劉春龍，劉乃飛，劉奉銀，楊珺瓏

( 1. 西安理工大學(xué) 巖土工程研究所，陜西 西安 710048；2. 西安建筑科技大學(xué) 土木工程學(xué)院，陜西 西安 710055；3.西安建筑科技大學(xué) 陜西省巖土與地下空間工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安 710055)

石灰具有生產(chǎn)工藝簡(jiǎn)單、成本低廉等特點(diǎn)，作為一種建筑材料在我國(guó)的土木工程建設(shè)中應(yīng)用非常廣泛[1-2]，尤其是在加固土的使用方面[3-4]，作為改良土體力學(xué)特性的材料廣泛應(yīng)用于構(gòu)筑物的基層或者墊層[5]，特別是用來(lái)加固過(guò)濕土效果尤為顯著[6-7].土中摻入石灰后，兩者之間會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)烈的相互作用，主要為離子交換作用、碳化作用和水化作用[8].而灰土的強(qiáng)度主要來(lái)自于石灰與黏土的水化作用，由于黏土礦物中含有一定量的活性SiO2和Al2O3，在常溫潮濕條件下，能與吸附在黏土顆粒表面的Ca(OH)2緩慢的發(fā)生化合反應(yīng).初始產(chǎn)物為不定成分的膠凝物質(zhì)，而后逐漸形成膠合的水化硅酸鈣(C-S-H)，再經(jīng)過(guò)較長(zhǎng)的時(shí)間，形成結(jié)晶結(jié)構(gòu)使土的強(qiáng)度和穩(wěn)定性有所提高.石灰雖然具有良好的加固效果，但由于黏土中的活性SiO2和Al2O3含量有限，導(dǎo)致形成的灰土材料的硬化速度慢，強(qiáng)度不足[9].偏高嶺土作為一種人工火山灰材料，主要是以高嶺土(Al2O3·2SiO2·2H2O) 為原料，在適當(dāng)溫度下經(jīng)脫水形成的無(wú)水硅酸鋁(Al2O3·2SiO2，簡(jiǎn)寫(xiě)為AS2)，從而有效的提高了活性SiO2和活性Al2O3的含量[10]，在有水的條件下與石灰發(fā)生火山灰反應(yīng)，生成與水泥類(lèi)似的水化產(chǎn)物水化硅酸鈣(C-S-H)[11]，從而可以提高灰土的力學(xué)性能[12].

目前，國(guó)內(nèi)外許多專(zhuān)家對(duì)火山灰反應(yīng)的產(chǎn)物進(jìn)行了大量的研究[13-15].通過(guò)粉晶衍射、紅外光譜、拉曼光譜以及熱分析等手段研究發(fā)現(xiàn)，火山灰反應(yīng)的產(chǎn)物主要包括托勃莫來(lái)石[16](CSH-Ι)、水化鈣鋁黃長(zhǎng)石(C2ASH8)、水化鋁酸四鈣(C4AH13)和水化鋁酸三鈣(C3AH6)，其中托勃莫來(lái)石(CSH-Ι)、水化鈣鋁黃長(zhǎng)石(C2ASH8)對(duì)灰土材料的強(qiáng)度均有貢獻(xiàn)[17].鑒于偏高嶺土的這些優(yōu)良性能，其廣泛應(yīng)用于改善水泥砂漿或混凝土的性能.王林浩等[18]研究表明，偏高嶺土能夠顯著提高水泥土的強(qiáng)度，尤其是早期強(qiáng)度.朱伶俐等[19]通過(guò)試驗(yàn)研究表明，偏高嶺土可以提高噴射混凝土的阻抗值.姜廣等[20]通過(guò)試驗(yàn)表明偏高嶺土可以提高砂漿的抗壓強(qiáng)度.

然而，卻鮮有學(xué)者開(kāi)展偏高嶺土對(duì)灰土材料力學(xué)性能影響的研究.本文擬從力學(xué)試驗(yàn)角度，研究添加偏高嶺土的灰土材料，在不同水固比和不同偏高嶺土含量下的力學(xué)特性，并通過(guò)對(duì)含水率變化的分析以及掃描電鏡細(xì)觀角度揭示其內(nèi)在機(jī)理.此外，還以高嶺土中添加石灰的灰土材料作為對(duì)照試驗(yàn).本研究一定程度上彌補(bǔ)了該領(lǐng)域的不足，并可為實(shí)際工程應(yīng)用提供理論依據(jù).

1 試驗(yàn)方案

1.1 試驗(yàn)材料與試劑

高嶺土購(gòu)于石家莊辰星實(shí)業(yè)有限公司，氧化鈣(分析純)購(gòu)于天津市致遠(yuǎn)化學(xué)試劑有限公司，偏高嶺土(分析純)購(gòu)于天津市北辰方正試劑廠，蒸餾水產(chǎn)自西安市東關(guān)蒸餾水廠.

高嶺土和偏高嶺土的顆分曲線如圖1所示，其中wd為試驗(yàn)材料的質(zhì)量百分?jǐn)?shù)，d為試驗(yàn)材料的顆粒粒徑.

圖1 顆分曲線Fig. 1 Particle size distribution curves

高嶺土顆粒的相對(duì)密度ds、天然含水率w、塑限wp、液限wL、塑性指數(shù)Ip等如表1所示.根據(jù)擊實(shí)試驗(yàn)得出，高嶺土的最大干密度為1.63 g/cm3，對(duì)應(yīng)的最優(yōu)含水率為19.5%.偏高嶺土的化學(xué)成分及質(zhì)量分?jǐn)?shù)如表2所示.

表1 高嶺土的物理指標(biāo)

表2 偏高嶺土化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù))

1.2 試件制備

本文所配制的灰土材料，同時(shí)控制原料的石灰、偏高嶺土和水固比3個(gè)因素，分析三者對(duì)灰土力學(xué)性質(zhì)的影響.試驗(yàn)以高嶺土材料為主要原材料，高嶺土質(zhì)量用mk表示，偏高嶺土含量用mm表示，石灰含量用ml表示，偏高嶺土和石灰的含量，用其與高嶺土的質(zhì)量比來(lái)表示.根據(jù)該試驗(yàn)原料配合比的輕型擊實(shí)試驗(yàn)確定的最大干密度為1.44 g/cm3，對(duì)應(yīng)的最優(yōu)含水率為27.9%.因此，配制該試驗(yàn)的水固比mw/ms分別為0.26、0.28、0.30和0.32.

將試驗(yàn)原料稱好后，進(jìn)行均勻攪拌，放入自封袋中，根據(jù)試樣調(diào)配的水固比分別調(diào)至灰土膏漿樣，并不斷攪拌灰土膏漿養(yǎng)護(hù)至3個(gè)小時(shí)，根據(jù)計(jì)算稱取一定質(zhì)量的灰土膏漿注入Φ39.1 cm×80 cm的三瓣模中，用制樣器制樣成型后，放置在干燥器中養(yǎng)護(hù)，分別測(cè)定試樣的3 d、7 d、28 d抗壓強(qiáng)度.

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 石灰含量對(duì)灰土強(qiáng)度的影響

為了研究添加偏高嶺土的灰土材料的力學(xué)特性，分別配置了干密度為1.52 g/cm3、水固比為0.28的不同石灰含量的灰土試件作為對(duì)照試驗(yàn).本試驗(yàn)中石灰含量ml分別為8%、10%、13%和16%.試驗(yàn)所得不同石灰含量條件下試樣在不同齡期時(shí)的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度對(duì)比圖如圖2所示.

圖2 不同石灰含量的灰土抗壓強(qiáng)度Fig. 2 Compressive strength of lime-soil samplewith different lime content

由圖2可以看出，總體上灰土試樣的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度均隨著養(yǎng)護(hù)齡期的增大而增強(qiáng)，但石灰含量ml對(duì)灰土試樣的強(qiáng)度影響顯著，隨著石灰含量ml的增多，強(qiáng)度呈先增大后減小的趨勢(shì)，當(dāng)石灰含量ml為10%時(shí)，灰土試樣的抗壓強(qiáng)度最大.3 d齡期時(shí)，石灰含量為10%的試樣強(qiáng)度(最大值)是石灰含量為16%的試樣強(qiáng)度(最小值)的1.50倍；而當(dāng)28 d齡期時(shí)，該值增大為1.62.說(shuō)明石灰含量對(duì)灰土的后期強(qiáng)度影響較大.

2.2 水固比對(duì)灰土強(qiáng)度的影響

為了研究添加偏高嶺土的灰土材料的力學(xué)特性，分別配置了相同石灰含量和干密度，不同水固比的灰土試樣作為對(duì)照試驗(yàn).分別配置水固比mw/ms為0.26、0.28、0.30和0.32，石灰含量ml為10%的灰土試樣，測(cè)定試樣的3 d、7 d、28 d齡期時(shí)的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度，試驗(yàn)結(jié)果如圖3所示.

由圖3可以看出，總體上灰土試樣的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度均隨著養(yǎng)護(hù)齡期的增大而增強(qiáng)，但水固比mw/ms對(duì)灰土試樣的抗壓強(qiáng)度影響較大.同一齡期時(shí)，隨著水固比mw/ms的增加，灰土試樣的抗壓強(qiáng)度先增大后減小.當(dāng)水固比mw/ms為0.28時(shí)，灰土試樣的抗壓強(qiáng)度最大.3 d齡期時(shí)，水固比為0.28的試樣強(qiáng)度(最大值)是水固比為0.32的試樣強(qiáng)度(最小值)的1.21倍；而當(dāng)28 d齡期時(shí)，該值增大為1.27.說(shuō)明水固比對(duì)灰土的后期強(qiáng)度影響較大.

2.3 偏高嶺土含量對(duì)灰土強(qiáng)度的影響

根據(jù)前文的對(duì)比試驗(yàn)可知，灰土材料的強(qiáng)度受石灰的含量ml和水固比mw/ms的影響明顯，若向灰土中添加偏高嶺土，必然導(dǎo)致最佳石灰含量ml和水固比mw/mss發(fā)生變化，而偏高嶺土mm的含量也必然存在最優(yōu)含量.

(1)石灰含量對(duì)含偏高嶺土的灰土強(qiáng)度的影響

根據(jù)2.1節(jié)的試驗(yàn)結(jié)果，可推斷出添加了偏高嶺土的灰土試樣中，石灰含量應(yīng)在圖2曲線的上升區(qū)間至其延長(zhǎng)線的一定范圍內(nèi).據(jù)此，配置干密度為1.52 g/cm3，水固比mw/ms為0.3，偏高嶺土mm含量為8%、10%、13%和石灰含量ml為8%、10%、13%、16%、20%的灰土試樣15組，分別測(cè)定各試樣在3 d、7 d和28 d齡期時(shí)的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度.用于研究不同偏高嶺土含量條件下，試樣抗壓強(qiáng)度隨石灰含量的變化規(guī)律，試驗(yàn)結(jié)果如圖4所示.

圖4 不同石灰含量的灰土抗壓強(qiáng)度Fig.4 Compressive strength of lime-soil samplewith differentlime content

由圖4可以看出，隨著齡期的增長(zhǎng)，添加偏高嶺土的灰土試樣強(qiáng)度均增大，偏高嶺土含量mm的變化對(duì)灰土強(qiáng)度的影響較大.相同偏高嶺土含量的灰土試樣，石灰含量的變化同樣會(huì)引起試樣強(qiáng)度的改變.對(duì)比圖4和圖2可以看出，添加偏高嶺土的灰土試樣的強(qiáng)度明顯高于同一時(shí)期的不含偏高嶺土的灰土試樣，其中偏高嶺土的含量mm為10%，石灰的含量ml為13%的灰土試樣28 d無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度最高，達(dá)到2.22 MPa，是相同干密度但不含偏高嶺土的灰土試樣最高強(qiáng)度的2.45倍(圖2)，是相同水固比和石灰含量但不含偏高嶺土的灰土試樣最高強(qiáng)度的2.70倍(圖3).圖4(a)中，試樣3 d齡期抗壓強(qiáng)度高達(dá)0.75 MPa，是相同條件下無(wú)偏高嶺土灰土試樣的2.10倍，由此可見(jiàn)，通過(guò)在常規(guī)灰土試樣中添加偏高嶺土不僅可以提高灰土試樣的后期強(qiáng)度，而且也極大的提高了灰土試樣的早期強(qiáng)度.

(2)水固比對(duì)含偏高嶺土的灰土強(qiáng)度的影響

通過(guò)前文研究可知，干密度為1.52 g/cm3，偏高嶺土含量mm為10%，石灰含量ml為13%時(shí)，灰土材料的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度最高，因此本節(jié)在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步研究水固比(mw/ms為0.26、0.28、0.30、0.32和0.34)對(duì)含偏高嶺土灰土試樣無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度的影響，試驗(yàn)結(jié)果如圖5所示.

由圖5可以看出，水固比mw/ms對(duì)添加了偏高嶺土的灰土試樣的強(qiáng)度影響較大，與圖3的結(jié)果相類(lèi)似，隨著水固比mw/ms的增加，試樣的強(qiáng)度呈先增大后減小的趨勢(shì)，當(dāng)水固比為0.3時(shí)，試樣的抗壓強(qiáng)度最大.對(duì)比圖3的試驗(yàn)結(jié)果，添加偏高嶺土mm的試樣最高強(qiáng)度所對(duì)應(yīng)的水固比mw/ms比未添加偏高嶺土的灰土試樣略大，初步推斷應(yīng)該是因?yàn)榛彝林刑砑恿似邘X土后，試樣會(huì)發(fā)生火山灰反應(yīng)，所需要的含水量有所增加所致.

圖5 不同水固比的灰土抗壓強(qiáng)度Fig.5 Compressive strength of lime-soil samplewith different water-solid ratios

2.4 偏高嶺土含量對(duì)灰土軟化系數(shù)的影響

本文中軟化系數(shù)是指試件吸水飽和后的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度與試件干燥狀態(tài)下的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度之比.軟化系數(shù)越大，表明材料的耐水性越好.本節(jié)主要分析水固比mw/ms為0.3，石灰含量為13%的灰土試樣和相同條件下的添加10%偏高嶺土灰土試樣在3 d、7 d、28 d齡期的軟化系數(shù)，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表3.

表3 灰土材料的軟化系數(shù)

由表3可以看出，無(wú)論是常規(guī)灰土材料試樣還是添加了偏高嶺土的試樣，其軟化系數(shù)均隨養(yǎng)護(hù)齡期的增加而增大.但添加了偏高嶺土后，試樣的軟化系數(shù)整體上高于無(wú)偏高嶺土的情況.特別的，含偏高嶺土的灰土試樣其軟化系數(shù)隨齡期的變化相對(duì)較小，可見(jiàn)偏高嶺土可以顯著改善灰土材料的軟化性能.

3 機(jī)理研究

本章擬通過(guò)分析含偏高嶺土的灰土試樣含水率的變化規(guī)律和采用掃描電鏡(SEM)觀察其細(xì)觀結(jié)構(gòu)來(lái)研究偏高嶺土改善常規(guī)灰土材料力學(xué)性能的內(nèi)在機(jī)理.

3.1 含水率變化

灰土試樣的含水率變化，在一定程度上可以間接反映試樣內(nèi)部火山灰反應(yīng)的程度，以水固比mw/ms為0.3，石灰含量ml為13%的灰土試樣作為參照試驗(yàn)，分析具有相同干密度、水固比和石灰含量但添加10%偏高嶺土的灰土試樣的含水率變化規(guī)律.以試件成型時(shí)的含水率作為初始重量ω0，然后分別測(cè)定不同齡期的常規(guī)灰土試樣和添加偏高嶺土的灰土試樣的含水率ωt，t分別為3 d、7 d、28 d，試樣含水率變化規(guī)律如圖6所示.

由圖6可以看出，在干燥器中養(yǎng)護(hù)的常規(guī)灰土試樣和添加10%偏高嶺土的灰土試樣的含水率，隨著齡期的增長(zhǎng)總體上呈減小趨勢(shì).對(duì)比圖6中的兩條曲線可以看出， 水固比相同的常規(guī)灰土試樣和添加了偏高嶺土的灰土試樣的初始含水率略有不同，這是由于偏高嶺土的加入使相同條件下石灰含量小于常規(guī)灰土試樣中所含的石灰量，而石灰遇水產(chǎn)生大量的熱量，帶走了一部分水分.

對(duì)于常規(guī)灰土試樣，隨著齡期的增長(zhǎng)，試樣的含水率先呈減小趨勢(shì)，至7 d后灰土試樣的含水率幾乎不發(fā)生變化，這主要是因?yàn)樵嚇又械氖译S著齡期的增長(zhǎng)逐漸發(fā)生反應(yīng)，吸收了一定數(shù)量的水分，而后灰土試樣的反應(yīng)吸水與干燥器中的水分補(bǔ)充達(dá)到平衡.添加了偏高嶺土的灰土試樣其含水率變化呈先減小后增大最后略有減小的趨勢(shì)，且3 d齡期時(shí)的含水量變換斜率明顯高于灰土試樣的斜率，主要是因?yàn)槠邘X土與Ca(OH)2和水發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，需要較多的水分參與所致，反應(yīng)完全后試樣又吸收了干燥器中的水分導(dǎo)致式樣的含水率有所增加，隨著齡期的增長(zhǎng)，含水率趨于穩(wěn)定.

圖6 灰土材料的含水率變化曲線Fig. 6 Water content of lime-soil sample

3.2 SEM分析

選取在干燥器中養(yǎng)護(hù)28 d，石灰含量為13%、水固比為0.3的常規(guī)灰土試樣和相同條件下添加10%偏高嶺土的灰土試樣，在其斷面噴金，然后采用掃描電鏡(SEM)進(jìn)行觀察，結(jié)果如圖7所示.

圖7(a)為養(yǎng)護(hù)28 d的常規(guī)灰土試樣，可以看出，灰土試樣內(nèi)部結(jié)構(gòu)較為致密，高嶺土顆粒以單個(gè)粉粒和黏膠微碎屑組成的顆粒集組成，顆粒大小不均勻，顆粒間多以面-面接觸為主，孔隙多表現(xiàn)為微小的顆粒間空隙.而添加了10%偏高嶺土的灰土試樣，如圖7(b)所示，圖像中的顆粒沿著空間3 個(gè)方向都有所生長(zhǎng)，顆粒間明顯受到膠凝黏結(jié)物聯(lián)結(jié)而呈現(xiàn)團(tuán)塊狀態(tài)，與圖7(a)相比土中團(tuán)粒顯著增多，因此強(qiáng)度提高.

圖7 灰土材料的SEM照片F(xiàn)ig.7 SEM photographs of lime-soil material

4 結(jié)論

對(duì)灰土試樣中添加偏高嶺土后的力學(xué)性能進(jìn)行了試驗(yàn)研究，初步確定了灰土材料中偏高嶺土、石灰的含量以及水固比與試樣強(qiáng)度的關(guān)系，并測(cè)定了試樣的軟化系數(shù)，通過(guò)對(duì)試樣含水率變化和試樣細(xì)觀結(jié)構(gòu)的分析，探討了偏高嶺土改善灰土力學(xué)性能的內(nèi)在機(jī)理，主要取得了以下結(jié)論：

(1)在灰土中添加偏高嶺土不僅可以提高灰土材料的后期強(qiáng)度，而且可明顯改善前期強(qiáng)度；

(2)偏高嶺土含量為10%，石灰含量為13%，水固比為0.3的灰土試樣強(qiáng)度最高，其3 d齡期抗壓強(qiáng)度是相同條件下常規(guī)灰土的2.1倍，28 d齡期強(qiáng)度達(dá)到了2.7倍；

(3)添加了偏高嶺土的灰土試樣的軟化系數(shù)整體高于無(wú)偏高嶺土試樣，偏高嶺土可以顯著改善灰土材料的軟化性能；

(4)偏高嶺土與Ca(OH)2和水發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，使得含偏高嶺土的灰土試樣的含水率呈先減小后增大最后略有減小的趨勢(shì)；

(5) 添加偏高嶺土的灰土試樣的結(jié)構(gòu)明顯比常規(guī)灰土試樣的結(jié)構(gòu)致密，添加偏高嶺土的灰土試樣，在土體內(nèi)部產(chǎn)生了水化硅酸鈣(C-S-H)，從而改善了試樣的力學(xué)性能.