水泥-磨細礦渣固化濱海鹽漬土強度及機理

趙慶新， 才鴻偉， 安 賽， 劉繼中

(1.燕山大學 河北省土木工程綠色建造與智能運維重點實驗室， 河北 秦皇島 066004； 2.河北科技師范學院 城市建設學院， 河北 秦皇島 066004)

鑒于此，本文以水泥和磨細礦渣為固化劑來制備加固土，研究其強度發展規律，同時采用XRD、熱重-差示掃描量熱(TG-DSC)法和掃描電子顯微鏡(SEM)技術探究其加固機理.

1 試驗

1.1 原材料

被加固土為黃驊港灘涂地區濱海鹽漬土，天然含水率(質量分數，文中涉及的含水率、液限等均為質量分數)為38.9%，液限為38.8%，塑限為20.4%，該鹽漬土屬于黏性土，其Cl-含量為0.89%.固化劑采用淺野P·O 42.5 R普通硅酸鹽水泥和S95級礦渣(GGBS)，主要化學組成見表1.拌和水采用黃驊港灘涂地區天然海水，主要鹽分為NaCl.

表1 水泥與磨細礦渣的化學組成Table 1 Chemical compositions of cement and GGBS w/%

1.2 配合比及試驗方法

1.2.1試件制備及無側限抗壓強度測試

國內用于水泥土攪拌的固化劑通常為水泥漿液，考慮到該施工工藝需額外增加用水量，本研究將鹽漬土含水率由38.9%調整至60.0%.先計算出含水率60.0%鹽漬土的額外需水量，將此量海水加入鹽漬土中攪拌均勻，再將固化劑干粉加入其中并攪拌均勻.將固化劑摻量取為固化土總質量(干土、水和固化劑質量之和)的20%，采用0%、25%、50%、75%和100%磨細礦渣等質量替代水泥，分別制備成型尺寸為 70.7mm× 70.7mm×70.7mm的5種加固土試件.為模擬現場環境，加固土試件澆筑完畢后，立刻用凡士林和保鮮膜密封并置于室溫(14.5℃)環境中養護至預定齡期.參照JGJ/T 233—2011《水泥土配合比設計規程》中無側限抗壓強度試驗方法進行強度測試.

1.2.2固結物含量測試

用壓力機將加固土試件破碎，取粒徑小于 10mm 的碎塊置于0.315mm標準砂石篩內；用流動清水沖洗至不再產生渾濁液體；將沖洗后的加固土置于105℃干燥箱中干燥24h.按式(1)計算加固土固結物的含量w：

(1)

式中：M1為加固土沖洗前的質量，g；M2為加固土沖洗后并干燥24h的質量，g.

1.2.3微觀試驗

按照1.2.2節中方法取加固土碎片進行SEM測試.將加固土進行燒失量測試、XRD測試和TG-DSC測試.

2 結果與討論

2.1 無側限抗壓強度

5種磨細礦渣摻量的加固土7、28、90d無側限抗壓強度如圖1所示.

圖1 加固土無側限抗壓強度Fig.1 Unconfined compressive strength of stabilized soil

由圖1可知：7、28、90d齡期時水泥-磨細礦渣復合固化劑的加固效果優于單摻水泥或磨細礦渣；當磨細礦渣摻量為0%～75%時，加固土7、28d無側限抗壓強度隨著磨細礦渣摻量的增大而逐漸增高，最高可達6.0、10.0MPa；7d齡期單摻磨細礦渣加固土尚未產生強度，28d齡期時其強度高于單摻水泥加固土強度；當磨細礦渣摻量為25%～100%時，90d齡期時加固土強度均達到11.5MPa以上，遠高于單摻水泥加固土強度.

2.2 固結物含量

5種磨細礦渣摻量的加固土7、28、90d齡期時固結物的含量如圖2所示.

圖2 加固土固結物的含量Fig.2 Hardened materials content of stabilized soil

由圖2可知：7、28d齡期時水泥-磨細礦渣復合固化劑制備的加固土，其固結物含量明顯高于單摻水泥或磨細礦渣時的含量；當磨細礦渣摻量為 0%～ 75%時，7、28d加固土固結物含量隨著磨細礦渣摻量的增大而逐漸增高，最高可達64%；當磨細礦渣摻量為100%時，加固土固結物含量在7、 28d 齡期時最低，但在90d齡期時，其含量迅速增長，達到74%.

2.3 燒失量

一般來說，水化產物的數量對加固土強度存在重要影響.鄭克仁等[8]采用燒失量法測得水泥-礦渣體系的非蒸發水量，分析了礦渣摻量對體系水化產物數量的影響.由于固化劑水化產物和鹽漬土均可產生燒失量，而5種加固土中鹽漬土的含量相同，故可通過橫向對比消除鹽漬土影響，來反映水化產物燒失量特征，并以此粗略反映水化產物數量.

加固土7、28d的燒失量如圖3所示.由圖3可見，加固土7、28d燒失量隨磨細礦渣摻量的增大而先增后減，此規律與文獻[8]中水泥凈漿非蒸發水量隨著礦渣摻量的增加而先增后減的變化規律基本一致.

圖3 加固土燒失量Fig.3 Loss on ignition of stabilized soil

2.4 無側限抗壓強度與固結物含量、燒失量的相關性

固結物為體系水化產物與土顆粒相結合的產物，其形成不僅與水化產物數量有關，還與其能夠緊密粘結的土顆粒數量存在相關性.以磨細礦渣摻量為0%的加固土為基準，將28d齡期時加固土抗壓強度、固結物含量和燒失量的相對百分數作對比，結果如圖4所示.

圖4 加固土參數相對值Fig.4 Relative value of parameter of stabilized soil

由圖4可知，加固土的抗壓強度與其固結物含量存在明顯的正相關特征，而與燒失量相關性不強.因此，不能單獨采用水化產物數量解釋其強度差異，還應考慮固化劑對土顆粒的影響，如水化產物中的晶體和非晶體差異、物理作用等.

2.5 XRD分析

由于加固土的破壞形態呈現出脆性破壞，加固土的固結物中可能形成了類晶態的水化產物.為確定該結晶水化產物的類型，對5種加固土28d齡期時的水化產物進行XRD分析，結果如圖5所示.

圖5 加固土XRD圖譜Fig.5 XRD patterns of stabilized soil

由圖5可見：加固土在2θ=11°時出現了水化氯鋁酸鈣(3CaO·Al2O3·CaCl2·10H2O)的衍射峰，水化氯鋁酸鈣體積膨脹可以提高加固土強度[9]，然而各加固土均出現了水化氯鋁酸鈣衍射峰，說明其并不是造成加固土強度差異的主要原因；相比于磨細礦渣摻量為0%的加固土，其他加固土并未有新的結晶相生成，但其強度明顯提高，這可能是由于非晶體水化產物或物理作用所致.

2.6 TG-DSC分析

為確定不同加固土非晶體水化產物類型，對養護28d的加固土進行TG-DSC分析.5種加固土的TG-DSC曲線如圖6所示.

圖6 加固土TG-DSC曲線Fig.6 TG-DSC curves of stabilized soil

由圖6可知：加固土DSC曲線在200～650℃沒有吸熱或放熱峰，同時TG曲線沒有明顯下降段，說明加固土并未大量生成某種可熱分解的物質；加固土DSC曲線在730℃附近出現吸熱峰，所對應的TG曲線出現質量損失，為鹽漬土中的CaCO3吸熱分解所致；加固土DSC曲線在850℃附近的放熱峰為水化產物晶型轉變生成硅灰石和鈣鋁黃長石[10].5種加固土的TG-DSC分析曲線趨勢相同，說明其水化產物類型可能相同，這也佐證了加固土XRD衍射峰相同的試驗結果，因此可初步推斷，加固土強度差異很可能是物理作用導致.

2.7 SEM分析

為確定加固土微觀結構，采用SEM對5種加固土28d齡期時的剖斷面形貌特征進行觀測，SEM照片見圖7.

由圖7可見：磨細礦渣摻量為0%的加固土產生了纖維狀和連續褶皺狀C-S-H凝膠，凝膠體存在較多孔洞，水化產物之間粘結不緊密，膠結力較差；水泥-磨細礦渣復合固化劑加固土生成了大量的片狀產物，且隨著磨細礦渣摻量的增大，產物逐漸變粗、變大，界面孔隙逐漸減少，水化產物致密性大幅提高；而磨細礦渣摻量為100%的加固土結構松散，孔隙較多，水化產物相對較少；加固土的致密性與加固土中的固結物含量變化規律相一致；除磨細礦渣摻量75%的加固土外，其余加固土表面均產生了大量松散的CaCO3結晶，其放大4000倍的照片見圖8.

由圖8可見，CaCO3結晶良好且附著在加固土基體表面.這可能是由于加固土破碎后，碎塊內部孔隙水中溶解的Ca(OH)2隨著表面水分蒸發，被迅速帶到表面而發生碳化所致.另外也間接說明磨細礦渣摻量為75%的加固土結構更為致密.

2.8 加固機理淺析

相同空隙體積下，水化產物越多，其能夠粘附的土顆粒也就越多，加固土也就越致密；在相同水化產物數量下，空隙體積越小，其粘附的土顆粒也越多，加固土也越致密.結合加固土燒失量曲線與SEM照片分析可知，加固土強度很可能是固化劑水化產物數量增多與鹽漬土空隙體積減小共同作用的結果.

圖7 加固土SEM照片Fig.7 SEM photos of stabilized soil

圖8 加固土表面CaCO3結晶的SEM照片Fig.8 SEM photo of CaCO3 on surface of stabilized soil

由于黏土顆粒的帶電特性，黏土顆粒之間存在排斥力和吸引力，當排斥能占優勢時，土顆粒處于分散相，當吸引能占優勢時，土顆粒處于凝聚相.當二力保持平衡時，土顆粒之間維持一定距離[11].當用水泥加固鹽漬土時，在高含水率的環境里水化產物分散在顆粒之間，水化產物不足以填充顆粒間空隙，因而強度較低.

相比水泥，富含Al元素的磨細礦渣在水化時產生Al3+，其離子交換能力遠高于水泥水化產生的Ca2+，通過離子交換和團粒化作用，使土顆粒雙電層中的擴散層變薄，顆粒因間距減小而發生凝聚[12].隨著加固土黏性的增大，土顆粒間距減小，彼此靠近，這種靠近減小了土顆粒內部空隙，為水化產物粘結更多的土顆粒提供了良好基礎.因而水泥中摻入磨細礦渣后，固結物含量和加固土強度均出現了大幅度的提高，且隨著磨細礦渣摻量的增多而增大.

單摻磨細礦渣加固土由于缺少水泥而堿性不足，造成磨細礦渣水化較慢，水化產物不足以將土顆粒粘結成整體，因而7、28d強度較低.根據程寅等[13]的研究，NaCl參與礦渣水化反應生成水化氯鋁酸鈣的同時還生成了NaOH，有利于礦渣玻璃體離解作用，促進礦渣水化.隨著礦渣水化程度不斷地提高，水化產物逐漸增多，90d強度較高.

3 結論

(1)水泥-磨細礦渣復合固化劑的加固效果優于單摻水泥或磨細礦渣時，且當磨細礦渣摻量為 0%～ 75%時，7、28d齡期加固土無側限抗壓強度隨磨細礦渣摻量增大而逐漸增強，最高可達6.0、10.0MPa；當磨細礦渣摻量為25%～100%時，90d齡期時加固土無側限抗壓強度均達到11.5MPa以上，遠高于單摻水泥加固土強度.

(2)加固土強度與其固結物含量正相關，而與其燒失量相關性不強.

(3)加固土中的固結物是加固土強度的主要來源，固結物由固化劑水化產物及其粘結的土顆粒構成，其形成受水化產物數量和團粒化作用共同影響.