碳化作用下改良膨胀土物理力学性质及微观结构特征试验研究

2022-08-10孙献国朱山山李浩男

西北水电 2022年3期

孙献国,朱山山,潘涛,李浩男

(1.安徽省荟资建设工程有限公司,安徽芜湖 241005;2.合肥工业大学资源与环境工程学院,合肥 230009)

0 引言

膨胀土是具有吸水膨胀和失水收缩变形特征的特殊土[1]。当土体天然含水率高，则在泡水后的土体膨胀力和膨胀量会较小，而失水后的收缩力和收缩量相对较大。其特殊工程性质常对工程建设造成危害。膨胀土分布广泛[2]，工程中不可避免会遇到膨胀土区域，相关调查显示其危害地基面积达1 000万平方米左右，铁路、公路工程的均受到严重影响[3-4]。岩土工程界已经对膨胀土工程性质愈加重视。1959年美国科罗拉多州召开了膨胀性粘土学术会议[5]；包括英、美、日在内的多国陆续将膨胀土相关的条文内容写进正式的土工规范与铁路规范等文件中。中国在20世纪70年代开展了膨胀土普查工作，建立了大量科研基地，并获得了大量研究成果和实践经验[6]。就现阶段而言，国际膨胀土研究与工程会议已举办了七届[7]，对于膨胀土的成分、强度、结构、膨胀机理以及变形特征等方面开展了深入的研究，并取得了众多有价值的成果。

目前，大量学者对膨胀土的改良进行了研究。如查甫生等[8]研究了击实膨胀土的强度特性、水稳性能和膨胀土工程处理技术与施工工艺；张小平等[9]开展了石灰改良膨胀土微孔结构试验研究，明确了膨胀土加石灰前后微孔结构的变化及改性机理；夏琼等[10]依托实际工程研究了石灰改良膨胀土的物理性质、胀缩性、强度特性和水稳定性；陈爱军等[11]开展石灰改良膨胀土无侧限抗压强度试验，报道了石灰改良膨胀土的强度变化规律；周葆春等[12]探讨石灰改良膨胀土的变形特征与破坏机制。孙树林等[13]通过室内试验,探讨利用碱渣作为添加剂对膨胀土改良的可行性和改良效果和碱渣改性土的基本物理力学性质和膨胀性。

碳化作用是指空气中的二氧化碳与土体发生相互作用，从而影响到土体工程性质及结构。研究表明碳化作用能对混凝土基质材料性能有一定的提升效果，同时，也对部分化学改良土性能造成劣化。

综上所述，当前虽对膨胀土的改良已有一定的研究，但对于碳化作用对改良膨胀土的工程性质的影响规律和微观机理研究较少。因此，本文采用加速碳化作用试验对碳化作用后改良膨胀土的宏、微观物理性质、力学性质变化进行了研究。

1 试验材料与方法

1.1 试验材料

本次试验用土取自合肥市附近施工现场的膨胀土，使用比重瓶法测定土的比重，采用液塑限联合测定法测定含水率，使用50 ml量筒进行自由膨胀率和自由膨胀比试验，采用合肥工业大学分析测试中心Mastersizer2000激光粒度仪进行黏粒试验分析，土样的基本物理性质指标列于表1。粒径分布结果如图1所示，图2为土样X射线衍射分析结果。由表1可知，土样塑性指数为30，液限56%，自由膨胀率55%，依据GB/T 50145-2007《土的工程分类标准》[17]该土样定名为膨胀土，且为中膨胀土。由于土体塑性指数较大，需采用改良剂进行改良，石灰和碱渣对膨胀土具有较好的改良效果，因此试验所用改良剂为碱渣和石灰。石灰的主要成分为CaO，碱渣作为一种碱性材料主要化学成分如下：CaCO3为34.33%，MgCO3为30.0%，SiO2为10.0%，CaSCl4·2H2O为6.72%，Al(OH)3为4.27%[9]。

表1 膨胀土的基本物理力学性质指标

图1 素土的粒度成分累计曲线

图2 素土的X射线衍射分析

石灰的最佳掺量为6%～8%[10]，碱渣的最佳掺量在20%以上。为比较碳化作用对改良剂种类和掺量对膨胀土基本物理性质和无侧限抗压强度的影响，本试验设计改良剂的配比分别为石灰(L) 6%(L6)；碱渣(AR)20%(AR20)，30%(AR30)，40%(AR40)。

1.2 试验方法

1.2.1试样制备

将土样、石灰、碱渣放在烘箱中105 ℃烘干24 h后取出碾碎，分别过0.5 mm的标准筛。根据JTGE 40—2007《公路土工试验规程》制样，采用压样法，击实试验所得最大干密度的95%认定为压实度，试样含水率按照最优含水率配制。采用静压法将土样制成5 cm× 5 cm(直径×高) 的柱状试样，放在标准养护室(温度20±2℃，相对湿度95%以上)养护28 d。

1.2.2碳化土样

参照混凝土碳化试验标准GB/T 50082-2009《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准》对试样进行碳化，采用天津市港源试验仪器厂生产的TH-B型混凝土碳化试验箱来模拟碳化条件，以二氧化碳浓度为20±2%，温度为20±2℃，相对湿度为75±2%作为碳化的标准环境，碳化养护3 d。

1.2.3无侧限抗压试验与微观测试

依据JTGE 40—2007《公路土工试验规程》，采用YSH-2型石灰土无侧限压力仪对土样进行无侧限抗压强度试验。采用德国产STA449F5型同步热分析仪进行热重分析试验；采用JSM-6490LV型钨灯丝扫描电子显微镜进行SEM试验；使用DX-2700型X射线衍射仪进行XRD试验。

2 结果与分析

2.1 碳化作用前后不同固化剂改良膨胀土物理性质试验结果及分析

图3与图4分别为石灰改良膨胀土和碱渣改良膨胀土的颗粒级配曲线图(C表示碳化后，S表示碳化前，下同)。与图1对比可知，掺入碱渣和石灰后膨胀土中的黏粒含量减少，颗粒粒径总体变大，膨胀性降低。粒径的增大表明碱渣和膨胀土之间存在离子交换作用，促进土颗粒的凝聚作用。从图3和图4对比可知，石灰改良膨胀土碳化后的黏粒含量增多，碱渣改良膨胀土碳化后的黏粒含量减少。

图3 石灰改良膨胀土的颗粒级配曲线

图4 碱渣改良膨胀土颗粒级配曲线

图5为石灰和不同碱渣掺量下改良膨胀土pH变化图。素土的pH值在5.2左右，由图可知，石灰和碱渣改良膨胀土pH值明显增加。由于所使用的石灰和碱渣的pH值分别为11.6和9.24，故改良后的膨胀土pH值明显增大。碳化后相对于碳化前pH值降低，原因为改良膨胀土与空气中的CO2反应形成弱钙碳或镁碳结合物质，酸碱中和反应导致其pH值降低。

图5 石灰和不同碱渣掺量下改良膨胀土pH变化

图6 石灰和不同碱渣掺量下改良膨胀土液限变化

图7 石灰和不同碱渣掺量下改良膨胀土塑限变化

图6、7和图8分别为石灰和不同碱渣掺量下改良膨胀土液限、塑限和塑性指数变化。由图可知，加入石灰和掺量为30%和40%碱渣的改良膨胀土液限减小，塑限增加，塑性指数减小；塑性指数越小，土的膨胀性则越差[11]。随着碱渣掺量的增加，液限变小而塑限增大，导致其塑性指数越来越小。由此可知，掺入碱渣和石灰可达到降低膨胀土的膨胀性的效果。这是由于Ca2+大量存在于碱渣溶液，对于黏土颗粒中的Na+与K+可以通过离子交换作用置换出大幅度降低改性土的液限，而升高塑限，降低了土的塑性指数，进而降低土的膨胀势[8,12]。

图8 石灰和不同碱渣掺量下改良膨胀土塑性指数变化

图9生石灰和不同碱渣掺量下改良膨胀土自由膨胀率变化

由图9可知，掺入石灰改良膨胀土的自由膨胀率为0，掺入碱渣改良膨胀土的自由膨胀率也有明显的降低，但碳化作用后改良土的自由膨胀率均有所增大。自由膨胀率在一定程度上能反应粘土矿物成分、粒度成分、化学成分和交换阳离子等基本特性，可用于评价土的膨胀潜势[13]。

图10石灰和不同碱渣掺量下改良膨胀土自由膨胀比变化

由图10可知，掺入石灰或碱渣的改良膨胀土自由膨胀比都有所减小。随着掺入碱渣含量的增加，土的自由膨胀比减小，且碳化后自由膨胀比均有一定程度的减小；而掺入6%较少剂量石灰的膨胀土自由膨胀比显著减小，但碳化后自由膨胀比又有所增大，说明碳化后碱渣改良膨胀土的黏粒含量减少，石灰改良膨胀土的黏粒含量增加。

2.2 碳化作用对改良膨胀土力学性质的影响

为了研究碳化作用对石灰和碱渣改良膨胀土力学性质的影响，本文开展了改良土碳化前后的无侧限抗压强度试验，试验结果如图11所示。由图11可知，掺入石灰和碱渣的改良膨胀土的无侧限抗压强度均增大；随着碱渣掺量的增加无侧限抗压强度增大。

图11不同石灰和碱渣掺量比下改良膨胀土无侧限抗压强度变化

Thompson(1966)认为膨胀土在掺入生石灰和碱渣后发生了表面阳离子交换和凝聚、结块反应。在土体中掺入生石灰(CaO)和碱渣(CaCO3，CaO)后，Ca2+和OH-的含量显著增加，pH值增大，从而使土体中产生了碱性环境，碱渣的掺入使得改性土的无侧限抗压强度显著提高，CaO·SiO2·nH2O可由碱渣中的氧化物CaO和SiO2生成，该络合物是很好的胶凝材料，并可随着反应的进行强度逐渐增强。碱渣中的CaCO3与Ca(OH)2生成络合物CaCO3·Ca(OH)2，该络合物与膨胀土中含有的SiO2生成新的复合络合物CaSiO3·CaCO3·Ca(OH)2·nH2O,该复合络合物会影响孔隙的分布，同时会减少吸水率、增加密实度[12]。

同时，土体颗粒表面的金属阳离子例如K+、Fe2+等会被Ca2+置换，膨胀土颗粒表面的双电层厚度会变薄，导致土体表面的带电状态改变，土中的胶粒相互吸引团聚起来产生絮凝作用，土体中原有的颗粒组成会“变粗”，从而土的抗水性能和强度得到提高。由于石灰与土中硅、铝会生成具有较强黏结性胶结物质，而胶结作用的强弱是膨胀土强度的关键，然而碳化作用后石灰改良土样强度降低，碱渣改良土强度增大。

2.3 微观试验分析

2.3.1X射线衍射试验( XRD)

图12和13分别为石灰和碱渣掺量为40%的改良膨胀土 X 射线衍射图。本次试验检测到了6种主要的矿物成分：二氧化硅、方解石、球文石、氢氧化钙、CSH和原硅酸钙，在图谱中所对应的峰的位置分别标为 1、2、3、4、5、6。其中灰色曲线为碳化后的膨胀土，黑色曲线为未碳化的膨胀土。掺入石灰改良土碳化前后主要成分为SiO2。因为碱渣中含有较多CaCO3，碳化前后主要成分为SiO2和CaCO3。

图12 石灰改良膨胀土X射线衍射

图13 碱渣掺量为40%改良膨胀土X射线衍射

2.4 热重分析(TGA)

图14和图15分别为石灰改良膨胀土和碱渣改良膨胀土热重分析曲线。由图可知，掺入石灰和碱渣后，碱渣中的氧化物CaO和SiO2可生成水化硅酸钙(CSH)，CSH也会由于石灰与土中大量存在的硅、铝或两者同时作用形成。碱渣主要成分有CaCO3，碳化作用前后CaCO3的含量变化不大，碳化后增加的部分由CSH与CO2反应转化而来。石灰的主要成分是CaO，掺入土中后生成CSH，碳化作用后CSH与CO2反应生成CaCO3，CSH质量减少，CaCO3的质量增加很多。

图14 石灰改良膨胀土热重分析

图15 碱渣改良膨胀土热重分析

2.4.1扫描电镜试验(SEM)

为观察改良土的粒径，排列和孔隙等微观结构的变化，对改良膨胀土进行了扫描电镜试验，如图16所示。改良膨胀土的颗粒间排列了大量长条状晶体，晶体的尖端插入使其周围的微颗粒紧密相连，粘合成一个整体，缩小微孔和微裂隙，降低膨胀土的亲水性，有效抑制膨胀和收缩。改性土颗粒边缘无卷曲现象表明改性后以膨胀土边缘卷曲为特征的黏土矿物含量显著降低，膨胀土亲水性减弱，物理力学性能下降[15]。碱渣本身是一种无黏性的类似于粉土的材料，碱渣含量的增加可有效降低黏粒的质量分数，起着降低膨胀势的作用[13]。

图16 石灰和碱渣改良膨胀土碳化前后扫描电镜

碳化作用后，空气中的CO2渗透入膨胀土中，与碱性物质Ca(OH)2和C-S-H凝胶等发生反应，生成CaCO3和H2O[16]。H+离子与孔液中的OH-离子反应生成H2O，CO32-与孔液中微量Ca2+反应生成溶解度极低的CaCO3沉淀，导致孔液中Ca2+浓度降低。此时,Ca(OH)2晶体溶解补充消耗的Ca2+，该反应一直持续到Ca(OH)2晶体被完全消耗为止[20]。Ca(OH)2晶体对土壤颗粒结合的作用提高强度降低，同时破坏强碱性环境，反应后改性土的结合力全部降低。通过分析扫描电镜图片可知石灰改良土碳化后大孔隙增加，碱渣改良土碳化后大孔隙减少。