鄭亮亮

(中鐵第一勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，陜西 西安 710043)

地質(zhì)聚合物是一種廉價(jià)又環(huán)保的現(xiàn)代土壤固化劑，是通過堿性激發(fā)劑對(duì)工業(yè)固體廢棄物進(jìn)行激發(fā)，使其可在加固的土壤內(nèi)部形成結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的膠凝材料，進(jìn)而對(duì)軟土進(jìn)行有效固化。而地質(zhì)聚合物因?yàn)槠湓蟽r(jià)格低廉，污染低、耐久性強(qiáng)等特點(diǎn)，在建筑領(lǐng)域得到了廣泛運(yùn)用。國(guó)內(nèi)部分學(xué)者也進(jìn)行了很多研究，如以硅灰為硅鋁調(diào)節(jié)劑，鋼渣和廢催化裂化劑為原料，設(shè)計(jì)了具備一定強(qiáng)度的地質(zhì)聚合物[1]。以地質(zhì)聚合物早期強(qiáng)度為主要研究對(duì)象，對(duì)地質(zhì)聚合物強(qiáng)度影響因素進(jìn)行研究[2]。為了探究地質(zhì)聚合物的加固機(jī)理與用于軟土加固的效果，本研究以礦渣和粉煤灰為主要材料，制備了一種新型地質(zhì)聚合物，并探究了其對(duì)軟土加固的機(jī)理。

1 材料與方法

1.1 材料與設(shè)備

本試驗(yàn)主要材料：礦渣(Ⅱ類，澤恩礦產(chǎn)品加工廠)、粉煤灰(低鈣類,彩瑞礦產(chǎn)品加工廠)、氫氧化鈉(AR啟智化工新材料)。

本試驗(yàn)主要設(shè)備：CQM攪拌機(jī)(科尼樂機(jī)械設(shè)備)、FYL-YS恒溫養(yǎng)護(hù)箱(貝登醫(yī)療股份)、GWH-9140A電熱鼓風(fēng)干燥箱(篤特科學(xué)儀器)、LHMJ-III擊實(shí)儀(藍(lán)航中科測(cè)控技術(shù)研究所)、YYW-II應(yīng)變控制式無(wú)側(cè)限壓縮儀(天通試驗(yàn)檢測(cè)儀器)、EVO18掃描電子顯微鏡(普瑞賽司儀器)。

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1地質(zhì)聚合物制備

(1)將礦渣、粉煤灰和堿性激發(fā)劑(NaOH)干料按照一定比例放入攪拌機(jī)中，混合均勻后根據(jù)水灰比放入全部用水量;混合均勻后，成功制備出地質(zhì)聚合物漿液;

(2)將制備的漿液倒入準(zhǔn)備好的圓筒模具中，在倒料時(shí)要注意邊裝邊振，盡量減少漿液內(nèi)部氣泡的存在;

(3)將裝好地質(zhì)聚合物漿液的模具置于FYL-YS型恒溫養(yǎng)護(hù)箱內(nèi)，在溫度25 ℃條件下養(yǎng)護(hù)至初凝，脫模后用保鮮膜封存，繼續(xù)養(yǎng)護(hù)至指定齡期。在制備地質(zhì)聚合物樣品時(shí)，樣品強(qiáng)度受堿性激發(fā)液濃度的影響，為簡(jiǎn)化計(jì)算過程，本次試驗(yàn)將堿性激發(fā)液的濃度設(shè)定為固定值，后續(xù)進(jìn)一步研究;堿性激發(fā)劑濃度根據(jù)水灰比確定[3]。

堿性激發(fā)劑濃度表達(dá)式為[4]：

式中:CNH為堿性激發(fā)液濃度；mNH為堿性激發(fā)液質(zhì)量；MNH堿性激發(fā)液質(zhì)量；mW為水的質(zhì)量；ρW為水的密度。

1.2.2地質(zhì)聚合物固化軟土制備

(1)將取自某工程黏土置于GWH-9140A型電熱鼓風(fēng)干燥箱中烘干，烘干溫度為105 ℃。將烘干后黏土粉碎后，將大粒徑黏土篩出丟棄后，重新制備含水率為50%的重塑軟土進(jìn)行試驗(yàn)[5];

(2)將地質(zhì)聚合物漿料與重塑軟土混合攪拌，攪拌時(shí)間為5 min，分3次倒入提前涂有凡士林的模具中，每次倒入需在LHMJ-III型擊實(shí)儀的作用下?lián)魧?shí)15次左右，將混合物振實(shí)刮平[6]。然后用保鮮膜密封土樣上、下表面，放入恒溫養(yǎng)護(hù)箱內(nèi)養(yǎng)護(hù)，制備過程為45 min，養(yǎng)護(hù)溫度和濕度分別為21 ℃和95%；

(3)養(yǎng)護(hù)24 h脫模、編號(hào)，繼續(xù)養(yǎng)護(hù)至指定齡期。

1.3 性能測(cè)試

1.3.1無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度測(cè)試

實(shí)驗(yàn)教學(xué)儀器設(shè)備的維修是設(shè)備管理的重要工作，隨著設(shè)備的使用，難免會(huì)出現(xiàn)設(shè)備損壞的情況，這就需要我們對(duì)實(shí)驗(yàn)設(shè)備進(jìn)行維修和保養(yǎng)，做好儀器設(shè)備的維修能夠提高設(shè)備的使用年限，也能夠保證實(shí)驗(yàn)教學(xué)的順利開展。實(shí)驗(yàn)設(shè)備的維修應(yīng)有維修記錄表，每次維修詳細(xì)記錄，方便今后查閱。

用應(yīng)變控制式無(wú)側(cè)限壓縮儀對(duì)樣品進(jìn)行無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)[7]。

1.3.2SEM測(cè)試

將待測(cè)樣品置于電熱鼓風(fēng)干燥箱中烘干，然后對(duì)樣品進(jìn)行噴碳鍍膜。最后置于EVO 18型掃描電子顯微鏡試驗(yàn)臺(tái)上，對(duì)樣品的內(nèi)部微觀形貌進(jìn)行觀察，研究地質(zhì)聚合物對(duì)軟土的加固機(jī)理[8]。

2 結(jié)果與討論

2.1 地質(zhì)聚合物參數(shù)優(yōu)化

2.1.1礦渣與粉煤灰比例優(yōu)化

地質(zhì)聚合物抗壓強(qiáng)度變化情況，結(jié)果如圖1所示。

圖1 地質(zhì)聚合物抗壓強(qiáng)度變化Fig.1 Change of compressive strength of Geopolymer

從圖1可以看出，當(dāng)?shù)V渣與粉煤灰的比例為9∶1時(shí)，7 d抗壓強(qiáng)度達(dá)到最大2.94 MPa。這種變化的主要原因在于，當(dāng)體系內(nèi)部存在粉煤灰時(shí)，礦渣富硅相受堿性激發(fā)液影響，快速分離出硅酸根離子，與體系內(nèi)鈣離子結(jié)合后形成硅酸鈣，這就導(dǎo)致體系內(nèi)部凝結(jié)速度較快，在攪拌過程中的漿料出現(xiàn)結(jié)團(tuán)的情況，降低了地質(zhì)聚合物強(qiáng)度[9]。

摻入粉煤灰后，在粉煤灰活化效應(yīng)的作用下，促進(jìn)鈣離子與體系內(nèi)活性成分二氧化硅、氧化鋁結(jié)合，產(chǎn)物為水化硅酸鈣和水化硅酸鋁，而其對(duì)地質(zhì)聚合物強(qiáng)度有提升作用。同時(shí)，粉煤灰結(jié)構(gòu)為球形玻璃體， 在攪拌過程中，與水化產(chǎn)物同時(shí)起到了潤(rùn)滑滾動(dòng)作用，漿液流動(dòng)性提高，在聚合物內(nèi)部均勻擴(kuò)散，減少了漿液內(nèi)部凝結(jié)時(shí)間，增強(qiáng)了地質(zhì)聚合物的和易性，導(dǎo)致地質(zhì)聚合物強(qiáng)度增加[10]。

繼續(xù)增加粉煤灰的質(zhì)量，體系內(nèi)部無(wú)法提供更多的鈣離子，使得陽(yáng)離子在網(wǎng)格中形成非晶質(zhì)結(jié)構(gòu)，最后生成自身結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、粘性較差的粉煤灰基地質(zhì)聚合物，這樣反而讓地質(zhì)聚合物的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度有所下降[11]。綜合考慮，選擇礦渣與粉煤灰最佳比例為9∶1。

2.1.2水灰比優(yōu)化

在地質(zhì)聚合物中，水灰比對(duì)堿性激發(fā)液濃度產(chǎn)生影響，進(jìn)而對(duì)地質(zhì)聚合物無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度產(chǎn)生影響。本試驗(yàn)設(shè)計(jì)水灰比分別為0.5、0.6、0.7進(jìn)行試驗(yàn)，研究了水灰比變化對(duì)地質(zhì)聚合物無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度的影響，結(jié)果如圖2所示。

圖2 水灰比與抗壓強(qiáng)度關(guān)系Fig.2 Relationship between water cement ratio andcompressive strength

從圖2可以看出，隨水灰比的增加，地質(zhì)聚合物強(qiáng)度呈現(xiàn)倒“V”變化。這是因?yàn)檫m量的堿性激發(fā)液對(duì)促進(jìn)煤渣富硅相離解產(chǎn)生積極的作用；而過多的水灰比降低了體系內(nèi)堿激液濃度，對(duì)先驅(qū)劑的活性成分激發(fā)以及硅、鋁分子鍵的解聚效果產(chǎn)生影響，進(jìn)而導(dǎo)致地質(zhì)聚合物的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度受到影響[12]。綜合考慮，選擇最優(yōu)水灰比為0.6。

2.2 地質(zhì)聚合物固化軟土抗壓強(qiáng)度研究

2.2.1堿性激發(fā)劑含量與抗壓強(qiáng)度關(guān)系

在進(jìn)行地聚合物抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)時(shí)，為簡(jiǎn)化計(jì)算過程，固將堿性激發(fā)劑含量設(shè)置為恒定值。但用地質(zhì)聚合物固化軟土的過程中，地質(zhì)聚合物中堿性激發(fā)劑濃度對(duì)固化效果影響較大。為更好地探究地質(zhì)聚合物固化軟土過程中對(duì)軟土抗壓強(qiáng)度的影響規(guī)律，本研究設(shè)立不同濃度的堿性激發(fā)液進(jìn)行試驗(yàn)，結(jié)果如圖3所示。

從圖3可以看出，當(dāng)堿性激發(fā)劑濃度為4.64 mol/L時(shí)，固化軟土試件的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度皆高于其他樣品，其14 d無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度值最高可達(dá)1.5 MPa；這說明最佳堿性激發(fā)劑濃度為4.64 mol/L。同時(shí)，這也證明了地質(zhì)聚合物可有效加固軟土。

圖3 堿性激發(fā)劑與抗壓強(qiáng)度關(guān)系Fig.3 Relationship between alkaline activator andcompressive strength

2.2.2堿性激發(fā)劑與硅原材料質(zhì)量比對(duì)抗壓強(qiáng)度的影響

堿性激發(fā)劑與硅原材料質(zhì)量比對(duì)抗壓強(qiáng)度的影響，結(jié)果如圖4所示。

圖4 抗壓強(qiáng)度變化Fig.4 change of compressive strength

從圖4可以看出，當(dāng)堿性激發(fā)劑與鋁硅原材料的質(zhì)量比為0.15時(shí)，固化軟土7 d最高抗壓強(qiáng)度為1.0 MPa。這個(gè)結(jié)果與2.2.1中結(jié)果一致，這表明堿性激發(fā)劑與鋁硅原材料的最佳質(zhì)量比為0.15。

2.3 地質(zhì)聚合物固化軟土機(jī)理研究

為探究地質(zhì)聚合物固化軟土機(jī)理，用掃描電鏡對(duì)不同養(yǎng)護(hù)齡期的固化軟土進(jìn)行分析，結(jié)果如圖5所示。

(a)3 d齡期

從圖5可以看出，在3種養(yǎng)護(hù)齡期的固化軟土中，均能看到體系內(nèi)部有很多無(wú)定形水化硅酸鈣凝膠，這證明地質(zhì)聚合物是通過體系內(nèi)部生成大量網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的水化硅鋁酸鈣膠凝體和條型形式的水化鋁酸鈣膠凝體來(lái)增加地質(zhì)聚合物的強(qiáng)度。同時(shí)，從圖5還可以觀察到，當(dāng)養(yǎng)護(hù)齡期為3 d時(shí)，固化軟土內(nèi)部?jī)H存在少量的膠凝體，因此對(duì)其抗壓強(qiáng)度的增強(qiáng)力度較小，隨養(yǎng)護(hù)齡期的增加，軟土內(nèi)部凝膠體內(nèi)部性存在的水化產(chǎn)物越多；當(dāng)養(yǎng)護(hù)齡期為14 d時(shí)，內(nèi)部膠凝物質(zhì)含量增加，互相包裹聯(lián)結(jié)，增強(qiáng)了固化軟土內(nèi)部的整體性，減少了內(nèi)部的微觀孔洞，使其整體強(qiáng)度有所上升。

3 結(jié)語(yǔ)

通過以上分析可知，地質(zhì)聚合物對(duì)軟土可起到有效加固作用；但影響加固效果的原因較多，經(jīng)過對(duì)具體的原因進(jìn)行分析，得到的具體結(jié)果：

(1)地質(zhì)聚合物的最優(yōu)制備條件：礦渣與粉煤灰最佳比例為9∶1，最優(yōu)水灰比為0.6。此時(shí)地質(zhì)聚合物樣品7 d抗壓強(qiáng)度為2.94 MPa；

(2)用地質(zhì)聚合物加固軟土，當(dāng)?shù)刭|(zhì)聚合物中堿性激發(fā)劑與鋁硅原材料的質(zhì)量比為0.15，堿性激發(fā)劑濃度為4.64 mol/L時(shí)，地質(zhì)聚合物對(duì)軟土的加固的效果最好，加固后軟土7 d抗壓強(qiáng)度達(dá)到1.0 MPa;

(3)掃描電鏡結(jié)果表明，摻入地質(zhì)聚合物后，軟土內(nèi)部生成大量網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的水化硅鋁酸鈣膠凝體和條型形式的水化鋁酸鈣膠凝體對(duì)加固軟土的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度有增強(qiáng)作用。