水泥-磨细矿渣固化滨海盐渍土强度及机理

赵庆新， 才鸿伟， 安 赛， 刘继中

(1.燕山大学 河北省土木工程绿色建造与智能运维重点实验室， 河北 秦皇岛 066004； 2.河北科技师范学院 城市建设学院， 河北 秦皇岛 066004)

鉴于此，本文以水泥和磨细矿渣为固化剂来制备加固土，研究其强度发展规律，同时采用XRD、热重-差示扫描量热(TG-DSC)法和扫描电子显微镜(SEM)技术探究其加固机理.

1 试验

1.1 原材料

被加固土为黄骅港滩涂地区滨海盐渍土，天然含水率(质量分数，文中涉及的含水率、液限等均为质量分数)为38.9%，液限为38.8%，塑限为20.4%，该盐渍土属于黏性土，其Cl-含量为0.89%.固化剂采用浅野P·O 42.5 R普通硅酸盐水泥和S95级矿渣(GGBS)，主要化学组成见表1.拌和水采用黄骅港滩涂地区天然海水，主要盐分为NaCl.

表1 水泥与磨细矿渣的化学组成Table 1 Chemical compositions of cement and GGBS w/%

1.2 配合比及试验方法

1.2.1试件制备及无侧限抗压强度测试

国内用于水泥土搅拌的固化剂通常为水泥浆液，考虑到该施工工艺需额外增加用水量，本研究将盐渍土含水率由38.9%调整至60.0%.先计算出含水率60.0%盐渍土的额外需水量，将此量海水加入盐渍土中搅拌均匀，再将固化剂干粉加入其中并搅拌均匀.将固化剂掺量取为固化土总质量(干土、水和固化剂质量之和)的20%，采用0%、25%、50%、75%和100%磨细矿渣等质量替代水泥，分别制备成型尺寸为 70.7mm× 70.7mm×70.7mm的5种加固土试件.为模拟现场环境，加固土试件浇筑完毕后，立刻用凡士林和保鲜膜密封并置于室温(14.5℃)环境中养护至预定龄期.参照JGJ/T 233—2011《水泥土配合比设计规程》中无侧限抗压强度试验方法进行强度测试.

1.2.2固结物含量测试

用压力机将加固土试件破碎，取粒径小于 10mm 的碎块置于0.315mm标准砂石筛内；用流动清水冲洗至不再产生浑浊液体；将冲洗后的加固土置于105℃干燥箱中干燥24h.按式(1)计算加固土固结物的含量w：

(1)

式中：M1为加固土冲洗前的质量，g；M2为加固土冲洗后并干燥24h的质量，g.

1.2.3微观试验

按照1.2.2节中方法取加固土碎片进行SEM测试.将加固土进行烧失量测试、XRD测试和TG-DSC测试.

2 结果与讨论

2.1 无侧限抗压强度

5种磨细矿渣掺量的加固土7、28、90d无侧限抗压强度如图1所示.

图1 加固土无侧限抗压强度Fig.1 Unconfined compressive strength of stabilized soil

由图1可知：7、28、90d龄期时水泥-磨细矿渣复合固化剂的加固效果优于单掺水泥或磨细矿渣；当磨细矿渣掺量为0%～75%时，加固土7、28d无侧限抗压强度随着磨细矿渣掺量的增大而逐渐增高，最高可达6.0、10.0MPa；7d龄期单掺磨细矿渣加固土尚未产生强度，28d龄期时其强度高于单掺水泥加固土强度；当磨细矿渣掺量为25%～100%时，90d龄期时加固土强度均达到11.5MPa以上，远高于单掺水泥加固土强度.

2.2 固结物含量

5种磨细矿渣掺量的加固土7、28、90d龄期时固结物的含量如图2所示.

图2 加固土固结物的含量Fig.2 Hardened materials content of stabilized soil

由图2可知：7、28d龄期时水泥-磨细矿渣复合固化剂制备的加固土，其固结物含量明显高于单掺水泥或磨细矿渣时的含量；当磨细矿渣掺量为 0%～ 75%时，7、28d加固土固结物含量随着磨细矿渣掺量的增大而逐渐增高，最高可达64%；当磨细矿渣掺量为100%时，加固土固结物含量在7、 28d 龄期时最低，但在90d龄期时，其含量迅速增长，达到74%.

2.3 烧失量

一般来说，水化产物的数量对加固土强度存在重要影响.郑克仁等[8]采用烧失量法测得水泥-矿渣体系的非蒸发水量，分析了矿渣掺量对体系水化产物数量的影响.由于固化剂水化产物和盐渍土均可产生烧失量，而5种加固土中盐渍土的含量相同，故可通过横向对比消除盐渍土影响，来反映水化产物烧失量特征，并以此粗略反映水化产物数量.

加固土7、28d的烧失量如图3所示.由图3可见，加固土7、28d烧失量随磨细矿渣掺量的增大而先增后减，此规律与文献[8]中水泥净浆非蒸发水量随着矿渣掺量的增加而先增后减的变化规律基本一致.

图3 加固土烧失量Fig.3 Loss on ignition of stabilized soil

2.4 无侧限抗压强度与固结物含量、烧失量的相关性

固结物为体系水化产物与土颗粒相结合的产物，其形成不仅与水化产物数量有关，还与其能够紧密粘结的土颗粒数量存在相关性.以磨细矿渣掺量为0%的加固土为基准，将28d龄期时加固土抗压强度、固结物含量和烧失量的相对百分数作对比，结果如图4所示.

图4 加固土参数相对值Fig.4 Relative value of parameter of stabilized soil

由图4可知，加固土的抗压强度与其固结物含量存在明显的正相关特征，而与烧失量相关性不强.因此，不能单独采用水化产物数量解释其强度差异，还应考虑固化剂对土颗粒的影响，如水化产物中的晶体和非晶体差异、物理作用等.

2.5 XRD分析

由于加固土的破坏形态呈现出脆性破坏，加固土的固结物中可能形成了类晶态的水化产物.为确定该结晶水化产物的类型，对5种加固土28d龄期时的水化产物进行XRD分析，结果如图5所示.

图5 加固土XRD图谱Fig.5 XRD patterns of stabilized soil

由图5可见：加固土在2θ=11°时出现了水化氯铝酸钙(3CaO·Al2O3·CaCl2·10H2O)的衍射峰，水化氯铝酸钙体积膨胀可以提高加固土强度[9]，然而各加固土均出现了水化氯铝酸钙衍射峰，说明其并不是造成加固土强度差异的主要原因；相比于磨细矿渣掺量为0%的加固土，其他加固土并未有新的结晶相生成，但其强度明显提高，这可能是由于非晶体水化产物或物理作用所致.

2.6 TG-DSC分析

为确定不同加固土非晶体水化产物类型，对养护28d的加固土进行TG-DSC分析.5种加固土的TG-DSC曲线如图6所示.

图6 加固土TG-DSC曲线Fig.6 TG-DSC curves of stabilized soil

由图6可知：加固土DSC曲线在200～650℃没有吸热或放热峰，同时TG曲线没有明显下降段，说明加固土并未大量生成某种可热分解的物质；加固土DSC曲线在730℃附近出现吸热峰，所对应的TG曲线出现质量损失，为盐渍土中的CaCO3吸热分解所致；加固土DSC曲线在850℃附近的放热峰为水化产物晶型转变生成硅灰石和钙铝黄长石[10].5种加固土的TG-DSC分析曲线趋势相同，说明其水化产物类型可能相同，这也佐证了加固土XRD衍射峰相同的试验结果，因此可初步推断，加固土强度差异很可能是物理作用导致.

2.7 SEM分析

为确定加固土微观结构，采用SEM对5种加固土28d龄期时的剖断面形貌特征进行观测，SEM照片见图7.

由图7可见：磨细矿渣掺量为0%的加固土产生了纤维状和连续褶皱状C-S-H凝胶，凝胶体存在较多孔洞，水化产物之间粘结不紧密，胶结力较差；水泥-磨细矿渣复合固化剂加固土生成了大量的片状产物，且随着磨细矿渣掺量的增大，产物逐渐变粗、变大，界面孔隙逐渐减少，水化产物致密性大幅提高；而磨细矿渣掺量为100%的加固土结构松散，孔隙较多，水化产物相对较少；加固土的致密性与加固土中的固结物含量变化规律相一致；除磨细矿渣掺量75%的加固土外，其余加固土表面均产生了大量松散的CaCO3结晶，其放大4000倍的照片见图8.

由图8可见，CaCO3结晶良好且附着在加固土基体表面.这可能是由于加固土破碎后，碎块内部孔隙水中溶解的Ca(OH)2随着表面水分蒸发，被迅速带到表面而发生碳化所致.另外也间接说明磨细矿渣掺量为75%的加固土结构更为致密.

2.8 加固机理浅析

相同空隙体积下，水化产物越多，其能够粘附的土颗粒也就越多，加固土也就越致密；在相同水化产物数量下，空隙体积越小，其粘附的土颗粒也越多，加固土也越致密.结合加固土烧失量曲线与SEM照片分析可知，加固土强度很可能是固化剂水化产物数量增多与盐渍土空隙体积减小共同作用的结果.

图7 加固土SEM照片Fig.7 SEM photos of stabilized soil

图8 加固土表面CaCO3结晶的SEM照片Fig.8 SEM photo of CaCO3 on surface of stabilized soil

由于黏土颗粒的带电特性，黏土颗粒之间存在排斥力和吸引力，当排斥能占优势时，土颗粒处于分散相，当吸引能占优势时，土颗粒处于凝聚相.当二力保持平衡时，土颗粒之间维持一定距离[11].当用水泥加固盐渍土时，在高含水率的环境里水化产物分散在颗粒之间，水化产物不足以填充颗粒间空隙，因而强度较低.

相比水泥，富含Al元素的磨细矿渣在水化时产生Al3+，其离子交换能力远高于水泥水化产生的Ca2+，通过离子交换和团粒化作用，使土颗粒双电层中的扩散层变薄，颗粒因间距减小而发生凝聚[12].随着加固土黏性的增大，土颗粒间距减小，彼此靠近，这种靠近减小了土颗粒内部空隙，为水化产物粘结更多的土颗粒提供了良好基础.因而水泥中掺入磨细矿渣后，固结物含量和加固土强度均出现了大幅度的提高，且随着磨细矿渣掺量的增多而增大.

单掺磨细矿渣加固土由于缺少水泥而碱性不足，造成磨细矿渣水化较慢，水化产物不足以将土颗粒粘结成整体，因而7、28d强度较低.根据程寅等[13]的研究，NaCl参与矿渣水化反应生成水化氯铝酸钙的同时还生成了NaOH，有利于矿渣玻璃体离解作用，促进矿渣水化.随着矿渣水化程度不断地提高，水化产物逐渐增多，90d强度较高.

3 结论

(1)水泥-磨细矿渣复合固化剂的加固效果优于单掺水泥或磨细矿渣时，且当磨细矿渣掺量为 0%～ 75%时，7、28d龄期加固土无侧限抗压强度随磨细矿渣掺量增大而逐渐增强，最高可达6.0、10.0MPa；当磨细矿渣掺量为25%～100%时，90d龄期时加固土无侧限抗压强度均达到11.5MPa以上，远高于单掺水泥加固土强度.

(2)加固土强度与其固结物含量正相关，而与其烧失量相关性不强.

(3)加固土中的固结物是加固土强度的主要来源，固结物由固化剂水化产物及其粘结的土颗粒构成，其形成受水化产物数量和团粒化作用共同影响.