地聚物固化軟土的工程性能研究進展綜述

徐麗娜 Tatenda Kelvin Gomba 張潤澤 丁 旭 劉啟龍

（吉林建筑大學 土木工程學院，吉林 長春 130118）

0 引言

據研究，生產1kg硅酸鹽水泥就會產生0.66～0.82kg的碳排放[1]，2020年我國水泥行業(yè)CO2排放量達13.75×108t，約占全國總排放量的13.5%[2]。同時由于水泥生產中的碳排放55%來自于原料的分解，32%來自于燃料的燃燒，13%來自于電能的消耗[3]，一半以上的碳排放來自于原料的分解過程，這部分碳排放是難以通過改變燃料結構和電能效率提升來解決的。鑒于目前國家對于生態(tài)環(huán)保與節(jié)能減排的需求愈加迫切，尋找一種水泥替代材料是十分重要且必要的。

地聚物（geopolymer）是一種具有耗能低、碳排量低等特點的新型綠色膠凝材料[4]，其中，1kg地聚物膠凝材料的制備過程中碳排放量為0.18kg，比傳統(tǒng)硅酸鹽水泥低0.48～0.64kg[5]，如果提高地聚物的原材料的活性，其能耗或可降低為水泥生產能耗的10%[6]。地聚物是以含有活性硅、鋁成分的廢棄物或礦物為主要原料，在特殊環(huán)境下形成的具有非晶態(tài)至準晶態(tài)結構的新型無機膠凝材料[7-9]。由于地聚物的組成較為復雜，故其固化土的機理尚未形成統(tǒng)一的結論，普遍認為地聚物固化土的性能受到多種因素的影響[10-13]，其中包括原材料的性質（土的類型、顆粒級配和液塑限等）、固化環(huán)境（養(yǎng)護溫度、養(yǎng)護濕度、固結壓力和固化時間）、土體水含量、前體化學成分（硅鋁比和鈉鋁比）以及激發(fā)劑種類等，通過調整以上的參數，提高地聚物固化土的強度和抗侵蝕能力[14-17]。

依據地聚物原料中Ca含量的高低將其分為高鈣（如堿激發(fā)礦渣）、低鈣（如堿激發(fā)粉煤灰）、無鈣（如堿激發(fā)偏高嶺土）三種體系，其中，低鈣體系和無鈣體系中主要的產物是類沸石晶體，而高鈣體系的產物主要為C-(A)-S-H凝膠[18-21]。本文對高鈣、低鈣、無鈣三種地聚物固化軟土工程性能研究的進展分別進行綜述。

1 高鈣體系地聚物加固軟土研究及應用

易耀林等[22-23]研究了堿激發(fā)礦渣和電石渣對連云港軟土的固化效果，結果表明Na2CO3對單純的堿激發(fā)礦渣基地聚物固化土的激發(fā)效果有限，NaOH的激發(fā)效果最好，但后期強度會出現衰減，電石激發(fā)的礦渣基固化土的早期強度低，但后期強度高。同時可以通過Na2CO3，NaOH和Na2SO4加速礦粉+電石渣基地聚物固化土的強度增長速率，綜合來看Na2SO4激發(fā)礦渣+電石渣固化土的效果最好，Na2CO3的激發(fā)效果最差。在使用Na2SO4激發(fā)礦渣+電石渣固化土的情況下，90d、180d強度達到了水泥固化土強度的兩倍，以上所述的加固土強度發(fā)展曲線如圖1所示[22]。

圖1 固化土的無側限強度曲線[22]

Yi 等[24]嘗試使用生石灰和石灰作為激發(fā)劑來得到高爐礦渣基地聚物，并用來加固海相軟黏土，試驗結果表明兩種激發(fā)劑激發(fā)的地聚物主要水化產物相同，分別為水化硅酸鈣、鋁酸鈣、水化硅鋁酸鈣和硫鋁酸鈣，但強度發(fā)展有所差距，生石灰激發(fā)高爐礦渣的7d和28d養(yǎng)護強度比熟石灰激發(fā)高爐礦渣稍高，但90d強度稍低。同時，提出當石灰與高爐礦渣比例為0.1時，更適合使用于固化海相軟黏土。

Chowdary 等[25]將高爐礦渣基地聚物用于固化深層的沉積黏土，研究了堿固比和土體含水率等因素對固化土力學特性和耐久性的影響，提出了相關參數的適宜區(qū)間，在地聚物的各方面因素適宜時，其強度和耐久性優(yōu)于水泥土。通過研究發(fā)現土體的含水率也會對加固效果帶來很大的影響，故在土體含水率較大時，應加大地聚物的摻量，保證加固效果。

易耀林等[22-24]通過研究發(fā)現，以礦渣為基礎的高鈣體系地聚物在使用NaOH、電石渣＋Na2CO3作為激發(fā)劑時，后期力學性能表現均弱于水泥固化土，結合其使用方法等問題導致了其難以在實際工程中得到運用。這可能由于在NaOH 造成的高堿性環(huán)境下水化速度過快，導致顆粒面與面之間生成的膠體包裹了未反應的物質，使得其強度無法充分發(fā)揮[26]，而后期強度的減弱或不增長可能是由于在該齡期內生成的地聚物數量突然增大，地聚物引起了部分土體體積的變化，造成總體土體體積變化不均勻而產生了裂縫，在加固土內部產生了微裂缺陷[27]。

以上的研究表明，高鈣系地聚物的強度增長能力優(yōu)秀，在加固土方面具有取代水泥的可能性，但早期強度增長較快、在使用部分種類的激發(fā)劑時后期強度不理想等問題的存在對于其在實際工程中的使用造成了阻礙，前者可以通過控制激發(fā)劑種類、濃度與激固比來尋求解決方法，而對于造成后者的體積變化問題，可能需要通過加入其他外加劑或者增強材料等方法解決。

2 低鈣體系地聚物加固軟土研究及應用

周恒宇[28-30]等研究了煤系偏高嶺土基、高爐礦渣基地聚合物對長江三角洲地區(qū)的淤泥質軟土的固化效果，總結出了激固比、Na2SiO3:NaOH 和NaOH 濃度與不同鈣系地聚物加固土的強度之間的關系，得到了不同鈣系地聚物摻量對土體強度增長的活性區(qū)間與強度隨著齡期變化的增長曲線，發(fā)現低鈣體系地聚物加固土的強度呈線性，在觀測齡期內未發(fā)生衰減，具體強度增長規(guī)律如圖2 所示[28]，其中，CMK 為煤系偏高嶺土基地聚物加固土，GGBS為高爐礦渣基地聚物加固土。試驗同時探索了不同固化土抗干濕循環(huán)特性，其抗干濕循環(huán)能力順序為高鈣地聚合物固化土＞水泥固化土＞低鈣地聚物固化土，這可能是由于在干濕循環(huán)時土體產生了成分遷移，反應物中的部分物質被浸出而產生反應原理流失。在硫酸鹽抗侵蝕方面，兩種鈣系的地聚物固化土均優(yōu)于水泥固化土，這可能是由于兩種鈣系的地聚物水化產物主要為C-(A)-S-H 凝膠和N-A-S-H凝膠，水泥固化土中除了生成了C-S-H 凝膠之外還有鈣礬石和Ca（OH）2等新的礦物生成，這些產物會與硫酸鹽反應，導致固化土強度的損失。

圖2 不同地聚物加固土與水泥加固土的強度增長規(guī)律[28]

Cristelo 等[31-35]研究了粉煤灰基地聚物加固軟土的效果，試驗結果表明粉煤灰基地聚物可以有效地加固土體，但在一定齡期內強度均弱于水泥固化土，作者從堿激發(fā)劑/FA（激固比）、NaOH濃度（激發(fā)劑模數）、硅鋁比和鈉鋁比（地聚物本身性質）這幾個變量來研究固化土強度。同時發(fā)現低鈣粉煤灰地聚合物加固土的強度隨著養(yǎng)護齡期的增加持續(xù)穩(wěn)定增長，在很長的齡期內強度的增長一直持續(xù)，這說明低鈣系地聚物的水化反應可能并不是一種緩慢的高鈣系地聚物水化反應，這導致了兩者的后期強度變化規(guī)律截然不同。

從以上的研究結果來看，低鈣體系的地聚物加固土后期強度較水泥加固土來說較低，但強度增長趨勢與抗侵蝕能力均表現優(yōu)秀。其現在面對的問題為綜合強度性能無法與水泥加固土比較[28]，抗侵蝕能力雖然優(yōu)于高鈣系地聚物與水泥，但與無鈣系地聚物相比差距明顯[35]，加固土體的抗干濕循環(huán)能力較差[28]，解決這些問題可能需要通過與其他加固物質聯用、加入纖維等外摻劑來解決[36-37]。

3 無鈣體系地聚物加固軟土研究及應用

Zhang[38]等研究了偏高嶺土基地聚物加固土體的可行性，試驗結果證明偏高嶺土基地聚物可以有效地加固土體，當地聚物摻量大于11%時，其無側限抗壓強度（UCS）高于5%摻量的水泥固化土，同時地聚物的加固也使得土壤的楊氏模量得到有效的提高。同時7d齡期的固化土抗壓強度與28d 齡期的固化土相比差距不明顯，這可能是因為偏高嶺土基地聚物的水化反應較快。總體來看，偏高嶺土基地聚物在加固單純的軟土時效果沒有明顯優(yōu)于普通水泥，其強度對比如圖3所示[33]，在同等摻量（MKG5 與PC5）的情況下，偏高嶺土基地聚物加固土的力學性能均劣于水泥土。

圖3 偏高嶺土基地聚物加固土與水泥土力學性能對比[33]

Guo[39-40]等對偏高嶺土摻和堿性水泥固化黏土進行了研究，總結了固化土的強度特性和微觀機理，對單純的偏高嶺土基地聚物固化土和偏高嶺土摻和水泥固化土進行了對比，綜合來看，偏高嶺土摻和水泥固化土的固化效果最好，其中使用30%偏高嶺土替代水泥時，7d、28d的抗壓強度均要優(yōu)于其他比例。這可能是水泥水化反應造成的堿性環(huán)境促進了偏高嶺土基地聚物的水化反應，這也說明與不同體系的地聚物或其他加固材料混合使用更適合低鈣體系地聚物。通過微觀調查發(fā)現，添加偏高嶺土可以使0.005～0.1μm的孔隙小幅度增加，但可以使得0.1～10μm 明顯的減少，這說明了添加偏高嶺土基地聚物對于土壤的孔隙率有明顯的改善作用，這也是無鈣系地聚物的優(yōu)點之一。

綜上所述，偏高嶺土基地聚物在單獨使用于加固土時，力學性能無法與水泥加固土比較，但偏高嶺土基地聚物擁有著改善土體孔隙分布[39]、抗侵蝕能力優(yōu)秀[35]、且性能穩(wěn)定的優(yōu)點，與其他加固物質聯用或許是解決其強度問題的方法。

4 結束語

（1）高鈣系地聚物在土壤強度加固方面表現優(yōu)異，故其更適用于加固本身力學性能較差的土體。但其存在著加固土體后期強度不穩(wěn)定、收縮大、凝結速度過快等問題，這會導致其在實際工程運用方面有所阻礙，后續(xù)需要在改良地聚物自身性質、激發(fā)劑的選擇、外摻其他材料混合使用這3個方面進行深入探索。

（2）低鈣系地聚物加固土具有良好的后期強度和平穩(wěn)的強度增長曲線，雖然其短期強度弱于水泥土，但是后期強度高且強度增長穩(wěn)定。由于不同的強度增長規(guī)律，低鈣系地聚物更適合與其他鈣系的地聚物聯合使用，在只需要添加相同的激發(fā)劑的情況下也可以使得加固土的全周期強度均得到保證，從而在實際使用中得到更好的運用。

（3）無鈣體系地聚物在加固土的強度方面相對高、低鈣系地聚物而言沒有優(yōu)勢，但其擁有早期強度提升快，抗侵蝕能力更強以及可以改善土體孔隙率等優(yōu)點，在處理鹽漬土與膨脹土方面有獨到的優(yōu)勢，雖然其無法單獨固封污染土壤中的有效物質，但在與其他固化劑聯用時具有良好的效果，綜合考慮，無鈣體系地聚物更適用于處理特殊土壤。