洪 宏，馬芹永，高常輝，馬冬冬

(1.安徽理工大學(xué)礦山地下工程教育部工程研究中心，安徽 淮南 232001；2.安徽理工大學(xué)土木建筑學(xué)院，安徽 淮南 232001)

水泥土攪拌法是利用水泥作為固化劑，就地將原位土和固化劑強(qiáng)制攪拌，使原位土硬結(jié)成具有整體性、水穩(wěn)性和一定強(qiáng)度的水泥加固土[1]。常用的固化劑包括普通硅酸鹽水泥和石灰，人們對(duì)其穩(wěn)定性的研究已趨于成熟。然而，常規(guī)固化劑存在一個(gè)主要問(wèn)題，其生產(chǎn)過(guò)程為能量密集型，會(huì)排放大量的CO2和SO2，如每生產(chǎn)1t普通硅酸鹽水泥，排放約1tCO2、0.75kg的SO2和30kg的粉塵[2]。因此，在土木工程領(lǐng)域，一直在積極尋找新型環(huán)保類(lèi)土木工程材料來(lái)代替普通硅酸鹽水泥。

地聚合物是一種以[SiO4]、[AlO4]四面體為主要組成，具有空間三維網(wǎng)絡(luò)狀鍵接結(jié)構(gòu)的新型無(wú)機(jī)硅鋁質(zhì)膠凝材料[3]。地聚合物作為一種高性能混凝土的外添加劑，能夠快速提高混凝土的早期抗壓強(qiáng)度[4-5]、抗氯離子侵蝕能力以及抗凍融劣化能力[6]，且其生產(chǎn)過(guò)程能耗低、二氧化碳排放量少，土木工程領(lǐng)域中具有廣泛的應(yīng)用，其中應(yīng)用最為廣泛的地聚合物為偏高嶺土基地質(zhì)聚合物(MKG)，偏高嶺土(MK)是高嶺土在600～900℃下經(jīng)高溫煅燒而成的、 非晶態(tài)硅鋁質(zhì)材料。 在強(qiáng)堿性條件下，通過(guò)水解反應(yīng)，Si主要以[SiO(OH)3]-、[SiO2(OH)2]2-、[SiO3(OH)]3-離子形式存在，而Al主要以[Al(OH)4]-離子形式存在。這些離子間相互發(fā)生縮聚反應(yīng)而形成硅鋁聚合物，硅鋁聚合物通過(guò)進(jìn)一步地縮聚反應(yīng)形成網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，隨著網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的不斷擴(kuò)大而最終形成地質(zhì)聚合物凝膠體[7-9]。

近年來(lái)，偏高嶺土的應(yīng)用越來(lái)越廣泛。文獻(xiàn)[10]研究了偏高嶺土對(duì)硅酸鹽水泥干燥收縮的影響，其研究表明在一定范圍內(nèi)，偏高嶺土的摻量越大，漿體的干縮越小。文獻(xiàn)[11]在制備高性能混凝土中用偏高嶺土代替硅灰為活性摻合料，發(fā)現(xiàn)偏高嶺土對(duì)混凝土強(qiáng)度的影響規(guī)律與硅灰等礦物摻合料相似，且用偏高嶺土配的混凝土的力學(xué)性能與耐久性并不亞于硅灰。另外，文獻(xiàn)[12-14]就外摻偏高嶺土對(duì)水泥土強(qiáng)度的影響進(jìn)行了深入的研究。

相較于拌合方法成熟的混凝土而言，地聚合物水泥土的拌合方法存在較大差異。文獻(xiàn)[15]研究了偏高嶺土的摻量在對(duì)地聚合物固化土力學(xué)性能進(jìn)行研究時(shí)，首先配置堿激發(fā)劑，然后將堿激發(fā)劑與偏高嶺土混合制出地聚合物前體，最后將地聚合物前體與土均勻攪拌，制成試樣。文獻(xiàn)[16]在研究水泥砂漿固化土的力學(xué)特性時(shí)，先將土按最優(yōu)含水率配置并浸潤(rùn)一晝夜，再加入砂與水泥，最后將水灰比所對(duì)應(yīng)的水量均勻的噴灑在混合物中進(jìn)行制樣。文獻(xiàn)[17]將偏高嶺土以外加劑的形式加入到高溫凍結(jié)水泥土中，其先將干土與水混合，低溫冷凍24h，在冷凍室中壓碎，加入水泥與偏高嶺土，為確保水灰比而加入適量水，最后制成試塊。在試驗(yàn)過(guò)程中，發(fā)現(xiàn)不同拌合方法對(duì)應(yīng)的地聚合物水泥土，其物理特性和力學(xué)性能存在較大差異，因此，為選取地聚合物水泥土的最佳拌合方法，本文研究了五種不同拌合方法的地聚合物水泥土，并對(duì)混合料的外觀形貌、粗顆粒占比、試樣的破壞形態(tài)、抗壓強(qiáng)度及微觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行了分析，最終選取了一種最佳拌合方法。該試驗(yàn)為今后地聚合物水泥土的研究提供了一定的試驗(yàn)基礎(chǔ)。

1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.1 試驗(yàn)原材料

試驗(yàn)所用土樣為合肥某基坑內(nèi)的粉質(zhì)黏土，液限為38.94%，其塑限為22.52%，塑性指數(shù)為16.42，最優(yōu)含水率為20.24%，粉質(zhì)黏土的顆粒級(jí)配如表1所示。水泥為P·O42.5的普通硅酸鹽水泥，偏高嶺土(MK)為湖南超牌偏高嶺土，其特征參數(shù)見(jiàn)表2。水玻璃的模數(shù)為3.3，固含量為37.1%，氫氧化鈉為片狀，凈含量≥96%。

表1 粉質(zhì)黏土顆粒級(jí)配

表2 偏高嶺土的特征參數(shù)

1.2 試驗(yàn)方案

選取水泥摻入量(干土的質(zhì)量比)為12%，偏高嶺土基地質(zhì)聚合物(MKG)為3%，試樣養(yǎng)護(hù)條件為28d養(yǎng)護(hù)齡期，養(yǎng)護(hù)濕度為95%，養(yǎng)護(hù)溫度(20±2)℃。本文設(shè)置了5種拌合方法，見(jiàn)表3。其中，濕土是按最優(yōu)含水率配置的土樣，且浸潤(rùn)一晝夜。

為了能夠合成部分替代水泥的偏高嶺土基地質(zhì)聚合物(MKG)，在試驗(yàn)前，先制備堿激發(fā)劑。堿激發(fā)劑是先將片狀NaOH固體溶于等質(zhì)量的水中，制成濃度為50%的溶液，再將一定質(zhì)量的水玻璃倒入NaOH溶液中，攪拌均勻。以Si/Al摩爾比1.7，Na/Al摩爾比為1，制備堿激發(fā)劑。

表3 不同拌合方法及其步驟

注：表中濕土表示用最優(yōu)含水率配置的土樣。

試驗(yàn)無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度采用70.7mm×70.7mm×70.7mm的標(biāo)準(zhǔn)立方體。試樣養(yǎng)護(hù)到擬定齡期之后，參照《水泥土配合比設(shè)計(jì)規(guī)程》(JGJ/T 233-2011)進(jìn)行無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)。試驗(yàn)采用微機(jī)控制電子式萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)，試驗(yàn)以應(yīng)變控制，加荷速率為1.0mm/min。電鏡掃描試驗(yàn)是將試樣在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)條件下養(yǎng)護(hù)28d，干燥后鍍膜，進(jìn)行地聚合物水泥土微觀結(jié)構(gòu)觀測(cè)。電鏡掃描試驗(yàn)在浙江大學(xué)完成。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 地聚合物水泥土形貌分析及顆粒級(jí)配

不同拌合方法拌合后的地聚合物水泥土混合料形貌如圖1所示。

圖1 不同方法拌合后混合料的形貌

從圖1可以看出，采用方法四和方法五拌合后的混合料相對(duì)均勻，而用方法一、二和三拌合的混合料明顯出現(xiàn)不均勻現(xiàn)象，尤其是方法三，觀察方法三中的混合料形貌，成團(tuán)現(xiàn)象尤為突出，其原因在于方法三先將偏高嶺土與堿激發(fā)劑混合制成地聚合物前體，再將漿體狀的地聚合物前體倒入濕土中，極易結(jié)團(tuán)形成大顆粒，也會(huì)對(duì)后期試樣的性能造成一定的影響。

對(duì)不同拌合方法對(duì)應(yīng)的混合料進(jìn)行篩分試驗(yàn)，統(tǒng)計(jì)粒徑大于2mm的顆粒占比，具體試驗(yàn)結(jié)果為方法一為9.85%，方法二為6.09%，方法三為13.99%，方法四為7.28%，方法五為5.65%。

方法三拌合后的混合料的粗顆粒占比最大，這與圖1的混合料的表觀形貌相符合。而大面積的成團(tuán)現(xiàn)象，必定造成水泥顆粒的分布不均，進(jìn)而影響水泥水化反應(yīng)的充分進(jìn)行，試樣的強(qiáng)度也會(huì)下降。因此，綜合地聚合物水泥土混合料的形貌以及粗顆粒占比，方法三可排除。

2.2 地聚合物水泥土破壞后形態(tài)分析

不同拌合方法對(duì)應(yīng)的地聚合物水泥土試樣破壞后的形態(tài)如圖2所示。

圖2 無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)破壞形態(tài)

從圖2中可以看出，方法一和方法二所對(duì)應(yīng)的試樣破壞形態(tài)，在破壞時(shí)迅速產(chǎn)生一條主裂縫并貫穿整個(gè)試件，具有較為明顯的脆性破壞特征，而同等試驗(yàn)條件下，方法三、方法四和方法五所對(duì)應(yīng)的試樣，在破壞時(shí)會(huì)產(chǎn)生多條細(xì)裂縫，塑性破壞特征較為明顯，這是因?yàn)榉椒ㄈ?、方法四和方法五均為濕土拌合，而相較于干土拌合，濕土更為均勻，水泥顆粒分布也更加均勻，水化反應(yīng)也更加充分，從而使水泥土形成一個(gè)強(qiáng)度整體。因此，在相同的試驗(yàn)環(huán)境中，濕土拌合的地聚合物水泥土較干土拌合具有更好的效果。

2.3 地聚合物水泥土無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)分析

對(duì)五種不同拌合方法制備而成的地聚合物水泥土試樣進(jìn)行了無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如圖3所示。

圖3 地聚合物水泥土應(yīng)力應(yīng)變曲線

從圖3可以看出各應(yīng)力應(yīng)變曲線有明顯的峰值，屬于應(yīng)變軟化型。各應(yīng)力應(yīng)變曲線大致可分為三個(gè)階段：第一階段為近似彈性變形階段，應(yīng)力隨應(yīng)變直線增加；第二階段為塑性上升段，應(yīng)力增長(zhǎng)變慢，而應(yīng)變?cè)鲩L(zhǎng)變快，直至峰值點(diǎn)；第三階段為破壞階段，此段特征在于應(yīng)力不斷下降而應(yīng)變持續(xù)增加，形成明顯的下降段。

圖3中，用方法一拌合的水泥土，其應(yīng)力到達(dá)峰值點(diǎn)后驟然下降，而用方法三、四和五拌合的水泥土具有明顯的殘余強(qiáng)度，表明該三種拌合方法對(duì)應(yīng)的水泥土具有一定的韌性。

拌合方法圖4 無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度與拌合方法的關(guān)系

拌合方法圖5 峰值應(yīng)變與拌合方法的關(guān)系

圖4和圖5分別為不同拌合方法所對(duì)應(yīng)的地聚合物水泥土試樣的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度和峰值應(yīng)變，由圖4可以看出，用方法一和方法五拌合的水泥土試樣所對(duì)應(yīng)的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度較高，約為2.87MPa，方法四所對(duì)應(yīng)的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度最低，為1.57MPa，較方法一和方法五對(duì)應(yīng)的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度下降了45.30%；由圖5可以看出用方法四拌合的水泥土的峰值應(yīng)變最大，為1.52%，方法五次之，為1.09%，方法一所對(duì)應(yīng)的峰值應(yīng)變最小，為0.36%，相較于方法四和方法五分別降低了76.3%和67.0%。排除方法一和方法四。

2.4 SEM電鏡掃描試驗(yàn)結(jié)果與分析

水泥土的強(qiáng)度特征是其微觀特征的宏觀反映，兩者密切相關(guān)[18]。不同拌合方法制得的地聚合物水泥土表現(xiàn)出不同的微觀結(jié)構(gòu)特征。圖6是由不同方法拌合的地聚合物水泥土的電鏡掃描圖片。由圖6可以看出，用方法二和方法三拌合的水泥土的孔隙較大，結(jié)構(gòu)疏密，土顆粒間呈堆積接觸狀態(tài)；用方法一和方法五拌合的水泥土，其結(jié)構(gòu)致密，水泥水化產(chǎn)物將土顆粒聯(lián)結(jié)在一起，水泥土的孔隙更少，水泥土更密實(shí)，形成較強(qiáng)的結(jié)構(gòu)整體。綜上所述，用方法一與方法五拌合，能減小水泥土中的大孔隙，降低水泥土的孔隙率。結(jié)合無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)，方法一與方法五所對(duì)應(yīng)的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度要高于其他三種拌合方法的強(qiáng)度。

圖6 地聚合物水泥土的微觀結(jié)構(gòu)圖片

3 機(jī)理分析

由于偏高嶺土具有較強(qiáng)的吸水性，所以偏高嶺土與水泥不宜同時(shí)加入到土體中。方法五拌合時(shí)將偏高嶺土與水泥分開(kāi)摻入土體中，且分別噴入堿激發(fā)劑與水灰比對(duì)應(yīng)的水量，既可以減小堿性溶液對(duì)水泥的影響，也避免了偏高嶺土吸水性對(duì)水灰比水量的影響。

在這五種拌合方法中，用方法五拌合的水泥土，其無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度相對(duì)較高，且其峰值應(yīng)變的大小僅次于方法四。綜合考慮上述分析，本試驗(yàn)選取方法五為最佳拌合方法。

4 結(jié)論

(1)最佳拌合方法是：將以最優(yōu)含水率配置且浸潤(rùn)一晝夜的濕土與偏高嶺土混合，然后噴入堿激發(fā)劑，再加入水泥并拌勻，最后噴水灰比對(duì)應(yīng)的水量。該方法具有最大的抗壓強(qiáng)度，較用方法四拌合的水泥土強(qiáng)度提高了82.8%，且具有較大的峰值應(yīng)變，較用方法一拌合水泥土的峰值應(yīng)變提高了2倍。

(2)由干土拌合的地聚合物水泥土試樣，在達(dá)到最大承載能力時(shí)，變形較小，破壞呈明顯的脆性破壞特征，由濕土拌合的地聚合物水泥土試樣，達(dá)到最大承載能力時(shí)有較大變形，呈明顯的塑性破壞特征。

(3)在制備地聚合物水泥土試樣時(shí)，不宜將偏高嶺土與水泥同時(shí)加入到土體中，建議將偏高嶺土與水泥分開(kāi)摻入土體中，其效果更好。