劉 楷 ，李仁民 ，杜延軍 ，魏明俐

（1. 東南大學 巖土工程研究所，江蘇 南京 210096；2. 東南大學 江蘇省城市地下工程與環(huán)境安全重點實驗室，江蘇 南京 210096）

1 引 言

氣泡混合輕質(zhì)土是 21世紀初陳忠平等從日本引進的一種新型輕質(zhì)土材料，由土、一定比例的氣泡和固化材料制備而成，重度和強度可自由調(diào)整的一種輕質(zhì)土[1]。目前氣泡混合輕質(zhì)土在日本廣泛應(yīng)用于路基加寬、地質(zhì)條件復(fù)雜路段路基填筑、隧道坑口填筑、橋背填土、低填土路堤軟基 換填和地下空洞填充等方面[2]。近年來，我國在建筑工程和道路工程中也逐漸開始對其推廣和應(yīng)用，為減小國家體育場地下通道上部結(jié)構(gòu)荷載，采用氣泡混合輕質(zhì)土分層填筑，減小了隧道頂板的荷載，施工總量為15 513 m3[3]。為解決湖南瀏醴高速公路橋頭跳車問題，2011年采用密度為0.8 g/cm3的氣泡混合輕質(zhì)土在引橋路面以下至橋墩之間進行填土，施工總量為2 000 m3，填土完成后各項指標均達標，且有著良好的經(jīng)濟效益和環(huán)境效益[4]。

為擴大氣泡混合輕質(zhì)土的應(yīng)用范圍，國外對氣泡混合輕質(zhì)土的工程特性做了一系列的研究。Horpibulsuk 等[5]對水泥輕質(zhì)土的研究指出，水泥輕質(zhì)土強度主要因素有土性、泡沫體積摻量、水泥含量、含水率和齡期等，并建立了強度和孔隙水泥體積比（泡沫和水總體積與水泥體積之比）的經(jīng)驗公式。Zhang等[6]使用低鈣粉煤灰、硅酸鈉和氫氧化鈉制備輕質(zhì)地聚合物，相同密度的輕質(zhì)地聚合物強度高于發(fā)泡水泥。對于地聚合物輕質(zhì)土研究較為少見，對于氣泡混合輕質(zhì)土干、濕耐久性和硫酸鈉耐久性的研究報道較為少見。

我國在這方面的研究和應(yīng)用尚處于初步發(fā)展階段。為了加快對氣泡混合輕質(zhì)土在我國工程上的應(yīng)用，需要對氣泡混合輕質(zhì)土的干濕耐久性和抗硫酸鈉腐蝕進行評價。氣泡混合輕質(zhì)土密度小于1 000 kg/m3需要考慮水的浮力作用，密度過大則不能體現(xiàn)出其輕質(zhì)性。本文選取密度為 1 000 kg/m3和1 100 kg/m3的水泥輕質(zhì)土和地聚合物輕質(zhì)土，地聚合物選用?；郀t礦渣粉(GGBS)+硅酸鈉+電石渣，與傳統(tǒng)地聚合物相比，采用電石渣旨在代替NaOH，保持良好激發(fā)性能同時降低材料成本，并實現(xiàn)廢物再利用的目的[7]。通過室內(nèi)試驗對其干濕耐久性和抗硫酸鈉腐蝕進行評價，研究成果將有助于氣泡混合輕質(zhì)土在我國工程上應(yīng)用和優(yōu)化設(shè)計。

2 試驗內(nèi)容和方法

2.1 試驗材料

試驗采用南京下蜀土作為原料土，取自南京市龍?zhí)舵?zhèn)某港口內(nèi)。其主要物理指標見表 1。發(fā)泡劑購于山東省濰坊某化工廠，屬于植物源復(fù)合發(fā)泡劑，常溫下為無色至微黃色黏稠液體，pH=6.5～7.5。固化材料選用 42.5#早強水泥和地聚合物（GGBS+硅酸鈉+電石渣）。顆粒分析采用馬爾文激光粒度分析儀測定。依據(jù)ASTM D248710標準[8]判定，南京下蜀土屬于低液限黏土（CL）。GGBS主要物理化學指標見表 2。其中，比表面積和平均粒徑通過ASAP2020型吸附分析儀采用氮氣吸附法測試。由X射線熒光光譜儀測得的土、42.5#早強型水泥、GGBS和電石渣主要化學成分見表 3，設(shè)計配比見表4、5。

表1 土的主要物理化學指標Table 1 Main physico-mechemical indexes of clay

表2 GGBS的主要物理化學指標Table 2 Main physico-chemical indexes of GGBS

表3 試驗所用土、水泥、GGBS以及電石渣的主要化學成分Table 3 Main chemical compositions of soil, cement, GGBS and carbide slag

表4 水泥輕質(zhì)土配合比設(shè)計Table 4 Mix design of lightweight cement stabilized clay

表5 地聚合物輕質(zhì)土配合比設(shè)計Table 5 Mix design of lightweight geopolymer stabilized clay

2.2 氣泡混合輕質(zhì)土的配比設(shè)計

本次試驗使用的地聚合物中GGBS、硅酸鈉和電石渣質(zhì)量比為8︰1︰1。固化材料的摻量（固化材料/干土質(zhì)量比）均取50%，為滿足氣泡混合輕質(zhì)土的流動性，試樣的含水率取84%（約2倍液限，見表 4、5）。

2.3 試驗方法

將預(yù)備的原料土風干粉碎，過2 mm篩，摻入固化劑和水并用NJ-160A水泥凈漿攪拌機攪拌5 min以上。本文采用預(yù)制低壓發(fā)泡的方法，依據(jù)美國規(guī)范ASTM（C796M-12）標準[9]，將發(fā)泡劑和水按 1︰40體積比在燒杯中進行混合加入20 L儲氣罐中，向儲氣罐內(nèi)注入壓縮空氣，控制出口壓力0.2 MPa，最后往料漿中加入一定體積泡沫。采用與前述相同攪拌方式攪拌7 min左右，測試密度。達到設(shè)計密度后將氣泡混合輕質(zhì)土倒入φ50 mm×100 mm的柱形PVC模具中，將試樣密封放置在標準養(yǎng)護室內(nèi)（養(yǎng)護條件為溫度（20±3）℃，相對濕度為 98%）。試樣養(yǎng)護3 d后將試樣輕輕從PVC模具中推出，將試樣密封放置在標準養(yǎng)護室內(nèi)繼續(xù)養(yǎng)護至設(shè)計齡期。

本次干濕循環(huán)試驗按 Kamon等改良的方法進行[10]，標準養(yǎng)護28 d后開始干濕循環(huán)，干循環(huán)歷時48 h，養(yǎng)護溫度為30 ℃，干循環(huán)結(jié)束后，待試樣冷卻1 h，將試樣浸泡于20 ℃水溫的蒸餾水中，放置在標準養(yǎng)護室23 h，記為一級干濕循環(huán)。試驗共進行十級干濕循環(huán)。每級干濕循環(huán)后，取每組試樣的3個平行試樣進行直徑、高度、質(zhì)量及無側(cè)限抗壓強度基本參數(shù)試驗。無側(cè)限抗壓強度試驗參照《公路土工試驗規(guī)程》[11]進行，無側(cè)限抗壓強度試驗設(shè)備采用南京寧曦土壤有限公司出廠的 YSH-2型石灰土無側(cè)限壓力儀，壓力傳感器系數(shù)為21 N/0.01 mm，試樣承臺上升速率為1 mm/min。每級干濕循環(huán)結(jié)束后質(zhì)量變化率wn和強度比根據(jù)式（1）、（2）進行計算。

式中：m0為試樣初始的質(zhì)量（28 d時測得的質(zhì)量）；mn為不同配方第n級干濕循環(huán)后試樣的質(zhì)量；qu,28為試樣標準養(yǎng)護28 d的無側(cè)限抗壓強度；qu,n為第n級干濕循環(huán)后試樣的無側(cè)限抗壓強度。

本次硫酸鈉浸泡試驗按Kamon等改良的方法進行[10]。浸泡溶液選用質(zhì)量分數(shù)為2.5%（0.176 mol/L，pH=6.23）的硫酸鈉溶液。試樣制備方案和方法如前文所述，試樣標準養(yǎng)護28 d后開始浸泡。在試樣底部放置透水石共同放置在燒杯中，硫酸鈉溶液完全淹沒試樣；浸泡時間分別為為3、7、28、60、90、120 d，每7 d更換一次硫酸鈉溶液。浸泡至規(guī)定時間后，取每組試樣的3個平行樣進行質(zhì)量、直徑、高度和無側(cè)限抗壓強度基本參數(shù)測試。

3 試驗結(jié)果及討論

3.1 干濕循環(huán)質(zhì)量損失率研究

圖1為水泥輕質(zhì)土和地聚合物輕質(zhì)土在干濕循環(huán)中質(zhì)量變化率。從圖中可以看出，密度為1 000、1 100 kg/m3的地聚合物輕質(zhì)土的質(zhì)量變化率分別為-3.5%、-2.75%，略高于水泥輕質(zhì)土的-1.85%、-2.62%。

圖1 水泥輕質(zhì)土和地聚合物輕質(zhì)土干濕循環(huán)質(zhì)量變化率Fig.1 Relationships between mass with wetting-drying cycles for LCSC and LGSC

3.2 干濕循環(huán)無側(cè)限抗壓強度變化特性

圖2為水泥輕質(zhì)土和地聚合物輕質(zhì)土無側(cè)限抗壓強度隨干濕循環(huán)次數(shù)變化規(guī)律。從圖中可看出，干濕循環(huán)作用下水泥輕質(zhì)土強度呈現(xiàn)增長趨勢，在第5～6個循環(huán)強度達到最大值，第8個循環(huán)基本達到穩(wěn)定，地聚合物輕質(zhì)土強度呈現(xiàn)逐漸下降的趨勢，第4個循環(huán)時達到相對穩(wěn)定的狀態(tài)；在水浸泡作用下水泥輕質(zhì)土強度會產(chǎn)生一定提高，干濕循環(huán)對水泥輕質(zhì)土強度損害較小，且濕循環(huán)作用大于干循環(huán)作用；地聚合物輕質(zhì)土水化反應(yīng)較完全，不斷地吸水失水導(dǎo)致試樣內(nèi)部孔隙相互連通，試樣內(nèi)部裂縫不斷擴大，從而降低了其抗壓強度。圖2顯示，水泥輕質(zhì)土在10級干濕循環(huán)后強度略有增長；地聚合物輕質(zhì)土10級干濕循環(huán)后強度出現(xiàn)急劇下降，僅為標準養(yǎng)護28 d試樣的30%左右。水泥輕質(zhì)土的抗干濕循環(huán)能力明顯優(yōu)于地聚合物輕質(zhì)土。Kampala等[11]對電石渣-粉煤灰固化土的抗干濕循環(huán)研究表明，雖然電石渣的摻入增加了土體的強度，但是使其抗干濕循環(huán)能力大大降低，6級干濕循環(huán)后僅為標準養(yǎng)護28 d試樣強度的40%左右，與本文結(jié)論基本一致。

圖2 水泥輕質(zhì)土和地聚合物輕質(zhì)土與強度比隨干濕循環(huán)次數(shù)的變化關(guān)系Fig.2 Relationships between qu and qu,w-d /qu,28 of LCSC and LGSC with wetting-drying cycles

3.3 硫酸鈉浸泡質(zhì)量損失率研究

從圖3中可以看出，地聚合物輕質(zhì)土在硫酸鈉浸泡條件下其質(zhì)量變化率要高于水泥輕質(zhì)土的質(zhì)量變化率；密度越小質(zhì)量增長越多。水泥輕質(zhì)土和地聚合物輕質(zhì)土質(zhì)量增長是由于試樣中含有大量孔隙吸水引起的，Ramamurthy等[13]在研究發(fā)泡水泥抗硫酸鹽腐蝕時也發(fā)現(xiàn)，在硫酸鹽溶液中浸泡的試樣質(zhì)量出現(xiàn)明顯增長，主要原因是浸泡過程中試樣吸水并生成了新的物質(zhì)導(dǎo)致質(zhì)量增加。

圖3 水泥輕質(zhì)土和地聚合物輕質(zhì)土試樣質(zhì)量隨浸泡時間變化關(guān)系曲線Fig.3 Change curves of mass with sodium sulfate soaking for LCSC and LGSC

3.4 硫酸鈉浸泡無側(cè)限抗壓強度變化特性

圖4為水泥輕質(zhì)土和地聚合物輕質(zhì)土在硫酸鈉溶液浸泡環(huán)境下無側(cè)限抗壓強度和強度比隨浸泡時間變化關(guān)系曲線。在浸泡過程中前28 d，水泥輕質(zhì)土無側(cè)限抗壓強度不斷增大，在浸泡28 d后達到最大值，隨后強度不斷降低；浸泡120 d后試樣開裂不能保持完整性。究其原因：在浸泡前期硫酸根離子進入試樣內(nèi)部反應(yīng)生成鈣礬石和石膏，使試樣孔隙得到填充，強度出現(xiàn)一定增長；繼續(xù)浸泡過程中，產(chǎn)物不斷增加使試樣發(fā)生膨脹，內(nèi)部結(jié)構(gòu)產(chǎn)生裂隙，導(dǎo)致強度不斷降低；在浸泡120 d后試樣表面發(fā)生開裂也證明了這一點。地聚合物輕質(zhì)土無側(cè)限抗壓強度隨浸泡時間不斷減小，浸泡28 d后，強度較小速率趨于平穩(wěn)；120 d后強度為浸泡前的80%左右?？赡苁怯捎谏闪松倭康拟}礬石等產(chǎn)物，對強度未產(chǎn)生明顯的作用，反而使試樣內(nèi)部產(chǎn)生了微小裂隙。

圖4 水泥輕質(zhì)土和地聚合物輕質(zhì)土無側(cè)限抗壓強度和強度比隨浸泡時間變化關(guān)系Fig.4 Relationships between qu and qu,soaking /qu,28 of LCSC and LGSC with sodium sulfate soaking

上述研究結(jié)果表明，在硫酸鈉浸泡環(huán)境下水泥輕質(zhì)土試樣在120 d后會出現(xiàn)開裂破壞，地聚合物輕質(zhì)土試樣能保持良好的完整性，強度出現(xiàn)小幅下降，與國內(nèi)外許多學者的報道相符[14－17]。傅小茜等[14]認為，水泥固化土在0.1 mol/L硫酸鈉中浸泡28 d強度達到最大值，隨著浸泡時間的增長，強度不斷減小。Manu等[15－16]分析指出，加氣混凝土中的孔隙可以容納更多的反應(yīng)產(chǎn)物（鈣礬石和石膏等），同時在一定程度上可以抑制內(nèi)部的開裂；故加氣混凝土可以承受更長時間的硫酸鹽浸泡。Bakharev[17]分析指出，地聚合物材料強度損失主要是試樣內(nèi)部在浸泡過程中出現(xiàn)裂縫，裂縫可能是由于試樣中的堿金屬離子擴散進入硫酸鈉溶液中造成的。

4 結(jié) 論

（1）隨著干濕循環(huán)級數(shù)增加，水泥輕質(zhì)土未出現(xiàn)破壞跡象，而地聚合物輕質(zhì)土在第二級干濕循環(huán)后表面出現(xiàn)裂縫，但是并未發(fā)展到試樣內(nèi)部。

（2）標準養(yǎng)護28 d地聚合物輕質(zhì)土強度為水泥輕質(zhì)土強度的2倍，但干濕循環(huán)對地聚合物輕質(zhì)土強度影響顯著，7級干濕循環(huán)后強度低于水泥輕質(zhì)土，并隨著循環(huán)級數(shù)增加而逐漸降低。

（3）硫酸鈉溶液浸泡120 d后地聚合物輕質(zhì)土試樣表面未產(chǎn)生明顯變化，且強度為標準養(yǎng)護28 d的80%左右。水泥輕質(zhì)土試樣出現(xiàn)嚴重開裂而破壞，說明地聚合物輕質(zhì)土抗硫酸鈉侵蝕性能明顯優(yōu)于水泥輕質(zhì)土。

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