不同龄期下粉煤灰水泥土的UU抗剪强度试验研究*

2021-09-19解邦龙张吾渝张丙印季港澳崔靖俞

工程地质学报 2021年4期

解邦龙张吾渝张丙印季港澳崔靖俞

(①青海大学土木工程学院，西宁 810016，中国) (②青海省建筑节能材料与工程安全重点实验室，西宁 810016，中国) (③清华大学土木水利学院，北京 100084，中国)

0 引言

青海自然资源丰富，煤炭作为优势资源带来丰厚的经济收益，但煤炭资源的大量消耗使得粉煤灰产量也随之增大，造成环境污染、资源浪费等问题。因此，粉煤灰作为一种工业废料，由于粉煤灰质轻、耐腐蚀(张梦萌等， 2019)以及加工流动性好等良好的特性被许多学者研究后发现，将其作为一种外加剂添加到其他性质不良的土或砂石之中，会改善和优化其性能，如变形特性和力学特性。王娟娣(2000)通过室内试验研究粉煤灰水泥土，发现添加粉煤灰会提高试样的强度；贾苍琴等(2004)、吴瑞潜等(2006)通过将粉煤灰和水泥加入到黏土中，研究发现随着龄期和粉煤灰掺入量的增加试样的后期强度较高，同时，粉煤灰的加入会降低工程造价，具有良好的经济效益、环境效益和社会效益(徐红等， 2001)；邵俐等(2008)通过研究发现水泥掺加粉煤灰可以改善有机质土的抗压强度；赫文秀等(2012)利用玻璃纤维和粉煤灰加入到水泥土中进行室内试验，研究发现掺加一定量的粉煤灰会提高试样的后期强度；张艳军等(2015)发现将石棉纤维配合粉煤灰与水泥可以提高软土的强度；刘成才等(2017)通过将粉煤灰添加到水泥砾质土后研究发现，试样的强度随龄期的增加而增大。因此，针对各种不同性质较差的土或砂土，掺入粉煤灰会大幅度改善其不良性质，能有较好的工程性质和工程应用前景。

在青海地区，黄土分布广、土层较厚且黄土自重湿陷等级高(张吾渝，2018；高英等，2019)，导致黄土的工程性质较差，同时表现的力学性质复杂(陈宗基等， 1989)，主要表现为三相或多相体系共同作用。针对不同地区特殊土的性质，许多学者将粉煤灰与水泥掺入土中进行研究，崔永成等(2012)通过对银川地区软土掺加粉煤灰及水泥进行研究，发现试样后期的强度增长较快；蒙强等(2017)将粉煤灰和水泥作为固化材料掺入上海苏州河区域的软土中，发现该材料可以改善饱和软黏土的抗压强度；王东星等(2018)、高中南等(2019)、张豫川等(2019)以粉煤灰和水泥为主要的固化剂固化黄土，研究发现添加粉煤灰、水泥后黄土的强度明显提高。由此看出，粉煤灰及水泥可以提高土的承载力和水稳性(谌文武等， 2014)。其次，土的抗剪强度参数是确定其承载能力的重要指标(吕永高等，2009；阮波等，2016)，对工程设计和施工具有重要意义。各学者对不同地区特殊土在掺入粉煤灰等固化材料后研究其强度并取得相应的成果。

目前针对粉煤灰水泥土在强度方面研究存在的不足，本试验将粉煤灰和水泥掺入湿陷性黄土中，对粉煤灰水泥土进行不固结不排水三轴剪切试验、SEM和XRD试验，从宏观和微观角度对不同龄期粉煤灰水泥土的抗剪强度指标进行分析，研究青海地区在施工进度较快且改良黄土的透水性和排水条件较差的工况下其抗剪强度的变化规律，为粉煤灰等绿色材料改良湿陷性黄土的不良性质提供试验依据。

1 试样制备与试验方法

1.1 试验材料的性质

试验所用粉煤灰和水泥的主要物理性质和化学成分如表 1、表 2、表 3所示。

表 1 粉煤灰的主要物理性质Table 1 The main physical properties of fly ash

表 2 粉煤灰的化学成分(%)Table 2 Chemical composition of fly ash(%)

表 3 水泥化学参数Table 3 Chemical parameters of cement

试验所用的黄土为青海西宁地区黄土，其基本物理性质如表 4所示。

表 4 黄土的基本物理性质Table 4 Basic physical properties of loess

1.2 试验方案

陶高梁等(2018)、吕晨炜等(2019)通过研究发现水泥掺量为3%左右时，水泥土的渗透系数小且能满足固化要求；张豫川等(2019)通过研究发现粉煤灰掺量为12%时材料的强度最佳；崔靖俞等(2019)采用水玻璃掺量为水泥质量的3%进行试验研究。同时，结合本地区黄土的湿陷等级高、粉粒含量较大等特性，本试验采用质量配合比为黄土︰水泥+粉煤灰=1︰0.15，水泥和粉煤灰的质量配合比为2︰8，水玻璃的掺量为水泥质量的3%，水灰比为1.0。添加水玻璃的目的是起到加速凝结的作用，同时为粉煤灰提供碱性环境进行矿物聚合反应(侯云芬等， 2008)。按上述配比制作试样，并进行标准养护(养护温度为20±2℃、湿度为96%，养护条件恒定)，养护龄期分别为3d、7d和28d。以不同的固结围压为变量进行不固结不排水三轴剪切试验，得到相应的应力-应变曲线和抗剪强度指标。

试验施加的固结围压和应变速率按照《土工试验方法标准》(GB/T 50123-2019)(中华人民共和国行业标准编写组，2019)中规定的进行设定，试验施加的固结围压如表 5所示，试验施加0.8mm·min-1的应变速率。

表 5 试验施加的固结围压Table 5 Consolidation confining pressure applied by test

每组三轴试验制作3块试样，共3组平行试验，养护龄期分别为3d、7d、28d，总试块27块。

按上述配比制作试块。称量好所有材料备用，混合均匀，搅拌至无固体颗粒出现且流动性较好时，倒入150mm×150mm×150mm的标准三联模，倒入相同质量的浆液后，统一放在震动台上进行振捣密实，在常温下养护2d后脱模，脱模后利用削土器制成标准的圆柱试样(高80mm，直径39.1mm)。将削好的试样放入标准养护室养护，当达到设定龄期时进行不固结不排水三轴剪切试验，试验仪器如图 1所示。

图 1 SLB-1型应力-应变控制式三轴剪切渗透仪Fig. 1 SLB-1 stress-strain controlled triaxial shear penetrator

图 2 粉煤灰水泥土应力-应变关系曲线Fig. 2 Curves of stress versus strain of fly ash cement stabilized soil a. 养护龄期为3d； b. 养护龄期为7d； c. 养护龄期为28d

2 试验结果与分析

2.1 粉煤灰水泥土的应力-应变关系

图2为不同龄期粉煤灰水泥土的应力-应变曲线，从曲线可以看出，养护龄期相同时，随着试样轴向应变的持续增大，主应力差也逐渐增大，曲线出现峰值后呈现逐渐下降的趋势，但变化幅度不大，曲线整体呈现应变软化型。同时，应力-应变曲线大致分为两个阶段，第1阶段为试验开始到出现峰值，这一阶段试样的抗剪强度持续增加，呈现线性变化趋势；第2阶段为出现峰值到试验结束，该阶段内试样达到破坏条件后抗剪强度会缓慢降低，但存在一定的强度。随着养护龄期的增加，其抗剪强度逐渐提高， 28d试样的抗剪强度最大， 3d试样的抗剪强度最小。

在不同固结围压下，粉煤灰水泥土的应力-应变关系曲线呈现应变软化型，从图 2看出，在相同围压下，试样的主应力差随着养护龄期的增加而逐渐增大，且都有峰值的存在，说明试样均已被剪切破坏。曲线的平滑度较差，是由于粉煤灰水泥土内部的化学反应生成物的分布不均匀而导致曲线凹凸起伏。

图 3 粉煤灰水泥土抗剪强度包络线Fig. 3 Shear strength envelope of fly ash cement stabilized soil a. 养护龄期为3d； b. 养护龄期为7d； c. 养护龄期为28d

研究发现，粉煤灰水泥土的抗剪强度与浆液中水泥成分有关。水泥中的矿物(硅酸三钙(3CaO·SiO2)、硅酸二钙(2CaO·SiO2)、铝酸三钙(3CaO·Al2O3)、铁铝酸四钙(4CaO·Al2O3·Fe2O3)等)与其他材料加水拌和时发生水化反应，而粉煤灰在水玻璃所提供的碱性环境中进行矿物聚合反应(苏玉柱等， 2006)且与水泥进行反应。

水泥主要的水化反应：

2(3CaO·SiO2)+6H2O=3CaO·2SiO2·3H2O+3Ca(OH)2

3CaO·Al2O3+6H2O=3CaO·Al2O3·6H2O

粉煤灰与水泥的反应：

在后期凝结硬化过程中，试样内部产生一些晶体物质和胶凝物质，如钙矾石、C-S-H凝胶等会对整体结构的强度起到加强作用，随着养护龄期的增加，试样内部水泥的水化反应以及粉煤灰的聚合反应可能持续进行，试样内部产生的物质会逐渐填充孔隙使得结构更密实，也能承受一部分的外力，因此，试样后期的抗剪强度提高越多。

2.2 粉煤灰水泥土的抗剪强度指标

图 3所示为粉煤灰水泥土抗剪强度包络线。粉煤灰水泥土的黏聚力和内摩擦角随着养护龄期的增加呈现一定的变化规律，黏聚力和内摩擦角随着龄期的增加而呈现增大的趋势，通过试验可以得出，龄期越长，试样中生成物质的成分较多，颗粒间的胶结作用较强，固化黏聚力越大，即龄期为28d试样的黏聚力最大，黏聚力为48.5kPa。同时，龄期越长，试样内部表现的密实性越好，当受到外力时，颗粒间产生的滑动摩擦和咬合摩擦越大，即内摩擦角越大， 28d试样的内摩擦角为25.9°；龄期越短，试样内部进行的化学反应进程缓慢，生成的胶凝物质以及水化产物等较少，密实度相对较差， 3d试样的内摩擦角为23.8°。

2.3 微观试验结果分析

图 4所示为500倍下试样的SEM图，从图 4a可以看出试样内部存在完整的粉煤灰颗粒，且数量较多，由于养护龄期较短，水泥的水化反应和粉煤灰的聚合反应较慢，试样内部的生成物开始逐渐形成，物质之间开始相互黏结。从图 4b可以看出试样内部已经有针状结晶-钙矾石生成，各种物质之间的黏结也更加密实，图 4c中可以反映出试样内部进行的化学反应可能更加活跃，致使试样内部的物质黏结更密实。

图 4 粉煤灰水泥土500倍的SEM图Fig. 4 SEM diagram of fly ash soil-cement 500 times a. 养护龄期为3d； b. 养护龄期为7d； c. 养护龄期为28d

图 5所示为2000倍下试样的SEM图，从图 5看出随着养护龄期的增加，土颗粒表面的黏结物质更多，呈现网状结构或絮状结构，致使试样内部的孔隙减少，试样越密实。因此，随着养护龄期的增加与化学反应持续进行，试样内部结构的密实度越高。

图 5 粉煤灰水泥土2000倍的SEM图Fig. 5 SEM diagram of fly ash soil-cement 2000 times a. 养护龄期为3d； b. 养护龄期为7d； c. 养护龄期为28d

图 6 水泥的XRD衍射图Fig. 6 X-ray diffraction of cement a. C3S； b. C2S； c. Calcite； d. C3A

图 7 粉煤灰的XRD衍射图Fig. 7 X-ray diffraction of fly ash C. 硬石膏； M. 莫来石； Q. 石英

图 8 黄土的XRD衍射图Fig. 8 X-ray diffraction of loess L. 绿泥石； M. 蒙脱石； O. 钾长石； Q. 石英

2.4 XRD成分分析

图 6～图 8为水泥、粉煤灰和黄土的XRD衍射图。从XRD谱图上可以看出水泥存在较多的衍射峰，主要含有C3S、C2S、C3A和Calcite。粉煤灰中20°～30°的范围内衍射峰呈现驼峰形，其原因在于粉煤灰中存在非晶体相SiO2，同时，粉煤灰中存在衍射特征峰，含有莫来石、硬石膏等。

水泥中含有的C3A水化速度较快，与水反应生产水化铝酸三钙，粉煤灰中含有硬石膏(化学式为CaSO4)。试样内部的水化铝酸三钙与石膏反应，生成高硫型水化硫铝酸钙针状晶体，即为钙矾石(苏卿， 2016)。同时，随着养护龄期的增加，粉煤灰中含有的CaSO4消耗完后部分的高硫型水化硫铝酸钙会逐渐转化为单硫型水化硫铝酸钙晶体。同时，水泥水化反应生成的氢氧化钙会与粉煤灰中的SiO2等活性氧化物反应生成水化铝酸钙和水化硫酸钙，而这些物质又和石膏反应生成晶体。除此之外，生成的水化铝酸钙会相互凝结，在土颗粒表面生成网状或絮状结构，使试样的强度提高。

从XRD谱图上看出黄土内部存在较多的衍射峰，主要包含石英、长石等原生矿物和蒙脱石等黏土矿物，因此，黄土内部矿物成分较为复杂(李广信， 2013)，对粉煤灰水泥土强度有所影响。试样在后期养护过程中，浆液内部进行的聚合反应可能会消耗黄土中的SiO2等矿物成分而生成水化硅酸钙胶凝物质等物质，使得试样内部各物质之间黏结密实。

图 9 粉煤灰水泥土的XRD衍射图Fig. 9 X-ray diffraction of fly ash cement stabilized soil C. 方解石； I. 伊利石； L. 绿泥石； M. 蒙脱石； O. 钾长石； P. 氢氧化钙； Q. 石英

图 9所示为粉煤灰水泥土的XRD衍射图。与图 6～图 8对比分析可发现，粉煤灰水泥土试样内部出现了原材料中未存在的物质，氢氧化钙和方解石，说明不同物质之间已经发生化学反应。氢氧化钙既作为生成物又作为反应物，与粉煤灰和黄土中的SiO2相互反应，相互吸附，生成水化硅酸钙胶凝物质，这种胶凝物质会随着时间推移逐渐变为晶体，同时，试样内部生成的水化铝酸钙也会逐渐硬化。因此，试样内部的强度随着龄期增加而提高。

方解石的化学成分主要为CaCO3，主要由于试样内部生成的氢氧化钙与试样内部含有的CO2共同反应，在试样内部生成极少含量的CaCO3，CaCO3结晶较为坚硬且不易溶于水，对试样的抗剪强度有所提高。同时，从XRD谱图可以看出，随着龄期的增加，试样内部生成的各种物质的衍射峰会逐渐增多，这些物质之间又相互吸附，相互反应，使得试样内部结构密实，抗剪强度增大。