粉煤灰水泥土強度增長機理研究及其試驗驗證

姜 鵬 章劍青 朱征平

(江蘇華寧工程咨詢有限公司，江蘇 南京 210018)

0 引言

水泥是一種多相無機材料，其主要相為阿利特(硅酸三鈣)、貝利特(硅酸二鈣)、鋁酸鹽(鋁酸三鈣)和鐵鋁酸鹽(鐵鋁酸四鈣)，這些相很大程度上決定水泥的水硬性[1]。水泥常被用做土體固化劑，通過一系列物理化學作用，使地基土硬結成水泥加固土體，廣泛應用于軟基處理工程中，研究其固化機理對于水泥土設計、施工具有重要意義。

1 粉煤灰—水泥系統的水化反應

1.1 水泥礦物的水化[1]反應

硅酸三鈣、硅酸二鈣水化產物是水化硅酸鈣以及氫氧化鈣(氫氧鈣石)。鋁酸三鈣水化經一系列中間產物轉化，最終生成單硫相—水化鋁酸四鈣固溶體。鐵鋁酸四鈣與鋁酸三鈣水化反應類似，只是中間產物均為三價鐵置換的產物，且三價鐵置換的產物在結構上與相應的純鋁酸鹽非常相似，故易于和它們形成固溶體，即單硫相—水化鋁酸四鈣型固溶體。

1.2 粉煤灰水化及其對水泥水化反應的影響[2]

粉煤灰水化時先在粉煤灰顆粒表面形成一層水化硅酸鈣凝膠外殼，然后顆粒表面鋁硅玻璃體溶解并與Ca(OH)2反應[2]，最終水化產物及結構與水泥水化產物基本類似。粉煤灰—水泥系統中水泥熟料礦物首先發生水化反應，生成的Ca(OH)2與粉煤灰的鋁硅玻璃體發生水化反應；水泥熟料水化反應提供粉煤灰二次水化所需的Ca(OH)2，而粉煤灰熟料顆粒表面提供水泥熟料水化反應產物沉淀場所，從而促進水泥熟料礦物的水化作用。交替進行的兩類水化反應相互促進、互相制約。

2 粉煤灰—水泥加固土強度增長機理

2.1 水泥水化產物與土顆粒的作用

水泥固化過程中，土中粘粒和水形成的膠體分散系，通過離子交換和團粒化作用[3]，最終形成蜂窩狀結構，使強度提高。隨著水化反應深入，粘土中部分礦物成分與離子交換剩余鈣離子發生化學反應生成不溶于水的穩定化合物，生成物逐漸硬化進一步提高體系強度。堿性環境下，水化物中游離的氫氧化鈣與二氧化碳發生碳酸化反應，生成的碳酸鈣不溶于水，使得土的分散度、壓縮性降低，強度增加。

2.2 水泥系統在土骨架中凝結產生強度

隨著水泥系統交替進行兩類水化反應進行，隨著水化物晶體生長，漿體不斷稠化和硬化。稠化使漿體從絮凝系統逐漸變為粘彈性骨架固體[4]，孔隙逐漸被水化物填充，最終形成復雜的彈脆性物質，強度得到發展。水泥漿體在土骨架中凝結或結硬，是水化物結晶形態發展和晶體生長的結果[4]。水泥經過復雜的溶解水化—產物沉淀過程，成為硬化漿體在土骨架內填充并產生一定強度。

2.3 粉煤灰增強水泥加固土作用的機理

粉煤灰增強水泥加固土作用的機理，是通過三種基本效應：形態效應、活性效應、微集料效應[5]引起的充填行為及致密作用、膠凝效應及和易性效應，促使水泥水化反應更充分、徹底，減少土骨架及水泥漿體的孔隙體積，從而有利于系統強度提高。

2.4 粉煤灰—水泥土強度增長的內在機理

粉煤灰—水泥土強度來源于漿體硬化以及漿體對土孔隙充填及擠密產生的強度。硬化粉煤灰—水泥漿體強度來源[6]于：水化產物顆粒內部、顆粒之間的原子力；水化產物的尺寸、形態以及它們的相互生長和結團；顯微結構的發展。原子力為微觀尺度力，對漿體強度貢獻很小；水化物晶體生長、形態發展、結團以及顯微結構發展成為粉煤灰—水泥土強度主要來源。有研究發現水分進入水化物晶格內部引起強度增長，水泥漿體的強度與非蒸發水量成正比[6]。可見部分反應掉的水進入產物晶格內，促進晶體結構生長，是漿體強度增長的源泉。

3 粉煤灰水泥土強度增長機理的試驗驗證

3.1 試驗方案

按土樣原位含水量分別配制水灰比0.5，水泥摻量aw=10%,14%,18%，粉煤灰摻量a=2%,4%,8%的粉煤灰水泥土試樣，在標準養護室養護。分別進行多齡期的無側限抗壓強度、含水率、掃描電子顯微鏡試驗。

3.2 試驗結果及分析

3.2.1無側限抗壓強度試驗結果及分析

對比分析圖1,圖2試驗結果，可以得出以下結論：

1)粉煤灰水泥加固土強度隨齡期增長而增長，且增速逐漸降低，這與前文得出的強度增長內在機理一致；增加粉煤灰摻量，強度提高，驗證了粉煤灰對水化促進作用。

2)粉煤灰—水泥加固土變形特征介于脆性體與彈塑性體之間。因為粉煤灰—水泥在土骨架中發生水化反應，水化物的結晶與重結晶、晶體的生長等都需要時間，28 d齡期前還不能形成有效的水泥石骨架、顆粒孔隙較大，受壓變形時，顆粒間有足夠間隙發生錯動，因而其變形表現出塑性。齡期28 d后水泥石骨架基本形成，產物晶體在系統顆粒間隙中生長填充，致使孔隙逐漸減小，受壓變形時，由于顆粒相互束縛因而錯動不大，主要是晶枝在錯動過程中破壞，因而其變形表現出彈性；達到一定壓力引起晶枝全部破壞，強度陡降，表現出脆性破壞。

3)水泥摻量相同、增加粉煤灰摻量，應力應變曲線變陡，說明發生脆斷破壞的齡期提前。脆性破壞齡期提前說明晶體生長及形成水泥石骨架時間縮短，驗證了粉煤灰促進水泥水化反應。

3.2.2含水量試驗結果及分析

定義水泥加固土的結合水率為某一齡期水泥加固土中非蒸發水占水泥加固土初始總含水量的比例。圖3,圖4說明：粉煤灰水泥加固土結合水率隨齡期增長而增大，強度隨結合水率增大而增大。因為隨齡期增長進入水化物晶格的水分增加、結合水率相應增加，生成的晶格結構增多，因而表現出強度增長，驗證了前文的化學機理。

3.2.3掃描電子顯微鏡試驗結果及分析

由圖5a)及圖6a)：齡期較小時，結構松散、粗大孔洞及裂隙發育，說明結晶、重結晶、晶體生長處于初期；與圖7a)及圖8a)對比：隨著齡期增長，結構變密實、孔洞及裂隙減少，是水化產物結晶成核、晶體錯生長的結果，與強度變化規律及前文的化學機理一致。圖5b),圖6b)中纖維狀產物附著的粗大顆粒是水泥礦物、纖維狀產物是水化硅酸鈣，板柱狀產物是單硫相或者Ca(OH)2晶體、鈣礬石，不規則產物是結晶不良的水化硅酸鈣多聚物；對比發現：隨著齡期增長粒間孔隙減少，有纖維狀產物生成，這是晶體交錯生長的結果。驗證了水化物首先在水泥礦物顆粒表面生長，離子遷移過程中逐漸在顆粒間結晶成核(裂隙間纖維狀產物)，并隨著齡期增長，晶體逐漸占據粒間孔隙，宏觀上表現為強度增長。對比圖5～圖8，圖6,圖8中生成纖維狀產物的區域多于圖5,圖7，說明水泥摻入比相同時，適量粉煤灰能夠促進水泥水化及晶體生長，對系統早期強度增長有利。

4 結語

室內試驗表明，粉煤灰—水泥加固土變形特征隨介于脆性體與彈塑性體之間；其強度、結合水率隨齡期增長而增大；水泥摻量一定時，適當增加粉煤灰摻量，能夠促進水泥水化反應進程。掃描電子顯微鏡對比不同齡期試樣，驗證了其強度受晶體生長控制，并由晶體生長內在機理決定。