地质聚合物加固含硫软土的试验研究

2018-08-21邵龙潭

水利与建筑工程学报 2018年4期

刘旭，张默，邵龙潭

(1.大连理工大学工程力学系，辽宁大连 116024；2.大连交通大学土木与安全工程学院，辽宁大连 116028)

软土或高压缩性土层缺乏足够的强度，难以在施工和使用过程承载上部结构的荷载、难以满足公路对地基变形和稳定性的要求，这是建筑工程或道路工程的常见问题[1]。利用水泥或石膏对软土进行加固是提高地基土承载力的常用方法[2-4]。但是，加固剂中的钙离子(Ca2+)会与含硫软土中的硫酸盐在水分充足的条件下反应生成易膨胀的矿物晶体钙矾石和硅灰石膏，如以下反应式所示：

钙矾石遇水后可膨胀250%，且会因晶体成长和水化反应持续膨胀[5]。国内外的大量工程实例中发现用水泥和石膏改良含硫酸盐软土地基时会发生大量的体积膨胀，导致上部结构出现裂缝、甚至发生破坏[6-8]。因此，许多研究者致力于开发新型软土加固剂[9]，如石灰纤维复合材料、水泥窑灰、粒化高炉矿渣、粉煤灰等，但以上均属于钙基加固剂，仍旧无法解决含硫土的膨胀问题[10-13]。虽然研究表明钙矾石的形成对于软土的改良有利有弊，但是开发新型的非钙基加固剂仍是岩土工程研究中的重要课题[14-16]。

地质聚合物(地聚物)是由碱溶液激发硅铝矿物进而聚合形成的胶凝材料，由于其力学性能优异、防火耐热性能优良、能耗和CO2排放量低、可利用固体废料，是一种在混凝土[17]、防火建材[18]、保温材料[19]、有毒废料固化[20]等领域有广泛应用前景的绿色材料。本研究利用偏高岭土、赤泥和低钙粉煤灰的混合物两种固体材料合成地聚物进行含硫软土加固，测试加固后软土的无侧限抗压强度等力学性能和浸水后的体积变化，并借助扫描电子显微镜、X射线能谱和X射线衍射对加固土的微观结构性质进行分析，揭示了地聚物加固含硫软土的良好力学性能和体积稳定性。

1 试验材料与方法

1.1 试验材料

分别采用赤泥和粉煤灰的混合料、偏高岭土两种材料制备地质聚合物。赤泥是拜耳法炼铝的固体废料，含有大量氢氧化钠残留，放置在烘箱内烘干至恒重，温度控制在90℃～95℃ 24 h。赤泥烘干后粉碎磨细至0.152 mm。利用比重计法测得赤泥和粉煤灰的粒径分布，如图1所示。偏高岭土的颗粒尺寸分布较均匀，小于0.045 mm粒径的质量比例为91.6%。通过X射线荧光分析得到三种原料的化学组分，如表1所示。碱激发剂采用50%氢氧化钠溶液和2 mol/L的硅酸钠溶液混合而成。选用石灰和水泥两种常用的含钙加固剂作为对比。

根据美国材料与试验协会(ASTM)标准，类别为高塑性黏土的土样用于本研究中作为加固土样。根据ASTM标准D4318-10[21]，使用土样中粒径小于0.425 mm部分测量塑性指数和液限。该土样的塑性指数和液限分别为15%和29%。以往的实验研究表明，含硫量为320 ppm～43 500 ppm的土都会发生膨胀[22]。在黏土中加入浓度分别为1 000 ppm、5 000 ppm、10 000 ppm的石膏粉并搅拌均匀，以达到土样中含硫量为565 ppm、2 825 ppm、5 650 ppm，研究地质聚合物对于不同含硫量黏土的加固作用。

图1赤泥、粉煤灰、土的粒径分布

表1 赤泥、粉煤灰、偏高岭土的化学组分单位：wt%

1.2 试验配比及方法

1.2.1 地质聚合物合成

对于赤泥-粉煤灰基地质聚合物(RFFG)，先将硅酸钠、氢氧化钠和去离子水按照7∶3∶5的体积比例混合均匀制成碱激发溶液并静置24 h，后将赤泥粉与粉煤灰按照1∶4的质量比例混合，再将原料与碱激发溶液按照100(g)∶50(mL)的比例混合搅拌约30 min，该地聚物浆体的含水率为26%。

对于偏高岭土基地质聚合物(MKG)，将硅酸钠、氢氧化钠和去离子水按照18∶5∶2的体积比例混合均匀制成碱激发溶液并静置24 h，再将偏高岭土与溶液按照100(g)∶125(mL)的比例混合搅拌约30 min，该地聚物浆体的含水率为40%。值得注意的是，为了分别研究两种地聚物加固软土的效果，应用了这两种配比，分别是经过前期研究得出的常温养护力学性质、和易性良好的赤泥-粉煤灰基地聚物和偏高岭土基地聚物的配比，目的不在于对比两种配比的性能，故可以接受两种配比具有较大差别。

1.2.2 无侧限压缩试验土样

在三种含硫量的未加固土中分别掺入10%和15%的RFFG、8%和13%的MKG、4%石灰、5%水泥混合均匀进行击实试验，确定最大干密度和最优含水率，并按照最优含水率制备36 mm×72 mm的圆柱体土样，如表2所示。在室温环境(温度约为23℃，相对湿度在40%～50%之间)下进行养护。养护7 d和28 d养护后进行无侧限抗压试验。由于强度形成缓慢，对RFFG加固土样测量14 d和28 d力学性质。在养护期间，对所有试件的直径、高度进行测量，监测土样的体积稳定性。

表2 土样的配比

1.2.3 浸水试验

为研究加固剂对土样的体积胀缩性质的影响，将S10000、S10000-MKG8、S10000-MKG13、S10000-L4、S10000-C5制成40 mm×13 mm的圆盘试件，在室温环境下分别养护7 d和28 d后，进行浸水试验。将垫有透水石的试件置于有机玻璃容器，保持水与透水石上表面高度一致。实验过程中试件套在PVC管状试模中限制土样径向膨胀，试件上表面盖一个塑料薄片，在薄片上放置千分表取得试件在浸水过程中的高度变化。

1.2.4 加固土样的微观结构变化

用经过无侧限抗压试验和浸水膨胀试验的土样进行扫描电子显微镜(SEM)、X射线能谱(EDS)和X射线衍射试验(XRD)分析试样的微观结构变化。

2 试验结果与讨论

2.1 无侧限抗压强度

各土样不同养护周期的应力-应变曲线如图2所示。由图2可以看出，地聚物加固土样的强度、刚度和破坏应变均有所提高。随着养护时间的延长，RFFG加固土样的力学性质有所提高，但是并不显著，这可能是由于该地聚物本身强度形成较慢导致的。

MKG加固土样的力学性质提高显著，其7 d抗压强度与4%的石灰加固土样相当，28 d强度与5%的水泥加固土样相当；其破坏应变高于石灰加固土样，显著高于水泥加固土样。随着掺量的提高，MKG加固土样的抗压强度和破坏应变也随之大幅提高，尤其是养护28 d的13%MKG加固土样。MKG加固土样养护28 d后的强度和破坏应变均比7 d后有显著提高；石灰加固土样除S10000-L4的强度随养护时间的延长而增长、但破坏应变降低外，其他含硫量的石灰加固土样并未提高，甚至有所降低(S5000-L4)；水泥加固土样除S1000-C5的强度未受养护时间影响，其他含硫量的土样强度随时间延长而降低。这说明MKG对于软土路基的性能有很好的改良作用，并在长期提高含硫软土的力学性能方面优于其他含钙加固剂。

2.2 加固剂对土样体积稳定性的影响

各土样在养护期间的体积变化比例如图3所示。由于制成后的前两天在密封袋中养护，土样在这期间的体积变化很小。养护第三天，由于土样开始暴露于空气中，体积有明显收缩，且收缩幅度因加固剂的变化而异。除了未加固土样和水泥加固土样在第四天后体积还持续收缩，其他土样在第四天后体积基本稳定。由15%RFFG加固的土样总体积收缩最大，其次为未加固土样、水泥加固土样和10%RFFG加固土样。石灰加固土样和MKG加固土样体积较为稳定，对于各种石膏含量的软土，养护28 d收缩最小的土样分别为S1000-MKG13、S5000-L4和S10000-MKG8。

图2 各土样的应力-应变曲线

图3无侧限抗压试件随养护时间的体积变化

由图3可看出，含硫量高的软土膨胀趋势高，石膏含量为10 000 ppm的土样在经4%石灰加固后已表现出膨胀趋势，但是MKG对增强软土的体积稳定性作用显著。因此，在浸水实验和微观表征中，选用加固效果良好的MKG和膨胀趋势明显的石灰加固的石膏含量为10 000 ppm的土样进行对比研究。

2.3 加固剂对含硫土浸水后体积稳定性的影响

对养护7 d和28 d石膏含量10 000 ppm的未加固土样、石灰加固土样和偏高岭土加固土样进行了浸水试验，直至试样高度稳定为止。试样在浸水168 h过程中的高度随时间变化曲线如图4所示。养护7 d的未加固土试样基本没有变化；MKG加固土样在浸水最初期(1 h后)表现出少量的膨胀(S10000-MKG8-7d膨胀约4%，S10000-MKG13-7d膨胀约5%)并且在后期高度基本稳定；石灰加固土样在浸水过程中一直成膨胀趋势，直到120 h后高度趋于稳定。与短期养护的土样不同，养护28 d的未加固土样在浸水的前3个小时高度持续膨胀，并稳定在8%～9%；养护28 d的S10000-MKG8土样的高度在整个浸水期间间歇、缓慢地增长了8%。这可能是由于两种土样在较长期地养护过程中失去大量水分，在浸水试验过程中吸水使土颗粒松散导致膨胀。而养护28 d的S10000-MKG13土样与养护7 d后表现一致，在第1 h膨胀了3%后就稳定了。这可能是因为在13%MKG的加固土样中，地聚物胶凝材料将土颗粒黏结在一起，使土样的整体性更好、更加密实，在浸水过程中不宜松散。而S10000-L4-28d与S10000-L4-7d类似，在浸水期间高度持续增长至约96 h稳定。加固土样中，13%MKG加固土样的浸水体积稳定性最优，最终高度膨胀量约为3%；而石灰加固土样膨胀量最大，约为21%，是前者的7倍。由此可见，含钙加固剂对于含硫软土路基、路面性能的潜在危害很大，而在相同或更好的加固效果情况下，MKG加固的含硫土不存在这样的问题。

图4膨胀试验土样浸水的厚度变化

2.4 不同加固土样的微观结构变化

使用SEM对各MKG加固土样的微观结构进行表征和分析。以S10000-MKG13养护28 d的土样为例，如图5所示，原本松散的土颗粒间由连续地聚物胶凝物质黏结、包裹，形成较为密实的整体。为了进一步验证，对这种平滑、连续的胶质结构进行EDS测试，谱线及物质的元素组分如图5右侧所示。可以看出，该结构的主要组成成分为地聚物的基本构成元素Na、Al、Si和O，且钠和铝的原子比(等效于摩尔比)约为1，硅和铝的原子比约为2，符合理论上地聚物Na/Al≈1、Si/Al=1～3的理论摩尔比。值得注意的是，该处的EDS谱线中还探测到微量S、Ca等元素，为石膏的成分，这是由于土中各组分分散，实验点可能会覆盖到其他组分。实验结果说明，地聚物加固土样的力学性能和体积稳定性的提高主要是因为在土中形成的地聚物胶凝材料对土颗粒的胶黏作用。

养护7 d后浸水7 d的各土样的SEM图片如图6(a)～图6(d)所示。由图6可以看出，加固土样的微观结构都比未加固土样(图6(a))更加密实、颗粒更加紧凑。其中，相比使用8%MKG的土样，使用13%MKG的土样中颗粒表面和颗粒间的连续、光滑的胶凝物质微观结构更加明显，从微观角度说明地聚物的胶结作用是MKG提高土样力学性能和体积稳定性的主要因素，增加地聚物的掺量能够更有效地加固含硫软土。在图6(b)及该图左下角的放大电镜图中观察到针状或细棒状结构，是典型的钙矾石微观结构，在未加固和其他加固土样中均未发现。钙矾石是含硫土在使用含钙加固剂遇水后形成的晶体，是导致土体膨胀的主要因素，与浸水试验中石灰加固土样发生大量膨胀的现象一致。值得注意的是，由于石灰用量较少，钙矾石形成量较少且松散地分散在土样中，加之其在初期形成后继续发展，使得该针状或细棒状结构在微观图片中不是很明显，但是如此少量的钙矾石形成仍能引起图4中显著的土样膨胀，说明含钙加固剂在含硫土改良中应用存在的潜在问题不容忽视。

同时还对浸水土样进行了XRD分析，如图7所示。土样中的主要矿物为石英(Quartz)、高岭石(Kaolinite)和绿锥石(Cronstedtite-6)。由于石膏和加固剂的含量低，钙矾石的形成很少，所以均未在XRD中观察到。