巖土工程中粉煤灰-礦渣地質聚合物 對水泥土攪拌樁性能的影響

薄勇 劉洋洲 龍建輝 張紅

摘 要：針對巖土工程中常見的軟土地基問題，如何提高軟土地基的力學性能，是當前思考和研究的重點。對此，結合地質聚合物的特點，以粉煤灰、礦渣等作為地質聚合物原材料，在一定配比下制備地質聚合物。然后將得到的地質聚合物與黃土混合。最后對地質聚合物和混合地質聚合物的性能進行測試。結果表明，當礦渣和粉煤灰的比例在70：30的情況下，得到的地質聚合物的壓縮強度最大。以上述比例的地質聚合物為基礎，與黃土按照90：10的比例混合，得到混合后的無側限壓縮強度在堿濃度為2.5mol/L時達到最大，達到5MPa。由此看出，粉煤灰-礦渣地質聚合物可用作攪拌樁材料的基材。

關鍵詞：粘結力;攪拌樁;地質聚合物;無側限壓縮強度

中圖分類號：TU528 文獻標識碼：A 文章編號：1001-5922（2021）05-0111-04

Influence of Fly Ash Slag Geopolymer on Performance of Cement Soil Mixing Pile in Geotechnical Engineering

BoYong 1， Liu Yangzhou1， Long Jianhui2， Zhang Hong3

（1.Shanxi Metallurgical Rock-Soil Engineering Investation Co.，Ltd.，Taiyuan 030002，China2.Taiyuan University of Technology，Taiyuan 030024，China;3.The Third Geological Exploration Institute of China Metallurgical Geology Bureau，Taiyuan 030002，China）

Abstract：In view of the common soft soil foundation problems in geotechnical engineering， how to improve the mechanical properties of soft soil foundation is the focus of current thinking and research. In this paper， according to the characteristics of geopolymer， fly ash and slag are used as raw materials to prepare geopolymer in a certain proportion. Then the geopolymer is mixed with loess. Finally， the properties of geopolymer and hybrid geopolymer are tested. The results show that the compressive strength of geopolymer is the highest when the ratio of slag to fly ash is 70：30. Based on the above proportion of geopolymer and loess in the proportion of 90：10， the unconfined compressive strength reaches the maximum value of 5MPa when the alkali concentration is 2.5mol/l. Therefore， fly ash slag geopolymer can be used as the base material of mixing pile.

Key words：cohesive force; mixing pile; geopolymer; unconfined compressive strength

軟土指的是孔隙比≥1，并且含水量超過液限的細粒土，常見類型有泥炭、淤泥、泥炭質土、淤泥質土等。軟土的深度厚、流動性大，當表面壓力過大時會出現土質下沉現象，因此并不適用于作為建筑物的地基[1-2]。在長期實踐中，人們總結出了多樣化的軟土處理辦法，如利用水泥土攪拌法能夠有效加固軟土地基。水泥土攪拌法的工作原理是利用軟土中的Al2O3、SiO2與水泥中的氫氧化鈣發生反應，從而生成了水化鋁酸鈣和水化硅酸鈣等化合物，這些物質凝結硬化后可提高軟土密度，增強軟土的整體性，甚至構造出具有一定強度的圓柱樁體。通過圓柱樁體與相鄰樁體之間的土質，共同構造了能夠承擔更大載荷的復合地基[3]。同時通過從工業固體廢棄物、硅鋁酸鹽材料中可以提煉出非晶態的硅鋁化合物，通過非晶態的硅鋁化合物的聚合反應能夠制備出一種特殊水泥——地質聚合物。地質聚合物是利用堿性激發劑和活性鋁硅酸鹽粉體反應產出的膠凝材料，它具有優異的力學性能，比如結構致密、快硬早強等，并且利用多種工業廢棄物作為基材，包括礦渣、粉煤灰、冶煉礦渣等[4-5]，憑借綠色環保、低能耗、價格低等優點，在當今建筑建材領域大受歡迎。相較于塑料水泥，地質聚合物具有基材廉價、基材已獲得、無需鍛造、性能穩定等優勢特征，因而備受基礎設施建設領域的青睞。因此，本研究嘗試在水泥中摻入地質聚合物，以驗證是否可用于水泥土攪拌樁材料。

1 材料與方法

1.1 原材料

原材料：①礦渣超細粉，由江淮龍達粉體加工廠提供;②粉煤灰，由江淮精達發電廠供應的一級低鈣灰;③氫氧化鈉、氫氧化鉀，從化工市場上采購活動;④硅酸鉀水玻璃，實驗室配置，以SiO2∶KOH=1.25：2比例，把SiO2溶入KOH水溶液中，最后調節KOH水溶液的濃度是50%。

利用X射線熒光分析（XRF）分析礦渣超細粉和粉煤灰的化學成分，具體成分結果如表1所示。

1.2 地質聚合物制備

本次試驗的主要原料是礦渣、粉煤灰，利用氫氧化鈉、水玻璃作為堿硅酸鹽激發劑，按照表2的配比，同時依據圖1所示的工藝流程，成功產出礦物聚合物材料。

據上圖1流程，量取適量的固體氫氧化鈉和模數為2.8的水玻璃溶液，攪拌均勻，調整濃度制得堿硅酸鹽激發劑;量取固定比例的礦渣、粉煤灰、砂子等置入砂漿攪拌鍋，不斷攪拌并摻入堿硅酸鹽激發劑。首先快速攪動90s，然后慢速攪動30s;把攪勻的砂漿添加至ISO水泥膠砂三聯試模（40mm×40mm×160mm）中，先是在振動臺上振動1min，然后在室溫環境中靜置1d，最后將脫模后的試件置于標準養護室內進行養護處理。

1.3 測試方法

1.3.1 硬化時間

同時利用維卡儀在不同固化時間點檢測地質聚合物的針入深度。如果針入深度大于零，說明地質聚合物尚未完全硬化，針入深度等于零，說明地質聚合物的聚合反應充分，在檢測時間點已經完全固結硬化。

1.3.2 地質聚合物X射線衍射分析（XRD）測試

利用D8ADVANCEX-射線衍射儀對由礦渣和粉煤灰制備的地聚合物進行XRD成分檢測，設置的管電壓、管電流依次是40kV、40mA，設置的工作模式是Cu的Ka輻射，設定的掃描速率是0.02°/s。

1.3.3 地質聚合物壓縮強度測試

礦渣與粉煤灰的占比是70∶30，添加適量的氫氧化鈉溶液，混勻后的液固比是0.4;將地質聚合物漿轉移到高度50mm、直徑50mm的塑料圓盒內，封閉圓盒，在室溫環境中靜置1d，隨后脫模。根據以上流程制備出多個試件，并分別置于室溫環境中養護7d、14d、21d、28d。遵照GB/T17671《水泥膠砂強度檢驗方法》，對經歷不同養護期的試件進行檢測。

1.3.4 黃土/地質聚合物無側限壓縮強度測試

篩選出粒徑小于2mm的風干黃土，將其與地質聚合物分別以70∶30、80∶20、90∶10的比例進行混勻，然后向混料中添加不同濃度的氫氧化鈉溶液，固液比均為0.4，隨后攪拌10min。分兩個批次對地質聚合物黃土漿拌合物進行插倒、振實、刮平等操作，最終獲得高度20mm、直徑61.8mm的環刀圓柱體試樣。靜置1d后脫模，轉移至溫度（20±2℃）、相對濕度≥95%的養護室內進行不同時長（7d、14d、21d、28d）的養護。最后，遵照GB/T50123-2002《土工試驗方法標準》，測試各組試件的無側限壓縮強度。

2 結果與分析

2.1 地質聚合物反應硬化時間

根據測試獲得的不同地質聚合物物的硬化時間列于下表3所示。

據從表3分析，不斷減小液固比，F級粉煤灰地聚合物的硬化時間明顯縮短，但礦渣地聚合物的硬化時間并未出現顯著變化，這證實了在室溫環境中，粉煤灰的反應活性小于礦渣，單獨使用粉煤灰需要較長的硬化時間。對此，可以通過添加適量礦渣來提高粉煤灰地聚物在室溫環境中的反應活性，本文建議的粉煤灰與礦渣的摻混比是70∶30以及水灰比是0.4。

2.2 地聚合物XRD測試結果與分析

本小節分別對粉煤灰地聚合物和礦渣地聚合物進行了XRD檢測，測試結果如圖2和圖3所示。

結合圖2、圖3分析，在粉煤灰中檢測發現許多晶體，它們在地聚合物聚合反應前后并未發生明顯變化，但對于粉煤灰地聚合物的反應過程產生了直接作用，這是因為非晶態的硅鋁化合物的反應驅動了地聚合物的聚合反應;在地聚合物反應以前，礦渣的整個物態表現為非晶態，而受到堿激發以后，地聚合物中出現了許多晶態化合物，這是因為在礦渣中包含的硅鈣化合物較多而硅鋁化合物較少，這種成分構成決定了硅酸鈣的水化反應直接驅動了礦渣地聚合物的聚合反應，另外，雖然也發生了非晶態的硅鋁化合物的地聚合反應，但并未發揮主導作用。

2.3 壓縮強度測試結果

礦渣中的硅鈣化合物加快了粉煤灰地質聚合物的硬化過程，摻入適量礦渣后的粉煤灰地聚合物更適于用作黃土樁材料的基材。如果摻入的礦渣量過少，無法顯著縮短粉煤灰地聚合的硬化時間，如果摻入的礦渣量過多，這會強化硅鈣水合物的膨脹作用，使得粉煤灰地聚合物發生開裂。結合試驗數據，本文建議的礦渣與粉煤灰的摻混比是30∶70，這既能有效提高粉煤灰地聚合物的硬化速度，又能夠防止地聚合物試件發生開裂問題。此外，結合表3的試驗結果，在水固比0.4的條件下能夠收獲最佳結果。本研究主要就堿濃度對粉煤灰-礦渣地質聚合物的壓縮強度進行實驗統計，試驗結果展示如圖4所示。

據上圖4分析，隨著齡期的增長，礦渣-粉煤灰地質聚合物的壓縮強度同步增大;礦渣-粉煤灰地質聚合物在堿濃度2.5mol/L條件下的壓縮強度最大，若堿濃度過小，無法對地聚合物反應產生足夠的激發效果，若堿濃度過大，在地聚合物內部的游離堿發生了泛霜反應，破壞了地聚合物對于周邊顆粒的粘附力。

2.4 地質聚合物與黃土黃土的無側限壓縮強度測試結果

采用粉煤灰-礦渣（70：30）地聚合物，控制地質聚合物與黃土的摻混比分別是10∶90、20∶80，、30∶70，向混料中添加不同濃度的氫氧化鈉溶液，各組別的液固比均為0.4，由此制得試樣并對試樣進行無側限壓縮強度測試，結果如圖5～7所示。

對比分析，在不斷增加地質聚合物的混入量后，攪拌土的無側限壓縮強度同步增大，并且養護齡期越長，無側限壓縮強度越大;在相同黃土配比下，地質聚合物攪拌土的無側限壓縮強度在堿溶液濃度2.5mol/L時達到最大。

同時，在堿溶液濃度5mol/L條件下，隨著養護齡期的延長，地聚合物攪拌土的壓縮強度增速趨緩，且明顯小于其它堿濃度條件下的壓縮強度增速。對此，本文認為是黃土包含的非晶態硅鋁化合物較少，在堿溶液濃度較大時，地聚合物內部存在大量游離堿，在缺少條件下會發生結晶，在富水條件下會發生潮解，但這兩類反映都會削弱黃土顆粒間的粘結力。

在水泥土中配入10%的水泥，經過28d的養護期后，試件的無側限壓縮強度可達1～2MPa。在本次試驗中，在地聚合物土中配入10%的地聚合物，控制堿濃度依次是1.5mol/L和2.5mol/L，經過28d的養護后，試件無側限壓縮強度分別可達到3MPa和5MPa。究其成因，黃土中的活性非晶態硅鋁化合物與地聚合物中的堿發生地聚合反應，這使得地聚合物攪拌土的壓縮強度超過了水泥土，完全滿足攪拌樁材料的要求。

3 結語

根據上述的試驗看出，當粉煤灰-礦渣（70∶30）時，地質聚合物表現出較高的反應活性，同時配加適量的中等濃度的堿，能夠在室溫條件凝結硬化并且擁有較高的壓縮強度;粉煤灰-礦渣（70∶30）地質聚合物還可用作攪拌樁材料的基材，將其以10%的比例摻入到黃土中，地質聚合物攪拌土的無側限壓縮強度可達到5MPa，其應用性能不劣于熟料水泥。

參考文獻

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