CLFD-TS協同固化云母片巖強風化土性能試驗研究

李永靖,文成章,王 松,程耀輝,郝穩(wěn)杰

(遼寧工程技術大學 土木工程學院,遼寧 阜新 123000)

0 引 言

目前,我國固廢累計堆存約600億t,年新增堆存量達30億t,綜合利用率僅為55%[1],占用大面積土地資源,提升大宗固體廢棄物綜合利用效率是當前亟待解決的問題。為助力實現“雙碳”發(fā)展目標,開發(fā)研究基于工業(yè)固廢的新型固化材料具有重要的現實意義。

傳統(tǒng)的土壤改良材料包括水泥、石灰等,此類固化材料能有效改善土體的力學性能,但有一定的局限性。生產水泥、石灰等材料會消耗大量不可再生資源,同時造成環(huán)境污染問題十分顯著[2-5]。工業(yè)廢渣種類繁多,包括粉煤灰、工業(yè)副產石膏、磷石膏、礦渣、建筑垃圾等,綜合利用率仍然較低。20紀末至21世紀初,土壤固化技術已在我國公路、鐵路、水利等工程領域廣泛應用,各種新型固化劑應運而生[6-7]。國內外眾多學者[8-12]對此做了大量工作,取得了令人矚目的成績。Kampala等[13]使用水泥穩(wěn)定含硫酸鹽黏土,探討了含水率、水泥摻量及養(yǎng)護齡期對強度特性的影響規(guī)律,得出無側限抗壓強度近似呈鐘形規(guī)律變化。Lang等[14]研究了水泥聯合鋼渣固化淤泥的強度形成機理,發(fā)現鋼渣可有效促進針狀凝膠的生成進而提升強度。Liu等[15]利用水泥、鋼渣與偏高嶺土復合固化軟黏土,測試結果表明土壤強度明顯提高,并表現出與水泥土相似的特性。Ren等[16]研究了使用工業(yè)廢渣(煤矸石、脫硫石膏、鋁渣、電石渣)代替?zhèn)鹘y(tǒng)原料制備硫鋁酸鹽水泥的可行性,其固化土28 d抗壓強度達75 MPa。雷俊安等[17]、周小文等[18]研究了風化巖料及其穩(wěn)定土的物理力學特性,發(fā)現二灰穩(wěn)定風化砂呈應變軟化型規(guī)律。文獻[19]—文獻[21]的研究表明,利用多種工業(yè)廢渣混合制備的土壤固化劑性能優(yōu)良,能有效激發(fā)自身潛在的膠凝活性,力學與耐久性能明顯改善。長期以來,針對基于固廢的土壤固化劑研究已取得了一定成果,但如何能更為合理高效地利用固廢資源,仍是當前和今后一個時期的研究重點。

鑒于此,本文首次提出采用普通硅酸鹽水泥、石灰、粉煤灰和脫硫石膏聯合制備的新型粉體固化劑,具有成本低廉、固化效果優(yōu)良的特點,聯合尾礦渣復合固化云母片巖強風化土,研究了不同固化劑摻量不同養(yǎng)護齡期下固化土力學特性、耐久性的變化規(guī)律,結合X射線衍射分析、掃描電子顯微鏡(Scanning Electron Microscope, SEM)和能譜儀(Energy Dispersive Spectrometer,EDS)測試分析固化土強度形成機理,可為類似研究提供借鑒和參考。

1 試驗方案

1.1 試驗材料

試驗所用材料取自湖北棗陽—潛江(棗潛)高速公路施工建設現場,是風化程度較高的云母片巖強風化土,表面呈黃色。根據《公路土工試驗規(guī)程》(JTG 3430—2020)[22]測試其基本物理性質指標,見表1。由粒徑分布曲線(圖1)可知,粒徑>0.075 mm顆粒含量占25.22%,粒徑0.002～0.075 mm顆粒含量占64.55%,粒徑<0.002 mm顆粒含量占10.23%。風化土液限為37%,塑限為21%,塑性指數為16,判定該土為低液限粉土。試驗采用的石渣最大粒徑為60 mm,超出試驗儀器的粒徑限制要求,故參考文獻[23]采用相似級配法對石渣原始施工級配進行縮尺處理,縮尺前后級配曲線見圖1。

圖1 粒徑分布曲線

表1 云母片巖強風化土基本物理參數

本文選用阜新祥和水泥有限公司生產的P.O 42.5普通硅酸鹽水泥,石灰產自沈陽玉豪白灰廠,為普通二級鈣質生石灰。粉煤灰為阜新熱電廠生產的一級粉煤灰,脫硫石膏來源于沈陽康環(huán)脫硫石膏綜合利用有限公司,水泥、石灰、粉煤灰及脫硫石膏的主要化學成分如表2所示,試驗樣品見圖2。

圖2 固化劑組成成分

表2 固化劑主要化學組分

1.2 固化劑配合比設計

根據現場路基填筑試驗結果,經綜合比較得出云母片巖與供伴生尾礦最佳摻配比為3∶2。本文在此基礎之上,添加新型土壤固化劑對其進行復合改良。通過配方優(yōu)選,使固化劑各組分之間達到最佳的作用效果,優(yōu)化固化劑配比方案,本文采用正交試驗對各組分的配比進行研究。此次正交試驗是三水平三因素試驗,適用的正交表為L9(34),試驗影響因素與水平值如表3所示。

表3 正交試驗方案水平因素

1.3 試驗方法

1.3.1 力學性能測試

按照《公路土工試驗規(guī)程》(JTG 3430—2020)[22]及《公路工程無機結合料穩(wěn)定材料試驗規(guī)程》(JTG E51—2009)[24]測定云母片巖強風化土和固化土試件的CBR(California Bearing Ratio)、回彈模量、無側限抗壓強度及抗剪強度。采用靜壓成型的方式制備Φ152 mm×120 mm的圓柱體試件,標準養(yǎng)護7 d再泡水4 d后,進行承載比貫入試驗。采用靜壓成型的方式制備Φ100 mm×100 mm的圓柱體試件,標準養(yǎng)護7 d后進行回彈模量測試。采用靜壓成型的方式制備Φ50 mm×100 mm的圓柱體試件,標準養(yǎng)護7 d后進行單軸抗壓試驗。采用靜壓成型的方式制備Φ50 mm×100 mm的圓柱體試件,標準養(yǎng)護7 d后,進行不同初始有效圍壓(50、100、200、300 kPa)下的三軸固結不排水試驗。

1.3.2 耐久性能測試

將標準養(yǎng)護7 d后的固化土試件放入水槽中分別浸泡1、3、5、7、9、11、14 d,測試不同浸水時間條件下試件的承載比與回彈模量,以穩(wěn)定系數K來評價固化土試件的水穩(wěn)定性,其計算表達式見式(1)。穩(wěn)定系數K越大,表明固化土試件的水穩(wěn)定性越好。

(1)

式中:Ji為泡水i天后試件的CBR值;Mi為泡水i天后試件的回彈模量。

以干濕循環(huán)強度折減率評價固化土的抗干濕循環(huán)性能,試樣養(yǎng)護齡期為28 d,試驗采用飽和浸水24 h和烘箱干燥24 h控制,此為1個循環(huán)。循環(huán)5次后測其抗壓強度,利用式(2)計算干濕循環(huán)強度折減率η。

(2)

式中:q1為干濕循環(huán)后試樣無側限抗壓強度;q0為標準養(yǎng)護試樣無側限抗壓強度。

1.3.3 微觀分析測試

采用掃描電子顯微鏡(SEM)二次電子成像技術對固化土試件進行微觀形貌測試與能譜儀(EDS)掃描測試,同時利用X射線衍射儀分析固化土試件的物相組成,研究不同固化劑摻量不同齡期下固化土試件的微觀結構變化特征。

本研究所用壓力機型號為TAW-2000,電子顯微鏡型號為捷克TESCAN MIRA LMS。

2 試驗結果

2.1 正交試驗結果

本文正交試驗以云母片巖固化土7 d無側限抗壓強度為評價指標,運用SPSS軟件進行極差分析,探討各組分的最佳配合方案。表4為正交試驗中水泥、石灰、粉煤灰及脫硫石膏在不同摻配方案下固化土7 d無側限抗壓強度試驗結果,表5為極差分析。

表4 7 d無側限試驗配比方案與試驗結果

表5 極差分析

由表5可知,試驗中各因素對試驗結果影響的主次關系為:水泥含量(A)>石灰與脫硫石膏質量比(C)>石灰與粉煤灰質量比(B)。在該齡期下,3個因素的較優(yōu)水平分別為A3、B2、C2,故本試驗的最佳水平組合為A3B2C2,配方優(yōu)選結果為m水泥∶m石灰∶m粉煤灰∶m脫硫石膏=160∶44∶131∶66。下文中力學與耐久性試驗均基于此配方進行。

2.2 無側限抗壓強度

圖3為不同養(yǎng)護齡期下云母片巖固化土無側限抗壓強度隨固化劑摻量增加的發(fā)展變化曲線。

圖3 不同養(yǎng)護齡期下固化土無側限抗壓強度變化規(guī)律

由圖3可知,固化土試件無側限抗壓強度隨著固化劑摻量的增加呈正向增長態(tài)勢,較素土抗壓強度qu(113 kPa)有了明顯的提高。摻4%固化劑的CLFD-TS固化土試件7 d無側限抗壓強度已達1.24 MPa,滿足《公路瀝青路面設計規(guī)范》(JTG D50—2017)[25]中關于中、輕等級交通荷載時二級及以下公路底基層的技術要求。當試件固化劑摻量分別從4%增加至6%、8%和10%的過程中,其7 d無側限抗壓強度分別提升了40.63%、78.68%和120.03%,28 d無側限抗壓強度分別提升了14.11%、34.02%和73.61%,90 d無側限抗壓強度分別提升了21.79%、46.73%和102.30%,而180 d無側限抗壓強度分別提升了18.77%、40.55%和91.74%。同一固化劑摻量下,固化土無側限抗壓強度隨養(yǎng)生齡期的延長出現不同幅度的增長,28 d養(yǎng)護齡期后抗壓強度增長緩慢。以10%摻量為例,固化土28、90、180 d抗壓強度較7 d抗壓強度分別提升了60.35%、109.95%、115.60%。

2.3 CBR與回彈模量

圖4為素土與云母片巖固化土的CBR值與回彈模量試驗結果。由圖4(a)可以看出,素土的CBR僅為8.2%,隨著固化劑摻量的增加,固化土CBR得到顯著提升。4%摻量固化土CBR較素土提高了8.2倍,當試件固化劑摻量分別從4%提高至6%、8%和10%時,固化土CBR分別提高了75.43%、106.38%和121.81%。可見,固化改良后固化土承載能力大幅提高,均滿足《公路路基設計規(guī)范》(JTG D30—2015)[26]中關于路基填料的承載比控制要求。

圖4 素土及云母片巖固化土CBR與回彈模量試驗結果

由圖4(b)可知,素土回彈模量為16.8 MPa,隨固化劑摻量的增加,固化土回彈模量有了明顯的提高。摻量為4%固化土回彈模量達43.6 MPa,較素土提高了1.6倍,滿足《公路瀝青路面設計規(guī)范》(JTG D50—2017)[25]中輕、中等級交通荷載的設計要求。當固化劑摻量依次增加至6%、8%和10%時,固化土回彈模量分別增加至71.6、106.9、120.1 MPa,較4%固化土分別提高了0.64倍、1.45倍和1.75倍,均滿足規(guī)范中關于極重交通荷載的使用要求。

2.4 固化土抗剪強度

對素土及固化土試樣開展三軸壓縮剪切試驗,抗剪強度試驗結果見圖5和圖6。圖5是摻4%固化劑的固化土應力-應變變化曲線,可見低圍壓時曲線呈應變軟化型發(fā)展,隨圍壓的遞增有逐漸硬化的趨勢,圍壓越大,峰值強度越高,其殘余強度也呈遞增趨勢。

圖5 摻4%固化劑的固化土應力-應變曲線

圖6 素土及固化土試件抗剪強度及抗剪強度指標

由圖6(a)可知,固化土抗剪強度隨固化劑摻量的增加呈正相關增長,不同初始有效圍壓下抗剪強度增長速率大致相同,當固化劑摻量為4%時,圍壓50、100、200、300 kPa下的抗剪強度分別增長到59.9、84.3、132.8、181.4 kPa,較素土試樣分別提高了67.79%、45.09%、28.81%、22.57%。同一固化劑摻量下固化土抗剪強度隨圍壓的遞增均有不同程度的提升,以摻量10%為例,當試件圍壓分別從50 kPa增加到100、200、300 kPa的過程中,固化土抗剪強度分別提高了33.21%、99.88%、166.42%,可見圍壓會直接影響固化土的剪切強度。

由圖6(b)可知,隨著固化劑摻量的增加,黏聚力得到大幅度提升,內摩擦角浮動不大,整體變化在5°以內。素土的內摩擦角和黏聚力為24.2°和13.2 kPa。摻量為4%的固化土的內摩擦角和黏聚力相對素土分別提高了7.02%和170.45%。當固化劑摻量從4%提高至10%時,固化土的內摩擦角和黏聚力分別提高了10.81%和53.50%。

2.5 固化土耐久性能

不同浸水時間下素土及固化土試件的CBR與回彈模量試驗結果如圖7所示。隨浸水時間的延長,素土及固化土試件的CBR與回彈模量呈遞減趨勢,這主要是因為隨著泡水齡期的增長,土中自由水含量上升,土體剛度軟化下降,土顆粒被水膜潤滑包裹,顆粒間距增大,從而強度削弱降低。浸水時間達9 d后,CBR值與回彈模量逐漸趨于穩(wěn)定,綜合考慮CBR與回彈模量的使用要求,摻6%固化劑的固化土即可滿足《公路瀝青路面設計規(guī)范》(JTG D50—2017)[25]中高等級公路路基回彈模量的最低技術標準。

圖7 浸水對素土及固化土試件力學性能的影響

圖8為浸水7、9、11、14 d后素土及固化土試件的穩(wěn)定系數。從圖8可以看出,隨著固化劑摻入比的增加,云母片巖固化土的穩(wěn)定系數不斷增大。以浸水14 d為例,固化劑摻量為10%固化土試件的CBR穩(wěn)定系數從0.32提升至0.62,回彈模量穩(wěn)定系數從0.21提升至0.49?？梢?固化劑能顯著改善素土填料的水穩(wěn)定性,原因在于固化劑水化產物填充了土體孔隙,阻斷了水分遷移的通道,顆粒間密實度得以提高,持水能力進一步增強,下文電鏡試驗結果可為此提供有力支撐。

圖8 素土及固化土試件的強度穩(wěn)定系數

圖9為養(yǎng)護28 d后固化土干濕循環(huán)強度折減率隨著固化劑摻量變化關系。從圖9可以看出,固化土干濕循環(huán)強度折減率隨著固化劑摻量的遞增呈正相關增長,摻4%固化劑的固化土干濕循環(huán)強度折減率為69%,當固化劑摻量提升至10%時,固化土干濕循環(huán)強度折減率提高了28.9%,可見固化劑水化產物的膠凝和填充作用有效改善了固化土的抗干濕循環(huán)性能,這與后文微觀測試結果也是相對應的。

圖9 固化土干濕循環(huán)強度折減率與固化劑摻量變化關系

2.6 微觀測試分析

2.6.1 物相組成

圖10是不同固化劑摻量和不同養(yǎng)護齡期下固化土的X射線衍射圖譜。從圖10可以看出,固化土礦物組分主要由石英、云母、AFt晶體、C-(A)-S-H凝膠及少量CaSO4晶體構成。摻4%固化劑固化土試樣養(yǎng)護28 d后,各水化產物衍射峰強度較為偏弱,摻量為10%固化土試樣養(yǎng)護28 d后,水化相含量明顯增加,表明摻量增加促進了化學反應速率進行。摻10%固化土試樣養(yǎng)護90 d后,生成物相并未出現明顯差異,在衍射角2θ=27.5°、8.8°處,AFt衍射峰和C-A-H凝膠衍射峰強度明顯增加,這與固化土宏觀力學性能變化規(guī)律相符。

圖10 X射線衍射圖譜

2.6.2 SEM-EDS

圖11是不同固化劑摻量和不同養(yǎng)護齡期下固化土2種放大倍數的微觀形貌特征。從SEM圖像中可以看到一些絮狀片狀的C-A-H、C-S-H凝膠,以及針狀棒狀的AFt、CaSO4晶體,這些水化物填充膠結了土體孔隙,結構致密性增強,固化土強度顯著提高。

圖11 不同固化劑摻量和養(yǎng)護齡期固化土的SEM圖像

對比圖11中的(a)、(b)可看出,摻量4%固化土試件養(yǎng)護28 d后,土體間隙較大,有部分水化產物生成,提高固化劑摻量促進了土顆粒表面的離子交換作用,加速土團凝聚,產物比重進一步增加,彼此交織、交錯生長,形成網絡骨架結構。

對比圖11中的(b)、(c)可看出,水化物隨養(yǎng)生齡期的延長進一步生長,土體孔隙被填充固封,大孔隙轉換為微孔,固化土試樣板體性明顯增強,宏觀上表現為耐久性能增強。摻量10%固化土試樣養(yǎng)護90 d后,并未觀察到有新物相生成,這與X射線衍射結果相一致。

選取固化土代表性水化產物作EDS能譜分析,檢測結果見表6。由表可見,Al和Si是水化產物主要組成元素,S和Ca的含量則明顯偏低,表明固化土中C-A-H和C-S-H凝膠含量較多。此外還可看出,隨固化劑摻量的增加和養(yǎng)生齡期的延長,S元素的含量呈上升趨勢,說明AFt晶體含量也明顯提升,這與XRD礦物分析結果也是相對應的。

表6 EDS檢測結果

3 討 論

基于上述宏觀及微觀測試結果,提出CLFD-TS協同固化云母片巖強風化土微觀機制模型,見圖12。

圖12 CLFD-TS協同固化云母片巖強風化土微觀機制模型

由圖12可見,固化土強度形成主要來源于尾礦渣與固化劑的物理化學雙重加固作用。結合級配曲線(圖1)可知,尾礦渣的加入改善了土體的骨架結構,優(yōu)化了顆粒級配,土體剛度大幅增加,受力性能顯著提高。云母片巖強風化土與常見的單粒結構土不同,顆粒多呈片狀,二者強度形成均來自固化劑水化產物的填充膠凝作用,微觀組構的不同決定其固化機理有所不同,風化土受結合水影響較大,溶液中高價陽離子濃度升高,促使土顆粒結合水擴散層厚度減小,土體強度得到提高。伴隨著固化土強度的增長,固化劑中4種組分發(fā)生了一系列復雜的物化反應,多種反應相互關聯、相互促進、相互影響,主要包括水化反應、火山灰反應以及離子交換作用等。

水泥與石灰水化產生大量Ca(OH)2,為后續(xù)化學反應提供了充足的堿環(huán)境。帶負電荷的土顆粒表面吸附Na+、K+、H+等低價陽離子,與溶液中水解的Ca2+等高價陽離子發(fā)生離子交換作用,減薄了雙電層結構,動電電位降低,結合水部分釋放,顆粒表面結合水膜厚度減少,使土顆粒加速自身凝聚,封閉了土團孔隙,吸水性和膨脹性減弱,持水能力增強,宏觀上表現為固化土水穩(wěn)性有效提升。粉煤灰屬于水硬性膠凝材料,含有大量具有火山灰活性的活性氧化硅、活性氧化鋁,這些活性組分在Ca(OH)2堿溶液中進行酸堿中和作用,生成了水化硅酸鈣、水化鋁酸鈣及水化硫鋁酸鈣等凝膠性產物,膠結、填充、擠密了土體孔隙,提高了試樣的板體性。體系中的脫硫石膏(CaSO4·2H2O)促進了膨脹性晶體鈣礬石AFt和CaSO4的生長,針狀、棒狀晶體向土團縫隙中生長和延展,起到了微型加筋的作用,土體結構也因其微膨脹作用而更加致密,強度和密實度有了極大的提高,改善了防水滲透性,固化土抗干濕循環(huán)性能因而增強。隨反應的進行,土中含水率降低,比表面積較高的固化材由于表面能的吸附作用,顆粒接觸點數目增加,增強了體系界面的連接,未水化材料在水化產物中也起到了微集料填充作用,細化了孔隙結構,促進強度形成的化學反應速率隨養(yǎng)生齡期的延長逐漸減慢且趨于平緩,這也解釋了固化土強度前期增長迅速,而后期強度增長緩慢的試驗現象。在栆潛高速項目工程中,本文CLFD-TS聯合固化方案產生了顯著的經濟與環(huán)保效益。

4 結 論

基于宏觀力學性能、耐久性能及微觀特性測試結果,研究了水泥、石灰、粉煤灰和脫硫石膏聯合尾礦渣固化云母片巖強風化土的改良效果與強度形成機理,主要結論如下:

(1)相對于素土試樣,CLFD-TS固化土試樣力學性能得到顯著提高,摻4%固化劑的固化土試件7 d無側限抗壓強度達1.24 MPa,浸水9 d后摻6%固化劑的固化土試件可滿足《公路路基設計規(guī)范》(JTG D30—2015)中路基填料CBR≥8%、《公路瀝青路面設計規(guī)范》(JTG D50—2017)中回彈模量≥40 MPa的技術要求。

(2)水化產物阻斷了水分遷移的通道,浸水14 d后摻10%固化劑的固化土CBR穩(wěn)定系數提高了93.75%,回彈模量穩(wěn)定系數提高了133.33%。摻10%固化劑的固化土養(yǎng)護28 d后干濕循環(huán)強度折減率達89%。

(3)固化土強度形成來源于CLFD-TS的物理化學雙重固化作用,摻入的尾礦渣優(yōu)化了顆粒級配,提高了土體剛度,固化劑水化產生了C-S-H、C-A-H凝膠及AFt、CaSO4晶體,各種水化產物的膠凝和填充作用,提高了土體的強度和密實度,從而增強了固化土的力學與耐久性能。

本文研究主要針對湖北栆潛地區(qū)的強風化云母片巖開展,檢驗其對其他地區(qū)的土壤固化是否具有普適性將是下一步的工作重心,為今后CLFD固化劑在路基土加固領域的應用提供理論依據。