凍融循環對赤泥-鋼渣改性水泥土強度的試驗研究

郝雅芬，溫 浩，樊珮閣，董曉強

(太原理工大學 土木工程學院，太原 030024)

水泥土由于價格低廉、性能良好、材料來源廣泛等優點，在地基基礎、公路、鐵路、橋梁等工程領域應用廣泛。但是，大量的研究[1-3]表明，水泥土的無側限抗壓強度普遍偏低且凍融循環極大地影響著水泥土的無側限抗壓強度，導致水泥土在寒冷地區的應用受到了限制。針對上述現象，寧寶寬等[4]得出水泥摻量在10%～15%時其抵抗凍融破壞的性能較好，但是更高的水泥摻量下不僅會抑制水泥土的抗凍融效果，同時也會造成水泥資源的浪費；宋愛蘋等[5]通過實驗發現粉煤灰的摻入對水泥土的抗凍性能有所提高，但其前期作用效果不是很明顯；王鳳池等[6]發現橡膠水泥土的抗凍效果較好，但在實際應用中所需要的橡膠量太大，仍需進一步改進；SHIHATA和BAGHDADI[7]通過試驗得出了無側限抗壓強度可作為評價水泥土凍融下耐久性的一項指標。

赤泥和鋼渣分別是從鋁土礦中提取氧化鋁時產生的高堿性廢渣[8]和煉鋼時排出的熔渣，吳燕開等[9]利用一定含量的NaOH激發鋼渣粉的活性后，利用鋼渣與水泥固化淤泥質土，發現鋼渣-水泥固化土的無側限抗壓強度更高；劉光燁[10]對凍融循環下鋼渣二灰土的無側限抗壓強度進行分析，發現在鋼渣的摻入下試塊的抗凍性能有所提升；KALKAN[11]利用水泥和赤泥固化黏土襯墊，其無側限抗壓強度值明顯提高；董曉強和陳瑞鋒[12]指出凍融次數這一參數值將會對土體凍融循環試驗的結果產生不同的影響。迄今為止，許多學者在赤泥、鋼渣單獨改善水泥土的性能方面取得了一定的研究成果，但對于二者共同改善水泥土抗凍融性能方面的研究還鮮有報道。

為此，考慮到赤泥呈堿性，且鋼渣在堿性環境下激發活性后具有較強的水硬膠凝性，故本次試驗選用赤泥和鋼渣對水泥土聯合進行改性，研究二者對水泥土無側限抗壓強度的影響規律及其凍融循環下改性水泥土的破壞機理，以實現提高水泥土強度(文中指無側限抗壓強度)并改善其抗凍融性能的目的。

1 試驗材料和方法

1.1 試驗材料

黃土取自山西太原東山地區，經曬干粉碎后過1.25 mm的方孔砂石篩，土粒比重為2.69，其顆粒粒徑及質量分數見表1.水泥選用P·O 42.5級。赤泥取自山西柳林某鋁廠，顏色呈紅褐色；鋼渣由武漢某公司煉鋼產生，外觀呈黑色，密度為3.19 g/cm3.水泥、赤泥和鋼渣的主要化學成分及其質量分數見表2.

表1 黃土顆粒粒徑及質量分數Table 1 Loess grain size %

表2 主要化學組成Table 2 Main chemical compositions

1.2 試驗方法

本次試驗參照《水泥土配合比設計規程》(JGJ/T 233-2011)的要求進行制塊。根據前期試驗得出以黃土干重為基準，在赤泥摻量為8%，鋼渣摻量為2%時改性水泥土的無側限抗壓強度達到最大值,為證明該結論的可靠性以及進一步分析赤泥和鋼渣對水泥土強度的影響規律，本次試驗以10%的水泥改性土[13-14]為主進行凍融試驗。首先將黃土、水泥、鋼渣和赤泥初步干拌均勻，再加入自來水充分攪拌形成漿體，裝入邊長為70.7 mm的鋼制立方體試模中，置于振動臺上振搗密實后將表面多余部分刮掉抹平，并用塑料膜將表面覆蓋，24 h后脫模編號，每組配比在次數相同的凍融循環條件下各制3個試塊[15]。脫模后，送至標準養護箱內養護至28 d后取出，使用混凝土快速凍融試驗機(SRTDR-16)進行凍融循環試驗。參照文獻[1,12]以及《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗方法標準》(GBT 50082-2009)，凍結溫度設為-15 ℃，融化溫度設為5 ℃，一個凍融循環周期為6 h，周期設為0，1，3，5，7次[13]。將達到凍融循環次數的試塊進行無側限抗壓強度試驗，強度采用微機控制的電子萬能試驗機(YHS-229WJ-50 kN)測試，加載速率為1 mm/min.試驗配比及相應結果見表3所示，含水量為改性劑與水泥土總量的31%.

表3 試樣材料配比及結果Table 3 Sample material ratio and results

2 試驗結果分析

2.1 改性劑對水泥土強度的影響

2.1.1強度與改性劑的關系

圖1為赤泥和鋼渣摻量對水泥土強度的影響規律。從表3和圖1中可以看出,相同凍融循環次數下以赤泥、鋼渣為外摻劑的改性水泥土都比純水泥土的強度高，且其隨著鋼渣摻量(CRS-組)和赤泥摻量(CSRS-組)的增加，強度在整體上都呈現先增大后減小的趨勢。當鋼渣摻量為2%，赤泥摻量為8%(CRS2/CSR8組)時，強度達到峰值，得到了最優配比；其強度(4.4 MPa)相比純水泥土的強度(1.2 MPa)增加了267%，F為循環次數。

圖1 改性劑對水泥土強度的影響Fig.1 Influence of modifier on the strength of cemented soil

2.1.2微觀機理分析

結合前面的數據，本小節進一步研究改性劑與水泥土之間的作用機理。圖2(a)，(b)分別是純水泥土和最優配比下改性水泥土(CRS2組)試塊在5 000倍下的掃描電鏡對比圖片。

圖2 純水泥土和改性水泥土的微觀形貌圖Fig.2 Microstructure of pure cement soil and modified cemented soil

由圖2(a)可以看出，純水泥土試塊內小顆粒較多，存在片狀、層狀的Ca(OH)2晶體結構，棒針狀和凝膠類物質較少，結構相對疏松多孔、不穩定，宏觀表現為試塊承載能力較低，抗凍融性差。由圖(b)可以明顯看出，水泥土試樣在加入改性劑后，微觀結構發生了很大的變化，小顆粒物質減少，大顆粒狀物質增多，水泥土試塊內部水化速度和程度都相應提高，水化產物明顯增多，膠凝產物中主要以團絮狀凝膠為主，同時也有大量棒針狀晶體存在。

這是由于經堿激發后鋼渣與水泥的水化性質很相似，摻入赤泥后增加了土中溶液的pH值，為水泥的水化提供了有利的環境。由于水泥的水化進程加快，水化后土溶液中的pH值迅速增大，進而為鋼渣的水化提供了良好的環境，鋼渣中的玻璃體會發生Si-O和Al-O鍵的斷裂，釋放出Ca2+與硅氧四面體，生成更多的C-S-H凝膠和AFt晶體[16]，強度提高。同時受堿激發后膠凝材料的水化進程持續加快，土中溶液的pH值不斷升高，土顆粒表面的硅、鋁元素在堿激發下發生硬凝反應生成新的固化產物，承載力提高；同時水泥、赤泥和鋼渣粉中的Al2O3，SiO2等活性氧化物與Ca2+在堿性環境下發生火山灰反應(又被稱為“二次反應”)，化學反應[17]如下：

SiO2+Ca(OH)2+lH2O→CaO·SiO2·(l+1)H2O
Al2O3+Ca(OH)2+nH2O→CaO·Al2O3·(n+1)H2O

火山灰反應在消耗Ca2+的同時SiO2生成水化硅酸鈣凝膠(C-S-H)，Al2O3生成水化鋁酸鈣凝膠(C-A-H)[9]，與水泥單獨水化生成的膠凝物相比，水化產物數目明顯增加。這些膠凝物質將水化產物與其周圍的土顆粒緊密聯結在一起，表面積相比水泥顆粒大近1 000倍，表面能大幅增加，吸附性能增強；較大的團粒進一步結合，形成較為堅固的水泥團體結構，改性水泥土中形成連續或半連續的一張張三維網狀結構膜，增強了試塊內部的整體性能，同時膠凝物質的填充在一定程度上封閉了一部分孔隙，抑制了裂隙的發育。

此外，AFt晶體交織在一起形成良好的網絡結構，骨架整體結構隨之增強，膠結而成的顆粒團填充在骨架空隙區域部分，土體單元多為塊狀結構，以面-面形式接觸，固體顆粒間接觸較為緊密，使得土顆粒間的咬合作用和整體結構性增強，促使加入改性劑后的改性水泥土無側限抗壓強度和抗凍性顯著增強。

2.2 凍融循環次數對水泥土強度的影響

2.2.1強度與凍融循環次數的關系

表3列出了改性水泥土在不同凍融循環次數下的無側限抗壓強度，由表3可知，經一次凍融循環作用后，C組(純水泥土)的強度由1.2 MPa下降至0.5 MPa，CSR0組(鋼渣摻量為2%，赤泥摻量為0%)的強度由1.6 MPa下降至0.7 MPa，兩組試塊強度損失較大，喪失了極大部分承載力，后續不再進行凍融試驗。圖3為其余6組改性水泥土在不同凍融循環次數下的強度變化曲線。

圖3 凍融循環作用對改性水泥土強度的影響Fig.3 Effect of freeze-thaw cycle on the strength of modified cemented soil

由圖可知，隨著凍融循環次數的增加，改性水泥土試塊的強度明顯減小，其中，在相同凍融循環次數下，鋼渣摻量為2%，赤泥摻量為8%時的改性水泥土試塊(CSR8/CRS2)強度損失較小，經1次凍融循環后，其強度損失28%(強度由4.4 MPa降至3.1

MPa)，經3次和5次凍融循環，強度損失分別增加16%(強度由3.1 MPa降至2.5 MPa)和17%(強度由2.5 MPa降至1.7 MPa)，經7次凍融循環后強度損失增加3%(強度由1.7 MPa降至1.6 MPa)，即經第1次凍融循環作用的強度損失最為明顯，其后強度損失幅度逐漸減小。

2.2.2凍融損傷機理分析

為了更直觀形象地說明改性水泥土在不同凍融循環次數下內部微觀結構的變化，筆者也做了相應的掃描電鏡試驗。圖4為最優配比下的改性水泥土(CRS2/CSR8組)分別在0，1，3，5，7次凍融循環時的內部微觀結構變化特征，如圖4(a)-(e)所示。

由圖4(a)和圖2(b)可以看出，未經凍融前的改性水泥土中團絮狀凝膠物C-S-H和C-A-H膠結而成的顆粒團填充在骨架空隙區域部分，結構致密，孔隙較少。隨著凍融循環次數的增加，如圖4(b) -(e)所示，改性水泥土顆粒間的空隙逐漸增大，內部連通的孔隙增多，外觀逐漸表現出不同程度的損傷，結構越來越松散，表面逐漸粗糙、凹凸不平，裂縫明顯增多。

圖4 不同凍融次數下改性水泥土的微觀形貌圖Fig.4 Micromorphologies of modified cemented soil in different freeze-thaw cycles

分析原因，未經凍融前，膠凝物質的填充在一定程度上封閉了一部分孔隙，進而阻擋了裂縫的發育，但在凍融過程中，孔隙水因水結冰體積膨脹，對水泥土骨架結構產生張拉效應，當其超過凝膠體的抗拉強度時，土顆粒團被撐開，分布在原處的顆粒破碎并且發生位移，固體顆粒之間連接狀態發生改變，引起裂紋、孔洞等結構變化，進而使得土顆粒間的膠結程度降低，引起骨架結構產生不同程度的損傷；經再次凍融時，原先的裂痕再次擴展、延伸，故隨著凍融次數的增加,土顆粒不斷分離，水化凝膠體發生破壞，膠體之間的膠結力越發減弱，膠凝團咬合力不斷減小甚至消失,骨架結構的損傷破壞也越來越嚴重。

3 結論

1) 在赤泥和鋼渣的共同作用下可以有效提高水泥土的強度。其中，在鋼渣摻量為2%，赤泥摻量為8%時，水泥土的強度增幅最大，改性效果最好；

2) 從微觀角度分析得出加入赤泥和鋼渣有助于水泥土中AFt晶體和C-S-H凝膠等水化產物的產生，進而改善其微觀結構；

3) 經凍融循環試驗后，改性水泥土的強度降低。前期的凍融作用對強度有更大的影響，以第1次凍融循環對改性水泥土強度損失的影響最為強烈；

4) 隨著凍融循環次數的增加，改性水泥土顆粒間的空隙逐漸增大，內部連通的孔隙增多，結構越來越松散，外觀逐漸表現出不同程度的損傷。