咖啡渣礦渣地聚合物固化軟土的力學性能研究

俞鈞凱, 楊玉瑩, 梁澤堃, 胡思昂, 王永芳, 征西遙, 吳俊

(上海工程技術大學 城市軌道交通學院, 上海, 201620)

軟土一般指天然含水量高、壓縮性高、承載力低、抗剪強度低的呈流塑狀態的黏性土。其包括淤泥、淤泥質土、泥炭、泥炭質土等, 并且廣泛分布于我國的沿海城市。由于軟土本身承載力、抗剪強度低的特點, 土體容易在荷載下失穩, 并導致軟土下沉不均, 使建立于軟土基礎上的建筑物產生地基失穩,并對工程的造價和進度及建筑物安全性等指標造成重要影響。因此為了保證建筑物的安全, 須對軟土地基進行加固處理。在多種加固軟土的方法中, 水泥攪拌法是常用于加固軟土地基的一種有效方法[1]。這種方法常采用水泥作為固化劑, 通過特制的深層攪拌機械, 在地基深處原位將軟土和固化劑進行強制攪拌。但生產水泥的過程中會引起大量的二氧化碳排放, 同時在加固軟土中大范圍采用水泥也將提高工程造價。因此, 現階段亟需一種新型環保且經濟的固化劑材料用于軟土加固。

地聚合物作為一種由硅鋁化合物聚合而成的新型堿激發水泥, 原料來源于低成本的天然礦物、固體廢棄物等, 包括粉煤灰、爐渣、赤泥、稻殼灰等[2], 具有極好的環保效益。硅鋁化合物在強堿作用下, 以硅氧四面體(SiO4)和鋁氧四面體(AlO4)為主要成分, 經過聚合作用形成的一種在空間上具有三維網狀結構的新型膠凝材料[3–4]。相較于水泥, 地聚合物早期強度較大, 成本較低, 對環境污染少, 從而使其可應于軟土加固[5]。

基于以上優勢, 地聚合物在基礎設施建設中可替代普通水泥, 從而達到環保和經濟性的需求。然而傳統地聚合物脆性較大, 且初凝時間過快[3], 不利于實際工程應用, 因而需要加入輔助材料改善上述地聚合物的缺點。近年來, 有研究將植物廢料加入地聚合物以增強其力學性能, 如: Arulrajah等[6]用咖啡渣(Coffee Grounds, CG)和蔗渣灰等用于制備地聚合物漿料, 進而用于路基碎石層的加固。Islam等[7]將棕櫚油渣用于礦渣、粉煤灰組成的地聚合物漿料, Moretti等[8]將蔗渣灰用于制備水泥漿料, 均取得了較好的抗壓強度。已有研究表明將咖啡渣(Coffee Grounds, CG)應用在地聚合物漿料中使其具有較好的力學性能[6]和良好的環保及經濟效益[9]。與水泥砂漿中添加沙子的作用類似, 通過在地聚合物中添加咖啡渣, 可以節省固化劑材料成本, 并增加地聚合物漿液初期的和易性, 可有效改善地聚合物初凝時間過短的問題。因此, 將含有咖啡渣的地聚合物用于軟土加固具有良好的應用前景。

由于軟土含水量較大顆粒細密, 其孔隙相比碎石很小, 結合輔助材料的地聚合物漿料在加入軟土固化后其力學性質會發生較大改變, 而此前關于咖啡渣地聚合物用于固化軟土的相關研究較少。因此本文將采用含有咖啡渣的礦渣基地聚合物代替普通水泥用于加固軟土, 研究不同配比下, 含有咖啡渣的礦渣基地聚合物固化劑對軟土的固化效果, 擬通過常溫養護3、7、28 d, 研究其無側限抗壓強度與抗劈裂強度, 分析其固化效果, 并獲取含有咖啡渣的礦渣基地聚合物軟土固化劑的最優配比。

1 試驗材料、方案與方法

1.1 試驗材料

1.1.1 原材料

咖啡渣: 星巴克松江某門店, 產地: 阿拉比卡。

礦渣超細粉: 二氧化硅占比3.73%、三氧化二鋁占比0.806%, 氧化鈣占比53.011%, 來自江蘇無錫江陰華西村某鋼鐵廠。

堿性激發劑: 市售固體片狀氫氧化鈉, 純度99%。

軟土: 取自上海市蘇州河附近長風1號綠地, 為上海第⑤層土層。土樣基本物理指標如表1所示。

1.1.2 主要原材料XRD(X-ray diffraction)成分

主要原材料咖啡渣和礦渣的化學成分通過X射線熒光分析( XRD)測定, 結果如圖1、2所示。由于咖啡渣中不存在明顯的晶體結構, 因此在XRD圖譜中沒有明顯峰值。礦渣細粉雖然整個物態主要表現為非晶態, 但在XRD圖譜中表現出部分的硅酸鈣特征, 而硅酸鈣正是參與地聚合反應的主要成分。

表1 試驗土樣基本物理指標

圖1 礦渣XRD圖像

1.2 試驗方案

地聚合物固化劑采用礦渣與堿激發劑干料混合后加水制備, 并根據《土工試驗方法標準GB/T 50123-1999》, 重塑土含水率為50%, 固化劑干料占干土質量比為30%。其中堿性激發劑與硅鋁原材料比例 1︰5, 咖啡渣分別以0%, 5%以及10%的比例取代礦渣。水與固化劑固體的質量比分為0.5與0.6。同時作為對比, 采用普通水泥加固軟土的基準試驗。由于水泥價格遠遠高于地聚合物固化劑, 因此取水泥占干土質量比為20%, 水灰比分為0.5和0.6兩組。按標準養護后以得到3、7、28 d試樣。試驗方案表格如表2和表3所示。

圖2 咖啡渣XRD圖像

表2 水泥土基準試驗方案

表3 咖啡渣地聚合物試驗方案

圖3 固化軟土試樣

1.3 試驗方法

1.3.1 試樣制作及養護

根據上述試驗方案, 在制備地聚合物固化劑漿液時, 先將對應比例的干料攪拌均勻后再加入蒸餾水攪拌, 致使混合物達到均勻狀態。在重塑土中加入地聚合物固化劑漿液后,攪拌至少5 min至均勻。然后將攪拌土分5次插倒入模具, 并振實刮平, 制成截面積為12 cm2, 高8 cm的圓柱體土樣, 密封存放養護, 土樣如圖3所示。雖然地聚合物在不同養護溫度下性能有較大差異[10], 但是考慮到地下工程中無法大面積加溫養護, 因此養護溫度控制在常溫即21±2℃范圍內。24 h后脫模, 確保土樣完整后繼續密封養護至3、7、28 d等設定齡期后, 分別進行無側限抗壓強度測試。測試結束后, ?、瘛ⅱ蚪M中無側限抗壓強度較好的3組配比進行抗劈裂強度測試。

1.3.2 無側限抗壓強度測試及抗劈裂測試

當試樣養護至設定齡期后, 將其取出后按照規范流程分2組進行無側限抗壓強度和抗劈裂試驗。采用 WDW-100GE微機控制電子萬能試驗機測試。記錄3個平行試樣的強度平均值, 若存在試樣的強度與均值偏差超過均值的 10%, 則剔除, 取不少于 3個試樣的平均值作為該組試樣強度的代表值。

2 結果與分析

2.1 咖啡渣(CG)摻入量的影響

2.1.1 水灰比0.6

當水灰比為0.6時, 無側限抗壓強度與CG摻量之間的關系如圖4所示。由圖4可知, 固化軟土試件的無側限抗壓強度曲線在咖啡渣摻量為 5%時有一最大值為1.72 MPa, 并且在CG摻量超過5%后逐漸降低。因此選擇強度較好的0%、5%、10%摻量繼續進行抗劈裂試驗, 抗劈裂強度與CG摻量關系如圖5所示,這與抗壓強度的曲線走向一致, 在咖啡渣摻量為5%時存在最大值318 kPa。進一步計算0～3 d、3～7 d、7～28 d的抗壓強度增長值, 并除以對應的天數的差值3、4、21 d, 得到各組配比下3個階段的抗壓強度增長速率, 如圖6所示?？梢钥闯鲈?%咖啡渣摻量下, 中后期的抗壓強度增長速率最大。

由此可見, 在水灰比為0.6時, CG地聚合物固化軟土在咖啡渣摻量為5%時有最好的抗壓和抗劈裂性能。這主要是由于:

(1) 咖啡渣顆粒在地聚合物固化劑中起填充作用, 作為多孔結構的咖啡渣可為軟土顆粒和地聚合物膠凝體提供充分的黏聚性能。

(2) 由于咖啡渣的多孔結構, 令其在反應中后期為土體內孔隙水提供路徑充分擴散, 提升中后期的反應速度, 提供一定的后期強度。

(3) 由于咖啡渣具有良好的壓縮性, 而純礦渣基地聚合物固化土的性質較脆, 兩者互相膠結后提高土體整體抗劈裂性能。

圖4 水灰比0.6下無側限抗壓強度與咖啡渣摻量的關系

圖5 水灰比0.6下抗劈裂強度與咖啡渣摻量的關系

2.1.2 水灰比0.5

當水灰比為 0.5時, 無側限抗壓強度與CG摻量關系相較0.6水灰比下略有不同, 如圖7所示。可見隨著咖啡渣摻量的提高, 固化土的無側限抗壓強度也在逐步降低。取強度最好的0%, 5%, 10% 3組配比進行抗劈裂試驗, 結果如圖8所示, 進一步表明固化土強度在0.5水灰比下隨著咖啡渣摻量的提高而降低, 并沒有在 5%摻量時出現最大值。由于咖啡渣摻量取代的是礦渣的含量, CG摻量提高的同時意味著礦渣基地聚合物的減少, 所以在水灰比 0.5時, 固化軟土抗壓和抗劈裂強度隨著CG摻量增加而減小,并沒有對固化劑產生改善作用。

由于固化土強度沒有在咖啡渣摻量為 5%時出現最大值, 結合實際試驗時的固化劑漿料攪拌情況, 初步分析主要是由于礦渣基地聚合物富鈣相礦物中鈣離子平衡鋁離子替代硅離子時產生的負電荷, 導致低水灰比下地聚合物反應過快, 產生的大量膠凝體在初期就將CG顆粒包裹并阻礙其在固化土中充分攪拌擴散, 從而導致固化土土質不均, 土體抗壓強度降低。這一分析也與實際試驗中水灰比 0.5時固化劑漿料攪拌時產生的咖啡渣團粒情況一致。從而可知50%含水率軟土情況下, 咖啡渣采用 0.6的水灰比能使咖啡渣顆粒在土體中充分擴散, 且 5%的咖啡渣摻量能使固化土性能得到充分加強。

圖6 不同配比下不同階段無側限抗壓強度增長速率

圖7 水灰比0.5下無側限抗壓強度與咖啡渣摻量的關系

圖8 水灰比0.5下抗劈裂強度與咖啡渣摻量的關系

2.2 最佳配比與水泥基準試樣比較

基于以上試驗結果可知, 在礦渣基地聚合物中摻入咖啡渣的情況下, 將5%礦渣替代為咖啡渣, 并采用0.6水灰比的情況下, 所得到的固化土抗壓強度和抗劈裂強度最大?，F將該配比下的地聚合物固化土與普通水泥固化軟土基準試驗進行比較, 兩者的強度發展曲線如圖9、10所示?？梢娖淇箟汉涂古褟姸纫堰h高于普通水泥加固軟土, 因此, 采用咖啡渣的礦渣基地聚合物代替普通水泥材料用于加固軟土具有一定的可行性。

3 結語

在CG-地聚合物固化劑中, 將5%礦渣用咖啡渣替代并采用0.6水灰比時, 在室溫條件下使用30%固化劑摻量所得到的固化軟土的力學性能最優, 無側限抗壓強度和抗劈裂強度分別為1.7 MPa和318.3 kPa。其中采用CG-地聚合物加固軟土的28 d抗壓強度已經高于采用普通水泥加固軟土,因此基于試驗結果可知, 采用 CG-地聚合物可代替普通水泥用于軟土加固。但需要注意的是由于試驗條件所限, 本文對于咖啡渣—礦渣基地聚合物固化土的微觀機理沒有展開深入分析, 之后需要展開微觀及孔隙結構測試, 從而進一步揭示其固化機理。

圖9 最佳配比咖啡渣地聚合物固化土與水泥固化土抗壓強度發展曲線

圖10 最佳配比咖啡渣地聚合物固化土與水泥固化土抗劈裂強度發展曲線