水泥-磨細礦渣固化濱海鹽漬土強度及機理

趙慶新， 才鴻偉， 安 賽， 劉繼中

(1.燕山大學 河北省土木工程綠色建造與智能運維重點實驗室， 河北 秦皇島 066004； 2.河北科技師范學院 城市建設(shè)學院， 河北 秦皇島 066004)

鑒于此，本文以水泥和磨細礦渣為固化劑來制備加固土，研究其強度發(fā)展規(guī)律，同時采用XRD、熱重-差示掃描量熱(TG-DSC)法和掃描電子顯微鏡(SEM)技術(shù)探究其加固機理.

1 試驗

1.1 原材料

被加固土為黃驊港灘涂地區(qū)濱海鹽漬土，天然含水率(質(zhì)量分數(shù)，文中涉及的含水率、液限等均為質(zhì)量分數(shù))為38.9%，液限為38.8%，塑限為20.4%，該鹽漬土屬于黏性土，其Cl-含量為0.89%.固化劑采用淺野P·O 42.5 R普通硅酸鹽水泥和S95級礦渣(GGBS)，主要化學組成見表1.拌和水采用黃驊港灘涂地區(qū)天然海水，主要鹽分為NaCl.

表1 水泥與磨細礦渣的化學組成Table 1 Chemical compositions of cement and GGBS w/%

1.2 配合比及試驗方法

1.2.1試件制備及無側(cè)限抗壓強度測試

國內(nèi)用于水泥土攪拌的固化劑通常為水泥漿液，考慮到該施工工藝需額外增加用水量，本研究將鹽漬土含水率由38.9%調(diào)整至60.0%.先計算出含水率60.0%鹽漬土的額外需水量，將此量海水加入鹽漬土中攪拌均勻，再將固化劑干粉加入其中并攪拌均勻.將固化劑摻量取為固化土總質(zhì)量(干土、水和固化劑質(zhì)量之和)的20%，采用0%、25%、50%、75%和100%磨細礦渣等質(zhì)量替代水泥，分別制備成型尺寸為 70.7mm× 70.7mm×70.7mm的5種加固土試件.為模擬現(xiàn)場環(huán)境，加固土試件澆筑完畢后，立刻用凡士林和保鮮膜密封并置于室溫(14.5℃)環(huán)境中養(yǎng)護至預定齡期.參照JGJ/T 233—2011《水泥土配合比設(shè)計規(guī)程》中無側(cè)限抗壓強度試驗方法進行強度測試.

1.2.2固結(jié)物含量測試

用壓力機將加固土試件破碎，取粒徑小于 10mm 的碎塊置于0.315mm標準砂石篩內(nèi)；用流動清水沖洗至不再產(chǎn)生渾濁液體；將沖洗后的加固土置于105℃干燥箱中干燥24h.按式(1)計算加固土固結(jié)物的含量w：

(1)

式中：M1為加固土沖洗前的質(zhì)量，g；M2為加固土沖洗后并干燥24h的質(zhì)量，g.

1.2.3微觀試驗

按照1.2.2節(jié)中方法取加固土碎片進行SEM測試.將加固土進行燒失量測試、XRD測試和TG-DSC測試.

2 結(jié)果與討論

2.1 無側(cè)限抗壓強度

5種磨細礦渣摻量的加固土7、28、90d無側(cè)限抗壓強度如圖1所示.

圖1 加固土無側(cè)限抗壓強度Fig.1 Unconfined compressive strength of stabilized soil

由圖1可知：7、28、90d齡期時水泥-磨細礦渣復合固化劑的加固效果優(yōu)于單摻水泥或磨細礦渣；當磨細礦渣摻量為0%～75%時，加固土7、28d無側(cè)限抗壓強度隨著磨細礦渣摻量的增大而逐漸增高，最高可達6.0、10.0MPa；7d齡期單摻磨細礦渣加固土尚未產(chǎn)生強度，28d齡期時其強度高于單摻水泥加固土強度；當磨細礦渣摻量為25%～100%時，90d齡期時加固土強度均達到11.5MPa以上，遠高于單摻水泥加固土強度.

2.2 固結(jié)物含量

5種磨細礦渣摻量的加固土7、28、90d齡期時固結(jié)物的含量如圖2所示.

圖2 加固土固結(jié)物的含量Fig.2 Hardened materials content of stabilized soil

由圖2可知：7、28d齡期時水泥-磨細礦渣復合固化劑制備的加固土，其固結(jié)物含量明顯高于單摻水泥或磨細礦渣時的含量；當磨細礦渣摻量為 0%～ 75%時，7、28d加固土固結(jié)物含量隨著磨細礦渣摻量的增大而逐漸增高，最高可達64%；當磨細礦渣摻量為100%時，加固土固結(jié)物含量在7、 28d 齡期時最低，但在90d齡期時，其含量迅速增長，達到74%.

2.3 燒失量

一般來說，水化產(chǎn)物的數(shù)量對加固土強度存在重要影響.鄭克仁等[8]采用燒失量法測得水泥-礦渣體系的非蒸發(fā)水量，分析了礦渣摻量對體系水化產(chǎn)物數(shù)量的影響.由于固化劑水化產(chǎn)物和鹽漬土均可產(chǎn)生燒失量，而5種加固土中鹽漬土的含量相同，故可通過橫向?qū)Ρ认}漬土影響，來反映水化產(chǎn)物燒失量特征，并以此粗略反映水化產(chǎn)物數(shù)量.

加固土7、28d的燒失量如圖3所示.由圖3可見，加固土7、28d燒失量隨磨細礦渣摻量的增大而先增后減，此規(guī)律與文獻[8]中水泥凈漿非蒸發(fā)水量隨著礦渣摻量的增加而先增后減的變化規(guī)律基本一致.

圖3 加固土燒失量Fig.3 Loss on ignition of stabilized soil

2.4 無側(cè)限抗壓強度與固結(jié)物含量、燒失量的相關(guān)性

固結(jié)物為體系水化產(chǎn)物與土顆粒相結(jié)合的產(chǎn)物，其形成不僅與水化產(chǎn)物數(shù)量有關(guān)，還與其能夠緊密粘結(jié)的土顆粒數(shù)量存在相關(guān)性.以磨細礦渣摻量為0%的加固土為基準，將28d齡期時加固土抗壓強度、固結(jié)物含量和燒失量的相對百分數(shù)作對比，結(jié)果如圖4所示.

圖4 加固土參數(shù)相對值Fig.4 Relative value of parameter of stabilized soil

由圖4可知，加固土的抗壓強度與其固結(jié)物含量存在明顯的正相關(guān)特征，而與燒失量相關(guān)性不強.因此，不能單獨采用水化產(chǎn)物數(shù)量解釋其強度差異，還應(yīng)考慮固化劑對土顆粒的影響，如水化產(chǎn)物中的晶體和非晶體差異、物理作用等.

2.5 XRD分析

由于加固土的破壞形態(tài)呈現(xiàn)出脆性破壞，加固土的固結(jié)物中可能形成了類晶態(tài)的水化產(chǎn)物.為確定該結(jié)晶水化產(chǎn)物的類型，對5種加固土28d齡期時的水化產(chǎn)物進行XRD分析，結(jié)果如圖5所示.

圖5 加固土XRD圖譜Fig.5 XRD patterns of stabilized soil

由圖5可見：加固土在2θ=11°時出現(xiàn)了水化氯鋁酸鈣(3CaO·Al2O3·CaCl2·10H2O)的衍射峰，水化氯鋁酸鈣體積膨脹可以提高加固土強度[9]，然而各加固土均出現(xiàn)了水化氯鋁酸鈣衍射峰，說明其并不是造成加固土強度差異的主要原因；相比于磨細礦渣摻量為0%的加固土，其他加固土并未有新的結(jié)晶相生成，但其強度明顯提高，這可能是由于非晶體水化產(chǎn)物或物理作用所致.

2.6 TG-DSC分析

為確定不同加固土非晶體水化產(chǎn)物類型，對養(yǎng)護28d的加固土進行TG-DSC分析.5種加固土的TG-DSC曲線如圖6所示.

圖6 加固土TG-DSC曲線Fig.6 TG-DSC curves of stabilized soil

由圖6可知：加固土DSC曲線在200～650℃沒有吸熱或放熱峰，同時TG曲線沒有明顯下降段，說明加固土并未大量生成某種可熱分解的物質(zhì)；加固土DSC曲線在730℃附近出現(xiàn)吸熱峰，所對應(yīng)的TG曲線出現(xiàn)質(zhì)量損失，為鹽漬土中的CaCO3吸熱分解所致；加固土DSC曲線在850℃附近的放熱峰為水化產(chǎn)物晶型轉(zhuǎn)變生成硅灰石和鈣鋁黃長石[10].5種加固土的TG-DSC分析曲線趨勢相同，說明其水化產(chǎn)物類型可能相同，這也佐證了加固土XRD衍射峰相同的試驗結(jié)果，因此可初步推斷，加固土強度差異很可能是物理作用導致.

2.7 SEM分析

為確定加固土微觀結(jié)構(gòu)，采用SEM對5種加固土28d齡期時的剖斷面形貌特征進行觀測，SEM照片見圖7.

由圖7可見：磨細礦渣摻量為0%的加固土產(chǎn)生了纖維狀和連續(xù)褶皺狀C-S-H凝膠，凝膠體存在較多孔洞，水化產(chǎn)物之間粘結(jié)不緊密，膠結(jié)力較差；水泥-磨細礦渣復合固化劑加固土生成了大量的片狀產(chǎn)物，且隨著磨細礦渣摻量的增大，產(chǎn)物逐漸變粗、變大，界面孔隙逐漸減少，水化產(chǎn)物致密性大幅提高；而磨細礦渣摻量為100%的加固土結(jié)構(gòu)松散，孔隙較多，水化產(chǎn)物相對較少；加固土的致密性與加固土中的固結(jié)物含量變化規(guī)律相一致；除磨細礦渣摻量75%的加固土外，其余加固土表面均產(chǎn)生了大量松散的CaCO3結(jié)晶，其放大4000倍的照片見圖8.

由圖8可見，CaCO3結(jié)晶良好且附著在加固土基體表面.這可能是由于加固土破碎后，碎塊內(nèi)部孔隙水中溶解的Ca(OH)2隨著表面水分蒸發(fā)，被迅速帶到表面而發(fā)生碳化所致.另外也間接說明磨細礦渣摻量為75%的加固土結(jié)構(gòu)更為致密.

2.8 加固機理淺析

相同空隙體積下，水化產(chǎn)物越多，其能夠粘附的土顆粒也就越多，加固土也就越致密；在相同水化產(chǎn)物數(shù)量下，空隙體積越小，其粘附的土顆粒也越多，加固土也越致密.結(jié)合加固土燒失量曲線與SEM照片分析可知，加固土強度很可能是固化劑水化產(chǎn)物數(shù)量增多與鹽漬土空隙體積減小共同作用的結(jié)果.

圖7 加固土SEM照片F(xiàn)ig.7 SEM photos of stabilized soil

圖8 加固土表面CaCO3結(jié)晶的SEM照片F(xiàn)ig.8 SEM photo of CaCO3 on surface of stabilized soil

由于黏土顆粒的帶電特性，黏土顆粒之間存在排斥力和吸引力，當排斥能占優(yōu)勢時，土顆粒處于分散相，當吸引能占優(yōu)勢時，土顆粒處于凝聚相.當二力保持平衡時，土顆粒之間維持一定距離[11].當用水泥加固鹽漬土時，在高含水率的環(huán)境里水化產(chǎn)物分散在顆粒之間，水化產(chǎn)物不足以填充顆粒間空隙，因而強度較低.

相比水泥，富含Al元素的磨細礦渣在水化時產(chǎn)生Al3+，其離子交換能力遠高于水泥水化產(chǎn)生的Ca2+，通過離子交換和團粒化作用，使土顆粒雙電層中的擴散層變薄，顆粒因間距減小而發(fā)生凝聚[12].隨著加固土黏性的增大，土顆粒間距減小，彼此靠近，這種靠近減小了土顆粒內(nèi)部空隙，為水化產(chǎn)物粘結(jié)更多的土顆粒提供了良好基礎(chǔ).因而水泥中摻入磨細礦渣后，固結(jié)物含量和加固土強度均出現(xiàn)了大幅度的提高，且隨著磨細礦渣摻量的增多而增大.

單摻磨細礦渣加固土由于缺少水泥而堿性不足，造成磨細礦渣水化較慢，水化產(chǎn)物不足以將土顆粒粘結(jié)成整體，因而7、28d強度較低.根據(jù)程寅等[13]的研究，NaCl參與礦渣水化反應(yīng)生成水化氯鋁酸鈣的同時還生成了NaOH，有利于礦渣玻璃體離解作用，促進礦渣水化.隨著礦渣水化程度不斷地提高，水化產(chǎn)物逐漸增多，90d強度較高.

3 結(jié)論

(1)水泥-磨細礦渣復合固化劑的加固效果優(yōu)于單摻水泥或磨細礦渣時，且當磨細礦渣摻量為 0%～ 75%時，7、28d齡期加固土無側(cè)限抗壓強度隨磨細礦渣摻量增大而逐漸增強，最高可達6.0、10.0MPa；當磨細礦渣摻量為25%～100%時，90d齡期時加固土無側(cè)限抗壓強度均達到11.5MPa以上，遠高于單摻水泥加固土強度.

(2)加固土強度與其固結(jié)物含量正相關(guān)，而與其燒失量相關(guān)性不強.

(3)加固土中的固結(jié)物是加固土強度的主要來源，固結(jié)物由固化劑水化產(chǎn)物及其粘結(jié)的土顆粒構(gòu)成，其形成受水化產(chǎn)物數(shù)量和團粒化作用共同影響.