偏高岭土对水泥土强度影响的试验与分析

2020-09-27伍永平马芹永

安徽理工大学学报（自然科学版） 2020年4期

伍永平，马芹永

(1. 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；2. 安徽理工大学土木建筑学院，安徽淮南 232001)

水泥土是一种由土、水泥和水按一定配合比制成的加固材料，主要用于地基和路基等岩土工程中,尤其是制作成水泥搅拌桩用于软土加固中[1-2]264。然而水泥的生产过程会消耗大量能源并产生高碳排放[3-4]244，且水泥土易受到氯盐、硫酸盐的侵蚀作用以及冻融循环、干湿循环等复杂环境的影响，造成水泥土的耐久性能降低[5-6]447。为了寻找水泥替代品，提高水泥土的性能，国内众多专家学者做了大量的相关试验研究，结果表明：偏高岭土可有效提高水泥土的抗压强度[7-9]115。

偏高岭土(Metakaolin，简称MK)是高岭土在600～900℃下煅烧形成，生产过程能耗低、二氧化碳排放量少[3]244。其含有大量活性Al2O3和SiO2，常温下的性质稳定，在碱性环境下，生成硅铝酸盐类物质[1]365，从而促进水泥的水化反应并产生更多水化产物。以往关于偏高岭土掺量对水泥土强度影响的研究中，文献[10]研究了江苏连云港海相软土，发现偏高岭土与水泥的质量比为在1:6至1:5范围内时，水泥土的强度提升效果最好，分析了偏高岭土的作用机理；文献[11]以太原市砂质黏土为研究对象，提出偏高岭土与水泥的最佳质量比为1∶3～1∶2；文献[12]选取太原粉质砂土进行无侧限抗压强度试验，结果表明，偏高岭土的最佳掺入比为2%～3%；文献[13]认为太原市粉质黏土制得的水泥土强度达到最佳时，偏高岭土的掺入比为1.5%，对应的偏高岭土与水泥的质量比为1∶9。

以上研究结果表明，不同土质的水泥土，偏高岭土的最佳掺量并不统一，且只有一个大概范围。本文以黏土为研究对象，设定不同偏高岭土掺量，研究其不同掺量对不同龄期水泥黏土性能的影响，进而确定偏高岭土的最佳掺量，为实际工程提供一定的试验依据。

1 试验方案与试验过程

1.1 试验材料

试验所用黏土取自合肥某工地，将取回的土风干，碾碎并过2mm筛。参照《土工试验方法标准》(GB/T50123-2019)[14]，测得土的粒径级配见表1，土样的液限为40.89%，塑限为21.93%，塑性指数为18.96，最优含水率wop为19.84%，最大干密度ρd为1.755g/cm3。水泥选用淮南市某厂生产的普通硅酸盐水泥(P·O42.5)，试验用水为普通自来水，偏高岭土产自河南焦作某厂，细度为1 250目，各项成分如表2所示。

表1 土的粒径级配

表2 偏高岭土的化学成分

1.2 试验方案

在水泥土应用于处理高速公路软黏土路基时，国内标准规定水泥的掺量在15%～20%之间[15]，因此，试验选用干土质量的15%作为水泥的基准掺量，偏高岭土掺入量分别为干土质量的0%、1%、2%、3%、4%，等质量替代水泥，水泥土的试验方案如表3所示。

1.3 试验过程

按照击实试验所得最优含水率拌制土样，将拌制好的湿土样装入密封袋内密封静置24h，之后按配合比向土样中加入水泥、偏高岭土、水，充分拌匀[16]。采用分层击实的方法将拌合料分4次装入内壁涂抹薄层凡士林的圆柱体钢模中，模具内直径为50mm，高度为100mm，最后一次振捣完成后用刮土刀将试样表面刮平。拆模后，用保鲜膜将试样包裹并放入密封袋，在室内分别养护3d、7d、14d和28d。每组均制作3个平行试样，共计60个试样。

表3 水泥土试验方案

试样养护到设定龄期之后，参照《水泥土配合比设计规程》(JGJ/T 233-2011)[17]进行无侧限抗压强度试验，所用仪器为WDW-100微机控制电子式万能试验机，加载装样如图1所示。试验采用应变控制，加荷速率为1mm/min。试验数据处理时，若试样的测值低于或超过该组平均值的15%时，则该试样的测值作废，按余下试样的测值计算平均值；若一组中满足要求的试样不足两个，则该组须重新制样进行试验直至满足要求。

图1 加载装样示意图

2 试验结果与分析

2.1 水泥土强度与偏高岭土掺量的关系

图2表示不同龄期下水泥土无侧限抗压强度随偏高岭土掺量变化的试验结果。由图2可知，相同龄期条件下，掺入偏高岭土的水泥土强度均高于未掺偏高岭土水泥土，说明偏高岭土能有效提高水泥土的抗压性能。并且发现水泥土强度与偏高岭土掺量不是单一线性增长关系，当偏高岭土掺量从0增到3%时，3d、7d、14d和28d下水泥土的强度分别由1.36MPa、1.71MPa、2.07MPa和2.61MPa增长到1.95MPa、2.38MPa、2.85MPa和3.73MPa；当偏高岭土掺量由3%到4%时，其强度则分别下降到1.44MPa、1.86MPa、2.19MPa和2.80MPa。

对上述现象作出分析：一方面,水泥自身水化反应生成水化硅酸二钙,水化硅酸三钙等产物，同时水泥水化反应产生的Ca(OH)2和偏高岭土中高活性的Al2O3和SiO2反应，生成了钙矾石AF-t及水化硅酸钙C-S-H、水化铝酸钙C-A-H等一系列胶结性水化产物，这些产物既可以填充在水泥土孔隙中，使结构更加致密(填充作用)，又因其本身具有较高的胶结强度且能使黏土颗粒彼此连接在一起，进而使水泥土的强度得以提升[5]449。随着火山灰反应的进行，Ca(OH)2含量减少，从而促进了水泥的水化反应，水泥的水化反应与偏高岭土火山灰反应相互协作，共同提升水泥土的强度[8]114。

另一方面，当偏高岭土掺量较少时，水泥的掺量相对较多，此时水泥产生的水化产物Ca(OH)2与偏高岭土反应后尚有剩余，随着偏高岭土掺量逐渐增大，水泥的掺量减小，水泥的水化产物在火山灰反应过程中被逐渐完全消耗。当偏高岭土进一步增多时，水泥水化产生的Ca(OH)2相对减少，偏高岭土不能被完全反应，导致水泥土强度的增长幅度减小[8,13]114，64。其中，当偏高岭土掺量为3%时，两者恰好反应完全，水泥土内部颗粒相互关联共同抵抗外力的效果达到最佳，水泥土无侧限抗压强度达到最大。

图2 无侧限抗压强度与MK掺量的关系

2.2 水泥土强度与龄期的关系

图3为水泥土无侧限抗压强度增量与龄期增量的关系图，结合图2可以看出,随着龄期的增长，同一掺量的偏高岭土水泥土强度也增加。从图3可以发现，0～3d龄期内水泥土强度增长速率最快，掺入偏高岭土后，强度提升更加明显，在14～28d养护龄期内水泥土强度亦在增加，与前期相比，增长速率减小。说明不同掺量的偏高岭土对不同龄期水泥土的强度都有提高作用，但对早期强度的提高效果更加显著。

另外，从水泥土强度增长速率随偏高岭土掺量的变化情况来看，相同龄期时间段内，掺入偏高岭土的水泥土强度提升速度均高于未掺加偏高岭土水泥土。偏高岭土掺量在3%时强度增长速率最大，超过3%后强度增长速率降低，与图2显示的结果一致。

2.3 应力-应变曲线

图4给出了28d时不同偏高岭土掺量水泥土的应力-应变曲线。由图4可知，应力-应变曲线大致包括四个阶段：压实阶段；线弹性阶段，此阶段应力随应变线性增加；塑性变形阶段，表现为曲线斜率减小，应力增长直到峰值应力顶点；破坏阶段的特征在于应变继续增加，应力开始下降[18]。

图4 28d下不同MK掺量水泥土应力-应变曲线

从图4可以看出，随着偏高岭土掺量的不断增加，应力-应变曲线线弹性阶段越来越陡峭，峰值应力先增大后减小。偏高岭土掺量对峰值应变有明显影响，偏高岭土掺量由0增加到3%时，破坏应变由2.61%增长到3.24%；掺量为4%时，水泥土的破坏应变为2.76%。说明偏高岭土不仅能提高水泥土的强度，也能提高水泥土的塑性。这可能是因为偏高岭土与水泥水化产物Ca(OH)2进行二次反应，生成大量的水化硅酸钙等胶凝性物质，这些物质分散在水泥土中，将土颗粒胶结在一起，形成一种空间网状聚合体系，提高了水泥土的整体性，使水泥土表现出一定的塑性破坏特征。