岩土工程中粉煤灰-矿渣地质聚合物 对水泥土搅拌桩性能的影响

薄勇 刘洋洲 龙建辉 张红

摘 要：针对岩土工程中常见的软土地基问题，如何提高软土地基的力学性能，是当前思考和研究的重点。对此，结合地质聚合物的特点，以粉煤灰、矿渣等作为地质聚合物原材料，在一定配比下制备地质聚合物。然后将得到的地质聚合物与黄土混合。最后对地质聚合物和混合地质聚合物的性能进行测试。结果表明，当矿渣和粉煤灰的比例在70：30的情况下，得到的地质聚合物的压缩强度最大。以上述比例的地质聚合物为基础，与黄土按照90：10的比例混合，得到混合后的无侧限压缩强度在碱浓度为2.5mol/L时达到最大，达到5MPa。由此看出，粉煤灰-矿渣地质聚合物可用作搅拌桩材料的基材。

关键词：粘结力;搅拌桩;地质聚合物;无侧限压缩强度

中图分类号：TU528 文献标识码：A 文章编号：1001-5922（2021）05-0111-04

Influence of Fly Ash Slag Geopolymer on Performance of Cement Soil Mixing Pile in Geotechnical Engineering

BoYong 1， Liu Yangzhou1， Long Jianhui2， Zhang Hong3

（1.Shanxi Metallurgical Rock-Soil Engineering Investation Co.，Ltd.，Taiyuan 030002，China2.Taiyuan University of Technology，Taiyuan 030024，China;3.The Third Geological Exploration Institute of China Metallurgical Geology Bureau，Taiyuan 030002，China）

Abstract：In view of the common soft soil foundation problems in geotechnical engineering， how to improve the mechanical properties of soft soil foundation is the focus of current thinking and research. In this paper， according to the characteristics of geopolymer， fly ash and slag are used as raw materials to prepare geopolymer in a certain proportion. Then the geopolymer is mixed with loess. Finally， the properties of geopolymer and hybrid geopolymer are tested. The results show that the compressive strength of geopolymer is the highest when the ratio of slag to fly ash is 70：30. Based on the above proportion of geopolymer and loess in the proportion of 90：10， the unconfined compressive strength reaches the maximum value of 5MPa when the alkali concentration is 2.5mol/l. Therefore， fly ash slag geopolymer can be used as the base material of mixing pile.

Key words：cohesive force; mixing pile; geopolymer; unconfined compressive strength

软土指的是孔隙比≥1，并且含水量超过液限的细粒土，常见类型有泥炭、淤泥、泥炭质土、淤泥质土等。软土的深度厚、流动性大，当表面压力过大时会出现土质下沉现象，因此并不适用于作为建筑物的地基[1-2]。在长期实践中，人们总结出了多样化的软土处理办法，如利用水泥土搅拌法能够有效加固软土地基。水泥土搅拌法的工作原理是利用软土中的Al2O3、SiO2与水泥中的氢氧化钙发生反应，从而生成了水化铝酸钙和水化硅酸钙等化合物，这些物质凝结硬化后可提高软土密度，增强软土的整体性，甚至构造出具有一定强度的圆柱桩体。通过圆柱桩体与相邻桩体之间的土质，共同構造了能够承担更大载荷的复合地基[3]。同时通过从工业固体废弃物、硅铝酸盐材料中可以提炼出非晶态的硅铝化合物，通过非晶态的硅铝化合物的聚合反应能够制备出一种特殊水泥——地质聚合物。地质聚合物是利用碱性激发剂和活性铝硅酸盐粉体反应产出的胶凝材料，它具有优异的力学性能，比如结构致密、快硬早强等，并且利用多种工业废弃物作为基材，包括矿渣、粉煤灰、冶炼矿渣等[4-5]，凭借绿色环保、低能耗、价格低等优点，在当今建筑建材领域大受欢迎。相较于塑料水泥，地质聚合物具有基材廉价、基材已获得、无需锻造、性能稳定等优势特征，因而备受基础设施建设领域的青睐。因此，本研究尝试在水泥中掺入地质聚合物，以验证是否可用于水泥土搅拌桩材料。

1 材料与方法

1.1 原材料

原材料：①矿渣超细粉，由江淮龙达粉体加工厂提供;②粉煤灰，由江淮精达发电厂供应的一级低钙灰;③氢氧化钠、氢氧化钾，从化工市场上采购活动;④硅酸钾水玻璃，实验室配置，以SiO2∶KOH=1.25：2比例，把SiO2溶入KOH水溶液中，最后调节KOH水溶液的浓度是50%。

利用X射线荧光分析（XRF）分析矿渣超细粉和粉煤灰的化学成分，具体成分结果如表1所示。

1.2 地质聚合物制备

本次试验的主要原料是矿渣、粉煤灰，利用氢氧化钠、水玻璃作为碱硅酸盐激发剂，按照表2的配比，同时依据图1所示的工艺流程，成功产出矿物聚合物材料。

据上图1流程，量取适量的固体氢氧化钠和模数为2.8的水玻璃溶液，搅拌均匀，调整浓度制得碱硅酸盐激发剂;量取固定比例的矿渣、粉煤灰、砂子等置入砂浆搅拌锅，不断搅拌并掺入碱硅酸盐激发剂。首先快速搅动90s，然后慢速搅动30s;把搅匀的砂浆添加至ISO水泥胶砂三联试模（40mm×40mm×160mm）中，先是在振动台上振动1min，然后在室温环境中静置1d，最后将脱模后的试件置于标准养护室内进行养护处理。

1.3 测试方法

1.3.1 硬化时间

同时利用维卡仪在不同固化时间点检测地质聚合物的针入深度。如果针入深度大于零，说明地质聚合物尚未完全硬化，针入深度等于零，说明地质聚合物的聚合反应充分，在检测时间点已经完全固结硬化。

1.3.2 地质聚合物X射线衍射分析（XRD）测试

利用D8ADVANCEX-射线衍射仪对由矿渣和粉煤灰制备的地聚合物进行XRD成分检测，设置的管电压、管电流依次是40kV、40mA，设置的工作模式是Cu的Ka辐射，设定的扫描速率是0.02°/s。

1.3.3 地质聚合物压缩强度测试

矿渣与粉煤灰的占比是70∶30，添加适量的氢氧化钠溶液，混匀后的液固比是0.4;将地质聚合物浆转移到高度50mm、直径50mm的塑料圆盒内，封闭圆盒，在室温环境中静置1d，随后脱模。根据以上流程制备出多个试件，并分别置于室温环境中养护7d、14d、21d、28d。遵照GB/T17671《水泥胶砂强度检验方法》，对经历不同养护期的试件进行检测。

1.3.4 黄土/地质聚合物无侧限压缩强度测试

筛选出粒径小于2mm的风干黄土，将其与地质聚合物分别以70∶30、80∶20、90∶10的比例进行混匀，然后向混料中添加不同浓度的氢氧化钠溶液，固液比均为0.4，随后搅拌10min。分两个批次对地质聚合物黄土浆拌合物进行插倒、振实、刮平等操作，最终获得高度20mm、直径61.8mm的环刀圆柱体试样。静置1d后脱模，转移至温度（20±2℃）、相对湿度≥95%的养护室内进行不同时长（7d、14d、21d、28d）的养护。最后，遵照GB/T50123-2002《土工试验方法标准》，测试各组试件的无侧限压缩强度。

2 结果与分析

2.1 地质聚合物反应硬化时间

根据测试获得的不同地质聚合物物的硬化时间列于下表3所示。

据从表3分析，不断减小液固比，F级粉煤灰地聚合物的硬化时间明显缩短，但矿渣地聚合物的硬化时间并未出现显著变化，这证实了在室温环境中，粉煤灰的反应活性小于矿渣，单独使用粉煤灰需要较长的硬化时间。对此，可以通过添加适量矿渣来提高粉煤灰地聚物在室温环境中的反应活性，本文建议的粉煤灰与矿渣的掺混比是70∶30以及水灰比是0.4。

2.2 地聚合物XRD测试结果与分析

本小节分别对粉煤灰地聚合物和矿渣地聚合物进行了XRD检测，测试结果如图2和图3所示。

结合图2、图3分析，在粉煤灰中检测发现许多晶体，它们在地聚合物聚合反应前后并未发生明显变化，但对于粉煤灰地聚合物的反应过程产生了直接作用，这是因为非晶态的硅铝化合物的反应驱动了地聚合物的聚合反应;在地聚合物反应以前，矿渣的整个物态表现为非晶态，而受到碱激发以后，地聚合物中出现了许多晶态化合物，这是因为在矿渣中包含的硅钙化合物较多而硅铝化合物较少，这种成分构成决定了硅酸钙的水化反应直接驱动了矿渣地聚合物的聚合反应，另外，虽然也发生了非晶态的硅铝化合物的地聚合反应，但并未发挥主导作用。

2.3 压缩强度测试结果

矿渣中的硅钙化合物加快了粉煤灰地质聚合物的硬化过程，掺入适量矿渣后的粉煤灰地聚合物更适于用作黄土桩材料的基材。如果掺入的矿渣量过少，无法显著缩短粉煤灰地聚合的硬化时间，如果掺入的矿渣量过多，这会强化硅钙水合物的膨胀作用，使得粉煤灰地聚合物发生开裂。结合试验数据，本文建议的矿渣与粉煤灰的掺混比是30∶70，这既能有效提高粉煤灰地聚合物的硬化速度，又能够防止地聚合物试件发生开裂问题。此外，结合表3的试验结果，在水固比0.4的条件下能够收获最佳结果。本研究主要就碱浓度对粉煤灰-矿渣地质聚合物的压缩强度进行实验统计，试验结果展示如图4所示。

据上图4分析，随着龄期的增长，矿渣-粉煤灰地质聚合物的压缩强度同步增大;矿渣-粉煤灰地质聚合物在碱浓度2.5mol/L条件下的压缩强度最大，若碱浓度过小，无法对地聚合物反應产生足够的激发效果，若碱浓度过大，在地聚合物内部的游离碱发生了泛霜反应，破坏了地聚合物对于周边颗粒的粘附力。

2.4 地质聚合物与黄土黄土的无侧限压缩强度测试结果

采用粉煤灰-矿渣（70：30）地聚合物，控制地质聚合物与黄土的掺混比分别是10∶90、20∶80，、30∶70，向混料中添加不同浓度的氢氧化钠溶液，各组别的液固比均为0.4，由此制得试样并对试样进行无侧限压缩强度测试，结果如图5～7所示。

对比分析，在不断增加地质聚合物的混入量后，搅拌土的无侧限压缩强度同步增大，并且养护龄期越长，无侧限压缩强度越大;在相同黄土配比下，地质聚合物搅拌土的无侧限压缩强度在碱溶液浓度2.5mol/L时达到最大。

同时，在碱溶液浓度5mol/L条件下，随着养护龄期的延长，地聚合物搅拌土的压缩强度增速趋缓，且明显小于其它碱浓度条件下的压缩强度增速。对此，本文认为是黄土包含的非晶态硅铝化合物较少，在碱溶液浓度较大时，地聚合物内部存在大量游离碱，在缺少条件下会发生结晶，在富水条件下会发生潮解，但这两类反映都会削弱黄土颗粒间的粘结力。

在水泥土中配入10%的水泥，经过28d的养护期后，试件的无侧限压缩强度可达1～2MPa。在本次试验中，在地聚合物土中配入10%的地聚合物，控制碱浓度依次是1.5mol/L和2.5mol/L，经过28d的养护后，试件无侧限压缩强度分别可达到3MPa和5MPa。究其成因，黄土中的活性非晶态硅铝化合物与地聚合物中的碱发生地聚合反应，这使得地聚合物搅拌土的压缩强度超过了水泥土，完全满足搅拌桩材料的要求。

3 结语

根据上述的试验看出，当粉煤灰-矿渣（70∶30）时，地质聚合物表现出较高的反应活性，同时配加适量的中等浓度的碱，能够在室温条件凝结硬化并且拥有较高的压缩强度;粉煤灰-矿渣（70∶30）地质聚合物还可用作搅拌桩材料的基材，将其以10%的比例掺入到黄土中，地质聚合物搅拌土的无侧限压缩强度可达到5MPa，其应用性能不劣于熟料水泥。

参考文献

[1]王丽萍，徐靓，王永旺，等.粉煤灰基地质聚合物研究进展[J].矿产保护与利用，2020，40（03）：90-94.

[2]师安东，王旭峰.稻壳灰基地质聚合物混凝土力学性能及微观结构研究[J].施工技术，2020，49（15）：12-15.

[3]何胜豪，周华飞，谢子令.基于扩展有限元的地质聚合物混凝土断裂过程研究[J].计算力学学报，2020，37（04）：461-469.

[4]杨咏三，詹炳根，张悦.氧化钙对偏高岭土基泡沫地聚物结构与性能的影响[J].合肥工业大学学报（自然科学版），2020，43（08）：1102-1108.

[5]征西遥，闵一凡，俞钧凯，等.礦渣粉煤灰基地聚合物早期力学性能试验研究[J].施工技术，2020，49（03）：80-82+86.

[6]吕擎峰，王子帅，陈臆，等.氯化钠对碱激发地聚物强度影响机理研究[J].功能材料，2020，51（02）：2067-2071+2092.

[7]刘进祥，卢祥国，张云宝，等.无机地质聚合物凝胶堵剂的性能评价[J].油田化学，2020，37（01）：35-40.

[8]陈富，李海涛.黄骅港地区深层水泥土搅拌桩施工工艺研究[J].岩土工程学报，2015，37（S1）：156-160.

[9]金亚兵.地连墙槽壁加固稳定性计算方法研究[J].岩土力学，2017，38（S1）：305-312+350.

[10]杨涛，唐凤.变荷载下劲性搅拌桩复合地基固结分析[J].建筑结构学报，2017，38（09）：160-166.