凍融循環對堿激發高爐礦渣微粉加固軟土強度的影響

邵 俐，李佩青，王彬杰

(上海理工大學 環境與建筑學院，上海 200093)

0 引言

高爐礦渣微粉(ground granulated blast furnace slag，簡稱GGBS)作為一種工業副產品，具有與水泥相似的膠凝性能，且具有穩定性好、活性高、成本低等優點[1-3]，因此可被用來代替波蘭特水泥進行軟土固化。高爐礦渣微粉發生水化反應產生的水化硅酸鈣(CSH)和水化鋁酸鈣(CAH)能夠使松散的土顆粒膠結，從而提高固化土的塑性指數和無側限抗壓強度[4-5]。

由于軟土的強度低、孔隙比大等特性，僅添加GGBS的固化土耐久性和力學性質較差，且其本身的水化速度慢[6-7]，不足以滿足工程需要。許多學者進行了大量的試驗，研究表明在添加GGBS的基礎上，再加入Na2CO3，NaOH，CaO或MgO等堿性激發劑能夠有效地加速其水化反應，顯著提高軟土的抗壓強度、降低孔隙體積和滲透系數[4,8-9]。Song等[10]通過試驗改變礦渣/堿激發劑的比例，提高了固化土28 d的抗壓強度。Wentao Li等[11]對比發現相比于水泥固化，MgO-GGBS的固化效果更好，且所造成的膨脹性更小。

復雜的氣候環境會影響軟土的固化效果。周梅等[12]研究發現地質聚合物膠砂強度受養護溫度的影響較大，尤其對早期強度影響顯著。Tebaldi[13]等對不同凍融循環次數下石灰改性土的試驗表明隨著凍融循環次數的增加，土體強度逐漸下降，而在10次循環后逐漸趨于穩定。董慧等[14]通過研究凍融水泥土發現凍融水泥土的無側限抗壓強度隨著凍融循環次數的增加逐漸減小且凍融前后水泥土的應力應變曲線均呈應變軟化型。柯睿等[15]研究發現凍融循環作用使固化淤泥土的內摩擦角和黏聚力減小，塑性破壞轉變為脆性破壞，從而導致強度低、承載能力差。吳王意[16]對改性濱海水泥土進行凍融循環試驗發現凍融循環對其強度有劣化作用，且主要發生在前期。吳燕開等[17]采用水泥、鋼渣粉和NaOH改良膨脹土發現外摻料的水化作用能夠產生膠凝物質，從而使膨脹土顆粒變得密實且凍融循環作用下，體積變化率降低。

目前關于GGBS在堿性激發劑促進下固化土體的研究有很多，且有研究表明石膏硫酸鹽能夠提高堿激發劑對GGBS活性的影響，使其強度進一步提高[18]，但大多數的研究都停留在標準養護條件下。本研究考慮到溫度變化對堿激發高爐礦渣固化土特性的影響，利用復合激發劑激發原理，采用高爐礦渣微粉輔以石灰作為堿性激發劑并外摻石膏和硫酸鈉的方法對上海地區軟土進行固化處理，通過無側限抗壓強度試驗、X射線衍射(XRD)試驗和掃描電鏡(SEM)試驗，研究了標準養護和凍融養護兩種條件下固化土的強度特性，對比分析凍融循環養護條件對其特性的影響，并通過XRD試驗和SEM試驗探究其微觀機理。

1 試驗方案與方法

1.1 試驗材料

試驗所用的軟土取自上海地區，其基本物理性質如表1所示。

表1 土體的基本物理性質Tab.1 Basic physical properties of soil

圖1 土體的粒徑分析Fig.1 Particle size analysis of soil

土體的顆粒級配用BT-9300Z型激光粒度分布儀測得(如圖1)。所用礦渣為標號S105的礦渣微粉，石灰為分析純CaO，材料的具體化學成分如表2所示，所用外摻劑石膏和硫酸鈉均為分析純試劑。

表2 材料的化學組成成分Tab.2 Chemical compositions of materials

1.2 試驗方案

為研究凍融循環養護條件對添加外摻劑固化軟土強度特性的影響，本試驗采用4種摻入方案，分別為單摻GGBS，Lime+GGBS，Lime+GGBS+石膏，Lime+GGBS+硫酸鈉。固化劑(GGBS，Lime+GGBS)的總摻入量均為干土質量的20%，且經過前期的試驗研究，Lime與GGBS的最佳配合比為6∶14，石膏硫酸鹽外摻劑的摻量為固化劑的5%。為了與標準養護條件形成對比，各摻量組別設置在標準養護及凍融循環養護兩類養護條件下養護7，14，28，60，90，120 d。具體試驗方案如表3所示。

表3 兩種養護條件試驗對比Tab.3 Comparison of 2 curing conditions

1.3 試驗方法

固化土試樣制作過程：(1)將現場所取的軟土放入105 ℃恒溫干燥箱中烘干8 h后，進行粉碎并過0.5 mm篩；(2)按照42%的天然含水率計算并稱取所需干土、固化劑、外摻劑和水的質量；(3)將干土與稱取好的干燥的固化劑及外摻劑攪拌均勻后加入定量的水進行拌和；(4)將拌和均勻后的土分層裝入直徑為39.1 mm，高度為80 mm的圓柱形模具中，通過分層振搗后將表面刮平成型；(4)蓋上塑料薄膜，48 h后脫模并放入塑料密封袋中，并進行標號。為了減小試驗誤差，每組試驗做3個平行樣，試驗結果取其各組的平均值。

養護過程：為研究凍融對固化效果的影響，試驗中分兩類養護條件，第1類試塊放入恒溫恒濕標準養護箱中進行養護，設置養護溫度為18～22 ℃，控制相對濕度≥95%；第2類在凍融條件下進行養護，所用儀器為WGD501凍融試驗箱，凍融循環養護溫度范圍為-10～30 ℃，設置程序在1 h 內升溫至30 ℃并保持此溫度2 h，然后1 h降溫至-10 ℃并保持此溫度2 h，至此為一個凍融循環。養護齡期分別為7，14，28，60，90，120 d。

試樣養護到預定齡期后進行以下試驗：(1)根據《公路土工試驗規程》(JTG E40—2007)進行試樣的無側限抗壓強度試驗。(2)對無側限抗壓強度試驗破壞后的小塊樣品進行真空冷凍干燥預處理，為了消除土中水分對試驗的影響，用國產LGJ-10D型冷凍干燥機對土樣進行脫水處理，確保含水率降至1%以下，以保證成像效果。選取干燥處理后的樣品中含有較好自然斷裂面的小薄片用手輕輕掰成約為10 mm ×10 mm ×5 mm的方片，在其表面均勻連續地噴鍍厚度為10～20 nm的金膜后進行SEM試驗。(3)對固化土破碎較好的部分進行烘干后碾壓過0.075 mm篩，得到均勻粉末進行XRD試驗。

2 試驗結果與分析

2.1 無側限抗壓強度

圖2(a)為標準養護條件下固化土的無側限抗壓強度隨養護齡期的變化規律，可以看出隨著養護齡期的增加，固化土的無側限抗壓強度不斷增大。單摻GGBS固化土強度隨著養護齡期的增加呈線性增長，且60 d前的增長速率大于60 d后，其主要原因是隨著水化反應的進行，后期GGBS含量減少，從而造成強度增長速率降低。GGBS+Lime固化土的強度在28 d前有大幅提升(28 d強度為5 148.8 kPa)，這表明Lime提供的堿性條件可使GGBS表現出明顯的水硬性能，同時石灰與水反應生成的Ca(OH)2與礦渣中的活性SiO2，Al2O3作用生成CSH和CAH凝膠[19]，將土顆粒包裹、膠結，有效地提高土體的抗壓強度。在此基礎上加入石膏或硫酸鈉可以進一步增強土體抗壓強度(120 d強度分別由7 018.9 kPa提高至8 371.8 kPa，7 902.3 kPa)，說明高爐礦渣自身的活性較低，堿性條件和石膏硫酸鹽能激發礦渣的活性，促進其水化反應，使得固化土強度大幅提高。比較添加石膏和硫酸鈉的兩種情況，可以看出添加石膏的效果略優于硫酸鈉，主要原因在于石膏在這個體系中不僅能夠起到堿激發劑的作用，同時還可作為強度增強劑，提高固化土的無側限抗壓強度[17]。圖2(b)為凍融養護條件下無側限抗壓強度隨齡期的變化規律，由圖可知：其無側限抗壓強度增長規律與標準養護條件下的固化土相似，但凍融循環條件下試樣的強度均有不同程度的降低。

圖2 固化土的無側限抗壓強度與齡期的關系Fig.2 Relationships between unconfined compressive strength of solidified soil and curing period

圖3 兩種養護條件下固化土的強度對比Fig.3 Comparison of strengths of solidified soil under 2 curing conditions

圖3為兩種養護條件下固化土無側限抗壓強度對比圖，從圖中可以看出，在7 d時(如圖3(a)所示)凍融養護對各組固化土的影響較小，單摻GGBS組甚至出現凍融循環養護提高固化土強度的現象，這主要是因為前期土體的含水量較大，高爐礦渣能與土中水充分接觸且30 ℃的條件下在一定程度上促進了其水化反應，同時在冷凍過程中土體內部發生凍脹，使其產生微裂縫，水分擴散加快使水進入土體內部與未完全水化的GGBS進一步發生水化反應，產生膠凝物質填充微裂縫和顆粒孔隙，一定程度上彌補了土體的強度的損失，因此強度相差不大。但是這種填充效果并不是一直進行的，隨著養護齡期的增加(如圖3(b)～(f))，固化土的無側限抗壓強度在凍融循環條件下明顯降低，分別下降了22.4%，54.1%，51.6%，48.0%，其原因是隨著養護齡期的增加，高爐礦渣水化反應逐漸完全，標準養護條件下強度較大，而凍融循環時土中水凍結膨脹使得土顆粒重新排列，微裂隙不斷增多，破壞了固化土原本的結構，同時凍融循環次數的增加使其對水化反應的抑制作用增強，產生了破壞作用。

圖4為強度變化率(凍融養護條件下固化土無側限抗壓強度與標準養護下固化土無側限抗壓強度之比)與齡期之間的關系。凍融循環對試樣無側限抗壓強度影響越大，強度變化率越偏離1。從圖中可以看出，隨著養護齡期的增加，強度變化率減小，說明凍融循環次數增加，對各試樣的影響增大。4組對比，GGBS組的強度變化率最小，說明其受凍融循環影響大；石膏硫酸鹽的加入，能夠在一定程度上降低凍融循環的影響，且Lime+GGBS+硫酸鈉一組的強度變化率均大于Lime+GGBS+石膏，說明加入硫酸鈉對凍融循環作用的抵抗性更強。兩種養護條件下無側限抗壓強度的對比(見圖2)，凍融條件下加入硫酸鈉的強度反高于添加石膏固化土，也證明添加硫酸鈉能更好地抵抗凍融循環的影響。

圖4 強度變化率與齡期關系Fig.4 Relationship between change rate of strength and curing period

2.2 應力應變關系

圖5為養護60 d時固化土的應力應變關系。由圖可知，固化土的應力應變曲線可以分為4個階段：彈性階段、塑性階段、強度屈服階段和應力衰減階段。在土體中單摻GGBS時，土體彈性階段斜率較小，而當土體中同時摻入石灰和高爐礦渣時，彈性階段的斜率增加，說明其水化反應產物的膠結作用提高了固化土的彈性模量。各組固化土的破壞應變均處于1.5%～4%之間，均屬于應變軟化型破壞，且加入復合激發劑時，破壞應力增大而破壞應變減小，主要是由于高爐礦渣水化反應產生的CSH和CAH凝膠的連接作用阻礙了裂隙的發展。

圖5 養護60 d的應力應變關系Fig.5 Stress-strain relationship after curing for 60 days

兩種養護條件下固化土的破壞應變圖如圖6所示，可以看出兩種養護條件下隨著齡期的增加，各組固化土的破壞應變均減小，說明GGBS發生水化反應產生凝膠增強了土顆粒間的黏結作用，結構相對有韌性。對比圖6(a)，(b)，可以看出凍融養護條件下固化土的破壞應變相對較高，主要原因是凍融循環抑制了水化反應，使得產生的膠凝物質減少，同時土中水的凍脹作用在一定程度上破壞了固化土的膠凝結構，改變了固化土的結構，抵抗土體變形的能力降低。在標準養護條件下，添加石膏固化土的破壞應變更小，說明在石膏的作用下高爐礦渣產生的膠凝物質更多，結構更有韌性；而對比凍融養護條件下各組固化土的破壞應變可以看出，添加硫酸鈉后的破壞應變小于添加石膏的固化土，進一步說明添加硫酸鈉能夠抵抗凍融循環的影響。

圖6 兩種養護條件下固化土的破壞應變曲線Fig.6 Curves of damage strain of solidified soil under 2 curing conditions

2.3 掃描電鏡(SEM)分析

圖7為各組固化土試樣養護60 d后放大10 000倍的掃描電鏡圖，可以看出單摻GGBS中雖然存在無定型凝膠相產物，但仍有較多的孔隙存在，土顆粒間黏結效果弱，土體結構仍較松散，而其他3組固化土中堿性環境的存在，使得高爐礦渣的水化反應程度提高，土體結構比較緊密，孔隙較少，且存在大量的纖維狀水化產物，土顆粒間有明顯的的針狀物連接，顆粒表面有絮狀物包裹，使得土體形成黏聚體，因而無側限抗壓強度高。對比標準養護和凍融養護條件下的SEM圖，以圖7(c)為例可以看出標準養護條件下固化土的結構致密均一，整體性好，無明顯的大孔隙。而凍融養護條件下土顆粒較為破碎，生成的凝膠物質比標準養護條件下少且孔隙相對于標準養護下較多，同時可以看出仍有較多的高爐礦渣存在，說明其水化不充分。主要是因為凍融循環條件下土中水凍結，影響了火山灰反應，進而導致高爐礦渣微粉的水化反應程度降低。且土體發生凍脹，破壞了土骨架結構，土體中存在較多孔隙，使其固化土的強度遠小于標準養護條件下土體的強度，與前面分析無側限抗壓強度的情況相符。

圖7 齡期60 d的各組固化土的SEM照片Fig.7 SEM images of solidified soil after curing for 60 days

2.4 X射線衍射(XRD)分析

圖8 標準養護60 d各組固化土與原狀土的XRD衍射圖Fig.8 X-ray diffractograms of different groups of solidified soil and undisturbed soil after standard curing for 60 days

為探究土體固化后的物相含量組成，對各組土進行XRD試驗，并利用Jade軟件找出主要產物并標注物相相應的峰。圖8為標準養護60 d后各組土與原狀土的XRD衍射對比圖，可以看出原狀土中的主要物質為石英(SiO2)，還有鈉長石(NaAlSi3O8)、鈣鋁黃長石(CaAl2Si2O8)、高嶺石(Al2SiO5)等黏土礦物質。在單摻GGBS情況下，僅檢測出少量的水化硅酸鈣(C-S-H)；在此基礎上加入Lime為其提供堿性環境，高爐礦渣微粉水化反應加劇，消耗了大量SiO2使其衍射峰值降低，同時反應生成水化硅酸鈣凝膠(C-S-H)和水化硅鋁酸鈣凝膠(C-A-S-H)；石膏和硫酸鈉的加入并沒有明顯改變水化生成物的物相種類，但隨著SiO2含量的減少，凝膠的生成量增多，增加了土顆粒之間的黏結性，這是導致固化土無側限抗壓強度提高的主要原因。

圖9為凍融養護60 d時各組固化土的XRD衍射圖，可以看出在凍融循環的作用下，水化硅酸鈣(C-S-H)和水化硅鋁酸鈣凝膠(C-A-S-H)的衍射峰數量少且峰值均低于標準養護條件下的衍射峰值，而SiO2、鈉長石等的衍射峰值相對較高。主要由于凍融循環作用會抑制高爐礦渣微粉的水化反應，使得參與反應的SiO2的消耗量減少，水化產物的生成量較少，故而固化土的強度相對較低。

圖9 凍融養護60 d各組固化土的XRD衍射圖Fig.9 X-ray diffractograms of different groups of solidified soil after freeze-thaw cycle curing for 60 days

3 結論

本研究在標準養護和凍融養護兩種條件下，針對摻加4種不同固化劑的固化土強度和微觀結構進行了研究。主要有以下幾個結論：

(1)GGBS自身的活性較低，單獨固化軟土的效果較差，但在Lime提供的堿性環境下，能夠很好地發生水化反應，增強土體強度。石膏和硫酸鈉作為外摻劑，可以進一步促進高爐礦渣的水化反應，同時石膏還能夠起到強度增強劑的作用，效果略優于硫酸鈉。

(2)兩種養護條件下，固化土的無側限抗壓強度均隨齡期的增長而增大。在凍融養護條件下，養護初期由于土中水含量較大、凍融循環次數較少，無側限抗壓強度與標準養護條件下相差不大。但隨著養護時間的增長，各組固化土強度均低于標準養護下的土體強度，說明凍融循環抑制了高爐礦渣的水化反應，且對固化土的結構造成破壞。

(3)在軟土中加入復合激發劑后，土體的彈性模量增加，破壞應變減小，破壞應力增大。由于凍融循環抑制了GGBS的水化反應，其破壞應變相較于標準養護下較大。兩種養護條件下，各組固化土的應力應變關系均為應變軟化型。

(4)GGBS在Lime提供的堿性環境下發生水化反應產生大量CSH和CAH凝膠，增強土顆粒間的黏結作用，顆粒表面有絮狀物包裹，黏結成為整體，使結構更加致密。養護齡期越長，土體的整體性越好，越難看到粒間孔隙。凍融條件對水化反應的抑制作用，使得膠凝物質比標準養護條件下量少，整體性較差，且在SEM照片中仍能發現未反應的高爐礦渣微粉。

(5)復合激發的情況下，高爐礦渣微粉的水化反應程度高，SiO2的消耗量均大于單摻情況，且水化凝膠物質的產量也較多。凍融循環在一定程度上抑制水化反應，使得凝膠物質的生成量降低，從而導致固化土的強度低于標準養護條件下的強度，但其并不改變固化土的物相類型。