地聚合物水泥土最佳拌合方法的试验与探讨

洪 宏，马芹永，高常辉，马冬冬

(1.安徽理工大学矿山地下工程教育部工程研究中心，安徽 淮南 232001；2.安徽理工大学土木建筑学院，安徽 淮南 232001)

水泥土搅拌法是利用水泥作为固化剂，就地将原位土和固化剂强制搅拌，使原位土硬结成具有整体性、水稳性和一定强度的水泥加固土[1]。常用的固化剂包括普通硅酸盐水泥和石灰，人们对其稳定性的研究已趋于成熟。然而，常规固化剂存在一个主要问题，其生产过程为能量密集型，会排放大量的CO2和SO2，如每生产1t普通硅酸盐水泥，排放约1tCO2、0.75kg的SO2和30kg的粉尘[2]。因此，在土木工程领域，一直在积极寻找新型环保类土木工程材料来代替普通硅酸盐水泥。

地聚合物是一种以[SiO4]、[AlO4]四面体为主要组成，具有空间三维网络状键接结构的新型无机硅铝质胶凝材料[3]。地聚合物作为一种高性能混凝土的外添加剂，能够快速提高混凝土的早期抗压强度[4-5]、抗氯离子侵蚀能力以及抗冻融劣化能力[6]，且其生产过程能耗低、二氧化碳排放量少，土木工程领域中具有广泛的应用，其中应用最为广泛的地聚合物为偏高岭土基地质聚合物(MKG)，偏高岭土(MK)是高岭土在600～900℃下经高温煅烧而成的、 非晶态硅铝质材料。 在强碱性条件下，通过水解反应，Si主要以[SiO(OH)3]-、[SiO2(OH)2]2-、[SiO3(OH)]3-离子形式存在，而Al主要以[Al(OH)4]-离子形式存在。这些离子间相互发生缩聚反应而形成硅铝聚合物，硅铝聚合物通过进一步地缩聚反应形成网络结构，随着网络结构的不断扩大而最终形成地质聚合物凝胶体[7-9]。

近年来，偏高岭土的应用越来越广泛。文献[10]研究了偏高岭土对硅酸盐水泥干燥收缩的影响，其研究表明在一定范围内，偏高岭土的掺量越大，浆体的干缩越小。文献[11]在制备高性能混凝土中用偏高岭土代替硅灰为活性掺合料，发现偏高岭土对混凝土强度的影响规律与硅灰等矿物掺合料相似，且用偏高岭土配的混凝土的力学性能与耐久性并不亚于硅灰。另外，文献[12-14]就外掺偏高岭土对水泥土强度的影响进行了深入的研究。

相较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较大差异。文献[15]研究了偏高岭土的掺量在对地聚合物固化土力学性能进行研究时，首先配置碱激发剂，然后将碱激发剂与偏高岭土混合制出地聚合物前体，最后将地聚合物前体与土均匀搅拌，制成试样。文献[16]在研究水泥砂浆固化土的力学特性时，先将土按最优含水率配置并浸润一昼夜，再加入砂与水泥，最后将水灰比所对应的水量均匀的喷洒在混合物中进行制样。文献[17]将偏高岭土以外加剂的形式加入到高温冻结水泥土中，其先将干土与水混合，低温冷冻24h，在冷冻室中压碎，加入水泥与偏高岭土，为确保水灰比而加入适量水，最后制成试块。在试验过程中，发现不同拌合方法对应的地聚合物水泥土，其物理特性和力学性能存在较大差异，因此，为选取地聚合物水泥土的最佳拌合方法，本文研究了五种不同拌合方法的地聚合物水泥土，并对混合料的外观形貌、粗颗粒占比、试样的破坏形态、抗压强度及微观结构进行了分析，最终选取了一种最佳拌合方法。该试验为今后地聚合物水泥土的研究提供了一定的试验基础。

1 试验设计

1.1 试验原材料

试验所用土样为合肥某基坑内的粉质黏土，液限为38.94%，其塑限为22.52%，塑性指数为16.42，最优含水率为20.24%，粉质黏土的颗粒级配如表1所示。水泥为P·O42.5的普通硅酸盐水泥，偏高岭土(MK)为湖南超牌偏高岭土，其特征参数见表2。水玻璃的模数为3.3，固含量为37.1%，氢氧化钠为片状，净含量≥96%。

表1 粉质黏土颗粒级配

表2 偏高岭土的特征参数

1.2 试验方案

选取水泥掺入量(干土的质量比)为12%，偏高岭土基地质聚合物(MKG)为3%，试样养护条件为28d养护龄期，养护湿度为95%，养护温度(20±2)℃。本文设置了5种拌合方法，见表3。其中，湿土是按最优含水率配置的土样，且浸润一昼夜。

为了能够合成部分替代水泥的偏高岭土基地质聚合物(MKG)，在试验前，先制备碱激发剂。碱激发剂是先将片状NaOH固体溶于等质量的水中，制成浓度为50%的溶液，再将一定质量的水玻璃倒入NaOH溶液中，搅拌均匀。以Si/Al摩尔比1.7，Na/Al摩尔比为1，制备碱激发剂。

表3 不同拌合方法及其步骤

注：表中湿土表示用最优含水率配置的土样。

试验无侧限抗压强度采用70.7mm×70.7mm×70.7mm的标准立方体。试样养护到拟定龄期之后，参照《水泥土配合比设计规程》(JGJ/T 233-2011)进行无侧限抗压强度试验。试验采用微机控制电子式万能试验机，试验以应变控制，加荷速率为1.0mm/min。电镜扫描试验是将试样在标准养护条件下养护28d，干燥后镀膜，进行地聚合物水泥土微观结构观测。电镜扫描试验在浙江大学完成。

2 试验结果与分析

2.1 地聚合物水泥土形貌分析及颗粒级配

不同拌合方法拌合后的地聚合物水泥土混合料形貌如图1所示。

图1 不同方法拌合后混合料的形貌

从图1可以看出，采用方法四和方法五拌合后的混合料相对均匀，而用方法一、二和三拌合的混合料明显出现不均匀现象，尤其是方法三，观察方法三中的混合料形貌，成团现象尤为突出，其原因在于方法三先将偏高岭土与碱激发剂混合制成地聚合物前体，再将浆体状的地聚合物前体倒入湿土中，极易结团形成大颗粒，也会对后期试样的性能造成一定的影响。

对不同拌合方法对应的混合料进行筛分试验，统计粒径大于2mm的颗粒占比，具体试验结果为方法一为9.85%，方法二为6.09%，方法三为13.99%，方法四为7.28%，方法五为5.65%。

方法三拌合后的混合料的粗颗粒占比最大，这与图1的混合料的表观形貌相符合。而大面积的成团现象，必定造成水泥颗粒的分布不均，进而影响水泥水化反应的充分进行，试样的强度也会下降。因此，综合地聚合物水泥土混合料的形貌以及粗颗粒占比，方法三可排除。

2.2 地聚合物水泥土破坏后形态分析

不同拌合方法对应的地聚合物水泥土试样破坏后的形态如图2所示。

图2 无侧限抗压强度试验破坏形态

从图2中可以看出，方法一和方法二所对应的试样破坏形态，在破坏时迅速产生一条主裂缝并贯穿整个试件，具有较为明显的脆性破坏特征，而同等试验条件下，方法三、方法四和方法五所对应的试样，在破坏时会产生多条细裂缝，塑性破坏特征较为明显，这是因为方法三、方法四和方法五均为湿土拌合，而相较于干土拌合，湿土更为均匀，水泥颗粒分布也更加均匀，水化反应也更加充分，从而使水泥土形成一个强度整体。因此，在相同的试验环境中，湿土拌合的地聚合物水泥土较干土拌合具有更好的效果。

2.3 地聚合物水泥土无侧限抗压强度试验分析

对五种不同拌合方法制备而成的地聚合物水泥土试样进行了无侧限抗压强度试验，试验结果如图3所示。

图3 地聚合物水泥土应力应变曲线

从图3可以看出各应力应变曲线有明显的峰值，属于应变软化型。各应力应变曲线大致可分为三个阶段：第一阶段为近似弹性变形阶段，应力随应变直线增加；第二阶段为塑性上升段，应力增长变慢，而应变增长变快，直至峰值点；第三阶段为破坏阶段，此段特征在于应力不断下降而应变持续增加，形成明显的下降段。

图3中，用方法一拌合的水泥土，其应力到达峰值点后骤然下降，而用方法三、四和五拌合的水泥土具有明显的残余强度，表明该三种拌合方法对应的水泥土具有一定的韧性。

拌合方法图4 无侧限抗压强度与拌合方法的关系

拌合方法图5 峰值应变与拌合方法的关系

图4和图5分别为不同拌合方法所对应的地聚合物水泥土试样的无侧限抗压强度和峰值应变，由图4可以看出，用方法一和方法五拌合的水泥土试样所对应的无侧限抗压强度较高，约为2.87MPa，方法四所对应的无侧限抗压强度最低，为1.57MPa，较方法一和方法五对应的无侧限抗压强度下降了45.30%；由图5可以看出用方法四拌合的水泥土的峰值应变最大，为1.52%，方法五次之，为1.09%，方法一所对应的峰值应变最小，为0.36%，相较于方法四和方法五分别降低了76.3%和67.0%。排除方法一和方法四。

2.4 SEM电镜扫描试验结果与分析

水泥土的强度特征是其微观特征的宏观反映，两者密切相关[18]。不同拌合方法制得的地聚合物水泥土表现出不同的微观结构特征。图6是由不同方法拌合的地聚合物水泥土的电镜扫描图片。由图6可以看出，用方法二和方法三拌合的水泥土的孔隙较大，结构疏密，土颗粒间呈堆积接触状态；用方法一和方法五拌合的水泥土，其结构致密，水泥水化产物将土颗粒联结在一起，水泥土的孔隙更少，水泥土更密实，形成较强的结构整体。综上所述，用方法一与方法五拌合，能减小水泥土中的大孔隙，降低水泥土的孔隙率。结合无侧限抗压强度试验，方法一与方法五所对应的无侧限抗压强度要高于其他三种拌合方法的强度。

图6 地聚合物水泥土的微观结构图片

3 机理分析

由于偏高岭土具有较强的吸水性，所以偏高岭土与水泥不宜同时加入到土体中。方法五拌合时将偏高岭土与水泥分开掺入土体中，且分别喷入碱激发剂与水灰比对应的水量，既可以减小碱性溶液对水泥的影响，也避免了偏高岭土吸水性对水灰比水量的影响。

在这五种拌合方法中，用方法五拌合的水泥土，其无侧限抗压强度相对较高，且其峰值应变的大小仅次于方法四。综合考虑上述分析，本试验选取方法五为最佳拌合方法。

4 结论

(1)最佳拌合方法是：将以最优含水率配置且浸润一昼夜的湿土与偏高岭土混合，然后喷入碱激发剂，再加入水泥并拌匀，最后喷水灰比对应的水量。该方法具有最大的抗压强度，较用方法四拌合的水泥土强度提高了82.8%，且具有较大的峰值应变，较用方法一拌合水泥土的峰值应变提高了2倍。

(2)由干土拌合的地聚合物水泥土试样，在达到最大承载能力时，变形较小，破坏呈明显的脆性破坏特征，由湿土拌合的地聚合物水泥土试样，达到最大承载能力时有较大变形，呈明显的塑性破坏特征。

(3)在制备地聚合物水泥土试样时，不宜将偏高岭土与水泥同时加入到土体中，建议将偏高岭土与水泥分开掺入土体中，其效果更好。