礦渣地聚物改良紅黏土力學(xué)特性及微觀機(jī)制研究

肖桂元,丁 健

(桂林理工大學(xué) 廣西巖土力學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,廣西 桂林 541004)

紅黏土作為一種高含水率和高液限黏土,力學(xué)強(qiáng)度較高,可作為地基土使用。紅黏土地基具有上硬下軟的成層分布特征,上部紅黏土為堅(jiān)硬的硬塑狀態(tài),承載力高,下部紅黏土為軟塑或流塑狀態(tài),為地基軟弱下臥層,需要進(jìn)行處理[1],所以對(duì)部分性能較差的紅黏土進(jìn)行改良具有較大的實(shí)際工程意義。

地聚物是硅鋁化合物與堿性激發(fā)劑發(fā)生反應(yīng)生成的新型膠凝材料,它具有良好的力學(xué)性能[2]。崔潮等[3]研究發(fā)現(xiàn)偏高齡土基地聚物的抗壓強(qiáng)度在礦渣摻量為40%、堿性激發(fā)劑模數(shù)為1.6時(shí)達(dá)到最大。楊振甲等[4]通過(guò)改變礦渣粉煤灰地聚物中的n(Si)/n(Al)和n(Na)/n(Al)發(fā)現(xiàn),當(dāng)n(Si)/n(Al)為2.5、n(Na)/n(Al)為1.0時(shí),礦渣粉煤灰地聚物無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度可達(dá)到27 MPa。孔凡龍等[5]通過(guò)改變礦渣粉煤灰地聚物中礦渣的摻量,并利用微觀物相分析和微觀形貌分析發(fā)現(xiàn),礦渣的加入使地聚物在反應(yīng)過(guò)程中生成了水化硅酸鈣和水化硅鋁酸鈉,可提高地聚物的抗壓強(qiáng)度。童國(guó)慶等[6]通過(guò)改變堿性激發(fā)劑的模數(shù)和反應(yīng)齡期研究了粉煤灰地聚物的性能,發(fā)現(xiàn)在堿性激發(fā)劑模數(shù)為1.1、齡期為28 d時(shí),粉煤灰地聚物的強(qiáng)度可達(dá)10.3 MPa,并認(rèn)為粉煤灰在堿性激發(fā)劑作用下進(jìn)行解聚-縮聚反應(yīng)生成了凝膠,提高了粉煤灰地聚物的抗壓強(qiáng)度。俞家人等[7]以礦渣為原料,改變堿性激發(fā)劑的模數(shù)和摻量,對(duì)礦渣地聚物固化淤泥的力學(xué)強(qiáng)度開展研究,得到了在模數(shù)為1.2時(shí)固化土強(qiáng)度最高的結(jié)論,并提出了28 d齡期固化土強(qiáng)度經(jīng)驗(yàn)公式。鄧永峰等[8]驗(yàn)證了偏高嶺土地聚物改良水泥土強(qiáng)度的實(shí)用性,并通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試分析了偏高嶺土地聚物的實(shí)際工程意義。易耀林等[9]研究了在不同堿性激發(fā)劑作用下礦粉和電石渣對(duì)軟土的固化作用,得到NaOH作為礦粉的激發(fā)劑效果最佳,Na2SO4作為礦粉-電石渣的激發(fā)劑效果最佳。王東星等[10]研究分析出水玻璃溶液對(duì)粉煤灰地聚物固化淤泥抗壓強(qiáng)度的提升效果較好,并建模分析了粉煤灰地聚物改良淤泥強(qiáng)度的過(guò)程。

目前國(guó)內(nèi)外對(duì)于地聚物改良紅黏土的研究較少。鑒于此,本研究選用礦渣在堿性激發(fā)劑作用下改良紅黏土的力學(xué)特性。本研究選用的礦渣為工業(yè)廢棄物,便宜且利于環(huán)保,在堿性激發(fā)劑的作用下可生成強(qiáng)度較高的凝膠體,增強(qiáng)紅黏土的抗壓強(qiáng)度,以提高紅黏土地基軟弱下臥層的承載力[11]。本研究選用的堿性激發(fā)劑為水玻璃,首先利用NaOH將水玻璃的模數(shù)調(diào)至試驗(yàn)所需,然后將水玻璃與礦渣反應(yīng)生成的礦渣地聚物加入紅黏土中以改良紅黏土的力學(xué)性能,最后通過(guò)無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)來(lái)研究各堿性激發(fā)劑摻量的地聚物在不同齡期下對(duì)紅黏土無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度的改良,并通過(guò)X射線衍射(XRD)和掃描電子顯微鏡(SEM)對(duì)改良后的紅黏土進(jìn)行了微觀機(jī)制研究。

1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)材料分別為紅黏土、礦渣粉、水玻璃和NaOH,部分試驗(yàn)材料見(jiàn)圖1。

圖1 試驗(yàn)材料Fig.1 Test material

試驗(yàn)用紅黏土取自廣西南寧某工地,取土深度為2.5 m左右。取回試驗(yàn)用土后對(duì)其進(jìn)行相對(duì)密度、擊實(shí)、液限、塑限等基本物理性質(zhì)測(cè)試,結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 紅黏土基本物理指標(biāo)Tab.1 Basic physical indicators of red clay

礦渣粉為鞏義市龍澤公司所售,白色,28 d養(yǎng)護(hù)齡期的活性指數(shù)為98.5%,等級(jí)為S95,化學(xué)組成見(jiàn)表2。

表2 礦渣粉的化學(xué)組成Tab.2 Chemical composition of GGBS %

水玻璃為天津沃川水處理公司所售,初始模數(shù)(SiO2與Na2O物質(zhì)的量之比)為3.26,SiO2和Na2O的質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為27.6%和8.75%。可在水玻璃溶液中加入質(zhì)量分?jǐn)?shù)為99%的NaOH固體純?cè)噭?改變Na2O的質(zhì)量分?jǐn)?shù)來(lái)調(diào)整水玻璃模數(shù)。經(jīng)驗(yàn)證,當(dāng)水玻璃模數(shù)為1.2時(shí),其改良土體的抗壓強(qiáng)度可達(dá)到最優(yōu)[12]。因此,選取水玻璃模數(shù)為1.2。

2 試樣制備

為探究不同摻量的堿性激發(fā)劑和不同養(yǎng)護(hù)齡期改良紅黏土的力學(xué)性能,將礦渣粉摻量固定為10%(以干土質(zhì)量計(jì)),堿性激發(fā)劑摻量(以干土中的礦渣質(zhì)量計(jì))設(shè)為5%、10%、15%,并設(shè)置素土為對(duì)照組。向初始模數(shù)為3.26的水玻璃溶液中加入一定量的固體NaOH,使其模數(shù)為1.2,制備完成后將配好的水玻璃溶液密封靜置12 h后使用。將礦渣粉和紅黏土均勻混合,噴灑制備完成的水玻璃溶液和蒸餾水,充分?jǐn)嚢?。將噴灑后的土樣裝至保鮮袋密封24 h后測(cè)試其含水率,使之達(dá)到31%的最優(yōu)含水率。將配制好的土樣用靜壓法以干密度為1.36 g/cm3制備試樣,試樣直徑為39.1 mm、高度為20 mm。將試樣分4次倒入制樣器中進(jìn)行壓實(shí),為防止分層,壓實(shí)前對(duì)上一層壓實(shí)的試樣進(jìn)行刮毛處理。將制備完成的試樣分別養(yǎng)護(hù)7 d、14 d、28 d。

3 試驗(yàn)方案

使用壓力機(jī)分別對(duì)養(yǎng)護(hù)齡期為7 d、14 d、28 d的礦渣地聚物改良土試樣進(jìn)行無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn),試驗(yàn)速率設(shè)為1 mm/min。微觀試驗(yàn)使用無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)束后處理過(guò)的部分試樣(圖2)。微觀物相分析采用PANalytical B.V.公司生產(chǎn)的X射線衍射儀,試驗(yàn)條件為恒溫26 ℃、衍射角5°～80°,形貌分析使用Hitachi公司生產(chǎn)的S4800型掃描電子顯微鏡。

圖2 試樣照片F(xiàn)ig.2 Specimen photos

4 結(jié)果與分析

4.1 礦渣地聚物改良紅黏土的強(qiáng)度特性

養(yǎng)護(hù)齡期、激發(fā)劑摻量與礦渣地聚物改良紅黏土無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度的關(guān)系見(jiàn)圖3。固定礦渣摻量,各堿性激發(fā)劑的摻量在不同養(yǎng)護(hù)齡期與改良紅黏土無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度關(guān)系的變化規(guī)律如圖3(a)所示。地聚物改良紅黏土的抗壓強(qiáng)度與養(yǎng)護(hù)齡期呈正相關(guān)關(guān)系,且在養(yǎng)護(hù)齡期為7～14 d時(shí)抗壓強(qiáng)度增速較快,14 d后增速較慢,28 d時(shí)達(dá)到最大值,而素土的抗壓強(qiáng)度隨著養(yǎng)護(hù)齡期變化沒(méi)有出現(xiàn)明顯的增長(zhǎng)。養(yǎng)護(hù)齡期為7 d、14 d、28 d的改良紅黏土在不同堿性激發(fā)劑摻量下無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度的變化規(guī)律如圖3(b)所示。當(dāng)堿性激發(fā)劑摻量較少時(shí),地聚物改良紅黏土的強(qiáng)度隨堿性激發(fā)劑摻量的增加而提升,當(dāng)堿性激發(fā)劑摻量超過(guò)10%后,抗壓強(qiáng)度隨著堿性激發(fā)劑摻量的增加而降低,在堿性激發(fā)劑摻量為10%、養(yǎng)護(hù)齡期為28 d時(shí)抗壓強(qiáng)度最高,達(dá)到3 204 kPa,約為素土的5.4倍,即在堿性激發(fā)劑摻量從5%提升至10%時(shí),改良紅黏土的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度有較大提升,而在堿性激發(fā)劑摻量從10%提升至15%時(shí),改良紅黏土的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度會(huì)降低。

圖3 礦渣地聚物改良紅黏土的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度Fig.3 Unconfined compressive strength of red clay amended with slag ground aggregates

造成地聚物改良紅黏土抗壓強(qiáng)度降低的原因主要有兩個(gè):一是隨著堿性激發(fā)劑摻量的增加,前期反應(yīng)更為劇烈,導(dǎo)致生成的凝膠將尚未完全反應(yīng)的礦渣覆蓋,使得反應(yīng)中止,礦渣后續(xù)并未與堿性激發(fā)劑充分反應(yīng)[13];二是由于堿性激發(fā)劑中添加了NaOH,使得水玻璃溶液中含有OH-,隨著摻量的增加,紅黏土中的OH-濃度也隨之增加,而高濃度的OH-會(huì)與紅黏土中的陽(yáng)離子發(fā)生反應(yīng),損壞紅黏土內(nèi)部結(jié)構(gòu),造成地聚物改良紅黏土強(qiáng)度下降[14]。

4.2 礦渣地聚物改良紅黏土微觀分析

4.2.1XRD分析

礦渣地聚物改良紅黏土的微觀分析見(jiàn)圖4和圖5。

圖4 紅黏土XRD圖譜Fig.4 XRD pattern of red clay

圖5 紅黏土SEM照片F(xiàn)ig.5 SEM photos of red clay

圖4(a)為原狀紅黏土的XRD圖譜,圖4(b)為堿性激發(fā)劑摻量10%改良紅黏土的XRD圖譜。通過(guò)比較可以發(fā)現(xiàn),圖4(a)中高嶺石、伊利石、石英的衍射峰最高峰(衍射角約為13°、20°和26°)強(qiáng)度有較明顯的下降。這是因?yàn)榈V渣在堿性激發(fā)劑的作用下生成了無(wú)定形的水化硅酸鈣(C—S—H)凝膠,它具有彌散的衍射峰,會(huì)遮擋其他物質(zhì)的衍射峰,造成了上述物質(zhì)衍射峰下降。在圖4(b)中,可看到方解石和水化硅酸鈣的特征峰(衍射角約為28°和31°),表明反應(yīng)生成了兩者的晶體。這說(shuō)明礦渣在堿性激發(fā)劑的作用下產(chǎn)生了水化硅酸鈣凝膠,這是礦渣地聚物對(duì)紅黏土強(qiáng)度改良的主要原因。

4.2.2SEM分析

為進(jìn)一步分析礦渣地聚物改良紅黏土抗壓強(qiáng)度的機(jī)制,采用掃描電子顯微鏡對(duì)其微觀形貌進(jìn)行分析。原狀紅黏土的SEM照片見(jiàn)圖5(a),堿性激發(fā)劑摻量10%改良紅黏土的SEM照片見(jiàn)圖5(b)。從圖5(a)可以看到,原狀紅黏土存在較多孔隙,結(jié)構(gòu)較分散,抗壓強(qiáng)度較低;從圖5(b)則可以清楚地看到長(zhǎng)條狀水化硅酸鈣晶體,同時(shí)團(tuán)粒之間的膠結(jié)作用開始產(chǎn)生,地聚物凝膠與水化硅酸鈣凝膠已開始填充顆粒間的孔隙,膠結(jié)作用使土體形成一個(gè)密實(shí)度較高的整體,改良紅黏土的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度得到較大幅度提升。

5 結(jié)論

1)礦渣地聚物作為紅黏土改良劑,能大幅提升紅黏土的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度,最高可達(dá)原狀紅黏土的5.4倍。

2)通過(guò)固定礦渣摻量、改變堿性激發(fā)劑摻量,發(fā)現(xiàn)當(dāng)堿性激發(fā)劑摻量為礦渣摻量的10%時(shí),對(duì)固化紅黏土有最佳的效果。

3)礦渣地聚物改良紅黏土在堿性激發(fā)劑的作用下產(chǎn)生了水化硅酸鈣凝膠,土體顆粒的黏結(jié)力得到提升,減少了土體間的孔隙,增強(qiáng)了土體的整體性,提高了紅黏土的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度。