偏高嶺土改善灰土強度的試驗研究

劉春龍，劉乃飛，劉奉銀，楊珺瓏

( 1. 西安理工大學 巖土工程研究所，陜西 西安 710048；2. 西安建筑科技大學 土木工程學院，陜西 西安 710055；3.西安建筑科技大學 陜西省巖土與地下空間工程重點實驗室，陜西 西安 710055)

石灰具有生產工藝簡單、成本低廉等特點，作為一種建筑材料在我國的土木工程建設中應用非常廣泛[1-2]，尤其是在加固土的使用方面[3-4]，作為改良土體力學特性的材料廣泛應用于構筑物的基層或者墊層[5]，特別是用來加固過濕土效果尤為顯著[6-7].土中摻入石灰后，兩者之間會產生強烈的相互作用，主要為離子交換作用、碳化作用和水化作用[8].而灰土的強度主要來自于石灰與黏土的水化作用，由于黏土礦物中含有一定量的活性SiO2和Al2O3，在常溫潮濕條件下，能與吸附在黏土顆粒表面的Ca(OH)2緩慢的發生化合反應.初始產物為不定成分的膠凝物質，而后逐漸形成膠合的水化硅酸鈣(C-S-H)，再經過較長的時間，形成結晶結構使土的強度和穩定性有所提高.石灰雖然具有良好的加固效果，但由于黏土中的活性SiO2和Al2O3含量有限，導致形成的灰土材料的硬化速度慢，強度不足[9].偏高嶺土作為一種人工火山灰材料，主要是以高嶺土(Al2O3·2SiO2·2H2O) 為原料，在適當溫度下經脫水形成的無水硅酸鋁(Al2O3·2SiO2，簡寫為AS2)，從而有效的提高了活性SiO2和活性Al2O3的含量[10]，在有水的條件下與石灰發生火山灰反應，生成與水泥類似的水化產物水化硅酸鈣(C-S-H)[11]，從而可以提高灰土的力學性能[12].

目前，國內外許多專家對火山灰反應的產物進行了大量的研究[13-15].通過粉晶衍射、紅外光譜、拉曼光譜以及熱分析等手段研究發現，火山灰反應的產物主要包括托勃莫來石[16](CSH-Ι)、水化鈣鋁黃長石(C2ASH8)、水化鋁酸四鈣(C4AH13)和水化鋁酸三鈣(C3AH6)，其中托勃莫來石(CSH-Ι)、水化鈣鋁黃長石(C2ASH8)對灰土材料的強度均有貢獻[17].鑒于偏高嶺土的這些優良性能，其廣泛應用于改善水泥砂漿或混凝土的性能.王林浩等[18]研究表明，偏高嶺土能夠顯著提高水泥土的強度，尤其是早期強度.朱伶俐等[19]通過試驗研究表明，偏高嶺土可以提高噴射混凝土的阻抗值.姜廣等[20]通過試驗表明偏高嶺土可以提高砂漿的抗壓強度.

然而，卻鮮有學者開展偏高嶺土對灰土材料力學性能影響的研究.本文擬從力學試驗角度，研究添加偏高嶺土的灰土材料，在不同水固比和不同偏高嶺土含量下的力學特性，并通過對含水率變化的分析以及掃描電鏡細觀角度揭示其內在機理.此外，還以高嶺土中添加石灰的灰土材料作為對照試驗.本研究一定程度上彌補了該領域的不足，并可為實際工程應用提供理論依據.

1 試驗方案

1.1 試驗材料與試劑

高嶺土購于石家莊辰星實業有限公司，氧化鈣(分析純)購于天津市致遠化學試劑有限公司，偏高嶺土(分析純)購于天津市北辰方正試劑廠，蒸餾水產自西安市東關蒸餾水廠.

高嶺土和偏高嶺土的顆分曲線如圖1所示，其中wd為試驗材料的質量百分數，d為試驗材料的顆粒粒徑.

圖1 顆分曲線Fig. 1 Particle size distribution curves

高嶺土顆粒的相對密度ds、天然含水率w、塑限wp、液限wL、塑性指數Ip等如表1所示.根據擊實試驗得出，高嶺土的最大干密度為1.63 g/cm3，對應的最優含水率為19.5%.偏高嶺土的化學成分及質量分數如表2所示.

表1 高嶺土的物理指標

表2 偏高嶺土化學成分(質量分數)

1.2 試件制備

本文所配制的灰土材料，同時控制原料的石灰、偏高嶺土和水固比3個因素，分析三者對灰土力學性質的影響.試驗以高嶺土材料為主要原材料，高嶺土質量用mk表示，偏高嶺土含量用mm表示，石灰含量用ml表示，偏高嶺土和石灰的含量，用其與高嶺土的質量比來表示.根據該試驗原料配合比的輕型擊實試驗確定的最大干密度為1.44 g/cm3，對應的最優含水率為27.9%.因此，配制該試驗的水固比mw/ms分別為0.26、0.28、0.30和0.32.

將試驗原料稱好后，進行均勻攪拌，放入自封袋中，根據試樣調配的水固比分別調至灰土膏漿樣，并不斷攪拌灰土膏漿養護至3個小時，根據計算稱取一定質量的灰土膏漿注入Φ39.1 cm×80 cm的三瓣模中，用制樣器制樣成型后，放置在干燥器中養護，分別測定試樣的3 d、7 d、28 d抗壓強度.

2 試驗結果與分析

2.1 石灰含量對灰土強度的影響

為了研究添加偏高嶺土的灰土材料的力學特性，分別配置了干密度為1.52 g/cm3、水固比為0.28的不同石灰含量的灰土試件作為對照試驗.本試驗中石灰含量ml分別為8%、10%、13%和16%.試驗所得不同石灰含量條件下試樣在不同齡期時的無側限抗壓強度對比圖如圖2所示.

圖2 不同石灰含量的灰土抗壓強度Fig. 2 Compressive strength of lime-soil samplewith different lime content

由圖2可以看出，總體上灰土試樣的無側限抗壓強度均隨著養護齡期的增大而增強，但石灰含量ml對灰土試樣的強度影響顯著，隨著石灰含量ml的增多，強度呈先增大后減小的趨勢，當石灰含量ml為10%時，灰土試樣的抗壓強度最大.3 d齡期時，石灰含量為10%的試樣強度(最大值)是石灰含量為16%的試樣強度(最小值)的1.50倍；而當28 d齡期時，該值增大為1.62.說明石灰含量對灰土的后期強度影響較大.

2.2 水固比對灰土強度的影響

為了研究添加偏高嶺土的灰土材料的力學特性，分別配置了相同石灰含量和干密度，不同水固比的灰土試樣作為對照試驗.分別配置水固比mw/ms為0.26、0.28、0.30和0.32，石灰含量ml為10%的灰土試樣，測定試樣的3 d、7 d、28 d齡期時的無側限抗壓強度，試驗結果如圖3所示.

由圖3可以看出，總體上灰土試樣的無側限抗壓強度均隨著養護齡期的增大而增強，但水固比mw/ms對灰土試樣的抗壓強度影響較大.同一齡期時，隨著水固比mw/ms的增加，灰土試樣的抗壓強度先增大后減小.當水固比mw/ms為0.28時，灰土試樣的抗壓強度最大.3 d齡期時，水固比為0.28的試樣強度(最大值)是水固比為0.32的試樣強度(最小值)的1.21倍；而當28 d齡期時，該值增大為1.27.說明水固比對灰土的后期強度影響較大.

2.3 偏高嶺土含量對灰土強度的影響

根據前文的對比試驗可知，灰土材料的強度受石灰的含量ml和水固比mw/ms的影響明顯，若向灰土中添加偏高嶺土，必然導致最佳石灰含量ml和水固比mw/mss發生變化，而偏高嶺土mm的含量也必然存在最優含量.

(1)石灰含量對含偏高嶺土的灰土強度的影響

根據2.1節的試驗結果，可推斷出添加了偏高嶺土的灰土試樣中，石灰含量應在圖2曲線的上升區間至其延長線的一定范圍內.據此，配置干密度為1.52 g/cm3，水固比mw/ms為0.3，偏高嶺土mm含量為8%、10%、13%和石灰含量ml為8%、10%、13%、16%、20%的灰土試樣15組，分別測定各試樣在3 d、7 d和28 d齡期時的無側限抗壓強度.用于研究不同偏高嶺土含量條件下，試樣抗壓強度隨石灰含量的變化規律，試驗結果如圖4所示.

圖4 不同石灰含量的灰土抗壓強度Fig.4 Compressive strength of lime-soil samplewith differentlime content

由圖4可以看出，隨著齡期的增長，添加偏高嶺土的灰土試樣強度均增大，偏高嶺土含量mm的變化對灰土強度的影響較大.相同偏高嶺土含量的灰土試樣，石灰含量的變化同樣會引起試樣強度的改變.對比圖4和圖2可以看出，添加偏高嶺土的灰土試樣的強度明顯高于同一時期的不含偏高嶺土的灰土試樣，其中偏高嶺土的含量mm為10%，石灰的含量ml為13%的灰土試樣28 d無側限抗壓強度最高，達到2.22 MPa，是相同干密度但不含偏高嶺土的灰土試樣最高強度的2.45倍(圖2)，是相同水固比和石灰含量但不含偏高嶺土的灰土試樣最高強度的2.70倍(圖3).圖4(a)中，試樣3 d齡期抗壓強度高達0.75 MPa，是相同條件下無偏高嶺土灰土試樣的2.10倍，由此可見，通過在常規灰土試樣中添加偏高嶺土不僅可以提高灰土試樣的后期強度，而且也極大的提高了灰土試樣的早期強度.

(2)水固比對含偏高嶺土的灰土強度的影響

通過前文研究可知，干密度為1.52 g/cm3，偏高嶺土含量mm為10%，石灰含量ml為13%時，灰土材料的無側限抗壓強度最高，因此本節在此基礎上進一步研究水固比(mw/ms為0.26、0.28、0.30、0.32和0.34)對含偏高嶺土灰土試樣無側限抗壓強度的影響，試驗結果如圖5所示.

由圖5可以看出，水固比mw/ms對添加了偏高嶺土的灰土試樣的強度影響較大，與圖3的結果相類似，隨著水固比mw/ms的增加，試樣的強度呈先增大后減小的趨勢，當水固比為0.3時，試樣的抗壓強度最大.對比圖3的試驗結果，添加偏高嶺土mm的試樣最高強度所對應的水固比mw/ms比未添加偏高嶺土的灰土試樣略大，初步推斷應該是因為灰土中添加了偏高嶺土后，試樣會發生火山灰反應，所需要的含水量有所增加所致.

圖5 不同水固比的灰土抗壓強度Fig.5 Compressive strength of lime-soil samplewith different water-solid ratios

2.4 偏高嶺土含量對灰土軟化系數的影響

本文中軟化系數是指試件吸水飽和后的無側限抗壓強度與試件干燥狀態下的無側限抗壓強度之比.軟化系數越大，表明材料的耐水性越好.本節主要分析水固比mw/ms為0.3，石灰含量為13%的灰土試樣和相同條件下的添加10%偏高嶺土灰土試樣在3 d、7 d、28 d齡期的軟化系數，試驗結果見表3.

表3 灰土材料的軟化系數

由表3可以看出，無論是常規灰土材料試樣還是添加了偏高嶺土的試樣，其軟化系數均隨養護齡期的增加而增大.但添加了偏高嶺土后，試樣的軟化系數整體上高于無偏高嶺土的情況.特別的，含偏高嶺土的灰土試樣其軟化系數隨齡期的變化相對較小，可見偏高嶺土可以顯著改善灰土材料的軟化性能.

3 機理研究

本章擬通過分析含偏高嶺土的灰土試樣含水率的變化規律和采用掃描電鏡(SEM)觀察其細觀結構來研究偏高嶺土改善常規灰土材料力學性能的內在機理.

3.1 含水率變化

灰土試樣的含水率變化，在一定程度上可以間接反映試樣內部火山灰反應的程度，以水固比mw/ms為0.3，石灰含量ml為13%的灰土試樣作為參照試驗，分析具有相同干密度、水固比和石灰含量但添加10%偏高嶺土的灰土試樣的含水率變化規律.以試件成型時的含水率作為初始重量ω0，然后分別測定不同齡期的常規灰土試樣和添加偏高嶺土的灰土試樣的含水率ωt，t分別為3 d、7 d、28 d，試樣含水率變化規律如圖6所示.

由圖6可以看出，在干燥器中養護的常規灰土試樣和添加10%偏高嶺土的灰土試樣的含水率，隨著齡期的增長總體上呈減小趨勢.對比圖6中的兩條曲線可以看出， 水固比相同的常規灰土試樣和添加了偏高嶺土的灰土試樣的初始含水率略有不同，這是由于偏高嶺土的加入使相同條件下石灰含量小于常規灰土試樣中所含的石灰量，而石灰遇水產生大量的熱量，帶走了一部分水分.

對于常規灰土試樣，隨著齡期的增長，試樣的含水率先呈減小趨勢，至7 d后灰土試樣的含水率幾乎不發生變化，這主要是因為試樣中的石灰隨著齡期的增長逐漸發生反應，吸收了一定數量的水分，而后灰土試樣的反應吸水與干燥器中的水分補充達到平衡.添加了偏高嶺土的灰土試樣其含水率變化呈先減小后增大最后略有減小的趨勢，且3 d齡期時的含水量變換斜率明顯高于灰土試樣的斜率，主要是因為偏高嶺土與Ca(OH)2和水發生化學反應，需要較多的水分參與所致，反應完全后試樣又吸收了干燥器中的水分導致式樣的含水率有所增加，隨著齡期的增長，含水率趨于穩定.

圖6 灰土材料的含水率變化曲線Fig. 6 Water content of lime-soil sample

3.2 SEM分析

選取在干燥器中養護28 d，石灰含量為13%、水固比為0.3的常規灰土試樣和相同條件下添加10%偏高嶺土的灰土試樣，在其斷面噴金，然后采用掃描電鏡(SEM)進行觀察，結果如圖7所示.

圖7(a)為養護28 d的常規灰土試樣，可以看出，灰土試樣內部結構較為致密，高嶺土顆粒以單個粉粒和黏膠微碎屑組成的顆粒集組成，顆粒大小不均勻，顆粒間多以面-面接觸為主，孔隙多表現為微小的顆粒間空隙.而添加了10%偏高嶺土的灰土試樣，如圖7(b)所示，圖像中的顆粒沿著空間3 個方向都有所生長，顆粒間明顯受到膠凝黏結物聯結而呈現團塊狀態，與圖7(a)相比土中團粒顯著增多，因此強度提高.

圖7 灰土材料的SEM照片Fig.7 SEM photographs of lime-soil material

4 結論

對灰土試樣中添加偏高嶺土后的力學性能進行了試驗研究，初步確定了灰土材料中偏高嶺土、石灰的含量以及水固比與試樣強度的關系，并測定了試樣的軟化系數，通過對試樣含水率變化和試樣細觀結構的分析，探討了偏高嶺土改善灰土力學性能的內在機理，主要取得了以下結論：

(1)在灰土中添加偏高嶺土不僅可以提高灰土材料的后期強度，而且可明顯改善前期強度；

(2)偏高嶺土含量為10%，石灰含量為13%，水固比為0.3的灰土試樣強度最高，其3 d齡期抗壓強度是相同條件下常規灰土的2.1倍，28 d齡期強度達到了2.7倍；

(3)添加了偏高嶺土的灰土試樣的軟化系數整體高于無偏高嶺土試樣，偏高嶺土可以顯著改善灰土材料的軟化性能；

(4)偏高嶺土與Ca(OH)2和水發生化學反應，使得含偏高嶺土的灰土試樣的含水率呈先減小后增大最后略有減小的趨勢；

(5) 添加偏高嶺土的灰土試樣的結構明顯比常規灰土試樣的結構致密，添加偏高嶺土的灰土試樣，在土體內部產生了水化硅酸鈣(C-S-H)，從而改善了試樣的力學性能.