李雪和 ,楊耀輝,韋金城,李洪利,吳文娟,劉海峰
(1.武漢科技大學(xué) 城市建設(shè)學(xué)院,湖北 武漢,430065;2.中國(guó)科學(xué)院武漢巖土力學(xué)研究所 巖土力學(xué)與工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,湖北 武漢,430071;3.山東高速集團(tuán)創(chuàng)新研究院,山東 濟(jì)南,250098;4.山東省交通科學(xué)研究院 高速公路養(yǎng)護(hù)技術(shù)交通行業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,山東 濟(jì)南,250102;5.山東高速集團(tuán)有限公司智慧管理中心,山東 濟(jì)南,250098)
黃河沖積粉土具有顆粒級(jí)配不良、壓實(shí)困難、強(qiáng)度低以及水穩(wěn)性差等缺點(diǎn),當(dāng)直接用于路基填筑時(shí),極易造成工程病害[1-3]。在實(shí)際工程中,為提高天然粉土的路基填筑適用性,常大量采用水泥、石灰等膠凝材料對(duì)粉土改良固化[4-5]。然而,上述材料在生產(chǎn)中能耗高,同時(shí)產(chǎn)生大量溫室氣體[6-7]。因此,需要研制新型環(huán)保固化劑,以促進(jìn)工程建設(shè)向綠色低碳化發(fā)展。工業(yè)廢渣作為工業(yè)生產(chǎn)中的高產(chǎn)量“低價(jià)值”固廢物,普遍存在環(huán)境污染和土地占用等問(wèn)題[8]。為提高工業(yè)廢渣的回收利用,學(xué)者們研究了工業(yè)廢渣固化土體的資源化利用問(wèn)題。
LANG 等[9-11]開(kāi)展了礦渣、礦渣-粉煤灰、堿渣-礦渣固化淤泥的試驗(yàn)研究,確定了上述材料在淤泥固化中具有良好的適用性。在金屬?gòu)U渣的資源化利用方面,MOZEJKO等[12]探究了鋼渣穩(wěn)定粉質(zhì)黏土的固化機(jī)理,發(fā)現(xiàn)鋼渣水化產(chǎn)生的堿性環(huán)境可促進(jìn)火山灰反應(yīng)的發(fā)生。LANG等[13]研究了鋼渣在水泥固化淤泥過(guò)程中的強(qiáng)度影響規(guī)律,證實(shí)了摻入鋼渣可顯著提高水泥土的強(qiáng)度。在多種工業(yè)廢渣的復(fù)合固化劑研究方面,YE 等[14]基于礦渣、鋼渣、粉煤灰、脫硫石膏和水泥制備GS固化劑,發(fā)現(xiàn)GS的固化性能優(yōu)于水泥。孫仁娟等[15]利用礦渣、粉煤灰、脫硫石膏和水泥復(fù)合固化粉土,發(fā)現(xiàn)固化土的強(qiáng)度發(fā)展可分為2個(gè)階段,先后由水泥組分的水化反應(yīng)和固廢組分的火山灰反應(yīng)主導(dǎo)。MENG 等[16-17]探究了粉煤灰和硅粉對(duì)水泥基材料強(qiáng)度的影響,發(fā)現(xiàn)粉煤灰降低了水泥基材料早期強(qiáng)度,提高了其后期強(qiáng)度,而硅粉增強(qiáng)了水泥基材料的早期強(qiáng)度和后期強(qiáng)度。
綜上所述,工業(yè)廢渣作為土體固化劑的工程應(yīng)用前景廣闊。但目前相關(guān)研究多集中在淤泥等巖土介質(zhì),而針對(duì)粉土開(kāi)展的固化研究較少?;诖耍疚慕Y(jié)合黃泛區(qū)路基工程的實(shí)際建設(shè)需求,采用基于礦渣、鋼渣、脫硫石膏和普通硅酸鹽水泥聯(lián)合制備的固化劑,研究固化粉土的強(qiáng)度及其固化機(jī)理,揭示固化劑摻量、養(yǎng)護(hù)齡期對(duì)固化粉土的強(qiáng)度及微觀結(jié)構(gòu)演化的影響規(guī)律。
試驗(yàn)所用粉土取自山東省齊河縣某公路項(xiàng)目現(xiàn)場(chǎng)。依據(jù)JTG 3430—2020《公路土工試驗(yàn)規(guī)程》[18]測(cè)定其基本物理性質(zhì)指標(biāo),結(jié)果如表1和圖1所示。由圖1 可見(jiàn):粒徑小于0.075 mm 的土顆粒的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為85.4%。借助D8 Advance X-射線(xiàn)衍射儀分析粉土的礦物成分,結(jié)果表明粉土的主要礦物成分為石英、長(zhǎng)石、云母和方解石,其質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為48%、23%、14%和6%。試驗(yàn)所用的固化劑是基于礦渣、鋼渣、脫硫石膏和水泥聯(lián)合制備而成,其中水泥為P.O 42.5 普通硅酸鹽水泥。制備時(shí),首先分別將礦渣、鋼渣和脫硫石膏過(guò)孔徑為5 mm的篩網(wǎng),接著用球磨機(jī)分別對(duì)其進(jìn)行球磨,而后篩選粒徑小于1 mm 的顆粒用于固化劑制備。
圖1 粉土及固化劑的顆粒級(jí)配曲線(xiàn)Fig.1 Particle gradation curve of silt and stabilized agent
表1 粉土的基本物性指標(biāo)Table 1 Basic physical properties of silt
依據(jù)前期試驗(yàn)結(jié)果,按照礦渣、鋼渣、脫硫石膏、水泥的摻量分別為35%、40%、10%和15%配制固化劑,此時(shí),固化劑強(qiáng)度最高。摻拌均勻后的固化劑的顆粒級(jí)配曲線(xiàn)如圖1所示,其中粒徑小于0.075 mm的顆粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)為93.7%。
固化劑的礦物成分分析結(jié)果如圖2所示,其中XRD 圖譜中的主要特征峰為熟石膏和硅酸三鈣,其余礦物成分的衍射峰并不突出,說(shuō)明固化劑的礦物成分主要為非晶態(tài)。
圖2 固化劑的XRD圖譜Fig.2 XRD pattern of the particle gradation curve of silt and stabilized agent
參照工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn),設(shè)置5 個(gè)固化劑摻量梯度,分別為粉土干質(zhì)量的4%、6%、8%、10%和12%。依據(jù)JTG 3430—2020《公路土工試驗(yàn)規(guī)程》[18],采用小筒重型擊實(shí)法,確定不同摻量條件下固化粉土的最大干密度與最優(yōu)含水率。按照96%的壓實(shí)度,借助廈門(mén)智研新創(chuàng)SA-ECM-01型多功能電動(dòng)液壓制樣機(jī),制備各摻量條件下固化粉土標(biāo)準(zhǔn)圓柱體試件。圓柱形試件的直徑為50 mm、高度為100 mm。將制備的試樣置于養(yǎng)護(hù)箱中進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)(溫度為(20±2) ℃,濕度為95%),待試樣達(dá)到試驗(yàn)設(shè)計(jì)齡期后開(kāi)展相關(guān)試驗(yàn)。
1.3.1 無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)
固化粉土的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)借助CMT5105 電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)完成。針對(duì)同一齡期批次、不同固化劑摻量的固化粉土試樣,開(kāi)展3個(gè)平行試驗(yàn),取其平均值作為該齡期固化粉土的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度。加載中控制軸向加載速率為1 mm/min。試樣的含水狀態(tài)為標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)后的自然含水狀態(tài)。
1.3.2 耐久性試驗(yàn)
以水穩(wěn)性能和干濕循環(huán)性能為指標(biāo)評(píng)價(jià)固化粉土的耐久性。水穩(wěn)性試驗(yàn)基于飽和浸水試樣開(kāi)展。強(qiáng)度試驗(yàn)前,將標(biāo)養(yǎng)48 h 的試樣浸沒(méi)水中(水溫為(20±2) ℃),分別浸泡7 d和28 d。試樣在飽和狀態(tài)下的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度取3個(gè)平行試樣的試驗(yàn)結(jié)果的平均值。固化粉土的水穩(wěn)定性以浸水強(qiáng)度折減率評(píng)定[19]。浸水強(qiáng)度折減率K1計(jì)算公式為
式中:σsat為試樣浸水后,飽和狀態(tài)下的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度;σf為試樣標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)后自然含水狀態(tài)下的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度。
干濕循環(huán)試驗(yàn)選用標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)28 d 的固化粉土試樣。對(duì)試樣預(yù)處理時(shí),首先將標(biāo)養(yǎng)28 d 的固化粉土試樣放入烘箱,恒溫干燥24 h(溫度為50 ℃),直至恒質(zhì)量。然后,取出試樣冷卻至室溫。最后,浸入水中(水溫為20±2 ℃) 24 h,以此為1次干濕循環(huán)。干濕循環(huán)后固化粉土的飽和無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度由3個(gè)平行試樣的試驗(yàn)結(jié)果的平均值確定。固化粉土的干濕循環(huán)性能以干濕循環(huán)強(qiáng)度折減率度量。干濕循環(huán)強(qiáng)度折減率K2定義如下:
式中:σcir為固化粉土干濕循環(huán)后飽和狀態(tài)下的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度;σf為試樣標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)后自然含水狀態(tài)下的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度。
1.3.3 核磁共振、X-射線(xiàn)衍射與掃描電鏡觀察
核磁共振試驗(yàn)借助PQ-001 型Mini NMR 核磁共振分析儀開(kāi)展。為減小試樣差異造成的誤差,保證試驗(yàn)數(shù)據(jù)的連續(xù)性及可對(duì)比性,固化粉土的核磁共振測(cè)試針對(duì)同一件試樣、不同養(yǎng)護(hù)齡期依次開(kāi)展。在測(cè)試預(yù)處理中,首先,將達(dá)到指定養(yǎng)護(hù)齡期的試樣真空飽和12 h;然后,拭去試樣表面水分開(kāi)展T2圖譜測(cè)試;最后,將試樣放入養(yǎng)護(hù)箱中繼續(xù)養(yǎng)護(hù)。
分別借助D8 Advance X-射線(xiàn)衍射儀和Quanta250掃描電子顯微鏡對(duì)固化粉土的礦物成分及微觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析,并選擇天然粉土作為對(duì)照。礦物成分分析樣品為過(guò)孔徑為0.075 mm 篩網(wǎng)的細(xì)粒。試驗(yàn)中,D8 Advance X-射線(xiàn)衍射儀的掃描角度為5°~90°,掃描速度為2 (°)/min。天然粉土和固化粉土的電鏡掃描試樣均依據(jù)其最大干密度制備,試樣長(zhǎng)方體長(zhǎng)×寬×高為5 mm×5 mm×10 mm。試驗(yàn)前,先將固化粉土試樣浸入無(wú)水乙醇中終止水化,而后,恒溫干燥24 h(溫度為40 ℃),最后掰斷試樣,掃描斷面形貌。
圖3所示為不同固化劑摻量條件下固化粉土的擊實(shí)曲線(xiàn)。由圖3可知:相較于素土,摻加固化劑后,固化粉土的最大干密度提高顯著;在該試驗(yàn)條件下,固化粉土的最大干密度為1.85~1.86 g/cm3,最優(yōu)含水率隨固化劑摻量增加呈上升趨勢(shì)。
圖3 不同固化劑摻量條件下固化粉土擊實(shí)曲線(xiàn)Fig.3 Compaction curve of stabilized powder soil under different stabilized agent dosing conditions
不同固化劑摻量的固化粉土的齡期強(qiáng)度如圖4所示。從圖4可見(jiàn):從強(qiáng)度增長(zhǎng)趨勢(shì)上看,不同摻量固化粉土的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度均隨齡期增長(zhǎng)而提高;在相同養(yǎng)護(hù)齡期下,固化劑摻量越高,固化粉土的強(qiáng)度增長(zhǎng)越大;在7 d養(yǎng)護(hù)齡期時(shí),固化劑摻量為4%、6%、8%、10%和12%試樣的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度分別為0.53、1.66、2.65、4.03和5.31 MPa。
圖4 不同養(yǎng)護(hù)齡期固化粉土的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度Fig.4 Unconfined compressive strength of stabilized silt of different curing ages
不同固化劑摻量的固化粉土在浸水7 d 和28 d后的浸水強(qiáng)度折減率如圖5所示。由圖5可見(jiàn):4%固化劑摻量的固化粉土的水穩(wěn)性最差,標(biāo)養(yǎng)2 d后該固化劑摻量的試樣在浸水1 d 后均發(fā)生分解破壞,不能測(cè)定其飽和強(qiáng)度,浸水強(qiáng)度折減率為100%;當(dāng)固化劑摻量高于4%時(shí),固化粉土的水穩(wěn)性能顯著改善,固化粉土的7 d浸水強(qiáng)度折減率為13%~16%;浸水28 d 后,各固化劑摻量的固化粉土的浸水強(qiáng)度折減率均顯著增大。6%固化劑摻量的固化粉土在浸水28 d 后的強(qiáng)度折減率最高,為48%。10%摻量固化粉土的浸水強(qiáng)度折減率最低,為20%。這主要是因?yàn)殚L(zhǎng)期浸水后,固化粉土的內(nèi)部團(tuán)粒發(fā)生破壞,凝膠物質(zhì)與土顆粒剝離,試樣內(nèi)部孔隙數(shù)量增加,宏觀上表現(xiàn)為無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度降低。
圖5 固化粉土浸水強(qiáng)度折減率Fig.5 Strength reduction rate after immersion of stabilized silt
圖6所示為不同固化劑摻量的固化粉土試樣在干濕循環(huán)5次后的試驗(yàn)照片。由圖6可知:固化劑的摻量越高,試樣表面的損壞程度越??;4%固化劑摻量的試樣表面發(fā)生明顯損壞,試樣表面大面積剝落,固化劑摻量為6%和8%的試樣表面剝落損壞程度次之,固化劑摻量為10%和12%的固化粉土試樣保持完整。
圖6 干濕循環(huán)5次后的固化粉土試樣Fig.6 Stabilized silt samples after 5 dry wet cycles
標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)28 d 固化粉土的干濕循環(huán)強(qiáng)度折減率隨著固化劑摻量增加而降低。4%固化劑摻量固化粉土試樣的干濕循環(huán)強(qiáng)度折減率高達(dá)77%,而6%、8%、10%和12%固化劑摻量試樣的干濕循環(huán)強(qiáng)度折減率分別為16%、15%、12%和4%。
上述試驗(yàn)結(jié)果表明:當(dāng)固化劑摻量低于10%時(shí),固化粉土試樣在干濕循環(huán)后的完整性較差;當(dāng)固化劑摻量為10%時(shí),固化粉土的浸水強(qiáng)度折減率最低。因此,綜合考慮施工造價(jià)等因素,基于本項(xiàng)目取用的天然粉土,可認(rèn)為礦渣-鋼渣-脫硫石膏-水泥固化劑穩(wěn)定粉土的最優(yōu)摻量為干燥粉土質(zhì)量的10%。
滲透系數(shù)是直觀反映固化粉土路基滲透性及孔隙結(jié)構(gòu)特征的重要參數(shù)。在最優(yōu)固化劑摻量條件下,依據(jù)JTG 3430—2020《公路土工試驗(yàn)規(guī)程》[18]規(guī)定,開(kāi)展不同養(yǎng)護(hù)齡期固化粉土的變水頭滲透試驗(yàn),結(jié)果如圖7所示。從圖7可見(jiàn):在最優(yōu)摻量條件下,固化粉土的滲透系數(shù)在7 d齡期內(nèi)顯著減小。說(shuō)明固化粉土在早期快速生成大量水化產(chǎn)物,填充粒間孔隙,擠密土顆粒,減少貫通孔隙,提高了土體的抗?jié)B性能,該現(xiàn)象也與LI等[20-21]的試驗(yàn)結(jié)果類(lèi)似。固化粉土在7 d 和14 d 齡期時(shí)的低滲透系數(shù)客觀反映了固化粉土在該齡期時(shí)的孔隙體積降低及孔隙連通性變差,試樣的賦水能力降低。在力學(xué)強(qiáng)度試驗(yàn)中,粒間摩擦力在水的潤(rùn)滑作用減弱。隨著養(yǎng)護(hù)齡期增加,固化粉土的強(qiáng)度對(duì)水的敏感性降低。
圖7 最優(yōu)摻量固化粉土的滲透系數(shù)與養(yǎng)護(hù)齡期的關(guān)系Fig.7 Relationship curve between permeability coefficient and curing age of stabilized silt samples under optimal dose
為進(jìn)一步定量化探究固化粉土的孔隙結(jié)構(gòu)演化規(guī)律,針對(duì)最優(yōu)固化劑摻量為10%的固化粉土開(kāi)展不同養(yǎng)護(hù)齡期固化粉土試樣的核磁共振測(cè)試。固化粉土的核磁共振測(cè)試結(jié)果如圖8所示。
圖8 固化粉土的T2分布曲線(xiàn)Fig.8 T2 distribution curves of stabilized silt
由圖8可知:固化劑摻量為10%的固化粉土在不同齡期下的T2分布曲線(xiàn)呈現(xiàn)雙峰分布特征。在試驗(yàn)結(jié)果處理中,為便于分析,將T2分布曲線(xiàn)左側(cè)和右側(cè)的信號(hào)峰分別定義為主峰和次峰??傮w上看,隨著養(yǎng)護(hù)齡期增加,主峰的峰值在14 d 齡期前呈上升趨勢(shì),28 d齡期時(shí)的峰值顯著降低。次峰的峰值則隨齡期增長(zhǎng)而向左下方逐漸偏移。
研究表明,T2與孔徑呈正相關(guān)關(guān)系,T2譜中曲線(xiàn)的積分面積為孔隙總體積[22-23]。因此,基于T2分布曲線(xiàn)隨齡期的變化趨勢(shì)可以判斷整體上固化粉土試樣的大孔隙占比隨齡期增加而不斷減小,而小孔隙占比隨齡期增加而呈增加趨勢(shì)。這表明固化劑摻入后,試樣內(nèi)的水化產(chǎn)物隨齡期增長(zhǎng)而不斷增加,水化產(chǎn)物的膠結(jié)和填充作用導(dǎo)致大孔隙體積和數(shù)量逐漸減小,部分大孔隙轉(zhuǎn)化為小孔隙,從而導(dǎo)致試樣內(nèi)的小孔隙占比整體呈上升趨勢(shì)。
28 d 齡期的固化粉土和天然粉土的XRD 圖譜的對(duì)比如圖9所示。從圖9可見(jiàn):標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)28 d的固化粉土中石英、長(zhǎng)石、方解石礦物的衍射峰未發(fā)生明顯變化;XRD 圖譜出現(xiàn)2 個(gè)明顯的新衍射峰,為固化粉土中的水化物,主要為水化硅酸鈣(C-S-H)和鈣礬石(AFt)。
圖10 所示為天然粉土和不同養(yǎng)護(hù)齡期最優(yōu)摻量固化粉土的SEM照片。由圖10(a)可知:天然粉土的顆粒磨圓度較高,片狀顆粒較少,存在較多粒間孔隙。10%摻量固化粉土1 d齡期的SEM圖像如圖10(b)所示。從圖10(b)可知:1 d 齡期固化粉土的土顆粒表面生成少量C-S-H 凝膠和AFt 晶體。部分C-S-H凝膠相互搭接形成稀疏的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu),分布在土顆粒表面,導(dǎo)致土顆粒之間的膠結(jié)強(qiáng)度提高,宏觀表現(xiàn)為固化粉土的抗壓強(qiáng)度提高。隨著養(yǎng)護(hù)齡期增加,7 d 齡期固化粉土的內(nèi)部生成大量C-S-H 凝膠和AFt,如圖10(c)所示。其中,C-S-H凝膠由網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變?yōu)閷訝罱Y(jié)構(gòu),并將土顆粒包裹,進(jìn)一步提高土顆粒的膠結(jié)強(qiáng)度,而針棒狀的鈣礬石相互交錯(cuò),填充于孔隙之中。標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)28 d時(shí),固化粉土中C-S-H凝膠更加密實(shí),并將部分針棒狀的鈣礬石包裹,填充和膠結(jié)作用使固化粉土形成致密結(jié)構(gòu),如圖10(d)所示。
結(jié)合礦渣、鋼渣、脫硫石膏和水泥的化學(xué)性質(zhì)及微觀測(cè)試結(jié)果可知,固化粉土的強(qiáng)度來(lái)源于固化劑的化學(xué)加固作用。在水化反應(yīng)早期,水泥水化生成水化硅酸鈣(C-S-H)和水化鋁酸鈣(C-A-H),而C-A-H 與CaSO4·2H2O 繼續(xù)反應(yīng)生成鈣礬石[24]。同時(shí),脫硫石膏為固化體系提供Ca2+和,并激發(fā)礦渣、鋼渣發(fā)生水化[25-26]。鋼渣在脫硫石膏激發(fā)下水化生成Ca(OH)2,為整個(gè)固化體系提供堿性環(huán)境。礦渣在脫硫石膏和堿性環(huán)境激發(fā)下生成C-S-H凝膠和AFt[26-27]。隨著水化反應(yīng)進(jìn)行,C-S-H 凝膠和AFt的數(shù)量不斷增加,兩者不斷搭接、包裹土顆粒,逐漸形成致密的復(fù)合結(jié)構(gòu),從而促使固化粉土強(qiáng)度增大。
1) 礦渣-鋼渣-脫硫石膏-水泥固化劑的摻量對(duì)固化粉土的最大干密度和最優(yōu)含水率影響顯著。固化粉土的最大干密度均較素土有較大程度提高。
2) 不同摻量固化粉土的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度隨養(yǎng)護(hù)齡期增加而增加,10%摻量固化粉土的7 d強(qiáng)度達(dá)到4.03 MPa。當(dāng)固化劑摻量高于4%時(shí),固化粉土的耐久性顯著提升,其7 d浸水強(qiáng)度折減率和干濕循環(huán)5次強(qiáng)度折減率均小于16%。
3) 結(jié)合固化粉土的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度、水穩(wěn)性、干濕循環(huán)強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果,綜合考慮施工造價(jià)等因素,確定礦渣-鋼渣-脫硫石膏-水泥固化劑穩(wěn)定粉土的最優(yōu)摻量為干燥粉土質(zhì)量的10%。
4) 固化粉土中礦渣、鋼渣、脫硫石膏和水泥存在協(xié)同水化作用,早期產(chǎn)生大量的C-S-H凝膠和針棒狀的鈣礬石,填充和膠結(jié)土顆粒,后期C-S-H凝膠包裹鈣礬石形成致密的復(fù)合結(jié)構(gòu),大幅度提高固化粉土的強(qiáng)度、水穩(wěn)性和抗?jié)B性。