矿渣地聚物改良红黏土力学特性及微观机制研究

肖桂元,丁 健

(桂林理工大学 广西岩土力学重点实验室,广西 桂林 541004)

红黏土作为一种高含水率和高液限黏土,力学强度较高,可作为地基土使用。红黏土地基具有上硬下软的成层分布特征,上部红黏土为坚硬的硬塑状态,承载力高,下部红黏土为软塑或流塑状态,为地基软弱下卧层,需要进行处理[1],所以对部分性能较差的红黏土进行改良具有较大的实际工程意义。

地聚物是硅铝化合物与碱性激发剂发生反应生成的新型胶凝材料,它具有良好的力学性能[2]。崔潮等[3]研究发现偏高龄土基地聚物的抗压强度在矿渣掺量为40%、碱性激发剂模数为1.6时达到最大。杨振甲等[4]通过改变矿渣粉煤灰地聚物中的n(Si)/n(Al)和n(Na)/n(Al)发现,当n(Si)/n(Al)为2.5、n(Na)/n(Al)为1.0时,矿渣粉煤灰地聚物无侧限抗压强度可达到27 MPa。孔凡龙等[5]通过改变矿渣粉煤灰地聚物中矿渣的掺量,并利用微观物相分析和微观形貌分析发现,矿渣的加入使地聚物在反应过程中生成了水化硅酸钙和水化硅铝酸钠,可提高地聚物的抗压强度。童国庆等[6]通过改变碱性激发剂的模数和反应龄期研究了粉煤灰地聚物的性能,发现在碱性激发剂模数为1.1、龄期为28 d时,粉煤灰地聚物的强度可达10.3 MPa,并认为粉煤灰在碱性激发剂作用下进行解聚-缩聚反应生成了凝胶,提高了粉煤灰地聚物的抗压强度。俞家人等[7]以矿渣为原料,改变碱性激发剂的模数和掺量,对矿渣地聚物固化淤泥的力学强度开展研究,得到了在模数为1.2时固化土强度最高的结论,并提出了28 d龄期固化土强度经验公式。邓永峰等[8]验证了偏高岭土地聚物改良水泥土强度的实用性,并通过现场测试分析了偏高岭土地聚物的实际工程意义。易耀林等[9]研究了在不同碱性激发剂作用下矿粉和电石渣对软土的固化作用,得到NaOH作为矿粉的激发剂效果最佳,Na2SO4作为矿粉-电石渣的激发剂效果最佳。王东星等[10]研究分析出水玻璃溶液对粉煤灰地聚物固化淤泥抗压强度的提升效果较好,并建模分析了粉煤灰地聚物改良淤泥强度的过程。

目前国内外对于地聚物改良红黏土的研究较少。鉴于此,本研究选用矿渣在碱性激发剂作用下改良红黏土的力学特性。本研究选用的矿渣为工业废弃物,便宜且利于环保,在碱性激发剂的作用下可生成强度较高的凝胶体,增强红黏土的抗压强度,以提高红黏土地基软弱下卧层的承载力[11]。本研究选用的碱性激发剂为水玻璃,首先利用NaOH将水玻璃的模数调至试验所需,然后将水玻璃与矿渣反应生成的矿渣地聚物加入红黏土中以改良红黏土的力学性能,最后通过无侧限抗压强度试验来研究各碱性激发剂掺量的地聚物在不同龄期下对红黏土无侧限抗压强度的改良,并通过X射线衍射(XRD)和扫描电子显微镜(SEM)对改良后的红黏土进行了微观机制研究。

1 试验材料

试验材料分别为红黏土、矿渣粉、水玻璃和NaOH,部分试验材料见图1。

图1 试验材料Fig.1 Test material

试验用红黏土取自广西南宁某工地,取土深度为2.5 m左右。取回试验用土后对其进行相对密度、击实、液限、塑限等基本物理性质测试,结果见表1。

表1 红黏土基本物理指标Tab.1 Basic physical indicators of red clay

矿渣粉为巩义市龙泽公司所售,白色,28 d养护龄期的活性指数为98.5%,等级为S95,化学组成见表2。

表2 矿渣粉的化学组成Tab.2 Chemical composition of GGBS %

水玻璃为天津沃川水处理公司所售,初始模数(SiO2与Na2O物质的量之比)为3.26,SiO2和Na2O的质量分数分别为27.6%和8.75%。可在水玻璃溶液中加入质量分数为99%的NaOH固体纯试剂,改变Na2O的质量分数来调整水玻璃模数。经验证,当水玻璃模数为1.2时,其改良土体的抗压强度可达到最优[12]。因此,选取水玻璃模数为1.2。

2 试样制备

为探究不同掺量的碱性激发剂和不同养护龄期改良红黏土的力学性能,将矿渣粉掺量固定为10%(以干土质量计),碱性激发剂掺量(以干土中的矿渣质量计)设为5%、10%、15%,并设置素土为对照组。向初始模数为3.26的水玻璃溶液中加入一定量的固体NaOH,使其模数为1.2,制备完成后将配好的水玻璃溶液密封静置12 h后使用。将矿渣粉和红黏土均匀混合,喷洒制备完成的水玻璃溶液和蒸馏水,充分搅拌。将喷洒后的土样装至保鲜袋密封24 h后测试其含水率,使之达到31%的最优含水率。将配制好的土样用静压法以干密度为1.36 g/cm3制备试样,试样直径为39.1 mm、高度为20 mm。将试样分4次倒入制样器中进行压实,为防止分层,压实前对上一层压实的试样进行刮毛处理。将制备完成的试样分别养护7 d、14 d、28 d。

3 试验方案

使用压力机分别对养护龄期为7 d、14 d、28 d的矿渣地聚物改良土试样进行无侧限抗压强度试验,试验速率设为1 mm/min。微观试验使用无侧限抗压强度试验结束后处理过的部分试样(图2)。微观物相分析采用PANalytical B.V.公司生产的X射线衍射仪,试验条件为恒温26 ℃、衍射角5°～80°,形貌分析使用Hitachi公司生产的S4800型扫描电子显微镜。

图2 试样照片Fig.2 Specimen photos

4 结果与分析

4.1 矿渣地聚物改良红黏土的强度特性

养护龄期、激发剂掺量与矿渣地聚物改良红黏土无侧限抗压强度的关系见图3。固定矿渣掺量,各碱性激发剂的掺量在不同养护龄期与改良红黏土无侧限抗压强度关系的变化规律如图3(a)所示。地聚物改良红黏土的抗压强度与养护龄期呈正相关关系,且在养护龄期为7～14 d时抗压强度增速较快,14 d后增速较慢,28 d时达到最大值,而素土的抗压强度随着养护龄期变化没有出现明显的增长。养护龄期为7 d、14 d、28 d的改良红黏土在不同碱性激发剂掺量下无侧限抗压强度的变化规律如图3(b)所示。当碱性激发剂掺量较少时,地聚物改良红黏土的强度随碱性激发剂掺量的增加而提升,当碱性激发剂掺量超过10%后,抗压强度随着碱性激发剂掺量的增加而降低,在碱性激发剂掺量为10%、养护龄期为28 d时抗压强度最高,达到3 204 kPa,约为素土的5.4倍,即在碱性激发剂掺量从5%提升至10%时,改良红黏土的无侧限抗压强度有较大提升,而在碱性激发剂掺量从10%提升至15%时,改良红黏土的无侧限抗压强度会降低。

图3 矿渣地聚物改良红黏土的无侧限抗压强度Fig.3 Unconfined compressive strength of red clay amended with slag ground aggregates

造成地聚物改良红黏土抗压强度降低的原因主要有两个:一是随着碱性激发剂掺量的增加,前期反应更为剧烈,导致生成的凝胶将尚未完全反应的矿渣覆盖,使得反应中止,矿渣后续并未与碱性激发剂充分反应[13];二是由于碱性激发剂中添加了NaOH,使得水玻璃溶液中含有OH-,随着掺量的增加,红黏土中的OH-浓度也随之增加,而高浓度的OH-会与红黏土中的阳离子发生反应,损坏红黏土内部结构,造成地聚物改良红黏土强度下降[14]。

4.2 矿渣地聚物改良红黏土微观分析

4.2.1XRD分析

矿渣地聚物改良红黏土的微观分析见图4和图5。

图4 红黏土XRD图谱Fig.4 XRD pattern of red clay

图5 红黏土SEM照片Fig.5 SEM photos of red clay

图4(a)为原状红黏土的XRD图谱,图4(b)为碱性激发剂掺量10%改良红黏土的XRD图谱。通过比较可以发现,图4(a)中高岭石、伊利石、石英的衍射峰最高峰(衍射角约为13°、20°和26°)强度有较明显的下降。这是因为矿渣在碱性激发剂的作用下生成了无定形的水化硅酸钙(C—S—H)凝胶,它具有弥散的衍射峰,会遮挡其他物质的衍射峰,造成了上述物质衍射峰下降。在图4(b)中,可看到方解石和水化硅酸钙的特征峰(衍射角约为28°和31°),表明反应生成了两者的晶体。这说明矿渣在碱性激发剂的作用下产生了水化硅酸钙凝胶,这是矿渣地聚物对红黏土强度改良的主要原因。

4.2.2SEM分析

为进一步分析矿渣地聚物改良红黏土抗压强度的机制,采用扫描电子显微镜对其微观形貌进行分析。原状红黏土的SEM照片见图5(a),碱性激发剂掺量10%改良红黏土的SEM照片见图5(b)。从图5(a)可以看到,原状红黏土存在较多孔隙,结构较分散,抗压强度较低;从图5(b)则可以清楚地看到长条状水化硅酸钙晶体,同时团粒之间的胶结作用开始产生,地聚物凝胶与水化硅酸钙凝胶已开始填充颗粒间的孔隙,胶结作用使土体形成一个密实度较高的整体,改良红黏土的无侧限抗压强度得到较大幅度提升。

5 结论

1)矿渣地聚物作为红黏土改良剂,能大幅提升红黏土的无侧限抗压强度,最高可达原状红黏土的5.4倍。

2)通过固定矿渣掺量、改变碱性激发剂掺量,发现当碱性激发剂掺量为矿渣掺量的10%时,对固化红黏土有最佳的效果。

3)矿渣地聚物改良红黏土在碱性激发剂的作用下产生了水化硅酸钙凝胶,土体颗粒的黏结力得到提升,减少了土体间的孔隙,增强了土体的整体性,提高了红黏土的无侧限抗压强度。