王強(qiáng) 桂佑杰 宮保聚

摘要：普通硅酸鹽水泥-脫硫石膏-粉煤灰作為復(fù)合膠凝材料固化軟土，既可以充分利用煤電企業(yè)的工業(yè)廢物，減少污染，又可以節(jié)約資源，保護(hù)自然環(huán)境。通過系統(tǒng)的室內(nèi)試驗(yàn)，研究了凍融循環(huán)條件下復(fù)合膠凝材料固化軟土的強(qiáng)度特性及微觀結(jié)構(gòu)變化規(guī)律。試驗(yàn)結(jié)果表明，固化軟土的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增多呈現(xiàn)先增加后降低的趨勢(shì)，并建立了固化土的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度隨凍融循環(huán)次數(shù)的變化擬合公式，經(jīng)過15次凍融循環(huán)后無側(cè)限抗壓強(qiáng)度降到原來強(qiáng)度的60%～70%。通過在不同凍融循環(huán)次數(shù)下的掃描電鏡試驗(yàn)，從微觀角度揭示了復(fù)合膠凝材料固化軟土的機(jī)制。

關(guān)鍵詞：普通硅酸鹽水泥-脫硫石膏-粉煤灰；凍融循環(huán)；強(qiáng)度特性；微觀結(jié)構(gòu)

中圖分類號(hào)：TU43 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A文章編號(hào)：1672-1098（2017）03-0001-05

Abstract：The soft soil can be solidified by ordinary Portland cement-desulfurization gypsum-fly ash composite gelled material. This method can not only make full use of the industrial waste of coal enterprise， reduce pollution， but also save resources， protect the natural environment. The curing strength characteristics and the microstructure changing rule of soft soil solidified by the composite gelled material under frost-thaw cycle had been studied through the laboratory test. The test results showed that the unconfined compressive strength of soft soils first increase and then decrease along with the increase of times of frost-thaw cycles， and established the fitting formula. After 15 times frost-thaw cycle， the unconfined compressive strength decrease into only 60% to 70%. And the scanning electron microscopy test had been tested under different frost-thaw time， and the results had revealed the change mechanism of soft soils solidified by the composite gelled material from the microscopic view.

Key words：ordinary Portland cement-desulfurization gypsum-fly ash； frost-thaw cycle； strength characteristics； microstructure

隨著工業(yè)廢渣對(duì)環(huán)境的環(huán)境污染越來越嚴(yán)重，開展工業(yè)廢渣再生資源利用是非常有必要的。利用脫硫石膏、粉煤灰等工業(yè)廢料及水泥作為土體固化劑，可以變廢為寶，資源綜合利用，節(jié)約天然資源，是保護(hù)生態(tài)環(huán)境，建設(shè)節(jié)約型社會(huì)，發(fā)展循環(huán)經(jīng)濟(jì)，走可持續(xù)發(fā)展道路的典型，一舉多得[1-5]。

新型水泥基固化軟土的固化原理主要是水泥與水發(fā)生的水化反應(yīng)，脫硫石膏的自身反應(yīng)以及脫硫石膏激發(fā)粉煤灰的水化反應(yīng)的過程[6-9]。

目前，有關(guān)改良土在凍融作用下的力學(xué)性能研究已經(jīng)開展了很多。文獻(xiàn)[10]對(duì)凍融作用下水泥及石灰改良土靜力特性進(jìn)行了研究。文獻(xiàn)[11]對(duì)石灰、粉煤灰和水泥 3 種固化土凍融循環(huán)后的抗壓強(qiáng)度、加州承載比等進(jìn)行了研究，研究表明固化土具有良好的抗凍融耐久性。文獻(xiàn)[12]通過室內(nèi)試驗(yàn)研究了不同灰劑量的冰漬石灰穩(wěn)定土經(jīng)過凍融循環(huán)后的動(dòng)變形特性。文獻(xiàn)[13]研究了摻加劑對(duì)凍融循環(huán)水泥土的強(qiáng)度的影響，研究表明通過摻加外加劑可以改善水泥土的抗凍性和強(qiáng)度。文獻(xiàn)[14]和文獻(xiàn)[15]研究了凍融循環(huán)對(duì)水泥土的力學(xué)性能的影響，研究表明水泥土在季節(jié)性凍土地區(qū)應(yīng)用時(shí)應(yīng)考慮凍融循環(huán)對(duì)水泥土力學(xué)性能的侵蝕效應(yīng)。

由于水泥土常常應(yīng)用于季節(jié)性凍土地區(qū)的路基和復(fù)合地基工程中，評(píng)價(jià)凍融循環(huán)對(duì)水泥土物理力學(xué)參數(shù)的影響是非常必要的。本文探討了凍融循環(huán)次數(shù)對(duì)固化軟土無側(cè)限抗壓強(qiáng)度及微觀特性的影響，為季節(jié)凍土區(qū)固化軟土的設(shè)計(jì)和應(yīng)用提供參考。

1試驗(yàn)材料及試驗(yàn)方案

1.1試驗(yàn)材料

取安徽某地的粉質(zhì)粘土，其物理性質(zhì)指標(biāo)見表1。所用脫硫石膏來自于淮南市平圩電廠，其化學(xué)成分見表2。所用粉煤灰來自于淮南平圩電廠，其化學(xué)成分見表3。所用水泥為P·O42.5普通硅酸鹽水泥，其安定性、膠砂強(qiáng)度及添加物種類均符合國家標(biāo)準(zhǔn)《通用硅酸鹽水泥》（GB175-1999）的要求，試驗(yàn)用水為自來水。通過正交試驗(yàn)確定新型復(fù)合膠凝材料的各原料的配合比，新型復(fù)合膠凝材料（CGF）組成為：脫硫石膏（m）∶粉煤灰（m）∶水泥（m）=30∶45∶25。

1.2試驗(yàn)方案

試驗(yàn)選取10%、15%、20%摻量的新型復(fù)合固化劑對(duì)該粉質(zhì)粘土進(jìn)行處理，養(yǎng)護(hù)28天后對(duì)修復(fù)后的土體進(jìn)行凍融循環(huán)試驗(yàn)，并針對(duì)不同凍融循環(huán)次數(shù)下固化軟土體的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度及微結(jié)構(gòu)特征進(jìn)行測(cè)試分析。

1） 制樣及養(yǎng)護(hù)

制備試樣時(shí)，將稱量好的干土料粉末、脫硫石膏、粉煤灰及水泥倒入攪拌機(jī)中攪拌5min，再加入自來水一起攪拌10min。將攪拌好的混合料取出裝入直徑為5cm，高10cm模具中，養(yǎng)護(hù)24小時(shí)后脫模，再標(biāo)養(yǎng)（溫度為20℃、濕度為95%）至設(shè)計(jì)齡期。

2） 凍融循環(huán)試驗(yàn)方法及測(cè)試

凍融循環(huán)試驗(yàn)參考ASTM-D560-03，試驗(yàn)步驟如下

① 凍融循環(huán)開始前將試樣進(jìn)行編號(hào)，每組3個(gè)平行試樣。試樣用自封袋封閉，防止水分損失，先取出其中一組試樣測(cè)試無側(cè)限抗壓強(qiáng)度，將測(cè)試值作為開始的基準(zhǔn)值，其余試樣進(jìn)行凍融循環(huán)。 ② 將試樣置于溫度為-15 ℃的凍融箱中12小時(shí)，然后將試樣轉(zhuǎn)移到標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室中養(yǎng)護(hù)12 小時(shí)，完成一次凍融循環(huán)。 ③ 每次凍融循環(huán)結(jié)束后，無側(cè)限抗壓強(qiáng)度測(cè)試和掃描電鏡測(cè)試， 無側(cè)限抗壓強(qiáng)度測(cè)試采用2t電子萬能試驗(yàn)機(jī)，掃描電鏡測(cè)試采用日立S-3000N掃描電子顯微鏡。 ④ 重復(fù)步驟②和③，直到15 次凍融循環(huán)結(jié)束。

3） 掃描電鏡測(cè)試

試樣經(jīng)過0、3、5、7、10 和15 次凍融循環(huán)后，進(jìn)行掃描電鏡對(duì)試樣進(jìn)行微結(jié)構(gòu)測(cè)試分析。

2試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1無側(cè)限抗壓強(qiáng)度

每次凍融循環(huán)結(jié)束后，立即取出試樣進(jìn)行無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)，圖1為不同摻量的試樣無側(cè)限抗壓強(qiáng)度值隨凍融循環(huán)次數(shù)的變化。

從圖1可以看出，標(biāo)養(yǎng)條件下土體強(qiáng)度隨著新型固化劑摻量的增加而顯著提高，新型固化土體的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度隨凍融循環(huán)次數(shù)的增加先增大，當(dāng)達(dá)到峰值后，隨凍融循環(huán)次數(shù)的繼續(xù)增加而減小，這是因?yàn)槊摿蚴嗄軌蜓泳徦喑跗谒饔玫倪M(jìn)行，因此新型固化土體經(jīng)過28天的標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)后，水泥水化物與土體之間的物理化學(xué)反應(yīng)還在繼續(xù)，從而使固化土體強(qiáng)度在凍融循環(huán)初期有所增大。

當(dāng)凍融循環(huán)次數(shù)達(dá)到一定次數(shù)后（本試驗(yàn)中為1～3 次），凍融循環(huán)作用對(duì)土體結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的破壞作用不斷積累，使得固化土產(chǎn)生微裂縫，微裂縫隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加而進(jìn)一步擴(kuò)展，導(dǎo)致固化土體的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度降低，當(dāng)凍融循環(huán)次數(shù)達(dá)到15次以后，固化土體的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度趨于穩(wěn)定，約為標(biāo)養(yǎng)強(qiáng)度的60%～70%。

固化土體的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度與凍融次數(shù)的關(guān)系如圖2所示，通過回歸分析可以得到無側(cè)限抗壓強(qiáng)度隨凍融循環(huán)次數(shù)的預(yù)測(cè)公式。

2.2凍融循環(huán)試樣微結(jié)構(gòu)分析

使用掃描電子顯微鏡對(duì)經(jīng)過一定凍融循環(huán)次數(shù)作用后的試樣進(jìn)行微結(jié)構(gòu)變化特征測(cè)試分析，試驗(yàn)結(jié)果如圖3～圖7所示。

從圖3中可以看出，在未經(jīng)過凍融循環(huán)作用時(shí)，試樣中存在大量孔隙，存在未充分發(fā)育的CSH 及CAH 等凝膠體，從照片中還可以看到有板狀結(jié)晶氫氧鈣石的存在。

從圖4可以看出，試樣經(jīng)過干濕循環(huán)3 次后，凝膠體大量形成，土體內(nèi)部結(jié)構(gòu)更加完整、密實(shí)，表明這一階段新型固化土體的水解水化反應(yīng)及其產(chǎn)物與土體之間的物理化學(xué)作用在不斷進(jìn)行。這解釋在第三次凍融循環(huán)時(shí)強(qiáng)度增加而后在減小的規(guī)律。

從圖5～圖7可以看出，隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增多，固化土體的破壞程度越來越大，固化土體的強(qiáng)度越來越小，從微觀結(jié)構(gòu)方面證實(shí)了隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增多，固化土體的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度越來越低。

3結(jié)論

1） 新型固化土的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度隨凍融循環(huán)次數(shù)的增加先增大；達(dá)到峰值后，隨凍融循環(huán)次數(shù)的繼續(xù)增大而減小，并逐步趨于穩(wěn)定；無側(cè)限抗壓強(qiáng)度在凍融1～3 次時(shí)達(dá)到峰值，在經(jīng)過15次凍融循環(huán)后，固化土體的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度降低至最大強(qiáng)度60%～70%。

2） 通過對(duì)固化土體的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度與凍融循環(huán)次數(shù)的回歸分析，得到了回歸方程，為固化土強(qiáng)度的預(yù)測(cè)提供了參考。

3） 微觀測(cè)試分析表明，凍融循環(huán)對(duì)固化土微觀結(jié)構(gòu)有較為明顯的影響，隨凍融循環(huán)次數(shù)的增大，固化土的破碎程度越大，強(qiáng)度也就越來越低。

4） 經(jīng)過凍融循環(huán)作用后，固化土體微結(jié)構(gòu)變化特征與其宏觀力學(xué)變化規(guī)律一致，從微觀角度揭示了新型固化土體的機(jī)理以及凍融循環(huán)作用下固化土的工程性質(zhì)。

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（責(zé)任編輯：李 麗，吳曉紅，編輯：丁 寒）