碱激发材料固化低液限粉黏土路用性能及抗冻融特性研究*

陈 锐 郝若愚 李 笛 包卫星 来弘鹏

(长安大学公路学院，西安 710064，中国)

0 引 言

低液限粉黏土属于工程不良土，具有强度低、水稳定性差、冻融敏感的特点(付伟等，2010；周乔勇等，2013；李楠等，2017)。在季节性冰冻区若采用低液限粉土作为路基填土，易使路基水分迁移，造成冬季冻胀和春季翻浆，严重影响路基服役性能(李廷斌，2010；包卫星，2012)。当在粉黏土地区修建公路时，为避免换填的高额成本，应对粉黏土进行改良后使用。

目前，掺固化剂法是改良粉黏土的有效方法。最常用的固化剂有水泥、石灰、粉煤灰和化学改性剂等，通过其掺入后产生一系列的物理化学反应，如离子交换、水化反应、火山灰反应、絮凝团聚作用和聚合作用等，提高固化土的强度、刚度和水稳定性。诸多学者开展了常用固化剂改良粉质黏土的试验研究(Jiang et al.，2015; Du et al.，2016; Wang et al.，2019)，并在改良粉黏土的静、动力学特性和抗冻融特性方面取得了丰硕成果。王天亮等(2011)通过静三轴试验研究了冻融循环作用下水泥及石灰固化土的力学特性，结果表明改良土的黏聚力随冻融循环次数的增加而减小，内摩擦角的变化与冻融循环次数无明显关系。战高峰等(2015)通过对冻融循环后的石灰处置粉黏土开展静三轴试验，研究了石灰对粉质黏土冻融特性的影响，结果表明石灰处置粉黏土在冻融作用下强度的抗衰减率要优于粉黏土。马卉等(2018)研究了水泥对粉质黏土冻土的强度影响规律，结果表明当水泥掺量高于5%时，改良粉黏土冻土的强度提升较为明显。征西遥等(2020)研究了超细水泥对固化黏土早期抗压强度的影响，结果表明随着超细水泥掺量的增加，固化软土的抗压强度和弹性模量均有提高。

近年来，利用工业废弃物作为土壤固化剂日益引起人们的关注。碱激发材料(也称为地质聚合物)是一种新型的土壤固化剂，它是以固体废弃物作为原料，在催化剂作用下形成的胶结物质。研究表明，固废中富含硅铝酸盐和氧化钙矿物，在碱性溶液环境作用下经历溶解、扩散、聚合和硬凝反应，生成胶结产物(Provis et al.，2014a, 2014b)。碱激发材料具有早强快硬、耐酸碱腐蚀、强度高等良好工程特性(Provis et al.，2014a)，日益引起研究者的关注。近年来，碱激发材料作为土固化剂受到了广泛关注，研究表明，碱激发材料固化软土的效果要优于二灰与水泥等材料，能有效提高固化软土的强度并增加其耐久性。Cristelo et al.(2012)通过向粉煤灰基碱激发材料中掺入钙粉，研究了钙含量对碱激发材料改良软土效果的影响。Sargent et al.(2013)采用高炉矿渣基碱激发材料加固粉质砂土，结果表明碱激发剂产生的火山灰反应和胶结物极大地提高了固化土的强度和耐久性。林天干等(2018)通过SEM和CT试验，发现固体废料受碱激发后生成的聚合凝胶会对土体产生填充孔隙和增强胶结的作用，使软土强度提高。吕擎峰等(2020)通过微观试验研究了黏土矿物与碱激发材料的相互作用机理，结果表明固化黏土矿物由松散颗粒转变为块状致密结构。碱激发材料固化土的早期强度普遍低于水泥和二灰固化土，但其强度会随养护时间的增长而持续增大，其长期强度远高于两者。Cristelo et al.(2011)通过对粉煤灰基碱激发材料固化软土开展一系列室内试验，研究了养护龄期，养护方法和初始温度对碱激发材料固化软土强度和变形的影响。易耀林等(2013)对比了不同碱激发材料对固化土强度的影响，发现Na2SO4作为激发剂的加固效果强于NaOH，Na2SO4激发矿粉和电石渣生成的钙钒石可提高固化土的早期强度。Rios et al.(2016)探讨了碱激发粉煤灰作为粉土加固材料的可行性，结果表明固化土中硅酸铝胶体的生成与龄期有关，其强度与硅酸铝胶体的形成有关。何俊等(2019)研究了水玻璃-碱渣-矿渣固化高含水率淤泥的强度性质，得到了不同龄期下玻璃、碱渣和矿渣对固化土强度的影响程度。Chen at al.(2020)开展了碱激发材料固化软土的试验研究，得到了固化土强度随龄期增长的规律。

目前，国内外学者对碱激发材料固化粉黏土的静动力学特性开展了诸多的研究，然而利用碱激发材料固化粉黏土的路用性能研究较少，对碱激发材料改良粉质黏土的抗冻融特性研究更是鲜有报道。低液限粉黏土水稳定性差、冻融敏感，因此对固化土的抗冻融研究是很有必要的。为此，开展承载比、回弹模量、无侧限抗压强度与直剪试验，研究碱激发材料固化粉黏土的路用性能；开展冻融循环试验研究碱激发材料对粉黏土抗冻特性的影响，并通过对固化土的微观特征分析探究碱激发材料加固机理与改良效果。

1 试验材料和方案设计

1.1 试验材料及其物理力学性质

本试验所用粉黏土取自伊犁地区S315线蜂场至尼勒克段公路某建设工地，其基本物理性质指标如表1所示，该粉黏土的液限为32.7%，塑限为21.5%，塑性指数为11.2，属于低液限粉黏土。

表1 粉黏土的基本物理指标

试验将粉煤灰、钢渣和水泥混合作为制备碱激发材料的粉料，粉料成分如表2所示，加入水泥是为了弥补粉煤灰和钢渣中Ca含量较低的缺陷，以促进胶凝物质的生成。

表2 原料化学成分

1.2 路用性能试验方案

依据《公路土工试验规程》(JTG E40—2007)试验方法，将碱激发材料掺入比和养护龄期作为试验变量分别开展了加州承载比、回弹模量、直剪和无侧限抗压强度试验。对龄期为7 d的碱激发材料固化土开展加州承载比与回弹模量试验，研究掺入比对固化土CBR值与回弹模量的影响。为了研究掺入比与龄期对固化土无侧限抗压强度的影响，对不同掺量的固化土开展了龄期7 d和28 d的无侧限抗压强度试验。对龄期为7 d的固化土开直剪试验，研究掺入比对固化土抗剪强度指标的影响。每组试验设置3个平行试样以减小试验误差。具体试验方案如表3所示。

表3 路用性能试验方案

1.3 冻融循环试验方案

采用自制的试验装置开展冻融循环试验，如图1所示。设备由试样、监测仪器、补水装置和控温容器组成。试样筒为内径100 mm、壁厚5 mm、高250 mm的透明有机玻璃筒，筒内试样尺寸为120 mm(高)×100 mm(直径)。控温容器由两台低温恒温槽和一台冷柜组成，补水装置由外部水分补给装置马氏瓶和试样筒内部补水层组成，监控仪器由位移数据采集器与热电耦合温度采集仪组成。

图1 冻融循环试验装置

表4 冻胀融沉试验方案

1.4 碱激发材料及固化土微观特征分析

为了研究固化土的化学成分与碱激发材料的水化产物，对固化土与碱激发材料开展了X射线衍射试验。衍射角度为15°～80°，使用Jade软件得到其衍射谱图。

为研究不同掺量固化土的微观形貌并与粉黏土对比，取粉黏土与龄期为28 d的固化土(碱激发材料掺量为3%、5%和8%)开展电镜扫描试验(SEM)。微观特征分析的具体试验方案如表5所示。

表5 微观特征分析试验方案

2 试验结果分析与讨论

2.1 固化土的击实特性与液、塑限

图2 碱激发材料固化土与粉黏土击实曲线

素土与碱激发材料固化土的液、塑限及塑性指数如表6所示。可知随着碱激发材料掺量的增加，固化土的液、塑限增加，塑性指数略微减小。固化土液、塑限的增加是由于碱激发反应消耗水以及碱激发胶凝产物的团粒化作用包裹住部分水(Jiang et al.，2015)。

2.2 承载比与回弹模量试验

碱激发材料固化土与素土的CBR值如图3所示。可知粉黏土的CBR值为3.3%，随着碱激发材料的掺入，固化土CBR值显著提高。掺量为3%固化土的CBR值较素土提高了457.6%，当碱激发材料掺量从3%提高到5%和8%时，固化土的承载比分别提高了74.4%和208.7%，可知碱激发材料对粉黏土的固化作用能大幅度提高其在浸水后的承载能力。《公路路基设计规范》(JTGD30-2015)中要求：高速公路或一级公路上路床CBR值不小于8%，下路床CBR值不小于5%。可见，未改良素土不满足规范要求，掺入碱激发材料后，固化土CBR值均满足规范要求。

图3 固化土的CBR值与碱激发材料掺量的关系

图4是固化土在不同碱激发材料掺量条件下的回弹模量试验结果。随着碱激发材料掺入量的增加，固化土的回弹模量逐渐增大。《公路沥青路面设计规范》(JTG D50,2017)中规定：中等或轻等级交通荷载公路的路基顶面的回弹模量应不小于40 MPa；极重或重等级交通荷载公路的路基顶面的回弹模量应不小于70 MPa。素土的回弹模量仅为17.7 MPa，不满足规范要求。掺入比为3%的固化土回弹模量达到了46.1 MPa，满足规范对交通荷载为中等的公路设计要求，掺入比为5%和8%的固化土回弹模量达到了75.6 MPa和108.8 MPa，满足规范对交通荷载为极重的公路设计要求。赵献辉等(2017)开展了碱渣拌合土路基填料的试验研究，发现碱激发材料能显著提高固化土填料的CBR值，这与本文结果类似。碱激发胶结物质充填了土颗粒的孔隙，提高土体的密实度与结构性，从而提高了土体的CBR值与回弹模量等路用性能指标。

图4 固化土的回弹模量与碱激发材料掺量的关系

2.3 固化土的抗压与抗剪强度特性

对不同碱激发材料掺量的固化土试样开展直剪试验，结果如图5所示。粉黏土的黏聚力和内摩擦角为7.3 kPa和29.6°。掺量为3%的固化土的黏聚力和内摩擦角较素土分别提升了447.9%和7.4%。当碱激发材料掺量从3%提升到8%时，固化土的黏聚力和内摩擦角分别提升了53.8%和13.5%。说明碱激发材料可大幅度提高粉黏土的黏聚力，并有效增加其内摩擦角大小。碱激发材料反应生成的胶凝物质填充了土颗粒间的空隙，增强了颗粒间嵌入和联锁作用产生的咬合力，从而提高固化土的抗剪强度。

图5 固化土的抗剪强度指标与碱激发材料掺量的关系

图6是固化土在不同碱激发材料掺量条件下养护7 d与28 d后的无侧限抗压强度试验结果。粉黏土7 d和28 d的无侧限抗压强度分别为133.7 kPa和276.7 kPa。随着碱激发材料掺量和龄期的增加，固化土7 d和28 d无侧限抗压强度显著提高：当碱激发材料掺量达到8%时，固化土7 d和28 d无侧限抗压强度分别提高到了396.7 kPa和787.4 kPa。这说明同龄期固化土的无侧限抗压强度随着碱激发材料掺量的增加而增大。掺量越多，碱激发材料反应生成的胶凝产物越多，故固化土强度越大。随龄期的增长，碱激发材料的水化产物逐渐增多(详见下文图12b的XRD试验结果)，水化产物的胶结和充填作用导致固化土强度的增长。何华(2017)研究了碱激发材料和水泥对固化软土强度的影响，发现固化软土的抗剪强度与抗压强度与碱激发材料掺量和养护龄期呈正相关，且固化软土的抗压强度与抗剪强度呈正比。Rios et al.(2016)的研究也表明碱激发材料固化土有更高的长期强度。

图6 固化土的无侧限抗压强随着掺入比与养护龄期的变化

2.4 冻融循环试验

2.4.1 粉黏土的冻融特性

粉黏土的冻胀率与降温速率关系如图7所示。可知相同降温速率下，冻胀率与含水率呈正相关：冻胀率随含水率的增加而增大。相同含水率下，随着降温速率的减小，冻结面发展的速度减慢，土中的水分有更多的时间发生迁移聚集，从而使土体的冻胀率增大(唐益群等，2020)。粉黏土冻胀量的大小主要与冻结温度和含水率有关(李兆宇，2011)。

图7 不同降温速率下粉黏土冻胀率随含水率的变化

图8 粉黏土的融沉率随含水率的变化

图9 冻融循环下粉黏土的冻胀、融沉特性

2.4.2 碱激发材料固化土的冻融特性

在无补水和有补水条件下，碱激发材料固化土冻胀、融沉量随冻融次数的关系如图10所示。碱激发材料的加入对固化粉黏土的冻胀和融沉量有显著的影响：相同补水条件下固化粉黏土的冻胀、融沉量随着碱激发材料掺量的增加而减小。不补水条件下试样的冻胀、融沉量均小于补水条件下试样的冻胀、融沉量。固化粉黏土的冻胀、融沉量随着冻融循环次数的增加先增大后趋于稳定。可知碱激发材料固化粉黏土的冻融量的大小与水量和冻融循环次数有关。相比于素土，固化土的冻胀融沉量均明显降低。

图10 固化土的冻胀、融沉量随冻融循环次数的变化

图11为在不同碱激发材料掺量和补水条件下，固化土的冻胀和融沉率与冻融循环次数之间的关系。在补水条件下，掺量3%的固化土的最大冻胀、融沉率都为0.72%，较不补水状态提高了44%；掺量5%的固化土的最大冻胀、融沉率为0.34%和0.35%，较不补水状态分别提高了13.3%和12.9%；掺量8%的固化土的最大冻胀、融沉率为0.16%，与不补水状态相比变化不明显。由此可知，固化粉黏土抵抗冻融作用的能力随碱激发材料掺量升高而显著增强。掺量为3%的固化土的冻融特性受水补给影响最大，掺量为5%的固化土次之，而掺量为8%的固化土所受影响最小。与粉黏土相比，碱激发材料固化土的冻胀率均小于1%，属于不冻胀且受补水因素影响小，具有良好的冻融稳定性。

图11 固化土冻胀、融沉率随冻融循环次数的变化

图12 固化土与纯碱激发材料的XRD谱图

2.5 碱激发材料及其固化土的微观特征分析

2.5.1 碱激发材料及固化土的XRD谱图分析

图12为不同掺入比的固化土养护28 d与不同龄期的纯碱激发材料的XRD谱图。从图12a可以看出粉黏土素土主要由大量的SiO2及少量钠长石与正长石构成，在固化剂掺入后，这些成分的特征峰依然存在。固化土中的CaCO3由Ca(OH)2与空气中的CO2反应生成。碱激发材料中的硅、铝化合物的硅-氧与铝-氧化合键在强碱的激发作用下发生断裂，形成的自由基与碱性离子结合生成硅氧与铝氧四面体，并进一步形成C(-A)-S-H(水化硅铝酸钙)凝胶状物质，钢渣中的C2S也会受碱激发作用生成水化硅铝酸钙凝胶(郑文忠等，2015)。C(-A)-S-H凝胶的XRD衍射峰宽化为30°～35°范围的弥散峰，为无定形态(蒋勇等，2019；郑文忠等，2019)。固化土的XRD谱图与素土相比无明显变化，说明除了无定形态的C(-A)-S-H凝胶外无其他产物生成，固化土的力学性能和抗冻融性能的提高来源于C(-A)-S-H。图12b为纯碱激发材料养护7 d和28 d后进行X射线衍射的衍射谱图，可以看出早期的纯碱激发材料由沸石、硅化钙及少量莫来石与水化硅铝酸钙构成。随着龄期的增长，Ca(OH)2与CO2的持续反应使固化剂中积累了更多的CaCO3，硅化钙进一步转化为C(-A)-S-H凝胶，使其30°～35°的特征峰被遮盖，形成了弥散峰。随龄期的增长弥散峰在30°～35°区间变宽，说明C(-A)-S-H的含量随龄期增多。

2.5.2 扫描电镜分析

图13为粉黏土和养护龄期为28 d的碱激发材料固化土(碱激发材料掺量为3%、5%、8%)样品的电镜扫描图。从图13a可以看出素土表面堆叠着不规则块体和片状颗粒，颗粒排列杂乱，骨架结构疏松多孔。从图13b～图13d可以看出，相较于粉黏土，养护28 d的碱激发材料固化土试样表面的孔隙数量大幅度减少，结构密实整体性良好，在试样表面附着灰白色的晶体(朱月等，2020)。随着碱激发材料掺量的增加，样品表面结构更完整密实，这是由于更多的水化产物生成填充在孔隙中，使土颗粒结合更为紧密。

图13 粉黏土与固化土SEM照片

通过ImageJ软件对粉黏土与固化土的扫描电镜照片进行二值化处理，可得到土样的表观孔隙率，其定义是微观结构图像研究区域内总孔隙面积与图像总面积之比(徐丽阳，2015)。素土与养护龄期为28 d的固化土的微观孔隙率对比如图14所示。固化土的表观孔隙率随碱激发材料掺量的增大而显著减少，表明碱激发材料水化凝胶的填充作用减小了固化土的孔隙，提高了土体的密实度，进而提高了固化土的力学性能，同时阻断了水分迁移和补给的通道，提升了固化土的抗冻融特性，这与宏观路用性能试验和冻融试验的结果一致。

图14 素土与养护龄期为28 d的固化土的表观孔隙率对比

粉黏土的结构较为松散，土颗粒间孔隙较多，颗粒间的联结能力较低，各联通的孔隙形成了水分迁移的通道，这使得粉黏土在试验中表现出抗冻融能力差、冻融明显的特点。碱激发材料对粉黏土的固化作用，不仅使水化产生的胶凝物质填充了土颗粒间的孔隙，提高了土体的密实度与整体结构性，大幅度提升了土体的强度，而且水化产物堵塞了水补给通道，冻融过程中土中只有微量的水分发生迁移和再积聚，其冻融敏感性显著降低。

3 结 论

开展了碱激发材料固化粉质黏土路用性能与抗冻融特性的试验研究。通过承载比试验、回弹模量试验、无侧限抗压强度与直剪试验，研究了碱激发材料掺量和养护龄期对固化土路用性能的影响。通过冻融循环试验，研究了粉黏土冻融特性的影响因素以及固化土的抗冻特性。并结合X射线衍射试验与扫描电镜试验的微观特征分析，探讨了碱激发材料的固化机理。主要结论如下：

(1)作为路基填料，粉黏土的路用性能指标不满足规范要求，在粉黏土中掺入碱激发材料可有效改善粉黏土的力学性能。随着碱激发材料掺量的增加，固化土的CBR值、回弹模量、单轴抗压强度与抗剪强度均显著提高。碱激发材料固化土的路用性能满足规范要求。

(2)粉黏土的抗冻融稳定性差，冻胀和融沉现象显著，其冻胀和融沉率的大小与降温速率、含水率有关。相同温差下，其冻融表现与温度梯度呈负相关；相同温度梯度下，其冻融表现与含水率呈正相关。在冻融循环作用下，粉黏土的结构易发生劣化，导致路基病害。

(3)在粉黏土中掺入碱激发材料后，能有效改善粉黏土的抗冻特性，3种碱激发材料掺量的固化土的冻胀率均小于1%，属于不冻胀土。掺量为5%和8%的固化土的冻融基本不受补水条件的影响，在冻融循环作用下，具有良好的冻融稳定性。

(4)通过XRD谱图分析与电镜扫描可知，碱激发材料的主要胶凝物为C(-A)-S-H凝胶，其填充在粉黏土颗粒间的孔隙，增强了颗粒间联结作用，使得固化土微观结构逐渐趋于密实，从而提高了固化土的强度。同时密实的结构阻断了水分的迁移和补给，从而增强了固化土的抗冻融特性。