偏高岭土改善灰土强度的试验研究

2019-06-13刘春龙刘乃飞刘奉银杨珺珑

西安建筑科技大学学报（自然科学版） 2019年2期

刘春龙，刘乃飞，刘奉银，杨珺珑

( 1. 西安理工大学岩土工程研究所，陕西西安 710048；2. 西安建筑科技大学土木工程学院，陕西西安 710055；3.西安建筑科技大学陕西省岩土与地下空间工程重点实验室，陕西西安 710055)

石灰具有生产工艺简单、成本低廉等特点，作为一种建筑材料在我国的土木工程建设中应用非常广泛[1-2]，尤其是在加固土的使用方面[3-4]，作为改良土体力学特性的材料广泛应用于构筑物的基层或者垫层[5]，特别是用来加固过湿土效果尤为显著[6-7].土中掺入石灰后，两者之间会产生强烈的相互作用，主要为离子交换作用、碳化作用和水化作用[8].而灰土的强度主要来自于石灰与黏土的水化作用，由于黏土矿物中含有一定量的活性SiO2和Al2O3，在常温潮湿条件下，能与吸附在黏土颗粒表面的Ca(OH)2缓慢的发生化合反应.初始产物为不定成分的胶凝物质，而后逐渐形成胶合的水化硅酸钙(C-S-H)，再经过较长的时间，形成结晶结构使土的强度和稳定性有所提高.石灰虽然具有良好的加固效果，但由于黏土中的活性SiO2和Al2O3含量有限，导致形成的灰土材料的硬化速度慢，强度不足[9].偏高岭土作为一种人工火山灰材料，主要是以高岭土(Al2O3·2SiO2·2H2O) 为原料，在适当温度下经脱水形成的无水硅酸铝(Al2O3·2SiO2，简写为AS2)，从而有效的提高了活性SiO2和活性Al2O3的含量[10]，在有水的条件下与石灰发生火山灰反应，生成与水泥类似的水化产物水化硅酸钙(C-S-H)[11]，从而可以提高灰土的力学性能[12].

目前，国内外许多专家对火山灰反应的产物进行了大量的研究[13-15].通过粉晶衍射、红外光谱、拉曼光谱以及热分析等手段研究发现，火山灰反应的产物主要包括托勃莫来石[16](CSH-Ι)、水化钙铝黄长石(C2ASH8)、水化铝酸四钙(C4AH13)和水化铝酸三钙(C3AH6)，其中托勃莫来石(CSH-Ι)、水化钙铝黄长石(C2ASH8)对灰土材料的强度均有贡献[17].鉴于偏高岭土的这些优良性能，其广泛应用于改善水泥砂浆或混凝土的性能.王林浩等[18]研究表明，偏高岭土能够显著提高水泥土的强度，尤其是早期强度.朱伶俐等[19]通过试验研究表明，偏高岭土可以提高喷射混凝土的阻抗值.姜广等[20]通过试验表明偏高岭土可以提高砂浆的抗压强度.

然而，却鲜有学者开展偏高岭土对灰土材料力学性能影响的研究.本文拟从力学试验角度，研究添加偏高岭土的灰土材料，在不同水固比和不同偏高岭土含量下的力学特性，并通过对含水率变化的分析以及扫描电镜细观角度揭示其内在机理.此外，还以高岭土中添加石灰的灰土材料作为对照试验.本研究一定程度上弥补了该领域的不足，并可为实际工程应用提供理论依据.

1 试验方案

1.1 试验材料与试剂

高岭土购于石家庄辰星实业有限公司，氧化钙(分析纯)购于天津市致远化学试剂有限公司，偏高岭土(分析纯)购于天津市北辰方正试剂厂，蒸馏水产自西安市东关蒸馏水厂.

高岭土和偏高岭土的颗分曲线如图1所示，其中wd为试验材料的质量百分数，d为试验材料的颗粒粒径.

图1 颗分曲线Fig. 1 Particle size distribution curves

高岭土颗粒的相对密度ds、天然含水率w、塑限wp、液限wL、塑性指数Ip等如表1所示.根据击实试验得出，高岭土的最大干密度为1.63 g/cm3，对应的最优含水率为19.5%.偏高岭土的化学成分及质量分数如表2所示.

表1 高岭土的物理指标

表2 偏高岭土化学成分(质量分数)

1.2 试件制备

本文所配制的灰土材料，同时控制原料的石灰、偏高岭土和水固比3个因素，分析三者对灰土力学性质的影响.试验以高岭土材料为主要原材料，高岭土质量用mk表示，偏高岭土含量用mm表示，石灰含量用ml表示，偏高岭土和石灰的含量，用其与高岭土的质量比来表示.根据该试验原料配合比的轻型击实试验确定的最大干密度为1.44 g/cm3，对应的最优含水率为27.9%.因此，配制该试验的水固比mw/ms分别为0.26、0.28、0.30和0.32.

将试验原料称好后，进行均匀搅拌，放入自封袋中，根据试样调配的水固比分别调至灰土膏浆样，并不断搅拌灰土膏浆养护至3个小时，根据计算称取一定质量的灰土膏浆注入Φ39.1 cm×80 cm的三瓣模中，用制样器制样成型后，放置在干燥器中养护，分别测定试样的3 d、7 d、28 d抗压强度.

2 试验结果与分析

2.1 石灰含量对灰土强度的影响

为了研究添加偏高岭土的灰土材料的力学特性，分别配置了干密度为1.52 g/cm3、水固比为0.28的不同石灰含量的灰土试件作为对照试验.本试验中石灰含量ml分别为8%、10%、13%和16%.试验所得不同石灰含量条件下试样在不同龄期时的无侧限抗压强度对比图如图2所示.

图2 不同石灰含量的灰土抗压强度Fig. 2 Compressive strength of lime-soil samplewith different lime content

由图2可以看出，总体上灰土试样的无侧限抗压强度均随着养护龄期的增大而增强，但石灰含量ml对灰土试样的强度影响显著，随着石灰含量ml的增多，强度呈先增大后减小的趋势，当石灰含量ml为10%时，灰土试样的抗压强度最大.3 d龄期时，石灰含量为10%的试样强度(最大值)是石灰含量为16%的试样强度(最小值)的1.50倍；而当28 d龄期时，该值增大为1.62.说明石灰含量对灰土的后期强度影响较大.

2.2 水固比对灰土强度的影响

为了研究添加偏高岭土的灰土材料的力学特性，分别配置了相同石灰含量和干密度，不同水固比的灰土试样作为对照试验.分别配置水固比mw/ms为0.26、0.28、0.30和0.32，石灰含量ml为10%的灰土试样，测定试样的3 d、7 d、28 d龄期时的无侧限抗压强度，试验结果如图3所示.

由图3可以看出，总体上灰土试样的无侧限抗压强度均随着养护龄期的增大而增强，但水固比mw/ms对灰土试样的抗压强度影响较大.同一龄期时，随着水固比mw/ms的增加，灰土试样的抗压强度先增大后减小.当水固比mw/ms为0.28时，灰土试样的抗压强度最大.3 d龄期时，水固比为0.28的试样强度(最大值)是水固比为0.32的试样强度(最小值)的1.21倍；而当28 d龄期时，该值增大为1.27.说明水固比对灰土的后期强度影响较大.

2.3 偏高岭土含量对灰土强度的影响

根据前文的对比试验可知，灰土材料的强度受石灰的含量ml和水固比mw/ms的影响明显，若向灰土中添加偏高岭土，必然导致最佳石灰含量ml和水固比mw/mss发生变化，而偏高岭土mm的含量也必然存在最优含量.

(1)石灰含量对含偏高岭土的灰土强度的影响

根据2.1节的试验结果，可推断出添加了偏高岭土的灰土试样中，石灰含量应在图2曲线的上升区间至其延长线的一定范围内.据此，配置干密度为1.52 g/cm3，水固比mw/ms为0.3，偏高岭土mm含量为8%、10%、13%和石灰含量ml为8%、10%、13%、16%、20%的灰土试样15组，分别测定各试样在3 d、7 d和28 d龄期时的无侧限抗压强度.用于研究不同偏高岭土含量条件下，试样抗压强度随石灰含量的变化规律，试验结果如图4所示.

图4 不同石灰含量的灰土抗压强度Fig.4 Compressive strength of lime-soil samplewith differentlime content

由图4可以看出，随着龄期的增长，添加偏高岭土的灰土试样强度均增大，偏高岭土含量mm的变化对灰土强度的影响较大.相同偏高岭土含量的灰土试样，石灰含量的变化同样会引起试样强度的改变.对比图4和图2可以看出，添加偏高岭土的灰土试样的强度明显高于同一时期的不含偏高岭土的灰土试样，其中偏高岭土的含量mm为10%，石灰的含量ml为13%的灰土试样28 d无侧限抗压强度最高，达到2.22 MPa，是相同干密度但不含偏高岭土的灰土试样最高强度的2.45倍(图2)，是相同水固比和石灰含量但不含偏高岭土的灰土试样最高强度的2.70倍(图3).图4(a)中，试样3 d龄期抗压强度高达0.75 MPa，是相同条件下无偏高岭土灰土试样的2.10倍，由此可见，通过在常规灰土试样中添加偏高岭土不仅可以提高灰土试样的后期强度，而且也极大的提高了灰土试样的早期强度.

(2)水固比对含偏高岭土的灰土强度的影响

通过前文研究可知，干密度为1.52 g/cm3，偏高岭土含量mm为10%，石灰含量ml为13%时，灰土材料的无侧限抗压强度最高，因此本节在此基础上进一步研究水固比(mw/ms为0.26、0.28、0.30、0.32和0.34)对含偏高岭土灰土试样无侧限抗压强度的影响，试验结果如图5所示.

由图5可以看出，水固比mw/ms对添加了偏高岭土的灰土试样的强度影响较大，与图3的结果相类似，随着水固比mw/ms的增加，试样的强度呈先增大后减小的趋势，当水固比为0.3时，试样的抗压强度最大.对比图3的试验结果，添加偏高岭土mm的试样最高强度所对应的水固比mw/ms比未添加偏高岭土的灰土试样略大，初步推断应该是因为灰土中添加了偏高岭土后，试样会发生火山灰反应，所需要的含水量有所增加所致.

图5 不同水固比的灰土抗压强度Fig.5 Compressive strength of lime-soil samplewith different water-solid ratios

2.4 偏高岭土含量对灰土软化系数的影响

本文中软化系数是指试件吸水饱和后的无侧限抗压强度与试件干燥状态下的无侧限抗压强度之比.软化系数越大，表明材料的耐水性越好.本节主要分析水固比mw/ms为0.3，石灰含量为13%的灰土试样和相同条件下的添加10%偏高岭土灰土试样在3 d、7 d、28 d龄期的软化系数，试验结果见表3.

表3 灰土材料的软化系数

由表3可以看出，无论是常规灰土材料试样还是添加了偏高岭土的试样，其软化系数均随养护龄期的增加而增大.但添加了偏高岭土后，试样的软化系数整体上高于无偏高岭土的情况.特别的，含偏高岭土的灰土试样其软化系数随龄期的变化相对较小，可见偏高岭土可以显著改善灰土材料的软化性能.

3 机理研究

本章拟通过分析含偏高岭土的灰土试样含水率的变化规律和采用扫描电镜(SEM)观察其细观结构来研究偏高岭土改善常规灰土材料力学性能的内在机理.

3.1 含水率变化

灰土试样的含水率变化，在一定程度上可以间接反映试样内部火山灰反应的程度，以水固比mw/ms为0.3，石灰含量ml为13%的灰土试样作为参照试验，分析具有相同干密度、水固比和石灰含量但添加10%偏高岭土的灰土试样的含水率变化规律.以试件成型时的含水率作为初始重量ω0，然后分别测定不同龄期的常规灰土试样和添加偏高岭土的灰土试样的含水率ωt，t分别为3 d、7 d、28 d，试样含水率变化规律如图6所示.

由图6可以看出，在干燥器中养护的常规灰土试样和添加10%偏高岭土的灰土试样的含水率，随着龄期的增长总体上呈减小趋势.对比图6中的两条曲线可以看出，水固比相同的常规灰土试样和添加了偏高岭土的灰土试样的初始含水率略有不同，这是由于偏高岭土的加入使相同条件下石灰含量小于常规灰土试样中所含的石灰量，而石灰遇水产生大量的热量，带走了一部分水分.

对于常规灰土试样，随着龄期的增长，试样的含水率先呈减小趋势，至7 d后灰土试样的含水率几乎不发生变化，这主要是因为试样中的石灰随着龄期的增长逐渐发生反应，吸收了一定数量的水分，而后灰土试样的反应吸水与干燥器中的水分补充达到平衡.添加了偏高岭土的灰土试样其含水率变化呈先减小后增大最后略有减小的趋势，且3 d龄期时的含水量变换斜率明显高于灰土试样的斜率，主要是因为偏高岭土与Ca(OH)2和水发生化学反应，需要较多的水分参与所致，反应完全后试样又吸收了干燥器中的水分导致式样的含水率有所增加，随着龄期的增长，含水率趋于稳定.

图6 灰土材料的含水率变化曲线Fig. 6 Water content of lime-soil sample

3.2 SEM分析

选取在干燥器中养护28 d，石灰含量为13%、水固比为0.3的常规灰土试样和相同条件下添加10%偏高岭土的灰土试样，在其断面喷金，然后采用扫描电镜(SEM)进行观察，结果如图7所示.

图7(a)为养护28 d的常规灰土试样，可以看出，灰土试样内部结构较为致密，高岭土颗粒以单个粉粒和黏胶微碎屑组成的颗粒集组成，颗粒大小不均匀，颗粒间多以面-面接触为主，孔隙多表现为微小的颗粒间空隙.而添加了10%偏高岭土的灰土试样，如图7(b)所示，图像中的颗粒沿着空间3 个方向都有所生长，颗粒间明显受到胶凝黏结物联结而呈现团块状态，与图7(a)相比土中团粒显著增多，因此强度提高.