偏高岭土对水泥土动力学性能与微观特征的影响

夏 玉 杰，贺 玮

(1.新乡职业技术学院 建筑工程系，河南 新乡 453000； 2.新乡学院 土木工程与建筑学院，河南 新乡 453000)

0 引 言

随着中国大型水利工程建设量日益增加，对大坝基础填料的工程性能也提出了更高要求[1]。当前，利用如水泥、石灰等普通无机材料进行土体固化处理出现一系列新的问题，例如在振动冲击荷载的长期作用下水泥固化土容易发生开裂，对工程的稳定性和耐久性十分不利[2-4]。采用外加剂和外掺料进行填料改性是一种有效的改良方法。地聚物是一种常见的固化剂，将其用于填料改性可有效提升材料强度性能，防止结构损伤，同时提升材料的耐久性[5]。偏高岭土是一种主要由硅氧、铝氧四面体组成的新型无机地聚物材料，可用于替代水泥作为固化土的凝胶材料[6]。对比普通水泥熟料，偏高岭土的碳排放量更低、热膨胀系数更小、塑性变形性能更好且收缩率更小。前人的研究成果表明，偏高岭土的化学活性对改善水泥土孔隙结构有利，能够显著提高材料的力学性能，而当前关于高岭土基水泥土改性效果的研究主要集中在土体静力学领域[7-9]。如叶华洋等[10]研究了改性水泥固化土受偏高岭土掺量变化的影响规律，发现经过3%含量的偏高岭土改性后，试样的静抗压强度可以提升至原来2倍左右；彭晖等[11]通过压汞与电镜实验得到了偏高岭土改性水泥土的微观结构，从孔隙分布的角度揭示了偏高岭土提升材料强度的本质原因。Hayder等[12]开展偏高岭土改性水泥土的拉伸测试，指出偏高岭土与水泥的掺和比为1∶3左右时材料的抗拉强度达到最佳。然而，在利用水泥土修筑地基时，不仅要承受来自于上覆荷载和侧向压力等静载作用，同时也会受到上部动荷载造成的冲击[13]。因此，需要全面了解动荷载作用下复合水泥土材料的动态强度特性，以及外掺料改善动力学特性的机理。

本次研究首先利用分离式霍普金森压杆(SHPB)单轴压缩试验测试偏高岭土改性水泥固化土试样的动态强度特征，然后结合核磁共振扫描(NMR)与电镜扫描(SEM)的结果对材料的微观孔隙结构特征进行分析，旨在深入认知偏高岭土改性的坝基水泥土材料力学性能和微观特征。

1 样品制备与试验方法

1.1 原材料

本次研究所用水泥土基料为粉质黏土，取自葛州坝下游近坝区地基。对土体开展击实试验，发现粉质黏土的最优含水率为15.2%。通过开展X射线衍射实验，得到了如图1所示的粉质黏土衍射图谱，结合半定量法获取了材料的矿物成分。根据半定量分析，对粉质黏土矿物物相的组成进行了测定，该方法可根据衍射图谱中衍射角及其对应的强度间接计算出不同矿物成分的比例。根据试验发现：粉质黏土的矿物成分主要是石英(38.2%)、钙长石(22.0%)、斜长石(17.9%)、伊利石(9.5%)和方解石(9.1%)。采用筛分与密度计法联合测得了粉质黏土的颗粒分布曲线(见图2)，可以看出该粉质黏土的颗粒组成主要是粉粒(41.8%)和黏粒(45.4%)。粉质黏土颗粒级配曲线的不均匀系数Cu与曲率系数Cc分别为15.5和2.85。

图1 土壤的X射线衍射图谱Fig.1 X-ray diffraction pattern of the soil

图2 土壤的颗粒粒径分布曲线Fig.2 Particle size distribution curve of the soil

1.2 样品制备

叶华洋等[10]通过大量试验发现：采用碱性激发的拌和方法制备偏高岭土改性水泥土样品对力学性能的提升效果更好，在这项研究中，采用以下具体的混合法制备均匀、致密和高强度的复合水泥土样品。 首先，在散状土和干水泥的混合料中添加偏高岭土，充分搅拌后静置48 h，然后混合NaOH和Na2SiO3(水玻璃)溶液制成碱性激发剂，将碱性激发剂添加到拌和好的物料中充分搅拌均匀，最后依据需水量添加一定质量的蒸馏水。通过压实法制备圆柱样，分3层压实，得到的试样直径为50 mm，高度为100 mm。本次试验中使用的胶凝材料为水泥与偏高岭土，其总量占粉质黏土质量的15%，偏高岭土的质量掺量分别选取为0，2%，4%和6%，选取5种养护龄期(1，3，7，14 d与28 d)的水泥土试样进行动力学和微观结构的测试。

1.3 试验方法

1.3.1霍普金森压杆(SHPB)试验

动力学试验采用了分离式霍普金森压杆试验系统，所用样品为直径50 mm、高25 mm的圆柱样。由于水泥土的波阻抗较低，根据“三波法”原理得到了改性水泥土样品的动态应力-应变关系曲线结果[14]。开展复合水泥土的动荷载冲击试验时，为确保试验结果准确，SHPB试验的电压信号需要满足三波法要求，即εI+εR=εT，其中εI、εR与εT分别对应着应变的入射信号、反射信号和透射信号。图3为三波法原理的验证图，可以看出该试验采用的入射+反射的叠加信号曲线与透射信号曲线重合度较高，符合SHPB动荷载试验的要求。

图3 三波法的电压信号Fig.3 Typical voltage signals by three-wave method

1.3.2核磁共振试验

本次研究采用核磁共振分析仪(NMR23-50H型)进行饱和试样扫描。试验前对被测试样品经过真空饱和处理，然后将样品放置到仪器中进行扫描，根据核磁共振测试获得了弛豫时间T2及其信号强度结果。

1.3.3扫描电镜试验

采用EM-30C型扫描电子显微镜对复合固化水泥土样品间颗粒微观形貌进行观察。开展试验前，先对固化土样品进行制样和表面处理，采用的样品高度约为5 mm，直径约为7.5 mm，然后对样品进行抽真空和冻干处理，最后将样品放在扫描电子显微镜下进行SEM图像获取。

2 结果分析

2.1 动态压缩试验结果

在SHPB单轴压缩试验中，测试了掺入不同含量偏高岭土和不同养护时间下的复合水泥土样品，得到了动应力-应变关系曲线。从图4可以看出：在单次冲击试验过程中，动应力-轴向应变关系曲线大致可以被分成压实变形阶段、弹性变形阶段、塑性变形屈服阶段与破坏阶段，其中压密阶段的范围较小，一般在0.5%以内就结束，进入弹性阶段后的试样内部结构损伤较小，动应力随应变增加呈线性增大；随着微裂纹发生动态扩展，水泥土开始进入塑性屈服阶段，动应力不断增加直至抵达峰值应力，此时试样已经达到承载极限；进入破坏阶段后，水泥土样品的应变持续增加，但动应力值开始迅速下降，内部结构损伤加剧直至试样完全破坏。根据图4(a)还可以看出：与其他偏高岭土掺量相比，偏高岭土掺量为6%的水泥土动应力-应变曲线达到应力峰值后的下降段曲线相对比较平缓，试样表现出显著的塑性破坏的特征。从图4(b)也可以看出：当偏高岭土含量为2%时，随着养护时间的增加，动应力-应变曲线的峰后动应力随应变增加下降速率明显加快，且水泥土试样的破坏形式从塑性逐渐转变为脆性。

图4 复合水泥土的动应力-轴向应变曲线Fig.4 Dynamic stress-axial strain curves of cemented soil

图5 复合水泥土的动力学指标Fig.5 Dynamic index curves of cemented soil

由SHPB试验获取了不同养护龄期和不同偏高岭土掺量的复合水泥土动应力-轴向应变曲线，并从中提取出峰值动应力作为材料的动抗压强度fdc。图5给出了不同养护期和偏高岭土含量的复合水泥土的动抗压强度fdc。由图5(a)可知，不同养护时间下的复合水泥土其fdc随着偏高岭土含量增加呈现先升后降的趋势，在偏高岭土含量为4%时达到极值，超过4%后动力学特性明显下降。由图5(b)可知，不同偏高岭土含量的复合水泥土其fdc随养护时间增加而不断提高，且在0～14 d范围内上升幅度比较显著，在14～28 d养护龄期范围内动强度值增加缓慢。上述现象表明采用偏高岭土部分替代水泥可以有效增加水泥土的动力学特性，但当偏高岭土含量过高时，动抗压强度明显下降。动力学性能下降的原因主要是少量偏高岭土颗粒与水泥之间产生了表面的相互作用，进而加速了水泥的水化反应，再经过胶凝效应形成了黏土团聚体；而偏高岭土本身不能与Ca(OH)2发生化学反应，过量的偏高岭土会阻碍水泥水化凝胶的形成，从而导致动抗压强度的降低。

2.2 孔隙分布结果

采用核磁共振试验可得到弛豫时间T2谱，通过分析进而可获得孔隙尺寸分布的结果。NMR试验可以对材料内孔隙尺寸分布特征进行测量，T2强度与孔隙的尺寸成正比关系[15]，通过NMR试验得到的T2分布曲线的变化规律可以反映复合水泥土内部孔隙结构的特性。不同养护时间和偏高岭土含量下的复合水泥T2分布曲线如图6所示(养护1 d和7 d的部分样品在水饱和过程中发生崩解破坏，无法进行NMR测试)。该分布曲线存在两个峰值点(P1和P2)，即复合双峰分布，两个峰值之间的差异很大，P1峰的强度明显高于P2峰，沿横坐标由左到右分别对应于孔隙尺寸分布情况，说明复合水泥土的孔隙以尺寸较小的孔隙为主，大孔隙占比较少。

图6 复合水泥土的NMR试验结果Fig.6 NMR results of cemented soil

不同养护时间和掺量偏高岭土的改性水泥土其双峰分布特征指标如表1所列。可以看出在相同偏高岭土掺量下，随着养护时间的增加，P1峰比例总体呈增大趋势，P2峰比例呈减小趋势，表明随着水化反应的进行，偏高岭土水泥土中的大孔隙逐渐闭合，微观结构逐渐致密。而当养护时间相同时，偏高岭土掺量为4%的水泥土试样其T2曲线面积最小，且P2的比例也最低，表明掺量为4%的复合水泥土孔隙发育程度最低，结构最致密。

表1 复合水泥土的T2分布峰面积Tab.1 Peak area of NMR T2 curves of cemented soil

2.3 SEM试验结果

图7给出了不同掺量偏高岭土及不同养护时间下的复合水泥土 SEM图片。偏高岭土掺量为0时，养护7 d的样品内部富含大孔隙，结构疏松；当偏高岭土掺量为4%时，养护7 d的复合水泥土内部结构较为紧密，孔隙大幅度减少；当偏高岭土掺量为6%时，水化凝胶物质填充大孔隙，土体内出现了较多的大体积孔洞，如图7(c)所示。当养护时间为28 d时，在偏高岭土掺量为4%的水泥土内部出现大量硅酸钙水合物(C-S-H)组成的凝聚物和针状的钙矾石晶体。水化产物在起到填补水泥土内部孔隙作用的同时，也对粉质黏土颗粒起到凝聚的效果，进而使得复合水泥土内部结构更加密实(见图7(d))，此现象与NMR试验测到的孔隙结构变化现象相互印证。

根据偏高岭土改性机理分析可知，当一定含量的偏高岭土与水泥混合掺入土壤中并击实成型后，形成土颗粒的团聚体与水发生接触，使得土颗粒之间生产出大量水化硅酸钙凝胶体[16]。由于水化硅酸钙凝胶体的比表面积远大于土颗粒，其表面能较高，吸附作用力较强，可以使得水化物中存在的钙离子与土粒表面吸附的其他阳离子进行离子交换反应，进而引起颗粒的结合而出现团聚。土颗粒团聚体的形成可对固化土结构的稳定性起到提升作用，因此固化土抵抗动荷载冲击变形的性能得以增强。然而，当偏高岭土的含量过高时，水泥水化的需水量更高，导致内部裂隙增多，动力学性能明显弱化。在本次研究中，当偏高岭土的含量为4%时，动抗压强度特性达到最佳，孔隙发育程度最低，故4%为最佳改性的掺量。

3 结 论

(1) 偏高岭土掺量的增加，使得复合固化土试样的动抗压强度呈现出先增加后降低的非线性变化规律，动抗压强度在掺量为4%掺量时固化土强度达到极大值，当偏高岭土掺量达到6%时，强度较未掺偏高岭土的水泥土有所下降；固化土动抗压强度在0～14 d的养护龄期内增长较快，在14～28 d养护龄期内增长缓慢。

(2) NMP试验结果表明偏高岭土改性水泥土的T2分布曲线为双峰分布。随着水化反应的进行，复合水泥土中的大孔隙逐渐闭合，微观结构逐渐致密；当养护时间相同时，偏高岭土掺量为4%的试样孔隙发育程度最低，微观结构最致密。

(3) 从 SEM图像看出不含偏高岭土试样内部的孔隙数量较多，体积较大。当偏高岭土掺量为4%时，复合固化土的孔隙数量迅速减少，而当偏高岭土掺量为6%时，材料的密实度大幅下降，孔隙数量相应地增加。随着养护时间增加，复合固化土内部的水化硅酸钙凝胶体增多，对孔隙结构起到改善作用。