碱-偏高岭土改性水泥土抗压性能试验与分析

2020-03-15朱永顺马芹永

安徽理工大学学报（自然科学版） 2020年6期

朱永顺，马芹永,2

(1.安徽理工大学土木建筑学院，安徽淮南 232001；2.安徽理工大学矿山地下工程教育部工程研究中心，安徽淮南 232001)

水泥土是由水泥、土以及其他组分按适当比例制成的混合材料。因施工方便、成本低、振动小等优点，被广泛应用于地基加固以及基坑支护等[1-3]。近年来随着基础工程建设的不断加大，水泥使用量也在不断增加。水泥生产过程不仅能源消耗大、污染严重、CO2排放量高[4]，而且水泥土随水泥掺量增加到惰性区后强度增长缓慢[5]。

偏高岭土是高岭土经适当温度煅烧形成的，含有大量活性Al2O3和SiO2，具有较高的火山灰活性。研究表明，将偏高岭土掺入水泥土中，能够有效提高水泥土的抗压强度[6-8]，劈裂抗拉强度[9]，降低渗透系数[10]。文献[11]906发现水玻璃及偏高岭土均能提高水泥土强度，且以水玻璃激发偏高岭土和水泥混合物固化效果更好。文献[12]通过NaOH、偏高岭土及水泥制备新型碱激发材料(AMC)固化高液限黏土，发现其固化效果显著。

碱激发胶凝材料因绿色环保、低耗能及工作性能高等优点，近年来受到诸多学者的关注。文献[13-14]用碱激发水泥改善固化土体的特性，发现强碱对水泥土强度的提升有很大的促进作用。文献[15]2 187利用烧碱激发钢渣和水泥混合物固化土体，发现烧碱能激发钢渣粉活性，促进固化土的早强。文献[16]发现NaOH、Na2CO3及Na2SiO3·9H2O激发粉煤能有效提高固化土的强度。文献[17]发现碱激发高炉矿渣可以大幅提高土体的强度和耐久性。

为减少水泥的使用，改善土体性能，实现低碳排放。本文通过室内试验分析偏高岭土和NaOH掺量对水泥固化粉质粘土无侧限抗压强度、应力-应变曲线及变形模量的影响。对比素水泥土，探讨偏高岭土和NaOH的较优掺量，以期为偏高岭土和NaOH在水泥固化粉质粘土工程应用中提出参考。

1 试验

1.1 试验材料

试验用土为安徽合肥某工地粉质粘土，液限36.50%，塑限21.35%，塑性指数15.15，最优含水率19.60%，最大干密度1.71g/cm3；水泥选用淮南某厂P·O42.5普通硅酸盐水泥；偏高岭土(以下简称MK)产自内蒙古，呈白色粉末状，平均粒径为1μm，比表面积为20m2/g,化学成分如表1所示；分析纯氢氧化钠为粒状，净含量≥95%。

表1 偏高岭土化学组分

1.2 试验方案

水泥和MK总掺量占干土质量的15%，水胶比为0.5。MK掺量分别为干土质量的0%、1.5%、3.0%和4.5%，碱激发剂NaOH掺量分别为干土质量的0%、0.75%、1.50%、2.25%，共设计16组配合比。

1.3 试验过程

将原状土置于105℃的烘箱中烘干24h,粉碎并过2mm筛。按最优含水率19.60%进行土样配置，拌合均匀后装入密封袋浸润24h，使水分分布均匀。依次向含水率为19.60%的湿土中加入水泥、MK、NaOH和水(NaOH与水配成溶液，并密封陈伏24h)。拌合均匀后，将混合料分三次装入φ50mm×100mm的模具并击实。为保证每次击实后接触面粘结性良好，对接触面进行拉毛处理，每组制作3个平行试样。拆模后取出试样，用保鲜膜包裹，移至标准养护室养护28d。

试验采用微机控制电子式万能试验机，加载速率为1mm/min。在进行试验结果分析时，先求3个平行试样无侧限抗压强度的平均值，若存在试样与平均值相对误差超过15%时，则剔除，取不少于2个试样的平均值作为该组强度的代表值。

2 实验结果与分析

2.1 无侧限抗压强度

1)NaOH掺量对水泥土抗压强度的影响

由图1可以看出，当MK掺量一定时，水泥土抗压强度随NaOH掺量的增加先增大后减小，且在NaOH掺量为1.50%时，强度达到最大。当NaOH掺量为1.50%时，MK掺量为0%、1.5%、 3.0%、4.5%，水泥土抗压强度分别为4.05MPa、 4.65MPa、4.95MPa、3.71MPa，较素水泥土强度分别提高了26.17%、44.86%、54.21%、15.58%。

图1 无侧限抗压强度与NaOH掺量的关系

水泥土强度来源主要是水泥水化反应、土的固有结构和组成、微集料填充效应及火山灰效应，其中水泥水化反应对强度贡献最大。随着NaOH的掺入，土中溶液碱性增强，加速了水泥和MK的水化。但过量的NaOH会使水泥水化反应产物Ca(OH)2的生成受到严重阻碍，进而抑制水泥水化；同时土颗粒表面富含K+、Na+等离子，可以与水泥水化生成Ca2+离子发生吸附交换作用，若土中溶液Na+浓度过大，则会阻碍土颗粒的双电层变薄，土颗粒间的摩擦力减小，使得强度降低[15]2 190。

2)MK掺量对水泥土无侧限抗压强度的影响

由图2可以看出，当NaOH掺量为0%、0.75%、1.50%时，水泥土抗压强度随MK掺量的增加先增大后减小；NaOH掺量为2.25%时，水泥土抗压强度随MK掺量的增加逐渐增大。

图2 无侧限抗压强度与MK掺量的关系

MK是不稳定的无定形硅铝化合物，在碱激发作用下生成一系列胶凝水化产物，能有效改善土体空间结构[11]912。当NaOH掺量为0%时，MK主要与水泥水化产物Ca(OH)2发生反应，此时MK掺量为1.5%，强度达到最大，随着MK掺量继续增加，水泥掺量相对不足，使得水化产物Ca(OH)2减少，参与反应的MK也随之减少，导致强度降低。NaOH的掺入使得土体溶液碱含量增多，未反应的MK进一步参与反应。当NaOH掺量为0.75%和1.50%时，不仅加速了水泥水化，同时参与反应的MK增多，此时MK掺量为3.0%，强度达到最大，而当MK掺量大于3.0%时，土体溶液碱含量相对不足，强度降低。当NaOH掺量为2.25%时，随着MK掺量的增加，不仅有更多的MK参与反应，同时MK消耗了大量碱，使得土体溶液碱性降低，有效缓解了因土体溶液碱性过高对水泥水化的抑制，此时MK掺量为4.5%，强度达到最大。

2.2 应力-应变曲线

图3是不同MK掺量下水泥土应力-应变曲线。水泥土应力-应变曲线具有明显峰值，属于应变软化型。全过程大致可分为4个阶段：压密阶段，试件内部孔隙逐渐封闭，应力增长缓慢，应变快速增加，弹性模量呈增长趋势；线弹性阶段，应力随应变近似线性增长，弹性模量基本不变，其内部孔隙和裂纹稳定发育、扩展；塑性阶段，内部孔隙和裂纹加速膨胀，应力增加速度小于应变，并达到峰值；破坏阶段，应力达到峰值后，出现软化现象，应力随应变增大而减小。

(a)NaOH掺量0% (b)NaOH掺量0.75%

(c)NaOH掺量1.50% (d)NaOH掺量2.25%图3 不同MK掺量时水泥土应力-应变曲线

由图3可以看出，水泥土应力-应变曲线具有明显峰值，且破坏应变较小，呈现脆性破坏特征。当未掺NaOH和NaOH掺量过量(NaOH掺量为0%和2.25%)时，水泥土的脆性与MK掺量无明显关系；当NaOH掺量适量(NaOH掺量为0.75%和1.50%)时,水泥土随MK掺量的增加破坏阶段应力减小速度先增大后减小，脆性先增强后减弱。当NaOH掺量为0%～1.50%时，不同MK掺量的水泥土随NaOH掺量的增加，破坏阶段应力下降速度增大，脆性增强。当NaOH掺量为1.50%～2.25%时，不同MK掺量的水泥土随NaOH掺量的增加，破坏阶段应力下降速度减慢，脆性减弱。

图4是水泥土试件的破坏形态，如图4(a)是NaOH掺量为0%，MK掺量为3.0%时水泥土的破坏形态，此时抗压强度较小，水泥土试件受压后表面出现若干细小斜裂缝，并最终发展成为贯穿试件的斜向破坏面，应力-应变曲线破坏阶段应力下降较慢，呈现脆性剪切破坏。如图4(b)是NaOH掺量为1.50%，MK掺量为3.0%时水泥土的破坏形态，此时抗压强度较大，水泥土试件受压后表面出现多条纵向裂缝，应力-应变曲线破坏阶段应力迅速下降，呈现纵向劈裂破坏。

2.3 变形模量

变形模量反应了材料抵抗弹塑性变形的能力，是复合地基设计、计算的基础参数，对变形分析和稳定性评价具有重要意义。由于水泥土材料为非线性变形，工程上常采用变形模量E50作为表征参数。E50是指无侧限抗压强度峰值应力的50%所对应的割线模量。

E50=0.5qu/ε0.5

式中：qu为抗压强度峰值应力，ε0.5为qu对应的应变值。

图5 不同NaOH和MK掺量水泥土的变形模量

由图5可以看出，对于同一MK掺量的水泥土，变形模量随NaOH掺量的增加先增大后减小；当NaOH掺量为0%、0.75%、1.50%时，水泥土变形模量随MK掺量的增加亦先增大后减小，这与对水泥土无侧限抗压强度的影响规律相似。当NaOH掺量为2.25%时，水泥土变形模量随MK掺量的增加呈现波动式增大。这可能是由于土体溶液中碱性过高，抑制了水泥水化，当MK掺量较低时，未水化的水泥在土体中填充作用明显，使得水泥土变密实；随着MK掺量的增多，水泥掺量减少，MK在碱激发作用下形成的硅铝酸盐网状结构填充土体内部孔隙，使得变形模量增大。