PPCC改良過濕土力學性能及微觀特性研究

關鍵詞：過濕土；工業固廢；ＦＰＣＣ；力學性能；微觀結構

中圖分類號：ＴＶ４２；Ｕ４１６ 文獻標志碼：Ａ ｄｏｉ：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１０００－１３７９．２０２４．０６．０２６

引用格式：孟憲金，李嘉衡，王運濤．ＦＰＣＣ 改良過濕土力學性能及微觀特性研究［Ｊ］．人民黃河，２０２４，４６（６）：１５２－１５６，１６２．

過濕土是指潮濕地區廣泛分布的含水率過高的潮濕性黏土或粉土［１］ 。我國黃河流域多地存在過濕土，含水率大導致土體難以壓實，存在“彈簧”現象［２］ 。許多學者致力于過濕土改良，如：何克揚等［３］ 對不同摻量水泥改良過濕土進行研究， 發現加州承載比（Ｃａｌｉｆｏｒｎｉａ Ｂｅａｒｉｎｇ Ｒａｔｉｏ，簡稱ＣＢＲ）及強度與水泥摻量相關性較強，當水泥摻量為３％～５％時，可將過濕土用作路基填料；程培峰等［４］ 研究了原狀過濕土的固結變形特性，發現土的含水率越大其壓縮性越大，凍融循環后土體的壓縮性增大、更難壓實。

粉煤灰作為一種工業固廢材料，在膠凝材料制備［５－７］ 、路基土改良［８－９］ 等方面均有應用。對于生產黃磷產生的固廢材料磷渣，以往的處理方式主要是掩埋，其對環境會產生嚴重的危害［１０］ ，現階段越來越多地將其應用到混凝土制作中［１１－１３］ 。電石渣是水與電石反應生產乙炔氣體的副產品，主要成分為Ｃａ（ＯＨ）_２，其可以與活性二氧化硅、活性氧化鋁等活性組分發生火山灰反應，產生具有膠結作用的物質［１４－１５］ 。杜延軍等［１６－１７］ 利用電石渣改良過濕黏土，通過無側限抗壓強度、酸堿度、壓汞和熱重試驗等分析其改良效果，并進行了一系列路用性能測試，證明電石渣改良過濕土具有良好的工程應用前景。

為達到提高過濕土強度并合理利用工業固廢的目的， 筆者利用粉煤灰（ Ｆｌｙ ａｓｈ）、磷渣（ Ｐｈｏｓｐｈｏｒｕｓｓｌａｇ）、電石渣（Ｃａｒｂｉｄｅ ｓｌａｇ）及水泥（Ｃｅｍｅｎｔ）所制備的煤灰－磷渣－電石渣－水泥膠凝材料（簡稱ＦＰＣＣ）對過濕土進行改良，首先對摻量為４％、６％、８％及１０％的ＦＰＣＣ 過濕土進行ＣＢＲ 試驗與７、２８ ｄ 齡期無側限抗壓強度試驗，并與摻量為４％的水泥過濕土進行承載力及強度對比，進而確定過濕土中ＦＰＣＣ 最佳摻量；然后通過掃描電子顯微鏡觀察不同摻量ＦＰＣＣ 過濕土的微觀結構，利用Ｍａｔｌａｂ 軟件與ＩＰＰ 軟件分析其孔隙特征及分布情況，揭示其強度形成機理，評價ＦＰＣＣ 對過濕土強度的改良效果。

１試驗材料與方法

１．１試驗材料

１）粉煤灰、磷渣、電石渣、水泥。粉煤灰產自河北省靈壽縣熙民礦產品有限公司，細度為３２５ 目；磷渣產自河南省洛陽氚珅化工儀器有限公司；電石渣產自山東省德州市德州實華化工有限公司，細度為３００ 目；Ｐ．Ｏ４２５普通硅酸鹽水泥產自山東省日照市莒縣中聯水泥有限公司。對粉煤灰、磷渣及電石渣進行Ｘ 射線熒光光譜分析，得到化學成分表（見表１）。電石渣主要化學成分為ＣａＯ，占比達到了８５．３１％；磷渣主要化學成分為ＳｉＯ_２及ＣａＯ，占比分別為３９．５１％與４５．１２％；粉煤灰主要化學成分為ＳｉＯ_２ 與Ａｌ_２ Ｏ_３，占比分別為４９．２１％與３３．４３％。

２）試驗用土。取自黃河山東東明段與河南蘭考段接壤處，取土地段地下水位較高，土體含水率大、難以壓實，其基本物理性能見表２。

１．２ 試驗方法

１）試件制備。參考《公路無機結合料穩定材料試驗規程》（ＪＴＧ Ｅ５１—２００９）［１８］ ，制備尺寸為５０ ｍｍ×５０ ｍｍ圓柱形ＦＰＣＣ 過濕土試件，ＦＰＣＣ 摻量分別為４％、６％、８％及１０％（簡稱４％、６％、８％、１０％ＦＰＣＣ），同時制備水泥過濕土試件作對比，水泥摻量為４％（簡稱４％水泥），養護齡期為７ ｄ 及２８ ｄ。各試件制備完成后立即放入溫度（２１±２） ℃、相對濕度９５％的標準養護箱養護至所需齡期。

２）ＦＰＣＣ 過濕土力學特性試驗。對７、２８ ｄ 齡期４％、６％、８％、１０％ＦＰＣＣ 過濕土及４％水泥過濕土開展無側限抗壓強度試驗、ＣＢＲ 試驗及抗壓回彈模量試驗。

３）ＦＰＣＣ 過濕土微觀試驗。為揭示ＦＰＣＣ 摻量對過濕土微觀結構的影響，對２８ ｄ 齡期４％、６％、８％、１０％ＦＰＣＣ 過濕土進行ＳＥＭ 微觀分析。利用Ｍａｔｌａｂ 軟件與Ｉｍａｇｅ － Ｐｒｏ Ｐｌｕｓ （ ＩＰＰ） 軟件處理掃描電鏡圖像［１９］ ，分析２８ ｄ 齡期不同摻量ＦＰＣＣ 過濕土的孔隙率Ｐ、孔隙直徑ｄ、孔隙豐度及孔隙定向角的分布規律，研究ＦＰＣＣ 摻量對孔隙的影響，揭示ＦＰＣＣ 過濕土強度的形成機理。其中，孔隙率Ｐ 為孔隙面積與總面積的比值，其計算公式為

１．３試驗過程

試驗過程及設備如圖１ 所示。

２試驗結果及分析

２．１ＦＰＣＣ改良過濕土力學特性

為驗證ＦＰＣＣ對過濕土的改良效果，對７、２８ｄ齡期４％、６％、８％、１０％ＦＰＣＣ 過濕土及４％水泥過濕土進行無側限抗壓試驗及ＣＢＲ試驗，分析ＦＰＣＣ過濕土力學特性。

２．１．１無側限抗壓強度試驗

ＦＰＣＣ改良過濕土無側限抗壓強度試驗結果如圖２所示。

素土無側限抗壓強度為０．０９ ＭＰａ，幾乎沒有強度，這是素土含水率大、壓實度不夠導致的；７ ｄ齡期時，１０％ＦＰＣＣ 過濕土無側限抗壓強度最大，４％、６％、８％、１０％ＦＰＣＣ 過濕土強度分別為０．４１、０．５９、０．６５、０．７１ ＭＰａ，此時４％水泥過濕土強度為０．６６ ＭＰａ，可見其與８％ＦＰＣＣ 過濕土無側限抗壓強度相當。２８ ｄ 齡期時ＦＰＣＣ 過濕土無側限抗壓強度相較７ ｄ 齡期有了大幅提升，其中４％、６％、８％、１０％ＦＰＣＣ 試樣強度分別提升了１４６．３％、１７９．７％、１６６．２％、１５４．９％，可見６％ＦＰＣＣ 試樣強度（為１．６５ ＭＰａ）提升率最大，摻量大于６％后，隨著ＦＰＣＣ 摻量的增多，試樣強度提升率降低。

綜上可知，ＦＰＣＣ 過濕土適宜摻量為６％～１０％，考慮到節約水泥用量以及更合理地利用工業固廢，建議摻量為６％，此時不僅減少了水泥用量，而且２８ ｄ 齡期無側限抗壓強度與４％水泥過濕土基本一致，且具有良好的力學特性，綜合性能最佳。

２．１．２ＣＢＲ 試驗及抗壓回彈模量試驗

ＦＰＣＣ 改良過濕土ＣＢＲ 試驗及抗壓回彈模量試驗結果見表３。

素土的ＣＢＲ 值與抗壓回彈模量僅為３． １％ 與１６．７ ＭＰａ，無法滿足《公路瀝青路面設計規范》（ＪＴＧＤ５０—２０１７）［２０］ 要求，因此無法直接用于路基回填；４％ＦＰＣＣ 過濕土ＣＢＲ 值遠高于素土，而６％及以上ＦＰＣＣ過濕土ＣＢＲ 值均在２０％以上，并且隨著齡期的增長而增大，２８ ｄ 齡期１０％ ＦＰＣＣ 過濕土ＣＢＲ 值達到了４３．１％，比４％水泥過濕土高２２．１％，因此４％及以上ＦＰＣＣ 過濕土均滿足回填要求；４％、６％、８％、１０％ＦＰＣＣ過濕土７ ｄ 齡期抗壓回彈模量分別為５１．１、７１．４、９４．３、１０１．６ ＭＰａ，６％ＦＰＣＣ 過濕土抗壓回彈模量與４％水泥的接近。

對比７、２８ ｄ 齡期不同摻量ＦＰＣＣ 過濕土的無側限抗壓強度、ＣＢＲ 值及抗壓回彈模量可知，ＦＰＣＣ 用于過濕土改良效果顯著。

２．２微觀試驗分析

２．２．１ ＳＥＭ 掃描結果

２８ｄ 齡期不同摻量ＦＰＣＣ過濕土ＳＥＭ 掃描結果見圖３。

ＦＰＣＣ 過濕土的主要水化產物為水化硅酸鈣（Ｃ－Ｓ－Ｈ） 凝膠、針棒狀的鈣礬石（ＡＦｔ） 以及少量的Ｃａ（ＯＨ）_２晶體。由圖３ 可知：隨著ＦＰＣＣ 摻量增大，土體內部水化產物不斷增加，素土不斷被包裹，同時孔隙與裂縫明顯減少，這是ＦＰＣＣ 過濕土強度隨摻量不斷增大的主要原因。２８ ｄ 齡期ＦＰＣＣ 過濕土仍有未反應粒子，如球狀粉煤灰等，可見此時ＦＰＣＣ 過濕土仍未反應完全，隨著齡期的增長，強度仍會持續增大。

綜上所述，ＦＰＣＣ 過濕土中有明顯的水化產物，ＦＰＣＣ 摻量越大水化產物越多，其中以Ｃ－Ｓ－Ｈ 凝膠及ＡＦｔ 為主，這是ＦＰＣＣ 過濕土強度的主要來源。

２．２．２ＦＰＣＣ 過濕土孔隙結構分析

利用Ｍａｔｌａｂ 與ＩＰＰ 軟件對２８ ｄ 齡期ＦＰＣＣ 過濕土ＳＥＭ 圖像進行處理，進而分析其孔隙率Ｐ、孔隙直徑ｄ、孔隙豐度及孔隙定向角的分布規律，Ｍａｔｌａｂ 與ＩＰＰ 軟件處理過程如圖４ 所示。

由圖５ 可知， ＦＰＣＣ 過濕土孔隙率分布在０．９０％～１．１５％范圍內，隨著ＦＰＣＣ 摻量的增大孔隙率逐漸減小，其原因是Ｃ－Ｓ－Ｈ 凝膠與ＡＦｔ 的生成使土體內部孔隙及裂縫得到填充，一定程度上證明了無側限抗壓強度會隨摻量增大而提高。此外，通過對孔隙率與ＦＰＣＣ 摻量的擬合發現兩者為指數關系，確定系數Ｒ^２ ＝ ０．９９５，具有很強的相關性，因此可以預測增大ＦＰＣＣ 摻量后孔隙率減小，ＦＰＣＣ 摻量為６％～１０％時孔隙率基本分布在０．９０％～０．９５％范圍內，孔隙填充不明顯，導致ＦＰＣＣ 摻量大于６％時無側限抗壓強度增長率減小。

２）孔隙直徑。２８ ｄ 齡期ＦＰＣＣ 過濕土孔隙直徑分布規律如圖６ 所示。隨著ＦＰＣＣ 摻量的增大，直徑＜５ μｍ及５ ～ １０ μｍ 孔隙占比增大，４％、６％、８％、１０％ＦＰＣＣ 過濕土中兩種直徑孔隙占比分別為２１．５４％、４２．５９％、５０．９４％、５５．０９％，ＦＰＣＣ 摻量大于６％后兩種直徑孔隙占比增大緩慢，同時１０～２０ μｍ及＞２０ μｍ 兩種直徑孔隙減少。這說明摻量增大后水化產物的不斷生成使得孔隙得到填充，大孔隙數量明顯減少而微小孔隙有所增加，一定程度上說明了無側限抗壓強度增大的原因。

３）孔隙豐度。２８ｄ 齡期ＦＰＣＣ 過濕土孔隙豐度分布規律如圖７ 所示。在ＦＰＣＣ 膠凝材料摻量增加后孔隙豐度在０ ～ ０．２ 區間占比基本不變，在０．２～０．４ 與０．４～０．６ 兩個區間占比明顯降低，０．６～０．８ 及０．８～１．０兩區間孔隙豐度占比增大?？梢?，隨著ＦＰＣＣ 摻量的增加，孔隙豐度趨近于１，說明孔隙及裂縫得到填充，各孔隙形狀趨近于圓形。

４）孔隙定向角。２８ ｄ 齡期ＦＰＣＣ 過濕土孔隙定向角分布規律如圖８ 所示。隨著ＦＰＣＣ 摻量的增大，孔隙定向角由開始的各角度均有分布發展為定向在１２０°～１４０°和３００°～３２０°，這說明孔隙的定向性不斷增強，孔隙向有序方向發展，ＦＰＣＣ 膠凝材料的摻加使土體內部不規則裂縫及孔隙得到填充，使其規則化，進而增大了其強度。

綜上所述，隨著ＦＰＣＣ 摻量的增大，過濕土內部水化產物不斷生成，進而使裂縫與大孔隙得到填充，孔隙率降低、孔隙直徑減小、孔隙豐度增大及孔隙定向角有序化，因而增大了過濕土的強度。

３結論

通過研究主要得出以下結論：

１）對比７、２８ ｄ 齡期不同摻量ＦＰＣＣ 過濕土的無側限抗壓強度、ＣＢＲ值及抗壓回彈模量可知ＦＰＣＣ 用于過濕土改良效果顯著，２８ｄ 齡期時６％ＦＰＣＣ過濕土各指標均滿足使用要求。

２）通過ＳＥＭ 掃描可知，２８ ｄ齡期ＦＰＣＣ過濕土中產生了大量水化產物，其以Ｃ－Ｓ－Ｈ 凝膠及ＡＦｔ 為主，并且隨著ＦＰＣＣ 摻量的增大，水化產物增多。

３）利用Ｍａｔｌａｂ 與ＩＰＰ軟件分析ＳＥＭ 圖像發現，隨著ＦＰＣＣ摻量的增大，過濕土水化產物持續生成，使得孔隙率降低、孔隙直徑減小、孔隙豐度增大及孔隙定向角有序化，這是其強度增大的重要原因。