李育超 楊佳林 蘭吉武 黃根清

摘? ?要：采用壓電陶瓷彎曲元測試礦渣-水泥-膨潤土（S-CB）試樣剪切波速的方法，研究了復合膠凝材料含量、礦渣替代率、齡期對S-CB的剪切波速（Vs）與剪切模量（G0）的影響規(guī)律. 試驗結(jié)果表明，S-CB的Vs隨齡期的增長、礦渣替代率的減小、復合膠凝材料含量的增大而增大;試驗中，S-CB的Vs明顯低于同齡期水泥土的Vs，這主要歸因于S-CB含水量顯著高于水泥土;發(fā)現(xiàn)S-CB的硬化發(fā)展規(guī)律與礦渣替代率緊密相關(guān)，與復合膠凝材料含量相關(guān)性不明顯，基于試驗結(jié)果提出了礦渣-水泥-膨潤土的剪切模量隨齡期的預測公式，若測試獲得某一復合膠凝材料含量的礦渣-水泥-膨潤土的歸一公式，可推測相同礦渣替代率的其他復合膠凝材料含量的礦渣-水泥-膨潤土的剪切模量.

關(guān)鍵詞：礦渣-水泥-膨潤土;剪切波速;剪切模量;齡期效應;彎曲元

中圖分類號：TU47;X50? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A

文章編號：1674—2974（2019）09—0133—08

Abstract： The shear wave velocity of slag-cement-bentonite （S-CB） samples by piezoelectric bending element was tested to study the influence of cementitious material content，slag substitution rate and age on shear wave velocity （Vs） and shear modulus （G0）. The test results showed that， with the increase of age， decrease of slag substitution rate and increase of content of cementitious material， shear wave velocity （Vs） of S-CB increased. In the tests， Vs of S-CB is significantly lower than that of cemented clay at the same age. This is mainly due to the higher water content of S-CB than cemented clay. It is observed that the development tendency of S-CB is closely related to the slag substitution rate of cementitious material， and it is not obviously correlated with the content of cementitious material. Based on the test results， the prediction formula for shear modulus of cement-bentonite with age was proposed. If the normalized formula of S-CB with one kind of cementitious material content is obtained by test， the shear modulus of S-CB with other composite cementitious materials content and the same slag replacement rate can be speculated.

Key words： slag-cement-bentonite;shear wave velocity;shear modulus;age effect;bender element

我國城市地下水土污染嚴重，威脅居民健康和生態(tài)環(huán)境，制約城市土地再利用，亟需有效控制和治理. 豎向防污隔離墻采用防滲防污性能良好的土質(zhì)或人工材料及結(jié)構(gòu)將污染場地或潛在地下污染源與周邊未污染的區(qū)域阻隔，實現(xiàn)防止污染物地下擴散的目的[1].該技術(shù)是污染場地和固體廢棄物填埋場地下污染防控和修復治理的重要途徑.

土-膨潤土和水泥-膨潤土是兩種應用最廣泛的豎向防污隔離墻墻體材料. 膨潤土具有良好的遇水膨脹性，可降低材料的滲透系數(shù). 美國由于懷俄明等地的天然鈉基膨潤土性能好，主要采用土-膨潤土作為隔離墻墻體材料[2]，該材料滲透系數(shù)?。ㄐ∮?×10-7 cm/s），但抗剪強度較低、破壞應變較大（大于20%）;英國等歐洲國家天然膨潤土多為鈣基膨潤土[3]，工程性能不如鈉基膨潤土，因此將水泥等摻入膨潤土泥漿，形成低滲透性、破壞應變較小（一般小于2%）、具有一定抗剪強度的水泥-膨潤土隔離墻材料[4].

英國的防污隔離墻工程常用磨細高爐礦渣或粉煤灰替代部分水泥作為復合膠凝材料，既可以降低材料造價，又可以充分利用工業(yè)廢渣，有較好的經(jīng)濟與環(huán)境效益. 在水泥-膨潤土中采用磨細高爐礦渣替代部分水泥可以減少礦渣-水泥-膨潤土材料的滲透系數(shù)、泌水性，并增加材料的強度[3，5].

與土-膨潤土相比，水泥-膨潤土具有較高的抗剪強度，一般達140～350 kPa. 當隔離墻頂部需承受上覆荷載時，宜采用水泥-膨潤土墻[6]. 水泥-膨潤土的抗剪強度特性一般通過無側(cè)限抗壓強度試驗確定. 然而，水泥-膨潤土的抗剪強度隨復合膠凝材料水化逐漸增長，即存在齡期效應. 采用無側(cè)限抗壓強度試驗測試時，水泥-膨潤結(jié)構(gòu)遭到破壞，無法對同一個試樣進行隨齡期的持續(xù)測試，配合比試驗往往考慮到齡期、配比等影響因素需要制備大量試樣，測試結(jié)果通常離散性較大.

剪切波在土中傳播時質(zhì)點振動方向垂直于傳播方向，孔隙水一般被認為無法傳遞剪切波，因此剪切波速主要反映土骨架的工程性狀[7].將壓電陶瓷彎曲元（下文簡稱“彎曲元”）測試表征土體剛度的剪切模量的這種無損測試方法用于礦渣-水泥-膨潤土，可解決上述無側(cè)限抗壓試驗存在的問題. 自DYVIK和MADSHUS將彎曲元應用在三軸儀上測試土體剪切模量以來[8]，該方法得到了廣泛的應用. 目前國內(nèi)外關(guān)于采用彎曲元測試土體剪切模量進行了大量研究，包括土體結(jié)構(gòu)性與剪切模量的關(guān)系[9-11]、砂土液化評價[12-13]、場地動力響應分析[14]、地基改良土測試[15]等. Joshi[2]采用彎曲元測試了礦渣-水泥-膨潤土的小變形剪切波速和剪切模量，測試結(jié)果表明礦渣-水泥-膨潤土的力學性能取決于齡期和圍壓，該研究對比了室內(nèi)試樣與現(xiàn)場取樣的測試結(jié)果差異，未研究配比對礦渣-水泥-膨潤土剪切波速的影響;并且該研究的主要目的是了解材料的長期工程性能，測試的試樣齡期比較分散，未對礦渣-水泥-膨潤土的硬化速率進行分析.

本文試驗將礦渣替代部分水泥的混合物作為復合膠凝材料，配制了5種礦渣替代率Ss（礦渣質(zhì)量占復合膠凝材料質(zhì)量的比值）、3種復合膠凝材料含量SC（水泥與礦渣質(zhì)量之和與膨潤土泥漿質(zhì)量的比值）的礦渣-水泥-膨潤土材料. 采用彎曲元連續(xù)測試上述不同配合比的礦渣-水泥-膨潤土材料剪切波速隨齡期的變化，研究礦渣-水泥-膨潤土剪切模量隨復合膠凝材料含量、礦渣替代率、齡期的變化規(guī)律，基于測試結(jié)果提出礦渣-水泥-膨潤土剪切模量隨齡期增長的預測公式.

1? ?試樣制備

本試驗的礦渣-水泥-膨潤土試樣由山東濰坊膨潤土、強度等級為42.5的普通硅酸鹽水泥（錢潮牌）、高爐礦渣細粉（鞏義市元亨凈水材料廠）和去離子水配制而成，其中膨潤土、水泥和礦渣均烘干后使用（水泥烘干溫度為40 ℃）. 膨潤土的礦物組成質(zhì)量占比為10.8%石英、37.4%長石、2.8%方解石、48.9%蒙脫石，顆粒比重為2.60，液限和塑限分別為135.2%和38.4%，塑性指數(shù)為96.8，比表面積為30.97 m2/g，膨脹指數(shù)為17.1 mL/2g，陽離子交換量見表1. 礦渣的化學組成見表2，主要成分為（質(zhì)量分數(shù)）SiO2（58.1%）和Al2O3（29.9%），顆粒比重為2.22，包含77.3%粒徑小于0.074 mm的顆粒、22.7%粒徑大于0.074 mm的顆粒.

本試驗的泥漿由5%質(zhì)量的膨潤土與95%質(zhì)量的去離子水制成，比重為1.02，蘇式漏斗粘度為19 s，含沙量為0.5%，制備了3組復合膠凝材料含量的礦渣-水泥-膨潤土，SC分別為15%、20%和25%，對應的含水量分別為475.0%、380.0%和316.7%. 每組復合膠凝材料含量的礦渣-水泥-膨潤土中，礦渣對水泥的質(zhì)量替代率Ss分別為0%、40%、60%、70%和80%. 上述組成共15種配比，詳見表3.

礦渣-水泥-膨潤土材料中，水泥和礦渣的混合物作為復合膠凝材料，其水化時，水泥首先與水反應生成水化硅酸鈣、水化鋁酸鈣、水化硅鋁酸鈣和氫氧化鈣. 其中氫氧化鈣作為礦渣的堿性激發(fā)劑，與礦渣中的活性氧化硅、氧化鋁反應生成水化硅酸鈣、水化鋁酸鈣[16]. 前期主要由水泥水化提供材料強度，后期礦渣活性被激發(fā)參與水化反應，提高礦渣-水泥-膨潤土的強度[17].

礦渣-水泥-膨潤土試樣的制備方法：采用自動攪拌器將膨潤土與去離子水攪拌10 min制成泥漿，泥漿水化24 h后按所定的比例加入復合膠凝材料并采用自動攪拌器攪拌10 min，將上述攪拌后的混合物裝入試樣模具. 為避免試樣內(nèi)形成大空隙，在裝入材料過程中輕微震動模具以排出氣泡. 模具為PVC材質(zhì)，內(nèi)直徑為70 mm，高度為140 mm（符合ASTM/D 2166—06[18]），內(nèi)壁涂有凡士林，頂部、底部用有機玻璃蓋密封. 將密封好的試樣放入一般水槽中進行養(yǎng)護，水槽放置在室溫為（20± 3）℃的養(yǎng)護室中.

2? ?試驗方法

采用彎曲元測試按相應配比制備的礦渣-水泥-膨潤土不同齡期的剪切波速Vs. 試驗裝置原理示意圖見圖1，采用的彎曲元件型號為T215-A4-303YB、T215-A4-303XB（Piezo Systems，Inc），彎曲元凸出長度為10 mm. 試驗時，彎曲元凸出部分插入試樣兩端，分別作為激發(fā)端和接收端. 當發(fā)射端的彎曲元在信號發(fā)生器和功率放大器產(chǎn)生的激發(fā)波產(chǎn)生彎曲運動時，周圍的土體被迫水平向運動，這種運動以剪切波的形式通過土體傳播，到達接收端時接收端的彎曲元由于周圍土體運動而產(chǎn)生彎曲變形，壓電材料將動能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔埽娦盘柋浑姾煞糯笃鹘邮詹⒎糯?，激發(fā)和接收這兩種信號都用數(shù)字示波器記錄[19].

式中：L為剪切波傳播行程，等于試樣高度減去兩端彎曲元插入土樣深度;t為剪切波在土體中的傳播時間，即激發(fā)和接收信號的時間差，由輸出信號的第一個到達波確定[8，20].

礦渣-水泥-膨潤土試樣制成并養(yǎng)護24 h后，進行無圍壓條件下的剪切波速測試，齡期1 d至28 d間每天測試1次;齡期28 d至90 d間每2～3天測試1次;齡期90 d后每15～20 d測試1次. 由于激發(fā)波的頻率會顯著影響接收波的波形，因此試驗前在試樣的不同水化時間進行多次嘗試，以產(chǎn)生受近場效應影響小的接收波. 根據(jù)測試發(fā)現(xiàn)，高頻激發(fā)波可降低近場效應的影響，產(chǎn)生清晰的接收波. 本試驗在齡期7 d前采用約5 kHz激發(fā)波，隨著試樣水化逐漸提高頻率，齡期90 d后增至10 kHz.

3? ?試驗結(jié)果及分析

3.1? ?剪切波速

對于制備的15種配比的礦渣-水泥-膨潤土試樣進行為期1 a的剪切波速增長連續(xù)測試. 圖2（a）為前28 d復合膠凝材料為20%、礦渣替代率為40%的部分剪切波接收記錄. 試樣高度為132.7 mm. 以齡期為3 d的試樣（見圖2（b））為例，激發(fā)到接收端接收到第一個到達波的時間為t = 5.03 × 10-3 s. 因此可計算該試樣此時剪切波速Vs = （132.7-20） mm/5.03 × 10-3 s = 22.41 m/s.

測試了3種復合膠凝材料含量、5種礦渣替代率，共15種配比的礦渣-水泥-膨潤土試樣的剪切波速隨齡期的變化，如圖3所示.

剪切波速均隨齡期的增長而增長，且增長速度隨齡期的增長而減緩. 例如，Sc為20%、Ss為40%的材料7 d、14 d、60 d、90 d、120 d、350 d的剪切波速分別是28 d剪切波速的0.44、0.73、1.20、1.30、1.33、

1.48倍. 各種配比的試樣在前28 d剪切波速增長較快，特別是前14 d增長迅速，28 d后剪切波速增長逐漸變緩. 剪切波速均隨齡期的變化與復合膠凝材料水化進程有關(guān). 礦渣-水泥-膨潤土固結(jié)體的骨架主要是由復合膠凝材料水化產(chǎn)物構(gòu)成，膨潤土形成的凝膠和膠凝材料生成的水化硅酸鈣凝膠（CSH凝膠）連接著膨潤土顆粒和復合膠凝材料顆粒，形成一定的強度[16]. 隨著復合膠凝材料水化，顆粒間的粘結(jié)增強，材料強度增加，這體現(xiàn)了材料的結(jié)構(gòu)性.

同一齡期，對于相同礦渣替代率Ss的材料，復合膠凝材料含量Sc越大，剪切波速越大. 例如，Sc分別為15%、20%、25%的Ss為40%的材料90 d左右的剪切波速可分別達到90 m/s、120 m/s和180 m/s，其余礦渣替代率材料可做類似對比. 對于相同復合膠凝材料含量Sc的材料，礦渣替代率Ss越大，剪切波速越小，剪切波速增長速度也越來越小. 例如，Sc為15%的材料，Ss為0%、40%、60%、70%、80%對應的90 d左右的剪切波速分別達到110、90、75、55和30 m/s.

相同礦渣替代率、復合膠凝材料含量越大或者相同復合膠凝材料含量、礦渣替代率越大所導致的剪切波速不同，均是由于復合膠凝材料水化程度不同造成的. 礦渣-水泥-膨潤土材料中的礦渣是具有潛在膠凝性的材料，水泥水化時產(chǎn)生的堿性環(huán)境可較好地激發(fā)礦渣的活性[17]. 隨著水泥-礦渣復合膠凝材料體系中礦渣替代率的增大或復合膠凝材料含量的減小，即體系中水泥質(zhì)量分數(shù)減小，水泥水化產(chǎn)物含量減少，同時水泥水化產(chǎn)生的堿激發(fā)效果降低，礦渣反應程度隨之降低[17]，水泥與礦渣這二者的原因?qū)е虏牧蠌姸冉档?、剪切波速減小.

除了上述數(shù)值大小差異，對于相同礦渣替代率的材料，雖然復合膠凝材料含量不同，但是剪切波速隨齡期的變化趨勢大致相同. 由此可見，剪切波速隨齡期的變化趨勢與礦渣替代率相關(guān).

目前國內(nèi)工程中常用的是水泥土，礦渣-水泥-膨潤土的反應過程類似于水泥土，但兩者目的不同，水泥土主要是通過水泥“固化”軟弱土來增強地基的承載力和減小沉降，而礦渣-水泥-膨潤土主要是用于防滲[16].為了比較本文礦渣-水泥-膨潤土材

料與水泥土的差別，圖4總結(jié)了文獻中不同水泥含量、標號、不同含水量水泥土材料的剪切波速隨齡期的變化，文獻材料配比詳細信息見表4. 由圖4可見，本文測試所得的礦渣-水泥-膨潤土的剪切波速顯著小于水泥土. 由圖4可見，相同齡期的材料，含水量越高，剪切波速越小，即材料的強度越小. 而礦渣-水泥-膨潤土的含水率遠高于水泥土正是這兩種材料最明顯的差別. 礦渣-水泥-膨潤土的含水率一般為122%～590%[2]，而水泥土的含水率一般為48%～85%（按規(guī)范[21]算得）.

在礦渣-水泥-膨潤土和水泥土材料中，復合膠凝材料含量、尤其是復合膠凝材料中的水泥含量是決定強度的最主要因素，因為礦渣需要在一定水泥摻比范圍內(nèi)才能被激發(fā)活性. 隨著水泥含量的增加，材料強度也就越高，表現(xiàn)出剪切波速越大. 而礦渣-水泥-膨潤土材料中水的含量要遠遠高于水泥土，同時起控制強度主要作用的水泥含量又較少，因此強度較低，表現(xiàn)出礦渣-水泥-膨潤土材料剪切波速明顯低于水泥土.

3.2? ?小應變剪切模量

由試樣的剪切波速Vs可計算得小應變剪切模量G0[20]：

式中： ρ為試樣的密度（由于試樣密度隨齡期變化較小，對各配比試樣齡期28 d的密度均進行了試驗測定）;Vs為試樣的剪切波速. 小應變剪切模量G0由應力歷史、應力水平、孔隙比、土體結(jié)構(gòu)和土骨架的剛度等因素決定，是一個能綜合反映土體性質(zhì)的非常有價值的參數(shù)[9].

剪切模量與剪切波速相關(guān)性很強，二者的變化趨勢也非常相似，如3.1節(jié)所述，相同礦渣替代率的材料剪切波速隨齡期的變化趨勢大致相同，不受復合膠凝材料含量影響，那么剪切模量也同樣遵循此結(jié)果. 礦渣-水泥-膨潤土材料的剪切模量隨齡期的增加而增加，28 d齡期后增長減緩;并且添加水泥的土樣通常選取28 d的強度作為指標，因此選取齡期為28 d的剪切模量G 0 （28）作為歸一化參數(shù)，對這3種復合膠凝材料含量、5種礦渣替代率共15種配比的材料的剪切模量進行歸一化（G0 /G 0 （28）），即對剪切模量的變化情況數(shù)值化，見圖5. G 0 （28）的結(jié)果如圖5所示.

圖6中的5條曲線是分別對礦渣替代率為0%、40%、60%、70%、80%的材料G0 /G 0 （28）隨齡期的發(fā)展趨勢（材料的硬化發(fā)展趨勢）進行擬合的曲線. 由圖6可見，對于相同礦渣替代率的礦渣-水泥-膨潤土材料，雖然復合膠凝材料含量不同，但是材料的硬化發(fā)展趨勢相同. 由此推測，礦渣-水泥-膨潤土材料的硬化發(fā)展趨勢與復合膠凝材料的礦渣替代率緊密相關(guān). 基于測試結(jié)果本文提出了預測公式（3）.

式中：T為齡期，d;a、b為擬合參數(shù)，不同礦渣替代率的材料的擬合參數(shù)見表5.

因此，若得知某一礦渣替代率的其中一種復合膠凝材料含量的礦渣-水泥-膨潤土的歸一公式，可推測該礦渣替代率條件下其他復合膠凝材料含量的礦渣-水泥-膨潤土的剪切模量，省去對于不同復合膠凝材料含量的礦渣-水泥-膨潤土的試驗. 例如，已知Ss = 60%、SC = 20%的材料的歸一公式G0 /G 0（28） = 1.82T/（26.33 + T），那么Ss = 60%時，SC = 15%的材料的歸一化公式與之相同;進一步，若得知Ss=60%、SC = 15%的材料的28 d剪切模量G 0（28） = 510.11 kPa，那么該配比材料剪切模量隨齡期變化的公式為G0 = 510.11 × [1.82T/（26.33 + T）]，可算得不同齡期的剪切模量.

由圖6可見，對于相同復合膠凝材料含量的材料，礦渣替代率越大，G0 /G 0（28）早期增長越快、后期增長越慢. 相同復合膠凝材料含量即含水量相同，礦渣替代率越大即水泥含量越小，相對來說前期水泥與水接觸反應越充分、反應所需時間越短，水泥早期水化程度越高、后期增長空間變小，所以G0 /G 0（28）早期增長快、后期增長慢.

同時，礦渣替代率越大，G0 /G 0（28）趨于平緩的時間越靠前，趨于平緩的拐點值越小. Ss分別為0%、40%、60%、70%、80%對應的G0 /G 0（28）趨于平緩的時間分別為80 d、70 d、50 d、40 d、25 d. Ss為0%和40%的材料剪切模量增長趨勢比較接近. 考慮原因為，礦渣替代率為40%時水泥水化能提供較充分的Ca（OH）2（堿性）供礦渣反應，因此后期增長速率接近純水泥. 而隨著水泥-礦渣復合膠凝材料體系中礦渣替代率繼續(xù)增大、水泥質(zhì)量分數(shù)減小，堿性降低，礦渣反應程度隨之降低. 本文材料中礦渣替代率大于40%時，水泥含量較小、水泥水化的產(chǎn)物不足以提供充分的堿性環(huán)境供礦渣水化，因此，水泥水化產(chǎn)物較少且礦渣反應不如礦渣替代率較小時充分，這兩個因素導致Ss分別60%、70%、80%的增長能力明顯小于Ss為0%、40%的材料.

4? ?結(jié)? ?論

本文針對水泥、礦渣的不同配比，基于齡期連續(xù)測試材料的剪切波速變化，采用彎曲元測試剪切波速的方法，研究了復合膠凝材料含量、礦渣替代率、水化時間對礦渣-水泥-膨潤土材料的力學性能方面的影響. 得到以下結(jié)論：

1）礦渣-水泥-膨潤土隨著膠凝材料水化，顆粒間的粘結(jié)增強，剪切波速隨齡期增長而增大，但28 d后剪切波速的增長速率隨齡期增長而減小.

2）礦渣-水泥-膨潤土的剪切波速隨礦渣替代

率的減小、復合膠凝材料含量的增大而增大.

3）本文試驗中，礦渣-水泥-膨潤土28 d的剪切波速的范圍為27～170 m/s，明顯低于同齡期水泥土的剪切波速，這主要與礦渣-水泥-膨潤土含水量顯著高于水泥土有關(guān).

4）發(fā)現(xiàn)礦渣-水泥-膨潤土的硬化發(fā)展趨勢與

復合膠凝材料的礦渣替代率緊密相關(guān)，與復合膠凝材料含量無關(guān)，基于試驗結(jié)果提出了礦渣-水泥-膨潤土小應變剪切模量隨齡期的預測公式.

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