石灰偏高岭土改良粉砂土强度特性与微观机理

李新明， 路广远， 张浩扬， 尹 松， 任克彬

(1.中原工学院 建筑工程学院, 河南 郑州 450007; 2.河南省环境岩土工程与地下工程灾害控制工程研究中心, 河南 郑州 450007; 3.河南省文物建筑保护研究院, 河南 郑州 450002)

中原地区土遗址多为粉土或粉砂土夯筑，在长期自然环境作用下，其裂缝和坍塌等病害[1]普遍，有些甚至逐渐消失，土遗址预防性保护十分紧迫，而保护土遗址的关键在于加固材料是否应用得当.目前，广泛应用于土遗址修复的无机材料有石灰、高模数硅酸钾溶液(PS)、水硬性石灰(NHL)等.其中石灰为气硬性材料，与古建筑兼容性较好，但其硬化速度较慢，强度低，耐水性能差[2-3]；PS材料等在西北干旱地区土遗址中已得到了广泛应用，显著提升了中国干旱地区土遗址保护水平，但其在干-湿交替环境显著的中原地区土遗址中应用效果尚不明确[4]；水硬性石灰自20世纪70年代以来在欧美发达国家土遗址保护中应用效果良好，而中国缺乏天然水硬性石灰，虽研制了类似水硬性石灰的替代材料(如烧阿嘎土[5]等)，但整体来说其修复土遗址成本较高，材料来源不够广泛，不利于推广应用[6-8].因此，开发能够替代水硬性石灰的修复材料在土遗址保护相关领域具有重大需求.

石灰偏高岭土(L-MK)作为一种环境友好型材料，符合生态环境可持续发展战略[9-11].国内外研究学者已经对水泥砂浆[12-13]、淤泥土[14]、黏性土[15-16]等岩土材料在L-MK改良作用下的力学特性进行了较为系统的研究，可以发现土样类别是影响L-MK材料最优配比和力学性能的重要因素.然而，目前却鲜有学者开展L-MK材料对中原地区土遗址本体(粉砂土等)加固方面的研究.鉴于此，本文以河南地区典型粉砂土为研究对象，开展L-MK改良粉砂土的击实试验、无侧限抗压强度试验等，重点探究不同L-MK掺量下改良粉砂土强度特性的变化规律并确定最优L-MK掺量；通过X射线衍射(XRD)和扫描电镜(SEM)，分析其水硬性效应的内在微观机理.

1 试验

1.1 试验材料

粉砂土取自河南省郑州市苑陵故城附近，参照WW/T 0040—2012《土遗址保护工程勘察规范》进行取样，其颗粒粒径级配曲线如图1所示.由图1可以看出，其砂粒(>0.075mm)、粉粒(0.075～0.005mm)、黏粒(<0.005mm)体积分数分别为65.66%、32.48%、1.86%.粉砂土基本物性指标如表1所示.根据SL237—1999《土工试验规程》，判定试验土样为粉砂土.

图1 粉砂土颗粒粒径级配曲线

表1 粉砂土的基本物性指标

偏高岭土(MK)：河南省郑州市巩义市辰义耐材磨料有限公司.天然水硬性石灰(NHL)：上海市德赛堡建筑材料有限公司，强度等级为NHL2(2～5MPa).石灰(L)：CaO含量(1)1)文中涉及的含量、组成等除特别说明外均为质量分数.大于90%，选自江西新余惠灰实业有限公司.粉砂土、石灰、偏高岭土及水硬性石灰的化学组成见表2.

1.2 试验方法

根据JTG E51—2009《公路工程无机结合料稳定材料试验规程》和传统三七灰土、二八灰土、一九灰土(体积比)掺石灰量的要求，石灰掺量wL(石灰质量与总质量之比)分别取6%、8%、10%和12%；偏高岭土掺量wMK(偏高岭土质量与总质量之比)分别取0%、4%、8%和12%，制备L-MK改良粉砂土试样.同时制备单掺水硬性石灰的NHL粉砂土试样进行对比试验，水硬性石灰掺量wNHL与L-MK改良粉砂土试样中的石灰掺量相同.为表述方便，材料均采用英文缩写方式，如6%L+4%MK为6%石灰+4%偏高岭土.

参照SL237—1999《土工试验规程》进行轻型击实试验，测定改良粉砂土的含水率w和干密度ρd，为后续试样制备提供相关参数.

试样采用95%压实度，直径和高度均为5cm的圆柱体.试样制备完毕后，放入标准养护室(温度在(20±2)℃之间，相对湿度控制在95%±2%)分别养护7、14、28d，养护龄期最后1d将其放入水中浸润24h.养护至相应龄期后，采用YYW-2型无侧限抗压强度仪测定试样无侧限抗压强度.

采用日本Rigaku公司的D/max2550 VB3+PC型X射线衍射仪进行XRD测试；采用德国蔡司公司的场发射扫描电镜(FESEM)进行SEM测试.

2 结果与分析

2.1 击实试验结果

图2为L-MK改良粉砂土的击实曲线，定义最大ρd对应的含水率为最优含水率.由图2可见：随着MK掺量的增加，击实曲线峰值点逐渐向右下方移动，即最大干密度减小，最优含水率增加；同时，峰值后击实曲线呈变缓趋势.表明MK能够有效抑制石灰改良粉砂土的水敏性，有利于现场施工.这是由于MK可协同石灰发生化学反应，从而促进改良粉砂土吸收更多的水分[15].

图2 L-MK改良粉砂土的击实曲线

L-MK改良粉砂土的最大干密度随着MK掺量的增加而递减.原因在于：(1)水化产物与粉砂土颗粒间的胶结作用使土样结构更加密实，从而导致最大干密度逐渐减小；(2)在相同的击实条件下，掺入石灰可以降低土样的塑性，从而提高改良粉砂土的最优含水率，降低其最大干密度.

2.2 无侧限抗压强度试验结果

2.2.1轴向应力-应变曲线

由于不同龄期和不同L-MK掺量下改良粉砂土的应力-应变曲线变化规律类似，因此仅列出28d时的部分试样应力-应变曲线，见图3.由图3可以看出，L-MK及NHL改良粉砂土应力-应变曲线均存在明显的峰值点，属于软化型.

图3 试样应力-应变曲线

L-MK和NHL改良粉砂土应力-应变曲线呈现比较明显的2个阶段：(1)应力达到峰值前曲线近似呈直线增长；(2)达到峰值后曲线迅速下降，直至试样破坏，破坏后仅剩残余强度.前一个阶段属于应变硬化阶段，后一个阶段为应变软化阶段，表现出明显的脆性破坏特征.

定义试样应力达到峰值时对应的应变为破坏应变εf.由图3可以看出，石灰改良粉砂土εf较小，随着偏高岭土掺量从0%增至12%，L-MK改良粉砂土εf呈略微增大趋势且明显大于单掺石灰的粉砂土.如单掺6%、8%石灰时，试样εf均为2.50%，而复掺4%偏高岭土后，试样εf分别增至3.03%和3.16%，与8%、10%NHL改良粉砂土的εf基本相同.汤怡新等[17]认为土样的变形特征可用破坏应变来表征，破坏应变越大，土样韧性越强.由此说明，L-MK改良粉砂土比石灰改良粉砂土具有更好的韧性.

2.2.2无侧限抗压强度

图4给出了L-MK改良粉砂土的无侧限抗压强度fuc.由图4可以看出，7、14、28d龄期时，相同石灰掺量下，MK的掺入极大提高了单掺石灰改良粉砂土的无侧限抗压强度.当石灰掺量为6%，MK掺量从0%增加至12%时，改良粉砂土的7d无侧限抗压强度从0.51MPa增加至4.25MPa.究其原因，水化反应产生的水化物不仅增加了土颗粒之间的黏结力，也增加了砂粒与土样之间的机械咬合力，从而提高了改良粉砂土的无侧限抗压强度[18]，这与彭小芹等[13]研究结果一致.而从强度增长率结果(图5)得出，7、14、28d无侧限抗压强度增长率并非随着MK掺量的增加而单调增加，而是呈现先增大后减小的变化规律，且在MK掺量为4%时达到峰值.当石灰掺量为6%，MK掺量从0%增加到4%时，强度增长率从155%提高至394%，而当MK掺量继续从4%增加至12%时，强度增长率反而从394%降至13.3%.其中，L-MK改良粉砂土强度增长率R的表达式为：

图4 L-MK改良粉砂土的无侧限抗压强度

图5 L-MK改良粉砂土强度增长率

(1)

式中：fuc1为某龄期与石灰掺量下L-MK的无侧限抗压强度，MPa；fuc2为该龄期与石灰掺量下偏高岭土掺量增加一级后L-MK的无侧限抗压强度，MPa.需要说明的是，当MK掺量为0%时，fuc1为粉砂土的无侧限抗压强度(0.2MPa)，fuc2为单掺石灰粉砂土的无侧限抗压强度.

相同石灰掺量下，在相对湿度95%的养护条件下，随着龄期的增加，L-MK改良粉砂土的无侧限抗压强度明显高于单掺石灰改良粉砂土，说明前者“水硬性”显著增强.以6%石灰和4%MK掺量为例，单掺6%石灰时，龄期从7d增至28d，其无侧限抗压强度从0.51MPa提高至0.62MPa，而掺入4%偏高岭土后，无侧限抗压强度从2.52MPa提升至4.45MPa.

图6给出了NHL改良粉砂土的无侧限抗压强度.由图6可以看出，NHL改良粉砂土的无侧限抗压强度随着NHL掺量的增加而显著增大.对比图4、6可发现，当掺入6%L+4%MK时，试样的7d无侧限抗压强度为2.52MPa，且其28d无侧限抗压强度(4.45MPa)达到了欧洲标准BS EN459-1:2015《Building lime》对28d龄期水硬性石灰NHL2的强度等级，高于8%NHL改良粉砂土的28d无侧限抗压强度(4.07MPa)；当石灰掺量从6%增至8%时，试样28d无侧限抗压强度达到3.40MPa，高于10%NHL改良粉砂土的28d无侧限抗压强度(2.78MPa).结合相同强度等级下改良粉砂土的破坏应变(见图3)发现，当龄期为28d，6%L+4%MK、8%L+4%MK改良粉砂土的破坏应变分别与8%、10%NHL改良粉砂土相当.因此，从试样破坏应变和无侧限抗压强度2个角度考虑，掺入6%L+4%MK、8%L+4%MK能够有效替代8%、10%NHL.综上，在土遗址保护工程实际应用中，建议石灰的最优掺量为6%～8%；MK的最佳掺量为4%.

图6 NHL改良粉砂土的无侧限抗压强度

3 微观机理

Pavlík等[9]研究发现，L-MK的固化过程主要是水化反应、碳化反应以及Ca(OH)2结晶析出共同导致的结构硬化.石灰的水化反应生成了Ca(OH)2，同时释放出大量的热量，会消耗大量的水分；Ca(OH)2与空气中的CO2发生碳化反应生成CaCO3；水化后的Ca(OH)2电离出大量的Ca2+和OH-，电离出的离子与偏高岭土中的主要成分SiO2和Al2O3发生水化反应生成非结晶态的水化硅酸钙(CSH)、结晶态的水化铝酸四钙(C4AH13).

3.1 XRD分析

图7为改良粉砂土的XRD图谱.由图7可以看出，与单掺石灰改良粉砂土相比，MK的掺入改变了石灰改良粉砂土的水化产物类型.由于石灰与MK的水化作用，生成了一系列与NHL相类似的水化产物，包括Ca(OH)2、CSH和C4AH13等，说明石灰与MK发生了硬化、离子交换与火山灰等反应，使得粉砂土颗粒间的黏结力增强.由于XRD检测不出非结晶态的水化产物，因此未能发现CSH，但通过后文的SEM发现其存在于微观结构中.需要说明的是，在XRD衍射试验中，仅针对影响无侧限抗压强度的主要水化产物进行了分析，其他矿物成分不在此赘述.

图7 改良粉砂土的XRD图谱

3.2 SEM分析

图8为8%L+MK和8%NHL改良粉砂土的SEM照片.由图8可以看出：8%L改良粉砂土中未发现明显的结晶态水化产物生成，且结构较为疏松；当MK掺量为4%～12%时，试样中出现了针状的钙钒石、六方板片状的C4AH13.这也与XRD试验结果相互印证.

由图8(b)可知，当MK掺量为4%时，试样中C4AH13等水化产物较少，微观结构较8%L改良粉砂土更加密实，水化产物以少量的六方板片状C4AH13和针状钙钒石为主，这表明石灰与MK的反应是一种缓慢过程.随着MK掺量的增加，结晶态以及无规则的水化产物数量逐渐增多，同时可见少量絮凝状的水化产物(见图8(c)、(d))，根据吴子龙等[10，14]对非结晶态CSH的微观形态描述并结合SEM试验结果，推测其为CSH.CSH填充于结构孔隙，使试样微观结构更加密实，具有优越的强度和韧性[19].从图8(e)可以看出，L-MK反应生成与NHL类似的水化产物.从改良粉砂土整体微观结构角度分析，掺入MK后的结构要比掺NHL的试样更加致密和均匀，这与前述的无侧限抗压强度试验结论一致.

图8 8%L+MK和8%NHL改良粉砂土的SEM照片

4 结论

(1)偏高岭土的掺入提高了石灰改良粉砂土的最优含水率，降低了其最大干密度；随着偏高岭土掺量的增加，石灰偏高岭土改良粉砂土的击实曲线在峰值后呈逐渐变缓的趋势，有利于现场施工.

(2)在相同石灰掺量下，当偏高岭土掺量从0%增至12%时，改良粉砂土的破坏应变增大，无侧限抗压强度提高.但当偏高岭土掺量大于4%后，改良粉砂土无侧限抗压强度增长率出现下降趋势.养护龄期从7d增至28d时，石灰偏高岭土改良粉砂土的无侧限抗压强度增长率明显高于石灰改良粉砂土.

(3)综合分析试样破坏应变、无侧限抗压强度及其增长率，以及欧洲标准BS EN459-1:2015对水硬性石灰NHL2的强度要求，建议采用6%石灰+4%偏高岭土、8%石灰+4%偏高岭土分别替代8%、10%的水硬性石灰用于土遗址修复.

(4)偏高岭土协同石灰发生水化反应，形成的水硬性胶凝物质，增加了粉砂土颗粒间的黏结力和机械咬合力，从而增加了其微观结构的整体性和密实性，改善了其力学性能.

(5)本文仅从强度特性角度对石灰偏高岭土改良粉砂土替代水硬性石灰的可行性进行了初步探索，其耐久性等还有待进一步研究.