǎng)護(hù)28 d、初始含水率為9.9%的未固化鹽漬土、30% CKD、30% RFP固化鹽漬土放大4 000倍的SEM圖像。由圖8(c)可知,未固化鹽漬土的土體結(jié)構(gòu)較為松散,土顆粒、土團(tuán)粒之間的孔隙較大,且架空孔隙較多,并且孔隙中無(wú)其他物質(zhì)填充。由圖8(d)～圖8(e)可知,鹽漬土摻入CKD、RFP后,土顆粒不斷形成土團(tuán),孔隙大幅度減少,形成團(tuán)聚的空間網(wǎng)狀結(jié)構(gòu),較天然鹽漬土的土體形貌更加密實(shí),結(jié)構(gòu)更加穩(wěn)定。其中,含初始水率為9.9%、養(yǎng)護(hù)齡期為28 d、30% RFP固化鹽漬土存在大量以SiO2為主要成分的大塊菱形、多邊形砂石碎屑與絮狀凝膠物質(zhì)等多種物質(zhì)形成了穩(wěn)定結(jié)構(gòu)體,是其強(qiáng)度提升最為顯著的原因。

通過(guò)對(duì)未固化鹽漬土、固化鹽漬土的SEM微觀特性試驗(yàn)分析,驗(yàn)證了前文的宏觀力學(xué)試驗(yàn)結(jié)果。隨著固化劑的加入,鹽漬土試件內(nèi)部結(jié)構(gòu)變得密實(shí)且穩(wěn)定,從而有效提升了鹽漬土力學(xué)性能、路用性能,減少了鹽漬土帶來(lái)的工程病害。

6 固化劑固化機(jī)理分析

CKD、RFP固化鹽漬土強(qiáng)度提升的主要原因,源于固化劑自身的水化硬化作用、固化劑水化產(chǎn)物與土的作用。

CKD、RFP主要含有SiO2、CaO、Al2O3,本身會(huì)進(jìn)行水化硬化反應(yīng)。其中的SiO2、Al2O3在CaO與水作用產(chǎn)生的堿性環(huán)境下,進(jìn)行水化作用,產(chǎn)生水化硅酸鈣和水化鋁酸鈣等凝膠物質(zhì)。

CKD、RFP由于自身特性產(chǎn)生水化物,水化產(chǎn)物還會(huì)與土中的礦物發(fā)生反應(yīng)。此類(lèi)反應(yīng)包括:離子交換與團(tuán)粒化反應(yīng)、土的化學(xué)激化反應(yīng)。①離子交換與團(tuán)?；磻?yīng):CKD、RFP水化過(guò)程中產(chǎn)生大量游離的高電位二價(jià)Ca2+,與鹽漬土顆粒表面的低電位一價(jià)K+、Na+等離子進(jìn)行交換作用并取代它們。因此,土顆粒表面的雙電層厚度降低,土顆粒凝聚更加緊密,使鹽漬土強(qiáng)度、穩(wěn)定性得到提升。②土的化學(xué)激化反應(yīng):固化劑水化反應(yīng)生成了水化物 Ca(OH)2,在這種堿性環(huán)境下鹽漬土中的SiO2進(jìn)行水化反應(yīng)生成水化硅酸鈣。

水化硅酸鈣、水化鋁酸鈣的生成化學(xué)反應(yīng)為

(1)

xCaO·SiO2·nH2O

(2)

xCaO·Al2O3·nH2O

(3)

基于以上幾種反應(yīng),CKD、RFP固化鹽漬土生成凝膠化合物膠結(jié)土顆粒、土團(tuán),未反應(yīng)的固化材料填充土中孔隙,使鹽漬土的密實(shí)度增大、結(jié)構(gòu)變得穩(wěn)定,所以強(qiáng)度得到提升。并且隨著養(yǎng)護(hù)齡期的增長(zhǎng),各種反應(yīng)更加充分,土體結(jié)構(gòu)更加穩(wěn)定。RFP相對(duì)于CKD固化效果更好,因?yàn)槠浯嬖诖罅坑捕容^強(qiáng)的砂石碎屑,填充于土體孔隙中并與凝膠化合物共同固化鹽漬土,使鹽漬土強(qiáng)度提升更為顯著。

7 結(jié)論

針對(duì)固化鹽漬土進(jìn)行了一系列力學(xué)性能、路用性能試驗(yàn)與微觀結(jié)構(gòu)觀察試驗(yàn),得出以下結(jié)論。

(1)初始含水率、養(yǎng)護(hù)齡期、固化劑摻量、固化劑種類(lèi)是影響固化鹽漬土的力學(xué)性能主要因素。固化鹽漬土強(qiáng)度隨著RFP占比的增大而提高,并且RFP提升鹽漬土強(qiáng)度的能力優(yōu)于CKD。隨著養(yǎng)護(hù)齡期的增長(zhǎng),不同初始含水率的固化鹽漬土強(qiáng)度都會(huì)呈現(xiàn)不同程度的增長(zhǎng)。30% RFP、10% CKD+20% RFP固化鹽漬土最優(yōu)初始含水率為9.9%。從各試驗(yàn)因素綜合分析固化鹽漬土的力學(xué)性能可知,養(yǎng)護(hù)28 d,初始含水率為9.9%、30% RFP固化鹽漬土的力學(xué)性能最佳,無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度達(dá)到 3 227.4 kPa。

(2)初始含水率、養(yǎng)護(hù)齡期、固化劑摻量、固化劑種類(lèi)也會(huì)影響固化鹽漬土的路用性能。不同初始含水率的30% RFP固化鹽漬土的干濕耐久性、凍融耐久性優(yōu)于其他固化鹽漬土。從各試驗(yàn)因素綜合分析固化鹽漬土的路用性能可知,養(yǎng)護(hù)28 d、初始含水率為9.9%、30% RFP固化鹽漬土的路用性能最佳,其固化鹽漬土干濕耐久性較為良好、凍融耐久性最佳、CBR最大。其固化鹽漬土10次干濕循環(huán)后的殘余強(qiáng)度高達(dá)2 924.60 kPa、強(qiáng)度損失率為9.72%;10次凍融循環(huán)后的殘余強(qiáng)度高達(dá) 2 243.49 kPa,強(qiáng)度損失率為30.49%;CBR達(dá)到8.12%,膨脹率為0.94%,可以滿足高速公路路基的上路床填筑要求。

(3)RFP固化鹽漬土,生成凝膠化合物膠結(jié)土顆粒、土團(tuán),RFP帶來(lái)的砂石碎屑填充與土中孔隙,共同作用下,土體結(jié)構(gòu)變得密實(shí)且穩(wěn)定,使鹽漬土強(qiáng)度得到顯著提高。