冻融循环对赤泥-钢渣改性水泥土强度的试验研究

郝雅芬，温 浩，樊珮阁，董晓强

(太原理工大学 土木工程学院，太原 030024)

水泥土由于价格低廉、性能良好、材料来源广泛等优点，在地基基础、公路、铁路、桥梁等工程领域应用广泛。但是，大量的研究[1-3]表明，水泥土的无侧限抗压强度普遍偏低且冻融循环极大地影响着水泥土的无侧限抗压强度，导致水泥土在寒冷地区的应用受到了限制。针对上述现象，宁宝宽等[4]得出水泥掺量在10%～15%时其抵抗冻融破坏的性能较好，但是更高的水泥掺量下不仅会抑制水泥土的抗冻融效果，同时也会造成水泥资源的浪费；宋爱苹等[5]通过实验发现粉煤灰的掺入对水泥土的抗冻性能有所提高，但其前期作用效果不是很明显；王凤池等[6]发现橡胶水泥土的抗冻效果较好，但在实际应用中所需要的橡胶量太大，仍需进一步改进；SHIHATA和BAGHDADI[7]通过试验得出了无侧限抗压强度可作为评价水泥土冻融下耐久性的一项指标。

赤泥和钢渣分别是从铝土矿中提取氧化铝时产生的高碱性废渣[8]和炼钢时排出的熔渣，吴燕开等[9]利用一定含量的NaOH激发钢渣粉的活性后，利用钢渣与水泥固化淤泥质土，发现钢渣-水泥固化土的无侧限抗压强度更高；刘光烨[10]对冻融循环下钢渣二灰土的无侧限抗压强度进行分析，发现在钢渣的掺入下试块的抗冻性能有所提升；KALKAN[11]利用水泥和赤泥固化黏土衬垫，其无侧限抗压强度值明显提高；董晓强和陈瑞锋[12]指出冻融次数这一参数值将会对土体冻融循环试验的结果产生不同的影响。迄今为止，许多学者在赤泥、钢渣单独改善水泥土的性能方面取得了一定的研究成果，但对于二者共同改善水泥土抗冻融性能方面的研究还鲜有报道。

为此，考虑到赤泥呈碱性，且钢渣在碱性环境下激发活性后具有较强的水硬胶凝性，故本次试验选用赤泥和钢渣对水泥土联合进行改性，研究二者对水泥土无侧限抗压强度的影响规律及其冻融循环下改性水泥土的破坏机理，以实现提高水泥土强度(文中指无侧限抗压强度)并改善其抗冻融性能的目的。

1 试验材料和方法

1.1 试验材料

黄土取自山西太原东山地区，经晒干粉碎后过1.25 mm的方孔砂石筛，土粒比重为2.69，其颗粒粒径及质量分数见表1.水泥选用P·O 42.5级。赤泥取自山西柳林某铝厂，颜色呈红褐色；钢渣由武汉某公司炼钢产生，外观呈黑色，密度为3.19 g/cm3.水泥、赤泥和钢渣的主要化学成分及其质量分数见表2.

表1 黄土颗粒粒径及质量分数Table 1 Loess grain size %

表2 主要化学组成Table 2 Main chemical compositions

1.2 试验方法

本次试验参照《水泥土配合比设计规程》(JGJ/T 233-2011)的要求进行制块。根据前期试验得出以黄土干重为基准，在赤泥掺量为8%，钢渣掺量为2%时改性水泥土的无侧限抗压强度达到最大值,为证明该结论的可靠性以及进一步分析赤泥和钢渣对水泥土强度的影响规律，本次试验以10%的水泥改性土[13-14]为主进行冻融试验。首先将黄土、水泥、钢渣和赤泥初步干拌均匀，再加入自来水充分搅拌形成浆体，装入边长为70.7 mm的钢制立方体试模中，置于振动台上振捣密实后将表面多余部分刮掉抹平，并用塑料膜将表面覆盖，24 h后脱模编号，每组配比在次数相同的冻融循环条件下各制3个试块[15]。脱模后，送至标准养护箱内养护至28 d后取出，使用混凝土快速冻融试验机(SRTDR-16)进行冻融循环试验。参照文献[1,12]以及《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准》(GBT 50082-2009)，冻结温度设为-15 ℃，融化温度设为5 ℃，一个冻融循环周期为6 h，周期设为0，1，3，5，7次[13]。将达到冻融循环次数的试块进行无侧限抗压强度试验，强度采用微机控制的电子万能试验机(YHS-229WJ-50 kN)测试，加载速率为1 mm/min.试验配比及相应结果见表3所示，含水量为改性剂与水泥土总量的31%.

表3 试样材料配比及结果Table 3 Sample material ratio and results

2 试验结果分析

2.1 改性剂对水泥土强度的影响

2.1.1强度与改性剂的关系

图1为赤泥和钢渣掺量对水泥土强度的影响规律。从表3和图1中可以看出,相同冻融循环次数下以赤泥、钢渣为外掺剂的改性水泥土都比纯水泥土的强度高，且其随着钢渣掺量(CRS-组)和赤泥掺量(CSRS-组)的增加，强度在整体上都呈现先增大后减小的趋势。当钢渣掺量为2%，赤泥掺量为8%(CRS2/CSR8组)时，强度达到峰值，得到了最优配比；其强度(4.4 MPa)相比纯水泥土的强度(1.2 MPa)增加了267%，F为循环次数。

图1 改性剂对水泥土强度的影响Fig.1 Influence of modifier on the strength of cemented soil

2.1.2微观机理分析

结合前面的数据，本小节进一步研究改性剂与水泥土之间的作用机理。图2(a)，(b)分别是纯水泥土和最优配比下改性水泥土(CRS2组)试块在5 000倍下的扫描电镜对比图片。

图2 纯水泥土和改性水泥土的微观形貌图Fig.2 Microstructure of pure cement soil and modified cemented soil

由图2(a)可以看出，纯水泥土试块内小颗粒较多，存在片状、层状的Ca(OH)2晶体结构，棒针状和凝胶类物质较少，结构相对疏松多孔、不稳定，宏观表现为试块承载能力较低，抗冻融性差。由图(b)可以明显看出，水泥土试样在加入改性剂后，微观结构发生了很大的变化，小颗粒物质减少，大颗粒状物质增多，水泥土试块内部水化速度和程度都相应提高，水化产物明显增多，胶凝产物中主要以团絮状凝胶为主，同时也有大量棒针状晶体存在。

这是由于经碱激发后钢渣与水泥的水化性质很相似，掺入赤泥后增加了土中溶液的pH值，为水泥的水化提供了有利的环境。由于水泥的水化进程加快，水化后土溶液中的pH值迅速增大，进而为钢渣的水化提供了良好的环境，钢渣中的玻璃体会发生Si-O和Al-O键的断裂，释放出Ca2+与硅氧四面体，生成更多的C-S-H凝胶和AFt晶体[16]，强度提高。同时受碱激发后胶凝材料的水化进程持续加快，土中溶液的pH值不断升高，土颗粒表面的硅、铝元素在碱激发下发生硬凝反应生成新的固化产物，承载力提高；同时水泥、赤泥和钢渣粉中的Al2O3，SiO2等活性氧化物与Ca2+在碱性环境下发生火山灰反应(又被称为“二次反应”)，化学反应[17]如下：

SiO2+Ca(OH)2+lH2O→CaO·SiO2·(l+1)H2O
Al2O3+Ca(OH)2+nH2O→CaO·Al2O3·(n+1)H2O

火山灰反应在消耗Ca2+的同时SiO2生成水化硅酸钙凝胶(C-S-H)，Al2O3生成水化铝酸钙凝胶(C-A-H)[9]，与水泥单独水化生成的胶凝物相比，水化产物数目明显增加。这些胶凝物质将水化产物与其周围的土颗粒紧密联结在一起，表面积相比水泥颗粒大近1 000倍，表面能大幅增加，吸附性能增强；较大的团粒进一步结合，形成较为坚固的水泥团体结构，改性水泥土中形成连续或半连续的一张张三维网状结构膜，增强了试块内部的整体性能，同时胶凝物质的填充在一定程度上封闭了一部分孔隙，抑制了裂隙的发育。

此外，AFt晶体交织在一起形成良好的网络结构，骨架整体结构随之增强，胶结而成的颗粒团填充在骨架空隙区域部分，土体单元多为块状结构，以面-面形式接触，固体颗粒间接触较为紧密，使得土颗粒间的咬合作用和整体结构性增强，促使加入改性剂后的改性水泥土无侧限抗压强度和抗冻性显著增强。

2.2 冻融循环次数对水泥土强度的影响

2.2.1强度与冻融循环次数的关系

表3列出了改性水泥土在不同冻融循环次数下的无侧限抗压强度，由表3可知，经一次冻融循环作用后，C组(纯水泥土)的强度由1.2 MPa下降至0.5 MPa，CSR0组(钢渣掺量为2%，赤泥掺量为0%)的强度由1.6 MPa下降至0.7 MPa，两组试块强度损失较大，丧失了极大部分承载力，后续不再进行冻融试验。图3为其余6组改性水泥土在不同冻融循环次数下的强度变化曲线。

图3 冻融循环作用对改性水泥土强度的影响Fig.3 Effect of freeze-thaw cycle on the strength of modified cemented soil

由图可知，随着冻融循环次数的增加，改性水泥土试块的强度明显减小，其中，在相同冻融循环次数下，钢渣掺量为2%，赤泥掺量为8%时的改性水泥土试块(CSR8/CRS2)强度损失较小，经1次冻融循环后，其强度损失28%(强度由4.4 MPa降至3.1

MPa)，经3次和5次冻融循环，强度损失分别增加16%(强度由3.1 MPa降至2.5 MPa)和17%(强度由2.5 MPa降至1.7 MPa)，经7次冻融循环后强度损失增加3%(强度由1.7 MPa降至1.6 MPa)，即经第1次冻融循环作用的强度损失最为明显，其后强度损失幅度逐渐减小。

2.2.2冻融损伤机理分析

为了更直观形象地说明改性水泥土在不同冻融循环次数下内部微观结构的变化，笔者也做了相应的扫描电镜试验。图4为最优配比下的改性水泥土(CRS2/CSR8组)分别在0，1，3，5，7次冻融循环时的内部微观结构变化特征，如图4(a)-(e)所示。

由图4(a)和图2(b)可以看出，未经冻融前的改性水泥土中团絮状凝胶物C-S-H和C-A-H胶结而成的颗粒团填充在骨架空隙区域部分，结构致密，孔隙较少。随着冻融循环次数的增加，如图4(b) -(e)所示，改性水泥土颗粒间的空隙逐渐增大，内部连通的孔隙增多，外观逐渐表现出不同程度的损伤，结构越来越松散，表面逐渐粗糙、凹凸不平，裂缝明显增多。

图4 不同冻融次数下改性水泥土的微观形貌图Fig.4 Micromorphologies of modified cemented soil in different freeze-thaw cycles

分析原因，未经冻融前，胶凝物质的填充在一定程度上封闭了一部分孔隙，进而阻挡了裂缝的发育，但在冻融过程中，孔隙水因水结冰体积膨胀，对水泥土骨架结构产生张拉效应，当其超过凝胶体的抗拉强度时，土颗粒团被撑开，分布在原处的颗粒破碎并且发生位移，固体颗粒之间连接状态发生改变，引起裂纹、孔洞等结构变化，进而使得土颗粒间的胶结程度降低，引起骨架结构产生不同程度的损伤；经再次冻融时，原先的裂痕再次扩展、延伸，故随着冻融次数的增加,土颗粒不断分离，水化凝胶体发生破坏，胶体之间的胶结力越发减弱，胶凝团咬合力不断减小甚至消失,骨架结构的损伤破坏也越来越严重。

3 结论

1) 在赤泥和钢渣的共同作用下可以有效提高水泥土的强度。其中，在钢渣掺量为2%，赤泥掺量为8%时，水泥土的强度增幅最大，改性效果最好；

2) 从微观角度分析得出加入赤泥和钢渣有助于水泥土中AFt晶体和C-S-H凝胶等水化产物的产生，进而改善其微观结构；

3) 经冻融循环试验后，改性水泥土的强度降低。前期的冻融作用对强度有更大的影响，以第1次冻融循环对改性水泥土强度损失的影响最为强烈；

4) 随着冻融循环次数的增加，改性水泥土颗粒间的空隙逐渐增大，内部连通的孔隙增多，结构越来越松散，外观逐渐表现出不同程度的损伤。