石灰偏高嶺土改良粉砂土強(qiáng)度特性與微觀機(jī)理

李新明， 路廣遠(yuǎn)， 張浩揚(yáng)， 尹 松， 任克彬

(1.中原工學(xué)院 建筑工程學(xué)院, 河南 鄭州 450007; 2.河南省環(huán)境巖土工程與地下工程災(zāi)害控制工程研究中心, 河南 鄭州 450007; 3.河南省文物建筑保護(hù)研究院, 河南 鄭州 450002)

中原地區(qū)土遺址多為粉土或粉砂土夯筑，在長(zhǎng)期自然環(huán)境作用下，其裂縫和坍塌等病害[1]普遍，有些甚至逐漸消失，土遺址預(yù)防性保護(hù)十分緊迫，而保護(hù)土遺址的關(guān)鍵在于加固材料是否應(yīng)用得當(dāng).目前，廣泛應(yīng)用于土遺址修復(fù)的無機(jī)材料有石灰、高模數(shù)硅酸鉀溶液(PS)、水硬性石灰(NHL)等.其中石灰為氣硬性材料，與古建筑兼容性較好，但其硬化速度較慢，強(qiáng)度低，耐水性能差[2-3]；PS材料等在西北干旱地區(qū)土遺址中已得到了廣泛應(yīng)用，顯著提升了中國(guó)干旱地區(qū)土遺址保護(hù)水平，但其在干-濕交替環(huán)境顯著的中原地區(qū)土遺址中應(yīng)用效果尚不明確[4]；水硬性石灰自20世紀(jì)70年代以來在歐美發(fā)達(dá)國(guó)家土遺址保護(hù)中應(yīng)用效果良好，而中國(guó)缺乏天然水硬性石灰，雖研制了類似水硬性石灰的替代材料(如燒阿嘎土[5]等)，但整體來說其修復(fù)土遺址成本較高，材料來源不夠廣泛，不利于推廣應(yīng)用[6-8].因此，開發(fā)能夠替代水硬性石灰的修復(fù)材料在土遺址保護(hù)相關(guān)領(lǐng)域具有重大需求.

石灰偏高嶺土(L-MK)作為一種環(huán)境友好型材料，符合生態(tài)環(huán)境可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略[9-11].國(guó)內(nèi)外研究學(xué)者已經(jīng)對(duì)水泥砂漿[12-13]、淤泥土[14]、黏性土[15-16]等巖土材料在L-MK改良作用下的力學(xué)特性進(jìn)行了較為系統(tǒng)的研究，可以發(fā)現(xiàn)土樣類別是影響L-MK材料最優(yōu)配比和力學(xué)性能的重要因素.然而，目前卻鮮有學(xué)者開展L-MK材料對(duì)中原地區(qū)土遺址本體(粉砂土等)加固方面的研究.鑒于此，本文以河南地區(qū)典型粉砂土為研究對(duì)象，開展L-MK改良粉砂土的擊實(shí)試驗(yàn)、無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)等，重點(diǎn)探究不同L-MK摻量下改良粉砂土強(qiáng)度特性的變化規(guī)律并確定最優(yōu)L-MK摻量；通過X射線衍射(XRD)和掃描電鏡(SEM)，分析其水硬性效應(yīng)的內(nèi)在微觀機(jī)理.

1 試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)材料

粉砂土取自河南省鄭州市苑陵故城附近，參照WW/T 0040—2012《土遺址保護(hù)工程勘察規(guī)范》進(jìn)行取樣，其顆粒粒徑級(jí)配曲線如圖1所示.由圖1可以看出，其砂粒(>0.075mm)、粉粒(0.075～0.005mm)、黏粒(<0.005mm)體積分?jǐn)?shù)分別為65.66%、32.48%、1.86%.粉砂土基本物性指標(biāo)如表1所示.根據(jù)SL237—1999《土工試驗(yàn)規(guī)程》，判定試驗(yàn)土樣為粉砂土.

圖1 粉砂土顆粒粒徑級(jí)配曲線

表1 粉砂土的基本物性指標(biāo)

偏高嶺土(MK)：河南省鄭州市鞏義市辰義耐材磨料有限公司.天然水硬性石灰(NHL)：上海市德賽堡建筑材料有限公司，強(qiáng)度等級(jí)為NHL2(2～5MPa).石灰(L)：CaO含量(1)1)文中涉及的含量、組成等除特別說明外均為質(zhì)量分?jǐn)?shù).大于90%，選自江西新余惠灰實(shí)業(yè)有限公司.粉砂土、石灰、偏高嶺土及水硬性石灰的化學(xué)組成見表2.

1.2 試驗(yàn)方法

根據(jù)JTG E51—2009《公路工程無機(jī)結(jié)合料穩(wěn)定材料試驗(yàn)規(guī)程》和傳統(tǒng)三七灰土、二八灰土、一九灰土(體積比)摻石灰量的要求，石灰摻量wL(石灰質(zhì)量與總質(zhì)量之比)分別取6%、8%、10%和12%；偏高嶺土摻量wMK(偏高嶺土質(zhì)量與總質(zhì)量之比)分別取0%、4%、8%和12%，制備L-MK改良粉砂土試樣.同時(shí)制備單摻水硬性石灰的NHL粉砂土試樣進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn)，水硬性石灰摻量wNHL與L-MK改良粉砂土試樣中的石灰摻量相同.為表述方便，材料均采用英文縮寫方式，如6%L+4%MK為6%石灰+4%偏高嶺土.

參照SL237—1999《土工試驗(yàn)規(guī)程》進(jìn)行輕型擊實(shí)試驗(yàn)，測(cè)定改良粉砂土的含水率w和干密度ρd，為后續(xù)試樣制備提供相關(guān)參數(shù).

試樣采用95%壓實(shí)度，直徑和高度均為5cm的圓柱體.試樣制備完畢后，放入標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室(溫度在(20±2)℃之間，相對(duì)濕度控制在95%±2%)分別養(yǎng)護(hù)7、14、28d，養(yǎng)護(hù)齡期最后1d將其放入水中浸潤(rùn)24h.養(yǎng)護(hù)至相應(yīng)齡期后，采用YYW-2型無側(cè)限抗壓強(qiáng)度儀測(cè)定試樣無側(cè)限抗壓強(qiáng)度.

采用日本Rigaku公司的D/max2550 VB3+PC型X射線衍射儀進(jìn)行XRD測(cè)試；采用德國(guó)蔡司公司的場(chǎng)發(fā)射掃描電鏡(FESEM)進(jìn)行SEM測(cè)試.

2 結(jié)果與分析

2.1 擊實(shí)試驗(yàn)結(jié)果

圖2為L(zhǎng)-MK改良粉砂土的擊實(shí)曲線，定義最大ρd對(duì)應(yīng)的含水率為最優(yōu)含水率.由圖2可見：隨著MK摻量的增加，擊實(shí)曲線峰值點(diǎn)逐漸向右下方移動(dòng)，即最大干密度減小，最優(yōu)含水率增加；同時(shí)，峰值后擊實(shí)曲線呈變緩趨勢(shì).表明MK能夠有效抑制石灰改良粉砂土的水敏性，有利于現(xiàn)場(chǎng)施工.這是由于MK可協(xié)同石灰發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，從而促進(jìn)改良粉砂土吸收更多的水分[15].

圖2 L-MK改良粉砂土的擊實(shí)曲線

L-MK改良粉砂土的最大干密度隨著MK摻量的增加而遞減.原因在于：(1)水化產(chǎn)物與粉砂土顆粒間的膠結(jié)作用使土樣結(jié)構(gòu)更加密實(shí)，從而導(dǎo)致最大干密度逐漸減小；(2)在相同的擊實(shí)條件下，摻入石灰可以降低土樣的塑性，從而提高改良粉砂土的最優(yōu)含水率，降低其最大干密度.

2.2 無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果

2.2.1軸向應(yīng)力-應(yīng)變曲線

由于不同齡期和不同L-MK摻量下改良粉砂土的應(yīng)力-應(yīng)變曲線變化規(guī)律類似，因此僅列出28d時(shí)的部分試樣應(yīng)力-應(yīng)變曲線，見圖3.由圖3可以看出，L-MK及NHL改良粉砂土應(yīng)力-應(yīng)變曲線均存在明顯的峰值點(diǎn)，屬于軟化型.

圖3 試樣應(yīng)力-應(yīng)變曲線

L-MK和NHL改良粉砂土應(yīng)力-應(yīng)變曲線呈現(xiàn)比較明顯的2個(gè)階段：(1)應(yīng)力達(dá)到峰值前曲線近似呈直線增長(zhǎng)；(2)達(dá)到峰值后曲線迅速下降，直至試樣破壞，破壞后僅剩殘余強(qiáng)度.前一個(gè)階段屬于應(yīng)變硬化階段，后一個(gè)階段為應(yīng)變軟化階段，表現(xiàn)出明顯的脆性破壞特征.

定義試樣應(yīng)力達(dá)到峰值時(shí)對(duì)應(yīng)的應(yīng)變?yōu)槠茐膽?yīng)變?chǔ)舊.由圖3可以看出，石灰改良粉砂土εf較小，隨著偏高嶺土摻量從0%增至12%，L-MK改良粉砂土εf呈略微增大趨勢(shì)且明顯大于單摻石灰的粉砂土.如單摻6%、8%石灰時(shí)，試樣εf均為2.50%，而復(fù)摻4%偏高嶺土后，試樣εf分別增至3.03%和3.16%，與8%、10%NHL改良粉砂土的εf基本相同.湯怡新等[17]認(rèn)為土樣的變形特征可用破壞應(yīng)變來表征，破壞應(yīng)變?cè)酱螅翗禹g性越強(qiáng).由此說明，L-MK改良粉砂土比石灰改良粉砂土具有更好的韌性.

2.2.2無側(cè)限抗壓強(qiáng)度

圖4給出了L-MK改良粉砂土的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度fuc.由圖4可以看出，7、14、28d齡期時(shí)，相同石灰摻量下，MK的摻入極大提高了單摻石灰改良粉砂土的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度.當(dāng)石灰摻量為6%，MK摻量從0%增加至12%時(shí)，改良粉砂土的7d無側(cè)限抗壓強(qiáng)度從0.51MPa增加至4.25MPa.究其原因，水化反應(yīng)產(chǎn)生的水化物不僅增加了土顆粒之間的黏結(jié)力，也增加了砂粒與土樣之間的機(jī)械咬合力，從而提高了改良粉砂土的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度[18]，這與彭小芹等[13]研究結(jié)果一致.而從強(qiáng)度增長(zhǎng)率結(jié)果(圖5)得出，7、14、28d無側(cè)限抗壓強(qiáng)度增長(zhǎng)率并非隨著MK摻量的增加而單調(diào)增加，而是呈現(xiàn)先增大后減小的變化規(guī)律，且在MK摻量為4%時(shí)達(dá)到峰值.當(dāng)石灰摻量為6%，MK摻量從0%增加到4%時(shí)，強(qiáng)度增長(zhǎng)率從155%提高至394%，而當(dāng)MK摻量繼續(xù)從4%增加至12%時(shí)，強(qiáng)度增長(zhǎng)率反而從394%降至13.3%.其中，L-MK改良粉砂土強(qiáng)度增長(zhǎng)率R的表達(dá)式為：

圖4 L-MK改良粉砂土的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度

圖5 L-MK改良粉砂土強(qiáng)度增長(zhǎng)率

(1)

式中：fuc1為某齡期與石灰摻量下L-MK的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度，MPa；fuc2為該齡期與石灰摻量下偏高嶺土摻量增加一級(jí)后L-MK的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度，MPa.需要說明的是，當(dāng)MK摻量為0%時(shí)，fuc1為粉砂土的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度(0.2MPa)，fuc2為單摻石灰粉砂土的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度.

相同石灰摻量下，在相對(duì)濕度95%的養(yǎng)護(hù)條件下，隨著齡期的增加，L-MK改良粉砂土的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度明顯高于單摻石灰改良粉砂土，說明前者“水硬性”顯著增強(qiáng).以6%石灰和4%MK摻量為例，單摻6%石灰時(shí)，齡期從7d增至28d，其無側(cè)限抗壓強(qiáng)度從0.51MPa提高至0.62MPa，而摻入4%偏高嶺土后，無側(cè)限抗壓強(qiáng)度從2.52MPa提升至4.45MPa.

圖6給出了NHL改良粉砂土的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度.由圖6可以看出，NHL改良粉砂土的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度隨著NHL摻量的增加而顯著增大.對(duì)比圖4、6可發(fā)現(xiàn)，當(dāng)摻入6%L+4%MK時(shí)，試樣的7d無側(cè)限抗壓強(qiáng)度為2.52MPa，且其28d無側(cè)限抗壓強(qiáng)度(4.45MPa)達(dá)到了歐洲標(biāo)準(zhǔn)BS EN459-1:2015《Building lime》對(duì)28d齡期水硬性石灰NHL2的強(qiáng)度等級(jí)，高于8%NHL改良粉砂土的28d無側(cè)限抗壓強(qiáng)度(4.07MPa)；當(dāng)石灰摻量從6%增至8%時(shí)，試樣28d無側(cè)限抗壓強(qiáng)度達(dá)到3.40MPa，高于10%NHL改良粉砂土的28d無側(cè)限抗壓強(qiáng)度(2.78MPa).結(jié)合相同強(qiáng)度等級(jí)下改良粉砂土的破壞應(yīng)變(見圖3)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)齡期為28d，6%L+4%MK、8%L+4%MK改良粉砂土的破壞應(yīng)變分別與8%、10%NHL改良粉砂土相當(dāng).因此，從試樣破壞應(yīng)變和無側(cè)限抗壓強(qiáng)度2個(gè)角度考慮，摻入6%L+4%MK、8%L+4%MK能夠有效替代8%、10%NHL.綜上，在土遺址保護(hù)工程實(shí)際應(yīng)用中，建議石灰的最優(yōu)摻量為6%～8%；MK的最佳摻量為4%.

圖6 NHL改良粉砂土的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度

3 微觀機(jī)理

Pavlík等[9]研究發(fā)現(xiàn)，L-MK的固化過程主要是水化反應(yīng)、碳化反應(yīng)以及Ca(OH)2結(jié)晶析出共同導(dǎo)致的結(jié)構(gòu)硬化.石灰的水化反應(yīng)生成了Ca(OH)2，同時(shí)釋放出大量的熱量，會(huì)消耗大量的水分；Ca(OH)2與空氣中的CO2發(fā)生碳化反應(yīng)生成CaCO3；水化后的Ca(OH)2電離出大量的Ca2+和OH-，電離出的離子與偏高嶺土中的主要成分SiO2和Al2O3發(fā)生水化反應(yīng)生成非結(jié)晶態(tài)的水化硅酸鈣(CSH)、結(jié)晶態(tài)的水化鋁酸四鈣(C4AH13).

3.1 XRD分析

圖7為改良粉砂土的XRD圖譜.由圖7可以看出，與單摻石灰改良粉砂土相比，MK的摻入改變了石灰改良粉砂土的水化產(chǎn)物類型.由于石灰與MK的水化作用，生成了一系列與NHL相類似的水化產(chǎn)物，包括Ca(OH)2、CSH和C4AH13等，說明石灰與MK發(fā)生了硬化、離子交換與火山灰等反應(yīng)，使得粉砂土顆粒間的黏結(jié)力增強(qiáng).由于XRD檢測(cè)不出非結(jié)晶態(tài)的水化產(chǎn)物，因此未能發(fā)現(xiàn)CSH，但通過后文的SEM發(fā)現(xiàn)其存在于微觀結(jié)構(gòu)中.需要說明的是，在XRD衍射試驗(yàn)中，僅針對(duì)影響無側(cè)限抗壓強(qiáng)度的主要水化產(chǎn)物進(jìn)行了分析，其他礦物成分不在此贅述.

圖7 改良粉砂土的XRD圖譜

3.2 SEM分析

圖8為8%L+MK和8%NHL改良粉砂土的SEM照片.由圖8可以看出：8%L改良粉砂土中未發(fā)現(xiàn)明顯的結(jié)晶態(tài)水化產(chǎn)物生成，且結(jié)構(gòu)較為疏松；當(dāng)MK摻量為4%～12%時(shí)，試樣中出現(xiàn)了針狀的鈣釩石、六方板片狀的C4AH13.這也與XRD試驗(yàn)結(jié)果相互印證.

由圖8(b)可知，當(dāng)MK摻量為4%時(shí)，試樣中C4AH13等水化產(chǎn)物較少，微觀結(jié)構(gòu)較8%L改良粉砂土更加密實(shí)，水化產(chǎn)物以少量的六方板片狀C4AH13和針狀鈣釩石為主，這表明石灰與MK的反應(yīng)是一種緩慢過程.隨著MK摻量的增加，結(jié)晶態(tài)以及無規(guī)則的水化產(chǎn)物數(shù)量逐漸增多，同時(shí)可見少量絮凝狀的水化產(chǎn)物(見圖8(c)、(d))，根據(jù)吳子龍等[10，14]對(duì)非結(jié)晶態(tài)CSH的微觀形態(tài)描述并結(jié)合SEM試驗(yàn)結(jié)果，推測(cè)其為CSH.CSH填充于結(jié)構(gòu)孔隙，使試樣微觀結(jié)構(gòu)更加密實(shí)，具有優(yōu)越的強(qiáng)度和韌性[19].從圖8(e)可以看出，L-MK反應(yīng)生成與NHL類似的水化產(chǎn)物.從改良粉砂土整體微觀結(jié)構(gòu)角度分析，摻入MK后的結(jié)構(gòu)要比摻NHL的試樣更加致密和均勻，這與前述的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)論一致.

圖8 8%L+MK和8%NHL改良粉砂土的SEM照片

4 結(jié)論

(1)偏高嶺土的摻入提高了石灰改良粉砂土的最優(yōu)含水率，降低了其最大干密度；隨著偏高嶺土摻量的增加，石灰偏高嶺土改良粉砂土的擊實(shí)曲線在峰值后呈逐漸變緩的趨勢(shì)，有利于現(xiàn)場(chǎng)施工.

(2)在相同石灰摻量下，當(dāng)偏高嶺土摻量從0%增至12%時(shí)，改良粉砂土的破壞應(yīng)變?cè)龃螅瑹o側(cè)限抗壓強(qiáng)度提高.但當(dāng)偏高嶺土摻量大于4%后，改良粉砂土無側(cè)限抗壓強(qiáng)度增長(zhǎng)率出現(xiàn)下降趨勢(shì).養(yǎng)護(hù)齡期從7d增至28d時(shí)，石灰偏高嶺土改良粉砂土的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度增長(zhǎng)率明顯高于石灰改良粉砂土.

(3)綜合分析試樣破壞應(yīng)變、無側(cè)限抗壓強(qiáng)度及其增長(zhǎng)率，以及歐洲標(biāo)準(zhǔn)BS EN459-1:2015對(duì)水硬性石灰NHL2的強(qiáng)度要求，建議采用6%石灰+4%偏高嶺土、8%石灰+4%偏高嶺土分別替代8%、10%的水硬性石灰用于土遺址修復(fù).

(4)偏高嶺土協(xié)同石灰發(fā)生水化反應(yīng)，形成的水硬性膠凝物質(zhì)，增加了粉砂土顆粒間的黏結(jié)力和機(jī)械咬合力，從而增加了其微觀結(jié)構(gòu)的整體性和密實(shí)性，改善了其力學(xué)性能.

(5)本文僅從強(qiáng)度特性角度對(duì)石灰偏高嶺土改良粉砂土替代水硬性石灰的可行性進(jìn)行了初步探索，其耐久性等還有待進(jìn)一步研究.