一种改性地质聚合胶凝料制备及软土加固应用测试

郑亮亮

(中铁第一勘察设计院集团有限公司，陕西 西安 710043)

地质聚合物是一种廉价又环保的现代土壤固化剂，是通过碱性激发剂对工业固体废弃物进行激发，使其可在加固的土壤内部形成结构稳定的胶凝材料，进而对软土进行有效固化。而地质聚合物因为其原料价格低廉，污染低、耐久性强等特点，在建筑领域得到了广泛运用。国内部分学者也进行了很多研究，如以硅灰为硅铝调节剂，钢渣和废催化裂化剂为原料，设计了具备一定强度的地质聚合物[1]。以地质聚合物早期强度为主要研究对象，对地质聚合物强度影响因素进行研究[2]。为了探究地质聚合物的加固机理与用于软土加固的效果，本研究以矿渣和粉煤灰为主要材料，制备了一种新型地质聚合物，并探究了其对软土加固的机理。

1 材料与方法

1.1 材料与设备

本试验主要材料：矿渣(Ⅱ类，泽恩矿产品加工厂)、粉煤灰(低钙类,彩瑞矿产品加工厂)、氢氧化钠(AR启智化工新材料)。

本试验主要设备：CQM搅拌机(科尼乐机械设备)、FYL-YS恒温养护箱(贝登医疗股份)、GWH-9140A电热鼓风干燥箱(笃特科学仪器)、LHMJ-III击实仪(蓝航中科测控技术研究所)、YYW-II应变控制式无侧限压缩仪(天通试验检测仪器)、EVO18扫描电子显微镜(普瑞赛司仪器)。

1.2 试验方法

1.2.1地质聚合物制备

(1)将矿渣、粉煤灰和碱性激发剂(NaOH)干料按照一定比例放入搅拌机中，混合均匀后根据水灰比放入全部用水量;混合均匀后，成功制备出地质聚合物浆液;

(2)将制备的浆液倒入准备好的圆筒模具中，在倒料时要注意边装边振，尽量减少浆液内部气泡的存在;

(3)将装好地质聚合物浆液的模具置于FYL-YS型恒温养护箱内，在温度25 ℃条件下养护至初凝，脱模后用保鲜膜封存，继续养护至指定龄期。在制备地质聚合物样品时，样品强度受碱性激发液浓度的影响，为简化计算过程，本次试验将碱性激发液的浓度设定为固定值，后续进一步研究;碱性激发剂浓度根据水灰比确定[3]。

碱性激发剂浓度表达式为[4]：

式中:CNH为碱性激发液浓度；mNH为碱性激发液质量；MNH碱性激发液质量；mW为水的质量；ρW为水的密度。

1.2.2地质聚合物固化软土制备

(1)将取自某工程黏土置于GWH-9140A型电热鼓风干燥箱中烘干，烘干温度为105 ℃。将烘干后黏土粉碎后，将大粒径黏土筛出丢弃后，重新制备含水率为50%的重塑软土进行试验[5];

(2)将地质聚合物浆料与重塑软土混合搅拌，搅拌时间为5 min，分3次倒入提前涂有凡士林的模具中，每次倒入需在LHMJ-III型击实仪的作用下击实15次左右，将混合物振实刮平[6]。然后用保鲜膜密封土样上、下表面，放入恒温养护箱内养护，制备过程为45 min，养护温度和湿度分别为21 ℃和95%；

(3)养护24 h脱模、编号，继续养护至指定龄期。

1.3 性能测试

1.3.1无侧限抗压强度测试

实验教学仪器设备的维修是设备管理的重要工作，随着设备的使用，难免会出现设备损坏的情况，这就需要我们对实验设备进行维修和保养，做好仪器设备的维修能够提高设备的使用年限，也能够保证实验教学的顺利开展。实验设备的维修应有维修记录表，每次维修详细记录，方便今后查阅。

用应变控制式无侧限压缩仪对样品进行无侧限抗压强度试验[7]。

1.3.2SEM测试

将待测样品置于电热鼓风干燥箱中烘干，然后对样品进行喷碳镀膜。最后置于EVO 18型扫描电子显微镜试验台上，对样品的内部微观形貌进行观察，研究地质聚合物对软土的加固机理[8]。

2 结果与讨论

2.1 地质聚合物参数优化

2.1.1矿渣与粉煤灰比例优化

地质聚合物抗压强度变化情况，结果如图1所示。

图1 地质聚合物抗压强度变化Fig.1 Change of compressive strength of Geopolymer

从图1可以看出，当矿渣与粉煤灰的比例为9∶1时，7 d抗压强度达到最大2.94 MPa。这种变化的主要原因在于，当体系内部存在粉煤灰时，矿渣富硅相受碱性激发液影响，快速分离出硅酸根离子，与体系内钙离子结合后形成硅酸钙，这就导致体系内部凝结速度较快，在搅拌过程中的浆料出现结团的情况，降低了地质聚合物强度[9]。

掺入粉煤灰后，在粉煤灰活化效应的作用下，促进钙离子与体系内活性成分二氧化硅、氧化铝结合，产物为水化硅酸钙和水化硅酸铝，而其对地质聚合物强度有提升作用。同时，粉煤灰结构为球形玻璃体， 在搅拌过程中，与水化产物同时起到了润滑滚动作用，浆液流动性提高，在聚合物内部均匀扩散，减少了浆液内部凝结时间，增强了地质聚合物的和易性，导致地质聚合物强度增加[10]。

继续增加粉煤灰的质量，体系内部无法提供更多的钙离子，使得阳离子在网格中形成非晶质结构，最后生成自身结构稳定、粘性较差的粉煤灰基地质聚合物，这样反而让地质聚合物的无侧限抗压强度有所下降[11]。综合考虑，选择矿渣与粉煤灰最佳比例为9∶1。

2.1.2水灰比优化

在地质聚合物中，水灰比对碱性激发液浓度产生影响，进而对地质聚合物无侧限抗压强度产生影响。本试验设计水灰比分别为0.5、0.6、0.7进行试验，研究了水灰比变化对地质聚合物无侧限抗压强度的影响，结果如图2所示。

图2 水灰比与抗压强度关系Fig.2 Relationship between water cement ratio andcompressive strength

从图2可以看出，随水灰比的增加，地质聚合物强度呈现倒“V”变化。这是因为适量的碱性激发液对促进煤渣富硅相离解产生积极的作用；而过多的水灰比降低了体系内碱激液浓度，对先驱剂的活性成分激发以及硅、铝分子键的解聚效果产生影响，进而导致地质聚合物的无侧限抗压强度受到影响[12]。综合考虑，选择最优水灰比为0.6。

2.2 地质聚合物固化软土抗压强度研究

2.2.1碱性激发剂含量与抗压强度关系

在进行地聚合物抗压强度试验时，为简化计算过程，固将碱性激发剂含量设置为恒定值。但用地质聚合物固化软土的过程中，地质聚合物中碱性激发剂浓度对固化效果影响较大。为更好地探究地质聚合物固化软土过程中对软土抗压强度的影响规律，本研究设立不同浓度的碱性激发液进行试验，结果如图3所示。

从图3可以看出，当碱性激发剂浓度为4.64 mol/L时，固化软土试件的无侧限抗压强度皆高于其他样品，其14 d无侧限抗压强度值最高可达1.5 MPa；这说明最佳碱性激发剂浓度为4.64 mol/L。同时，这也证明了地质聚合物可有效加固软土。

图3 碱性激发剂与抗压强度关系Fig.3 Relationship between alkaline activator andcompressive strength

2.2.2碱性激发剂与硅原材料质量比对抗压强度的影响

碱性激发剂与硅原材料质量比对抗压强度的影响，结果如图4所示。

图4 抗压强度变化Fig.4 change of compressive strength

从图4可以看出，当碱性激发剂与铝硅原材料的质量比为0.15时，固化软土7 d最高抗压强度为1.0 MPa。这个结果与2.2.1中结果一致，这表明碱性激发剂与铝硅原材料的最佳质量比为0.15。

2.3 地质聚合物固化软土机理研究

为探究地质聚合物固化软土机理，用扫描电镜对不同养护龄期的固化软土进行分析，结果如图5所示。

(a)3 d龄期

从图5可以看出，在3种养护龄期的固化软土中，均能看到体系内部有很多无定形水化硅酸钙凝胶，这证明地质聚合物是通过体系内部生成大量网状结构的水化硅铝酸钙胶凝体和条型形式的水化铝酸钙胶凝体来增加地质聚合物的强度。同时，从图5还可以观察到，当养护龄期为3 d时，固化软土内部仅存在少量的胶凝体，因此对其抗压强度的增强力度较小，随养护龄期的增加，软土内部凝胶体内部性存在的水化产物越多；当养护龄期为14 d时，内部胶凝物质含量增加，互相包裹联结，增强了固化软土内部的整体性，减少了内部的微观孔洞，使其整体强度有所上升。

3 结语

通过以上分析可知，地质聚合物对软土可起到有效加固作用；但影响加固效果的原因较多，经过对具体的原因进行分析，得到的具体结果：

(1)地质聚合物的最优制备条件：矿渣与粉煤灰最佳比例为9∶1，最优水灰比为0.6。此时地质聚合物样品7 d抗压强度为2.94 MPa；

(2)用地质聚合物加固软土，当地质聚合物中碱性激发剂与铝硅原材料的质量比为0.15，碱性激发剂浓度为4.64 mol/L时，地质聚合物对软土的加固的效果最好，加固后软土7 d抗压强度达到1.0 MPa;

(3)扫描电镜结果表明，掺入地质聚合物后，软土内部生成大量网状结构的水化硅铝酸钙胶凝体和条型形式的水化铝酸钙胶凝体对加固软土的无侧限抗压强度有增强作用。