偏高岭土基地聚物改良土最优配比及固化效果分析

2022-07-28顾海荣张鹏王盛年吴凯袁洁君薛钦培

科学技术与工程 2022年17期

顾海荣，张鹏，王盛年*，吴凯，袁洁君，薛钦培

(1.江苏省送变电有限公司，南京 210028； 2.南京工业大学交通运输工程学院，南京 211816； 3.南京智慧岩土工程技术研究院，南京 211816)

改良土作为一种砂砾料缺乏地区的建筑材料，具有就地取材、减少运输、施工方便、价格低廉等优点，如水泥土、石灰土等已被广泛用于地基加固、渠道防渗、深基坑、土石坝等工程[1-2]。然而，实际工程中，石灰土因干缩温缩显著，适用性不如水泥土；水泥尽管几乎适用于各类土体的改良，但用量过多将造成水泥土在硬化过程中出现干缩开裂等缺陷[3]，同时，由于普通硅酸盐水泥土强度可调节范围小、水稳性差[4]，其同样无法长期保障改良土体的坚固性、稳定性和耐久性。此外，水泥生产过程还将释放大量二氧化碳，导致全球环境压力倍增[5]。因此，如何提升改良土工程性能并实现人与自然和谐相处已成为学术界和工程界探讨的热点问题。

尽管大量研究表明[10,27-28]，强碱(NaOH)和水玻璃(Na2SiO4)对地聚物活性材料具有更好的激发效果，但在实际应用中，两者运输和储存方面均存在较大困难，且难以保证对环境的不利影响，因此，现从应用可行性出发，以生石灰(CaO)和小苏打(NaHCO3)营造碱激发环境，采用干混方式配制偏高岭土基地聚物材料，进而探讨其在黏土中的改良参数设计及固化效果。

1 试验材料

1.1 试验用土

试验用土取自江苏省南京市南京工业大学江浦校区某施工场地黏土，黏土级配曲线如图1所示。原状土基本物理力学指标如表1所示。为保证制样压实度质量控制，采用标准击实试验获取最大干密度和最佳含水率。击实试验曲线如图2所示。

图1 黏土级配曲线Fig.1 Grading curve of clay

表1 黏土基本物理参数

1.2 活性材料

试验所用活性材料为河北省盛运矿业生产的白色粉末状偏高岭土，其型号为AS2-1250目，如图3所示。偏高岭土化学成分如表3所示。

1.3 碱激发剂

以生石灰(CaO)和小苏打(NaHCO3)的混合物作为碱激发材料，如图4所示，两者均来自南京工业大学化工学院实验室。其中，小苏打为纯度99%的普通碳酸氢钠100目粉末状颗粒，生石灰为粉末状细颗粒。试验用水为普通自来水。

图2 击实试验曲线Fig.2 Proctor compaction test

图3 偏高岭土材料Fig.3 Powder of metakaolin

表2 偏高岭土化学成分

图4 碱激发材料Fig.4 Materials of alkali activator

2 试验方案与试样制备

2.1 试验方案

考虑到核心目的是在常温弱碱条件下实现地聚物活性材料的稳定激发，进而寻找出其在土中的最优掺入比，并揭示土体改良固化效果，因此，试验内容分为3部分：①活性材料(偏高岭土)与碱激发剂之间的配比关系分析；②偏高岭土基地聚物在土中的最优配比分析；③通过与普通硅酸盐水泥土、纯黏土进行强度平行对比试验，探讨地聚物对土体的改良效果及破坏模式，并结合扫描电镜试验从细观层面分析三者在微结构上的差异，揭示不同类型土的团聚效应和强度改善机制。具体方案如下。

(1)偏高岭土基地聚物材料配比试验。如表3所示，按最优含水量和水灰比(0.35)确定试验最终用水量，以生石灰(CaO)和小苏打(NaHCO3)质量比为1∶1制备碱激发剂，制备不同偏高岭土和碱激发剂掺量下的地聚物改良土圆柱试样，开展室内7 d无侧限抗压强度试验。试验设备采用YSH-2型电动无侧限压力仪，试验加载速率为10 mm/min。每组3个试样作为平行试验。

表3 试验方案

(2)偏高岭土基地聚物改良土配比试验。依据上述试验所得活性材料与碱激发剂之间的配比关系，以干混方式制备地聚物(即配制偏高岭土、生石灰、碳酸氢钠的粉末状混合物)。参考Zhang等[25]所述试验方案，并结合《水泥土配合比设计规范》，制备地聚物掺量为6%、8%、10%和12%的改良土圆柱试样，开展室内7 d无侧限抗压强度试验。每组3个试样作为平行试验。

(3)强度对比试验与扫描电镜试验。根据地聚物改良土配比试验确定出的最优掺比，制备相同掺比条件下的普通硅酸盐水泥土试样，以及纯黏土试样，开展室内7 d抗压、抗剪、抗拉强度测试，对比分析地聚物对土体的改良效果，并探讨不同掺量下地聚物改良土在荷载作用下的破坏模式。同时，通过对恒温恒湿养护箱中养护7 d后的地聚物改良土、普通硅酸盐水泥土以及纯黏土试样进行切片，选取具有代表性的土样块，自然脱水干燥、打磨、抛光、整平，然后采用JSM-5900扫描电镜对试样表面放大500倍和4 000倍两个倍数进行成像。其中，500倍数区图像用来观察试样切面上松散区与密实区的分布情况、大颗粒与较小颗粒及颗粒间的接触状况以及孔隙分布情况，4 000倍数区图像用以观察微小颗粒与特微小孔隙、以及改良土微观结构，以反映改良土的微观加固机制。当然，需要注意的是，由于观察范围小，试验无法完整反映整个试样的微观结构状态。

2.2 试样制备

将试验黏土放入105 ℃烘箱中持续烘干24 h，碾压磨碎，过2 mm筛。按配比设计分别称取每组所需的烘干黏土、偏高岭土、生石灰、小苏打和水，然后将各组称好的烘干黏土、偏高岭土、小苏打和生石灰混合均匀后(图5)，加水充分搅拌。将充分拌和均匀的改良土样分别等分四等份放入试验托盘中备用。在制样模具内壁均匀涂抹凡士林，并包裹保鲜膜(其目的是为了尽可能保证拆样时试样的完整性)。然后分层将改良土样装入39.1 mm×80.0 mm模具中，每层均匀压实至指定高度。制样结束后，将试样编号并放入常温(约10 ℃)恒湿养护箱静置24 h后拆模(图6)，继续养护6 d后利用电动无侧限压力仪进行无侧限抗压强度试验。

图5 偏高岭土基地聚物改良土混合物Fig.5 Soil mixed with metakaolin-based geopolymer

图6 偏高岭土基地聚物激发改良土Fig.6 Samples of geopolymer-improved soil

3 试验结果与分析

3.1 无侧限抗压强度试验结果

地聚物改良土试样7 d无侧限抗压强度试验结果如表4所示，可知，不同偏高岭土和碱激发剂掺量下的地聚物改良土无侧限抗压强度值均呈现先增大后减小趋势，最大抗压强度在偏高岭土和碱激发剂掺量分别为10%和5%时获得，平均抗压强度值为418.63 kPa。

表4 无侧限抗压强度试验结果

3.2 地聚物碱激发材料配比分析

对表4数据进一步分析发现，地聚物改良土无侧限抗压强度在相同偏高岭土掺量下均随碱激发剂掺量呈先增后减变化，对其峰值掺比进行分析发现，偏高岭土和碱激发剂的掺比均在2.0左右，因此，推测稳定合成地聚物的偏高岭土和碱激发剂的理想配比应为2∶1。为进一步验证该推断，补充偏高岭土掺量为8%和12%，碱激发剂掺量为4%和6%的无侧限抗压强度试验，所得偏高岭土掺量8%、碱激发剂掺量4%和偏高岭土掺量12%、碱激发剂掺量6%的无侧限抗压强度均值分别为385.38 kPa(试验值为381.60、377.01、397.52 kPa)和343.77 kPa(试验值为300.54、350.94、379.83 kPa)。将其与表4结果汇总，绘制偏高岭土掺量相同、碱激发剂掺量不同条件下的地聚物改良土无侧限抗压强度曲线如图7所示。

图7 不同偏高岭土掺量、碱激发剂掺量下的地聚物改良土无侧限抗压强度曲线Fig.7 UCS of improved soil with different metakaolin content and alkali activator contents

从图7可知，当偏高岭土掺量分别为6%、8%、10%和12%时，其无侧限抗压强度峰值曲线均随碱激发剂掺量的增加呈抛物线型变化，且峰值曲线峰值也确实在碱激发剂掺量分别为3%、4%、5%和6%时获得，因此可以断定地聚物碱激发材料中活性材料与碱激发剂间的最佳配比就是2∶1。

3.3 地聚物改良土最佳配比分析

图8 不同地聚物掺量下改良土无侧限抗压强度曲线Fig.8 Curves of unconfined compression strength of improved soil with different geopolymer contents

图8(a)为不同地聚物碱激发材料掺量下改良土的无侧限抗压强度曲线(偏高岭土和碱激发剂的掺比均为2∶1)。可以看出，当地聚物碱激发材料掺量小于15%时，改良土无侧限抗压强度随地聚物碱激发材料掺量的增加而增大，而当地聚物碱激发材料掺量大于15%后，改良土无侧限抗压强度却不增反降。因此，可以初步推断地聚物碱激发材料在土体中的最优掺量应为15%。为进一步论证这一结论，绘制不同地聚物碱激发材料掺量下的改良土无侧限峰值抗压强度均值曲线如图8(b)所示。可以看出，随着地聚物碱激发材料掺量增加，改良土无侧限峰值抗压强度确实先增后减，且在地聚物碱激发材料掺量为15%时最优。然而需要注意的是，地聚物碱激发材料在土体中的掺量不仅与土体的强度提升有关，也与土体的工程性能需求和经济性有关，也即强度最优掺比不一定就是最佳的工程使用掺比。尽管改良土峰值强度在地聚物碱激发材料掺量在15%时取得了最大值，但其强度提升效果与地聚物碱激发材料掺量为12%时相比，差异并不是很大，即优势不明显，因此，若考虑工程经济性影响，改良土中偏高岭土基地聚物的最佳掺量取12%更为合理。

另外，从图8(a)所示改良土无侧限抗压强度曲线斜率可以发现，当地聚物碱激发材料掺量小于12%时，曲线斜率随地聚物碱激发材料掺量增加呈变陡趋势，但当地聚物碱激发材料掺量大于12%后，曲线斜率增长速率却逐渐变缓，曲线斜率甚至近似不变。显然，若从变形性能来看，地聚物碱激发材料掺量为12%也是土体改良的最经济选择。

3.4 偏高岭土掺量影响分析

图9为不同偏高岭土掺量下地聚物改良土的单轴压缩应力应变关系曲线。可知，相同偏高岭土掺量下，地聚物改良土峰值抗压强度均随碱激发剂掺量增加呈先增后减变化。当偏高岭土掺量近似为2倍碱激发剂掺量时，地聚物改良土峰值抗压强度取得最大值。同样，曲线切线弹性模量也随着碱激发剂掺量增加呈先增后减变化，且当偏高岭土掺量近似为2倍碱激发剂掺量时，曲线切线斜率最大，也即地聚物改良土刚度最好。相同偏高岭土掺量地聚物改良土峰后曲线特征表明，随着偏高岭土与碱激发剂掺量比接近2.0，峰后曲线逐渐变陡，改良土峰后软化特征减弱、脆性增强。

图9 不同偏高岭土掺量下改良土应力-应变关系曲线Fig.9 Stress-strain curves of geopolymer-improved soil with different metakaolin contents

3.5 碱激发剂掺量影响分析

图10 不同碱激发剂掺量下改良土应力应变关系曲线Fig.10 Stress-strain curves of geopolymer-improved soil with different alkali activator contents

4 固化效果与破坏模式

4.1 固化效果

表5所示为偏高岭土基地聚物改良土(偏高岭土10%，碱激发材料5%)、普通硅酸盐水泥土(水泥掺量15%)以及纯黏土的无侧限抗压强度、直接剪切强度和巴西劈裂抗拉强度平均值。由表5可知，即便是在温度较低情况下(试验养护温度约为5 ℃)，偏高岭土基地聚物改良土不论是在抗压强度、抗剪强度，还是在抗拉强度方面均表现出更大的优势，特别是，只要土体中硅铝酸根离子未反应完全，在OH-作用下地聚物网状结构随着时间发展将持续形成并不断相互连接成更大的网络结构，从而将使地聚物改良土强度继续增加，因此，同样可预判偏高岭土基地聚物改良土的力学性能将更好。

图11 SEM微观结构特征Fig.11 Microstructural characteristics of soils by SEM

另外，为进一步评价地聚物改良土的固化效果，分别对纯黏土、普硅酸盐水泥土及偏高岭土基地聚物改良土开展扫描电镜试验(图11)。由图11(a)、图11(b)可知，未改良纯黏土基本以片状单元体为主，单元体排列定向性较差，单元体之间以接触联结为主，但也同时存在着单元体间的胶结联结，单元体间排列较疏松，结构类型为颗粒-团粒体、接触-胶结、架空结构。由图11(c)、图11(d)可知，普通硅酸盐水泥土中，颗粒分布呈团簇状，具有明显不规则立体状分布特征，水泥水化结晶将颗粒联结在了一起，构成了粒状-镶嵌-胶结结构，而正是这种较强的结构联结，使得普通硅酸盐水泥土在宏观上表现出了更高的强度。相比未加固黏土，普通硅酸盐水泥土团聚颗粒粒径明显增大(不排除大颗粒间存在局部架空)，且水泥水化产物的胶结作用使得片状黏土颗粒更加致密。由图11(e)、图11(f)可知，地聚物改良土中的胶结物质使得片状黏土颗粒之间的接触联结转变为胶结联结。由于土颗粒表面及颗粒间存在着不同程度的硅铝酸盐聚合物，先前的微小独立颗粒、叠聚体以及絮凝体在硅铝酸盐聚合物的牢牢包裹下形成了大体积的团状凝聚体及极强的网状联结，颗粒单元体和絮凝体之间排列紧密，架空现象较普通硅酸盐水泥土减少，使得地聚物改良土在结构上较普通硅酸盐水泥土更加密实，地聚物改良土结构强度也呈现不断增长趋势。另外，相比普通硅酸盐水泥土，地聚物改良土中颗粒、叠聚体以及絮凝体在自身周边呈现有大量凝胶结晶物质(物相分析发现主要为C—S—H、C—A—H、CaCO3、CaSiO3等)，这种凝胶结晶物质随时间的发展存在向外不断扩展的趋势，这将使得地聚物改良土密实度进一步提高，进而整体增强改良土的强度。因此，相较黏土和普通硅酸盐水泥土，地聚物改良土对土体的固化效果更为显著。

表5 不同类型土力学强度对比

图12 不同偏高岭土和碱激发剂掺量下土样破坏形态Fig.12 Failure patterns of geopolymer-improved soil with different metakaolin and alkali activator contents

4.2 破坏模式

图12为不同偏高岭土和掺量碱激发剂掺量下的土样破坏情况。由图12可知，低偏高岭土和碱激发剂掺量下，地聚物改良土试样在荷载作用下均有明显剪切带形成，土体的结构性破坏实质上属剪切带区域土体的剪切塑性破坏。随着偏高岭土掺量和碱激发剂掺量的增加，试样在荷载作用下形成的剪切带不再明显，而是逐渐转变为竖向鼓胀开裂及劈裂破坏。究其缘由主要是，当偏高岭土掺量多、碱激发剂掺量少，即二者掺比大于2∶1时，地聚物改良土中的活性物质SiO2、Al2O3将因碱激发剂掺量不足导致聚合反应不充分，地聚物改良土强度增加有限；当偏高岭土掺量少、碱激发剂掺量多，即二者掺比小于2∶1时，地聚物改良土中的活性物质将随碱激发剂掺量的增多得到充分溶解与聚合，地聚物改良土脆性因此增强。