粉煤灰基地聚物加固土的强度及抗冻融性能试验研究

2022-07-15陈忠清朱泽威

水文地质工程地质 2022年4期

陈忠清，朱泽威，吕越

（1.绍兴文理学院土木工程学院, 浙江绍兴 312000；2.浙江省岩石力学与地质灾害重点实验室, 浙江绍兴 312000）

法国学者Davidovits[1]在20世纪70年代提出一种新的无机硅铝酸盐胶凝材料——地聚物（geopolymer）。地聚物可利用粉煤灰、矿渣等富含硅铝的固体废弃物通过碱激发制备而成，且研究表明生产地聚物所产生的二氧化碳排放量一般比普通硅酸盐水泥低60%～80%[2]。与直接掺入粉煤灰改善土体力学性质的传统地基处理方法相比[3-4]，将粉煤灰碱激发生成地聚物，作为普通硅酸盐水泥的替代物及其在软土地基处理中的应用受到越来越多的关注[5]。

国外在21世纪初最早开始了碱激发胶凝材料加固不同类型地基的试验研究。比如：Cristelo等[6]进行了低钙粉煤灰基地质聚合物加固砂质黏土地基的室内配比和现场试验研究，证实了地质聚合物在软土地基加固领域（尤其是高压喷射注浆法）的良好应用前景，并得到地聚物加固土养护28 d的强度低于水泥土的强度，但90 d强度超过水泥土的强度，且仅达到养护365 d强度的40%～60%。Cristelo等[7]进一步研究得到碱激发条件下低钙粉煤灰对软土地基的长时期加固有利，而高钙粉煤灰则有利于软土地基加固土的短期强度增长。Sargent等[8]、Teing等[9]、Al-Rkaby[10]、Corrêa-Silva等[11]分别开展了碱激发胶凝材料加固软弱冲积土、残积土、砂土及黏性土的试验研究，均表现出明显的加固效果。Corrêa-Silva等[12]进一步研究了磨粒高炉炉渣碱激发胶凝材料固化软弱冲积土的应力应变行为，得到加固土的前期固结压力明显增大，并表现出典型的水泥土应力应变关系特征。

近些年国内学者也陆续开展了碱激发胶凝材料加固地基的相关研究。比如：孙秀丽等[13]通过碱激发粉煤灰和矿粉固化疏浚淤泥，常温养护下28 d的抗压强度达到12 MPa。王东星等[14]开展了养护龄期、激发剂类型及掺量多种因素影响下碱激发F级低钙粉煤灰固化淤泥的抗压强度、化学组分及微观特征等研究。俞家人等[15]分析了矿渣碱激发胶凝材料固化软黏土过程中碱激发剂模数和掺量对固化效果的影响。吴俊等[16]利用矿渣-粉煤灰基地质聚合物固化淤泥质黏土，分析了硅铝原材料之比、固体激发剂与原材料比及水灰比对固化土抗压强度的影响。王伟齐等[17]以电石渣和原状灰为原料，在聚羧酸硅酸钠、硫酸钠及三乙醇胺复合碱激发条件下开展了固化海相软土的试验研究。可以看到，现有的国内外研究侧重于不同类型碱激发胶凝材料加固不同软弱地基的效果，以及加固土的化学与力学行为特征，而关于冻融循环条件下碱激发胶凝材料加固土的行为特征及其影响因素研究还鲜有报道。

目前已有少量关于地聚物混凝土抗冻融性能的研究报道，得到矿渣基地聚物混凝土可以抵抗超过300次的快速冻融循环[18]，掺50%矿渣的低钙粉煤灰基地聚物混凝土可以抵抗225次的快速冻融循环[19]，并指出地聚物混凝土的抗冻融性能与原材料的硅铝比[20-21]、钠铝比[20-21]、模数[22]等因素有关。为充分把握碱激发胶凝材料加固土在冻融极端气候条件下的工程特性，有必要进一步开展冻融循环条件下碱激发胶凝材料加固土的强度、变形等变化特征及其影响因素研究。本文以低钙粉煤灰为主要原料，以氢氧化钠和硅酸钠为碱激发剂制备地聚物，进行黏性土加固的室内试验研究，分析不同原材料硅铝比、碱激发剂模数及碱溶液浓度对地聚物加固黏性土的无侧限抗压强度（UCS）与抗冻融性能的影响，并基于扫描电镜（SEM）、X射线能谱（EDS）和红外光谱（FTIR）等测试手段进行微观影响机理的分析。研究将为粉煤灰基地聚物在地基处理实际应用过程中配合比的合理设计提供技术参考。

1 试验材料及仪器设备

试验用土为取自浙江绍兴某建筑工地的黏性土，取样深度为5 m，其基本物理性质指标如表1所示，颗粒级配曲线及XRD结果分别如如图1和图2（a）所示。土的化学组分测试结果显示，其主要化学成分含量为：SiO2为63.40%，Al2O3为18.11%，CaO为2.29%，Fe2O3为7.79%，MgO为2.37%，TiO2为1.11%。

表1 试验用土的主要物理性质指标Table 1 Main physical properties of the test soil

粉煤灰（FA）来源于浙江绍兴市某热电厂，为N级低钙粉煤灰[23]，其主要化学组分测试结果显示：SiO2为 46.11%，Al2O3为 38.17%，CaO为 4.30%，Fe2O3为 3.83%，MgO为 0.12%，TiO2为 1.98%。粉煤灰的颗粒粒径分布如图1所示，XRD测试结果如图2（b）所示。

图1 试验材料的级配曲线Fig.1 Grain size curves of the test materials

图2 粉煤灰及试验用土的XRD图Fig.2 XRD results of the fly ash and test soil

试验采用的碱激发剂由市售工业水玻璃和氢氧化钠溶液配制而成，其中水玻璃中SiO2质量分数为29.84%、Na2O为13.36%，水玻璃模数（SiO2/Na2O摩尔比）为2.11，氢氧化钠为分析纯，纯度为95%～99%。

1.1 仪器设备

无侧限抗压强度试验采用UTM5000型60 t电子伺服万能材料试验机，微观分析采用JSM-6360 LV型扫描电子显微镜，物相分析采用Empyrean型X射线衍射仪，官能团和元素成键分析采用NEXUS型傅里叶变换红外光谱仪。

2 试验方案

2.1 配合比设计

试验所用粉煤灰中的二氧化硅质量分数为46.11%、氧化铝为38.17%；所用水玻璃中的的二氧化硅质量分数为29.99%、氧化钠为13.75%。通过水玻璃调整原材料的硅铝比(Si/Al)，通过固体氢氧化钠调整碱激发剂的模数(M)，通过添加水调整地聚物混合物的水固比(L/S)，计算公式如下：

式中：m1——粉煤灰的质量；

m2——水玻璃的质量；

m3——固体氢氧化钠的质量；

m4——外加水的质量。

试验配比方案如表2所示。A表示粉煤灰与碱激发剂质量比，B表示水玻璃溶液与氢氧化钠溶液质量比，C表示氢氧化钠溶液的浓度，粉煤灰与湿土质量之比（F/S）均为20%。

表2 试验分组Table 2 Test groups

2.2 试样制备

（1）将氢氧化钠固体、水玻璃、水根据试验计算配比在烧杯中混合，使用磁力搅拌器搅拌至溶液澄清备用。

（2）将烘干后的黏性土粉碎，加水搅拌8～10 min，制成含水率为43%的重塑土，然后依次加入粉煤灰、碱激发剂，并搅拌15min至充分混合。

（3）将搅拌后的地聚物加固土分3层填入70.7 mm×70.7 mm×70.7 mm模具中并压实，用刮刀挂去表面土后将模具用铝箔包裹置于烘箱中养护24 h，养护温度为80 °C[24]。

（4）将试样脱模，放入密封袋，并在标准养护温度下养护28 d。

2.3 冻融循环试验

参照规范ASTMD 560—03[25]开展地聚物加固土的冻融循环试验，具体试验过程为：

（1）将养护28 d的加固土试样放置在湿毛巾上24 h，每12 h调换试样方向，充分吸水后放入冰箱（-15 °C）中24 h。

（2）冻期结束后用不锈钢刷刷去试样表面碎屑，称量碎屑质量。

（3）加水漫过湿毛巾，将1次冻期后的试样放置在密闭容器中融化24 h，每12 h调换试样方向，融化阶段结束后进入下一次冻期。

（4）冻融1次为1个循环，达到12次循环或试样质量损失超5%时停止试验。

同样参照规范ASTMD 560—03进行地聚物加固土的吸水量测试，分别得到标准养护下的吸水量和毛细水吸水量。

3 试验结果与分析

3.1 无侧限抗压强度

不同试验条件下地聚物加固土养护28 d的无侧限抗压强度如图3所示。从图3可以看出，在Si/Al相同条件下，地聚物加固土的强度总体上表现出随着碱激发剂模数的增大（意味着碱溶液浓度减小）而降低；在Si/Al=1.35条件下，当M＞1时，地聚物加固土的强度明显较大。在M相同条件下，地聚物加固土的强度总体上表现出随着Si/Al的增大而升高，且当Si/Al＞1.30时强度快速增长；当M=1.2时，碱溶液浓度为17.05 mol/L的地聚物加固土（E2组）强度最高，达到8.98 MPa，而当碱溶液浓度再提高至22.78 mol/L时（E1组），强度发生下降。

图3 地聚物加固土28 d无侧限抗压强度变化曲线Fig.3 Variations of the unconfined compressive strength of geopolymer stabilized soil after 28 days of curing

3.2 冻融循环次数及吸水量

地聚物加固土的冻融循环次数如表3所示，其中不同Si/Al条件下吸水量与冻融循环数随模数变化曲线如图4所示。

从表3和图4可以发现：（1）标准养护条件下的吸水质量远小于冻融条件下的毛细水吸水质量；（2）不同硅铝比呈现出随着水玻璃掺量增多吸水量减少的规律；（3）C、D、E组试样在前3个模数（1.0，1.2，1.4）的毛细水质量相差不大，后2个模数吸水质量增多，较为不同的是E组模数为1.0时吸水质量最少；（4）比较吸水量与冻融循环次数曲线，毛细吸水量与冻融循环数具备良好的相关性，呈毛细水吸水量增多抗冻融循环数下降规律。

表3 地聚物加固土的冻融循环次数Table 3 Freezing-thawing cycles of different groups

图4 吸水量与冻融循环数随模数变化曲线Fig.4 Variations of water absorption and freezing-thawing cycles with modulus

3.3 XRD

B1组（A=1.90）与强度最优的E2组（A=1.48）地聚物加固土的XRD结果如图5所示。由图5可以看出：（1）在20°～30°的2θ之间B1、E2上弥散的凸起说明物相的无定形状态，加固土样品特征峰多为土中的石英（Quartz），新生成物质主要为方钠石（Sodalite），是由莫来石（Mullite）在碱性环境下反应生成的[26]；（2）在不同水玻璃模数与碱溶液浓度条件下，地聚物加固土的XRD结果基本一致。

图5 地聚物加固土的XRD图Fig.5 XRD results of geopolymer stabilized soil

3.4 SEM-EDS

B1组（A=1.90）、E1（A=1.38）与E2组（A=1.48）地聚物加固土的SEM结果如图6所示。从图6可以看出，B1组加固土中存在较多分散的土颗粒及形态完整的球状粉煤灰颗粒。E1、E2组加固土中地聚物凝胶明显多于B1组。由此可得，随着碱激发剂掺量的增大，提高了加固土中地聚物凝胶的生成量，使得粉煤灰、土颗粒在凝胶的作用下胶结，分散的颗粒（土、粉煤灰）减少，团聚体增多，以及团聚体体积增大。

图6 地聚物加固土的SEM图Fig.6 SEM results of geopolymer stabilized soil

B1组（A=1.90，C=7.42 mol/L）、E1组（A=1.38，C=22.78 mol/L）与E2组（A=1.48，C=17.05 mol/L）地聚物加固土中凝胶中的元素占比情况如图7所示。从图7可以看出，B1组比E2组掺入的水玻璃量更少，但其凝胶中硅铝元素比（2.56）却比E2组（2.07）更大，说明B1组粉煤灰溶出的铝元素明显少于E2；与E2组水玻璃掺量相同的E1组凝胶中硅铝比为2.16，也稍大于E2的硅铝比。可见，E组生成了富铝相凝胶，而B1组和E1组则生成了富硅相凝胶。B1组由于氢氧化钠溶液的浓度较低，使得地聚反应环境的pH较低，硅铝玻璃体的Si-O-Si、Si-O-Al解聚量少，导致生成低聚状态的[SiO4]-四面体和[AlO4]-较少；E1组则由于氢氧化钠溶液浓度过高，影响了铝元素的溶出[27]。

图7 地聚物加固土中凝胶的EDS图谱Fig.7 EDS results of gel in geopolymer stabilized soil

3.5 FTIR

地聚物加固土（E2组）、粉煤灰（FA）及粉煤灰地聚物（FG）[28]（强度最优组，其碱溶液浓度为10 mol/L）的FTIR结果如图8所示。

从图8（a）（b）可以看出，520 ～778 cm-1段的3个吸收峰只在含土的试样组中，主要由Al-O-Al、Si-O-Al引起；粉煤灰在1 104 cm-1的Si-O-Si、Si-O-Al伸缩振动峰来自其无定形铝硅玻璃体[29]；粉煤灰的振动峰1 104 cm-1移至粉煤灰地聚物的1 030 cm-1。地聚物曲线特征峰从粉煤灰的1 104 cm-1向1 030 cm-1的低波数偏移主要是形成了一种新的富铝凝胶相[30]。硅铝玻璃体的Si-O-Si、Si-O-Al解聚生成低聚状态的[SiO4]-四面体和[AlO4]-四面体，再发生缩聚反应。

从图8（c）（d）可以看出，不同组地聚物加固土与试验用土的FTIR结果曲线主要区别在1 000～1 200 cm-1段的波峰位置；E2组地聚物加固土的特征峰更接近粉煤灰地聚物的特征峰1 030 cm-1，表现出强度最高，此时凝胶中的硅铝比越接近于2，铝溶出量越多；B1组和E1组地聚物加固土的特征峰则更偏向土的特征峰984 cm-1，表现出强度相对较低，地聚物凝胶的生成量较少，此时地聚物凝胶中的硅铝比大于2，铝溶出量相对较低。但从冻融循环试验的结果来看，过高的氢氧化钠溶液浓度（22.78 mol/L）生成的富硅相凝胶有利于增强体系的抗冻融能力。