复合粉煤灰砒砂岩水泥土力学性能室内试验研究

杨健，李晓丽，王辉，耿凯强

(内蒙古农业大学水利与土木建筑工程学院，内蒙古 呼和浩特010018)

鄂尔多斯高原是红色砒砂岩的集中分布地区，砒砂岩结构疏松散塌，且其粒间的胶结能力极差，水蚀溃散，风侵变砂[1].随着中国经济建设的迅猛发展，鄂尔多斯地区的城市交通建设和房屋建设也得到跨越式发展.该地区对于开采完的砒砂岩主要还是用于基坑与地基的回埋，这样会使砒砂岩暴露于地表，如遇雨水冲刷、风力侵蚀等内力的共同作用，会使砒砂岩土体整体结构的稳定性和强度有所降低，很难起到稳固地基和基坑的作用，这将给土建、房建工程带来严重的安全隐患[2-3],因此开发经济实用的各类砒砂岩与水泥、粉煤灰、矿渣粉等复合新材料，并系统地研究各类砒砂岩复合土材料的最佳配比，充分发挥砒砂岩复合土力学性能，既可以减少当地水土流失，还可以变废为宝，实现资源的有效利用.

为了改善砒砂岩的性能，已经有相关砒砂岩和水泥形成复合材料的研究成果.邬尚贇等[4]研究显示，由于水泥具有较好的胶结能力，通过砒砂岩中加入水泥，解决了砒砂岩遇水溃散的特性，并使砒砂岩的强度大幅提高.除此之外，复合粉煤灰水泥土的相关研究亦有大量成果.贾苍琴等[5]通过对水泥土做扫描电镜(SEM)可知，粉煤灰对填充骨料颗粒的空隙具有良好作用，使孔隙填充得更加密实，有利于提升强度和控制变形.陈峰等[6]通过对粉煤灰掺量为0和8%的水泥土进行无侧限抗压强度试验,研究发现粉煤灰掺量和养护龄期的增加对水泥土变形模量的增长有促进作用.徐红等[7]将淤泥质黏土中掺入了不同比例粉煤灰，并进行三轴剪切以及渗透等试验,探究了掺粉煤灰对其变形特性以及力学性能变化的特征.杨有海等[8]研究了水泥和粉煤灰掺入对水泥搅拌饱和黄土强度有改善作用，指出粉煤灰与水泥的适宜配比为0.5时更为经济合理.KANIRAJ等[9]通过对水泥土进行无侧限抗压试验，分析得出在不同含水量、不同粉煤灰掺量、不同龄期下无侧限抗压强度和变形模量的函数关系.

粉煤灰作为工业废料因其具有细化孔隙，强化水泥土内部结构密实度等特点被广泛应用于软土、有机质土的加固.但有关砒砂岩水泥土和粉煤灰形成复合新材料的研究尚少，故文中充分利用鄂尔多斯地区富产的粉煤灰制成复合粉煤灰砒砂岩水泥土，对其力学特性变化进行研究，通过无侧限抗压强度、SEM扫描电镜、超景深三维显微镜等试验方法探究复合水泥土强度变化规律和变形破坏特性，为复合粉煤灰砒砂岩水泥土在路基垫层和农田衬砌等实际工程中的应用提供理论依据.

1 试验方案

1.1 试验材料

试验选取内蒙古鄂尔多斯市准格尔旗的红色砒砂岩土样，砒砂岩的物理参数：饱和含水量θs为18.60%～19.50%，液限指数WL为29.30%，塑限指数WP为19.60%，塑性指数IP为9.0，渗透系数k为5.20×10-3mm/s，孔隙率P为31.04%～35.15%，密度ρ为1.85～1.96 g/cm3,土的分类为砂土.把砒砂岩取回进行碾磨压碎，自然风干后，通过2.36 mm筛筛选备用.水泥选取冀东P·O42.5普通硅酸盐水泥.本试验粉煤灰采用呼和浩特金桥热电厂生产的Ⅰ级粉煤灰，其主要化学物质为SiO2，Fe2O3，Al2O3，用水为普通自来水.

1.2 试验方法

普通硅酸盐水泥掺量根据《公路工程无机结合料稳定材料试验规程》(JTG E51-2009)相关规定进行计算，制作表征试块Φ50×H50，水泥掺量10%，粉煤灰掺量为0，6%，9%，12%，15%，每组试样制作3个平行块.试样制作需预先将80%的水和砒砂岩搅拌均匀，密封袋密封浸润24 h后，再将粉煤灰、水泥和20%的水搅拌均匀形成水化体系掺入浸润土中再次搅拌后，直接装模压实成型.脱模后将试件放入湿度95%, 温度 (20±2) ℃的标准养护箱中养护7，28，60 d.当试件到达养护龄期后按照《土工试验方法标准》(GB/T50123—2019)的有关规定取平行试样放入温度为(20±2) ℃水中浸泡24 h，水面高于试件，饱水后取出试件，用滤纸擦拭表面残留水，进行无侧限抗压强度试验以及微观结构试验.

2 试验结果分析

2.1 无侧限抗压强度分析

图1为在不同粉煤灰掺量、不同龄期下砒砂岩复合水泥土的无侧限抗压强度变化情况,图中σ为无侧限抗压强度，t为龄期，w为粉煤灰掺量.随着粉煤灰掺量的增加，砒砂岩复合水泥土无侧限抗压强度发展均呈现上升趋势.但在粉煤灰掺量为15%时，试件无侧限抗压强度增长缓慢，在7,28,60 d龄期时，粉煤灰掺量为15%时试件无侧限抗压强度较粉煤灰掺量为12%时增幅分别仅为0.02%，0.51%，0.54%.由此可见，粉煤灰的掺入可有效提高砒砂岩水泥土的强度性能，但当粉煤灰过量时(15%)，由于粉煤灰是一种无黏性材料[10]，未完全反应的部分粉煤灰会降低颗粒间的连接和砒砂岩粒间的黏结力，使掺粉煤灰砒砂岩复合水泥土(15%)的无侧限抗压强度增速减缓.粉煤灰掺量不变时，随着龄期的增长砒砂岩复合水泥土抗压强度增长迅速，28 d抗压强度较7 d增长尤为明显，增幅分别为73.74%，85.12%，64.13%，56.20%，56.97%，60 d抗压强度较7 d分别增长了57.30%，73.41%，50.10%，45.54%，45.82%.当龄期为28 d时，6%粉煤灰掺量的无侧限抗压强度为4.02 MPa，近似达到耿凯强等[11]单掺15%水泥形成砒砂岩水泥土抗压强度，因此在相近胶凝材料下，掺入6%粉煤灰具有较高的经济价值，且可实现生态环保.

图1 各掺量、龄期下砒砂岩复合水泥土无侧限抗压强度

2.2 变形破坏模式

2.2.1 变形特征

图2为未掺粉煤灰水泥土在28 d龄期的应力-应变曲线.FA-0，FA-6，FA-9，FA-12，FA-15分别表示粉煤灰掺量为0,6%,9%,12%,15%.图3为不同粉煤灰掺量和不同龄期的砒砂岩复合水泥土的应力-应变曲线.水泥土应力-应变特性有助于分析其在单轴压缩下产生的变形特性.通过无侧限抗压强度试验，得到粉煤灰掺量下砒砂岩复合水泥土的应力-应变曲线，如图2,3所示.从图中可以看出，掺粉煤灰砒砂岩复合水泥土和素砒砂岩水泥土的应力-应变曲线大致可分为4个阶段：压密阶段(OA)、弹性阶段(AB)、塑性屈服阶段(BC)和破坏阶段(CD).

图2 FA-0应力-应变曲线

1) 压密阶段：在单轴压缩条件下，从单向受压初始到4.8%～27.1%的峰值应力σ为砒砂岩复合水泥土试样的压密阶段.该阶段砒砂岩复合水泥土试样变形量增加较快，内部微孔逐渐压密，荷载上升相对平缓，斜率被用来近似反映复合水泥土内部微孔变化状况[12].在不同龄期和不同粉煤灰掺量下，普通砒砂岩水泥土和掺粉煤灰砒砂岩水泥土试样的斜率均随着龄期和粉煤灰掺量增加逐渐变大，应变为0.003 4～0.004 7.

2) 弹性阶段：压密阶段后至57.5%～86.7%峰值应力为弹性阶段.该阶段应力与应变近似成直线关系，曲线进入线性上升阶段，主要是水泥土裂缝的稳定发展阶段.与压密阶段相比，该阶段曲线斜率较大，应变增长率降低.在不同龄期时，随着粉煤灰掺量的增加曲线斜率均呈现增大趋势，且掺粉煤灰砒砂岩复合水泥土曲线斜率均比普通水泥土大，养护龄期为28 d时，掺0,6%,9%,12%,15%粉煤灰砒砂岩水泥土最大线应变分别为0.014 0,0.011 0,0.092 3,0.091 4,0.083 5.表明粉煤灰的掺量会使最大线应变减小，使砒砂岩复合水泥土材料塑性降低，脆性有所增强.

3) 塑性屈服阶段：弹性阶段结束后到峰值应力为塑性屈服阶段.该阶段主要是水泥土裂缝的加速扩展阶段，砒砂岩复合水泥土的应力与应变呈非线性，应变增长速度快而应力增长变缓并逐渐达到应力峰值.由图3b可知，峰值应力随着粉煤灰的掺入和龄期的增大而增大，分别为1.71,2.17,3.08,3.62,3.63 MPa，表明粉煤灰掺入和龄期的增长有利于强度的增长，但当粉煤灰超过临界含量(文中为12.0%)时，由于粉煤灰的不黏性能，导致峰值应力增长减缓.

图3 不同粉煤灰掺量、养护龄期砒砂岩复合水泥土应力-应变曲线

4) 破坏阶段：应变达到峰值后，曲线呈下降趋势，表明承载力下降.该阶段是单轴压缩下损伤急剧发展阶段，砒砂岩复合水泥土微小裂缝快速扩展为宏观裂缝，并形成贯通而使试件破坏.

2.2.2 变形模量

图4为粉煤灰掺量对复合水泥土E50影响与E50和qu的变化关系.

图4 粉煤灰掺量对复合水泥土E50影响与E50和qu的变化关系

由于在单向荷载作用下，粉煤灰掺量与龄期的变化直接影响着砒砂岩水泥土的变形能力，故引入平均变形模量E50来描述砒砂岩水泥土在单轴压缩下的变形特征，即

(1)

式中：E50为平均变形模量；Δσ和Δε分别为其应力增量和应变增量；qu为应力峰值；ε0.5为应力等于0.5qu所对应的应变值.

通过式(1)计算得出不同龄期、不同粉煤灰掺量下平均变形模量E50值，可知平均变形模量随着标准养护龄期与粉煤灰掺量的增加呈现上升趋势，如图4a所示.在7，28，60 d龄期时，各粉煤灰掺量下平均变形模量均仅为粉煤灰掺量为0的1.05倍左右，而各粉煤灰掺量下，60，28 d养护龄期平均变形模量值均为7 d的1.30倍和1.76倍左右.结果表明粉煤灰掺量的增加对复合水泥土变形模量的增长幅度影响不大，主要是受龄期的影响.由图4b可知，砒砂岩复合水泥土的平均变形模量与峰值应力基本满足E50=(46～99)qu,基本可以反映单轴压缩下砒砂岩复合水泥土试样强度与弹塑性变形之间的变化关系.

2.2.3 破坏模式

通过单轴压缩试验研究了砒砂岩复合水泥土在受荷结束后的最终破坏形式.粉煤灰掺量为0时砒砂岩复合水泥土的损伤裂纹形成贯通扩展趋势，裂纹宽度和深度发展较大，导致砒砂岩复合水泥土表面大量结块剥落，砒砂岩复合水泥土试样破坏.当粉煤灰掺量为12.0%时，砒砂岩复合水泥土裂纹宽度变薄，损伤裂纹与粉煤灰掺量0相比更加细小.由于随着粉煤灰的掺入，粉煤灰-水泥体系反应生成具有更好吸附胶结能力的水化硅酸钙(C-S-H)凝胶，构成均匀致密的网状结构，对砒砂岩土体颗粒的胶结作用增强，使土体结构更加稳定，从而使裂纹萌生的发展受到抑制.

2.3 微观机理分析

为了进一步研究粉煤灰砒砂岩水泥土微结构特征，选取养护龄期为28 d，粉煤灰掺量为0和粉煤灰掺量为12.0%砒砂岩复合水泥土进行微观结构分析.

图5为各试块放大2 000倍,5 000倍的微观结构图.由图5a可知，当粉煤灰掺量为0，试样微结构出现细小裂纹，且在砒砂岩表面只附着少量水化硅酸钙(C-S-H凝胶)和钙矾石(AFt)晶体，在砒砂岩颗粒之间形成了牢固的结合.由图5b可知，随着粉煤灰掺量的增加，内部孔隙穿插着大量交错生长且纹理十分致密的针状、絮状水化硅酸钙(C-S-H)凝胶相，并大量附着于砒砂岩颗粒表面，而钙矾石(AFt)晶体多以重叠簇拥的形式穿插于细小孔隙和附着于水泥土基质表层.同时图中可清晰地看出未反应的微珠状粉煤灰对水泥土内部细小孔隙进行物理填充和细化.表明粉煤灰的掺入增大了水化体系的火山灰反应效率，使活性SiO2，Al2O3在碱性环境下Si-O键和Al-O键断裂与Ca(OH)2反应，产生了更大比表面积和吸附力的C-S-H凝胶相，使砒砂岩颗粒之间的连接由接触连接变为胶合连接，砒砂岩颗粒间孔隙逐渐减少，结构更加规则有序且均匀致密.

图5 各试块放大2 000倍，5 000倍微观结构图

反应机理如下：

SiO2+αCa(OH)2+βH2O→αCaO·SiO2·βH2O,

(2)

Al2O3+αCa(OH)2+βH2O→αCaO·Al2O3·βH2O,

(3)

C4AH13+CaSO4+H2O→AFt+Ca(OH)2.

(4)

2.4 细观微孔的演变规律

采用德国Lecia的Z16APO型超景深三维显微镜对砒砂岩水泥复合土的表观形貌特征进行观测.通过超景深三维显微镜高分辨率摄像头将砒砂岩水泥复合土试件表观放大50倍，对试件表面形貌变化进行高度还原.

首先将试件放置在工作台指定位置，对不同粉煤灰掺量试件进行观测，然后通过Lecia Map软件构建试件表观三维立体图像.图6为砒砂岩复合水泥土超景深3D图，图中D为孔调深度.以粉煤灰掺量为0 (见图6a)与粉煤灰掺量为12.0%(见图6b)为例分析可知，当粉煤灰掺量为0时其表观平均高差为232 μm，粉煤灰掺量为12.0%时试样表观平均高差为145 μm，相比较可知，粉煤灰掺量为12.0%时试样的平均高差较粉煤灰掺量为0时减小了87 μm.研究结果表明粉煤灰的掺量能够有效地修复砒砂岩复合水泥土内部孔隙的缺陷，并对表观微孔隙的有填充作用，从而对强度的提升具有促进作用.

图6 砒砂岩复合水泥土超景深3D图

图7为不同粉煤灰掺量试样切剖图，图中L为x轴坐标点.通过引入剖面孔洞深度的变化来描述2种粉煤灰掺量下表观形貌及微小孔隙的演化，使用Leica Map软件将2种粉煤灰掺量下的表观3D图横向切割成4等份，对粉煤灰掺量为0和粉煤灰掺量为12.0%的三剖面孔洞界面深度变化进行分析,如图7所示，3D图切割法如图6所示.由切剖图分析可知，粉煤灰掺量为12.0%时的试块表观超景深3D图的3个切剖面竖向位置较粉煤灰掺量为0时有所上移，通过Leica Map软件进行分析得出剖面A，B，C处上移的纵向最大孔洞深度为80.1，77.3，132.3 μm，同时对试样表观不同观测位置的原样图进行对照分析得出，粉煤灰掺量为12.0%试样表观较未掺时更加平滑，由此表明粉煤灰的掺入对砒砂岩水泥复合土试样的表观孔洞具有一定的填充和密实作用.

图7 不同粉煤灰掺量试样切剖图

3 结 论

1) 随着粉煤灰掺量的增加，砒砂岩复合水泥土的强度呈现增大的趋势，但当粉煤灰掺量一定时(文中为12.0%)，再掺入对强度的影响减小，随着龄期的增长，其强度迅速增大.

2) 在单轴压缩条件下，砒砂岩复合水泥土的应力-应变曲线可以分为压密阶段、弹性阶段、塑性屈服阶段和破坏阶段.在压密阶段，试样变形量增加较快，内部孔隙逐渐压密；在弹性阶段，随着粉煤灰掺量和龄期的增加，砒砂岩复合水泥土试样应力-应变曲线斜率与峰值应力均逐渐变大，而最大线应变减小；在塑性屈服阶段，试样应变增长速率快而应力变缓并逐渐达到峰值应力；在破坏阶段，当达到峰值应力后，承载力下降，试样表面裂缝迅速扩展形成贯通而使试件破坏.

3) 随着粉煤灰掺量和养护龄期的增加，砒砂岩复合水泥土的平均变形模量逐渐增强.

4) 粉煤灰的掺入改变了砒砂岩水泥土内部微观结构以及表观形貌特征，在掺入粉煤灰后，粉煤灰玻璃网络中的活性SiO2迅速与水化体系中Ca(OH)2反应生成比表面积更大且吸附力更强的C-S-H凝胶以及重叠簇拥的AFt贯穿于试样内部，使内部结构更加致密稳定以及对表观孔洞进行填充，促使宏观强度有所提升，抑制了裂纹和孔隙的扩展、贯通.