咖啡渣矿渣地聚合物固化软土的力学性能研究

俞钧凯, 杨玉莹, 梁泽堃, 胡思昂, 王永芳, 征西遥, 吴俊

(上海工程技术大学 城市轨道交通学院, 上海, 201620)

软土一般指天然含水量高、压缩性高、承载力低、抗剪强度低的呈流塑状态的黏性土。其包括淤泥、淤泥质土、泥炭、泥炭质土等, 并且广泛分布于我国的沿海城市。由于软土本身承载力、抗剪强度低的特点, 土体容易在荷载下失稳, 并导致软土下沉不均, 使建立于软土基础上的建筑物产生地基失稳,并对工程的造价和进度及建筑物安全性等指标造成重要影响。因此为了保证建筑物的安全, 须对软土地基进行加固处理。在多种加固软土的方法中, 水泥搅拌法是常用于加固软土地基的一种有效方法[1]。这种方法常采用水泥作为固化剂, 通过特制的深层搅拌机械, 在地基深处原位将软土和固化剂进行强制搅拌。但生产水泥的过程中会引起大量的二氧化碳排放, 同时在加固软土中大范围采用水泥也将提高工程造价。因此, 现阶段亟需一种新型环保且经济的固化剂材料用于软土加固。

地聚合物作为一种由硅铝化合物聚合而成的新型碱激发水泥, 原料来源于低成本的天然矿物、固体废弃物等, 包括粉煤灰、炉渣、赤泥、稻壳灰等[2], 具有极好的环保效益。硅铝化合物在强碱作用下, 以硅氧四面体(SiO4)和铝氧四面体(AlO4)为主要成分, 经过聚合作用形成的一种在空间上具有三维网状结构的新型胶凝材料[3–4]。相较于水泥, 地聚合物早期强度较大, 成本较低, 对环境污染少, 从而使其可应于软土加固[5]。

基于以上优势, 地聚合物在基础设施建设中可替代普通水泥, 从而达到环保和经济性的需求。然而传统地聚合物脆性较大, 且初凝时间过快[3], 不利于实际工程应用, 因而需要加入辅助材料改善上述地聚合物的缺点。近年来, 有研究将植物废料加入地聚合物以增强其力学性能, 如: Arulrajah等[6]用咖啡渣(Coffee Grounds, CG)和蔗渣灰等用于制备地聚合物浆料, 进而用于路基碎石层的加固。Islam等[7]将棕榈油渣用于矿渣、粉煤灰组成的地聚合物浆料, Moretti等[8]将蔗渣灰用于制备水泥浆料, 均取得了较好的抗压强度。已有研究表明将咖啡渣(Coffee Grounds, CG)应用在地聚合物浆料中使其具有较好的力学性能[6]和良好的环保及经济效益[9]。与水泥砂浆中添加沙子的作用类似, 通过在地聚合物中添加咖啡渣, 可以节省固化剂材料成本, 并增加地聚合物浆液初期的和易性, 可有效改善地聚合物初凝时间过短的问题。因此, 将含有咖啡渣的地聚合物用于软土加固具有良好的应用前景。

由于软土含水量较大颗粒细密, 其孔隙相比碎石很小, 结合辅助材料的地聚合物浆料在加入软土固化后其力学性质会发生较大改变, 而此前关于咖啡渣地聚合物用于固化软土的相关研究较少。因此本文将采用含有咖啡渣的矿渣基地聚合物代替普通水泥用于加固软土, 研究不同配比下, 含有咖啡渣的矿渣基地聚合物固化剂对软土的固化效果, 拟通过常温养护3、7、28 d, 研究其无侧限抗压强度与抗劈裂强度, 分析其固化效果, 并获取含有咖啡渣的矿渣基地聚合物软土固化剂的最优配比。

1 试验材料、方案与方法

1.1 试验材料

1.1.1 原材料

咖啡渣: 星巴克松江某门店, 产地: 阿拉比卡。

矿渣超细粉: 二氧化硅占比3.73%、三氧化二铝占比0.806%, 氧化钙占比53.011%, 来自江苏无锡江阴华西村某钢铁厂。

碱性激发剂: 市售固体片状氢氧化钠, 纯度99%。

软土: 取自上海市苏州河附近长风1号绿地, 为上海第⑤层土层。土样基本物理指标如表1所示。

1.1.2 主要原材料XRD(X-ray diffraction)成分

主要原材料咖啡渣和矿渣的化学成分通过X射线荧光分析( XRD)测定, 结果如图1、2所示。由于咖啡渣中不存在明显的晶体结构, 因此在XRD图谱中没有明显峰值。矿渣细粉虽然整个物态主要表现为非晶态, 但在XRD图谱中表现出部分的硅酸钙特征, 而硅酸钙正是参与地聚合反应的主要成分。

表1 试验土样基本物理指标

图1 矿渣XRD图像

1.2 试验方案

地聚合物固化剂采用矿渣与碱激发剂干料混合后加水制备, 并根据《土工试验方法标准GB/T 50123-1999》, 重塑土含水率为50%, 固化剂干料占干土质量比为30%。其中碱性激发剂与硅铝原材料比例 1︰5, 咖啡渣分别以0%, 5%以及10%的比例取代矿渣。水与固化剂固体的质量比分为0.5与0.6。同时作为对比, 采用普通水泥加固软土的基准试验。由于水泥价格远远高于地聚合物固化剂, 因此取水泥占干土质量比为20%, 水灰比分为0.5和0.6两组。按标准养护后以得到3、7、28 d试样。试验方案表格如表2和表3所示。

图2 咖啡渣XRD图像

表2 水泥土基准试验方案

表3 咖啡渣地聚合物试验方案

图3 固化软土试样

1.3 试验方法

1.3.1 试样制作及养护

根据上述试验方案, 在制备地聚合物固化剂浆液时, 先将对应比例的干料搅拌均匀后再加入蒸馏水搅拌, 致使混合物达到均匀状态。在重塑土中加入地聚合物固化剂浆液后,搅拌至少5 min至均匀。然后将搅拌土分5次插倒入模具, 并振实刮平, 制成截面积为12 cm2, 高8 cm的圆柱体土样, 密封存放养护, 土样如图3所示。虽然地聚合物在不同养护温度下性能有较大差异[10], 但是考虑到地下工程中无法大面积加温养护, 因此养护温度控制在常温即21±2℃范围内。24 h后脱模, 确保土样完整后继续密封养护至3、7、28 d等设定龄期后, 分别进行无侧限抗压强度测试。测试结束后, 取Ⅰ、Ⅱ组中无侧限抗压强度较好的3组配比进行抗劈裂强度测试。

1.3.2 无侧限抗压强度测试及抗劈裂测试

当试样养护至设定龄期后, 将其取出后按照规范流程分2组进行无侧限抗压强度和抗劈裂试验。采用 WDW-100GE微机控制电子万能试验机测试。记录3个平行试样的强度平均值, 若存在试样的强度与均值偏差超过均值的 10%, 则剔除, 取不少于 3个试样的平均值作为该组试样强度的代表值。

2 结果与分析

2.1 咖啡渣(CG)掺入量的影响

2.1.1 水灰比0.6

当水灰比为0.6时, 无侧限抗压强度与CG掺量之间的关系如图4所示。由图4可知, 固化软土试件的无侧限抗压强度曲线在咖啡渣掺量为 5%时有一最大值为1.72 MPa, 并且在CG掺量超过5%后逐渐降低。因此选择强度较好的0%、5%、10%掺量继续进行抗劈裂试验, 抗劈裂强度与CG掺量关系如图5所示,这与抗压强度的曲线走向一致, 在咖啡渣掺量为5%时存在最大值318 kPa。进一步计算0～3 d、3～7 d、7～28 d的抗压强度增长值, 并除以对应的天数的差值3、4、21 d, 得到各组配比下3个阶段的抗压强度增长速率, 如图6所示。可以看出在5%咖啡渣掺量下, 中后期的抗压强度增长速率最大。

由此可见, 在水灰比为0.6时, CG地聚合物固化软土在咖啡渣掺量为5%时有最好的抗压和抗劈裂性能。这主要是由于:

(1) 咖啡渣颗粒在地聚合物固化剂中起填充作用, 作为多孔结构的咖啡渣可为软土颗粒和地聚合物胶凝体提供充分的黏聚性能。

(2) 由于咖啡渣的多孔结构, 令其在反应中后期为土体内孔隙水提供路径充分扩散, 提升中后期的反应速度, 提供一定的后期强度。

(3) 由于咖啡渣具有良好的压缩性, 而纯矿渣基地聚合物固化土的性质较脆, 两者互相胶结后提高土体整体抗劈裂性能。

图4 水灰比0.6下无侧限抗压强度与咖啡渣掺量的关系

图5 水灰比0.6下抗劈裂强度与咖啡渣掺量的关系

2.1.2 水灰比0.5

当水灰比为 0.5时, 无侧限抗压强度与CG掺量关系相较0.6水灰比下略有不同, 如图7所示。可见随着咖啡渣掺量的提高, 固化土的无侧限抗压强度也在逐步降低。取强度最好的0%, 5%, 10% 3组配比进行抗劈裂试验, 结果如图8所示, 进一步表明固化土强度在0.5水灰比下随着咖啡渣掺量的提高而降低, 并没有在 5%掺量时出现最大值。由于咖啡渣掺量取代的是矿渣的含量, CG掺量提高的同时意味着矿渣基地聚合物的减少, 所以在水灰比 0.5时, 固化软土抗压和抗劈裂强度随着CG掺量增加而减小,并没有对固化剂产生改善作用。

由于固化土强度没有在咖啡渣掺量为 5%时出现最大值, 结合实际试验时的固化剂浆料搅拌情况, 初步分析主要是由于矿渣基地聚合物富钙相矿物中钙离子平衡铝离子替代硅离子时产生的负电荷, 导致低水灰比下地聚合物反应过快, 产生的大量胶凝体在初期就将CG颗粒包裹并阻碍其在固化土中充分搅拌扩散, 从而导致固化土土质不均, 土体抗压强度降低。这一分析也与实际试验中水灰比 0.5时固化剂浆料搅拌时产生的咖啡渣团粒情况一致。从而可知50%含水率软土情况下, 咖啡渣采用 0.6的水灰比能使咖啡渣颗粒在土体中充分扩散, 且 5%的咖啡渣掺量能使固化土性能得到充分加强。

图6 不同配比下不同阶段无侧限抗压强度增长速率

图7 水灰比0.5下无侧限抗压强度与咖啡渣掺量的关系

图8 水灰比0.5下抗劈裂强度与咖啡渣掺量的关系

2.2 最佳配比与水泥基准试样比较

基于以上试验结果可知, 在矿渣基地聚合物中掺入咖啡渣的情况下, 将5%矿渣替代为咖啡渣, 并采用0.6水灰比的情况下, 所得到的固化土抗压强度和抗劈裂强度最大。现将该配比下的地聚合物固化土与普通水泥固化软土基准试验进行比较, 两者的强度发展曲线如图9、10所示。可见其抗压和抗劈裂强度已远高于普通水泥加固软土, 因此, 采用咖啡渣的矿渣基地聚合物代替普通水泥材料用于加固软土具有一定的可行性。

3 结语

在CG-地聚合物固化剂中, 将5%矿渣用咖啡渣替代并采用0.6水灰比时, 在室温条件下使用30%固化剂掺量所得到的固化软土的力学性能最优, 无侧限抗压强度和抗劈裂强度分别为1.7 MPa和318.3 kPa。其中采用CG-地聚合物加固软土的28 d抗压强度已经高于采用普通水泥加固软土,因此基于试验结果可知, 采用 CG-地聚合物可代替普通水泥用于软土加固。但需要注意的是由于试验条件所限, 本文对于咖啡渣—矿渣基地聚合物固化土的微观机理没有展开深入分析, 之后需要展开微观及孔隙结构测试, 从而进一步揭示其固化机理。

图9 最佳配比咖啡渣地聚合物固化土与水泥固化土抗压强度发展曲线

图10 最佳配比咖啡渣地聚合物固化土与水泥固化土抗劈裂强度发展曲线