超輕陶粒土的一維壓縮特性及其微觀機理

葛曉永，徐玉桂，張軍，王志華，申志福

（1.南京江北新區中心區發展有限公司，南京 211899；2.南京工業大學 交通運輸工程學院，南京 210009）

1 引言

陶粒是以黏土、頁巖、粉煤灰等為原料，經高溫燒結或加入膠凝劑經免燒工藝形成的一種內部疏松多孔的輕質散粒狀材料。燒結陶粒表面堅硬的陶、釉質賦予顆粒一定的力學強度，而其內部發達的微孔隙結構則賦予陶粒顯著的輕質性[1～4]，輕質陶粒顆粒密度可低于0.5 g/cm3。陶粒在土木工程領域最初主要用于制備非承重建材（如輕質砌塊、內隔墻板），近年陶粒混凝土已用于部分承重結構[5，6]。現有研究多從混凝土材料角度分析陶粒骨料及陶粒混凝土的力學特性。

將陶粒作為巖土工程材料，Caldeira 和Neves[7]，Stoll 和Holm[8]的試驗表明，陶粒土在三軸壓縮下的響應與普通回填料相似，驗證了陶粒可作為輕質回填料替代普通回填土。陶粒土不同于砂石類回填料土的特點在于其顆粒的易碎性[9，10]。巖土工程中的粗粒土顆粒破碎多發生于如壩體等涉及高應力范圍的工程問題，而陶粒土在100 kPa 以內即可觀察到顆粒破碎。本文針對由一種超輕陶粒形成的陶粒土（包括不摻加膠結劑的凈陶粒土和水泥膠結陶粒土），開展電鏡掃描觀察、一維壓縮試驗及單顆粒壓碎試驗，研究水泥摻入對陶粒抗壓能力以及陶粒土宏觀壓縮特性的影響，并從微觀上進行機理分析。

2 陶粒的物理性質

當陶粒在回轉窯中經高溫燒結時，原料中的有機物燃燒迫使顆粒膨脹，并形成蜂窩狀的氣孔結構，外表面熔化并燒結形成較堅硬的外殼，最終形成1 種疏松多孔的輕質顆粒。本次試驗選用的陶粒以黏土為原料燒制而成，形態多為圓球形或橢球形，表面平順。

圖1 為陶粒內部孔隙的掃描電鏡照片。圖1 表明，陶粒內部氣孔多呈球狀或橢球狀，部分氣孔相互連通。陶粒表面為1層厚約250 μm 的密實層，該表層厚度與粒徑無關。陶粒可視為1 種有表層和內核構成的“外強內弱”的復合顆粒。圖1 還表明，陶粒內核的孔隙率大于表層，內核氣孔尺寸也明顯大于表層氣孔。

圖1 粒徑5 mm的陶粒電鏡掃描圖（放大275 倍）

本次試驗所用陶粒的風干狀態自然堆積密度0.4 g/cm3，屬于超輕陶粒（堆積密度在0.3～0.5 g/cm3的陶粒）；吸水飽和狀態自然堆積密度為0.524 g/cm3。陶粒顆粒表觀密度0.73 g/cm3，按照無孔陶質材料比重2.55 計算，陶粒內部孔隙率為0.71。

3 陶粒土的一維壓縮特性

本節介紹凈陶粒土和膠結陶粒土的壓縮變形特性。凈陶粒土是指由陶粒構成的散粒狀土，而膠結陶粒土為由水泥將陶粒黏結而形成的塊狀土。兩種陶粒土作為大面積回填材料時，受力狀態接近一維側限壓縮。

對自然風干的2～5 mm 粒徑陶粒構成的凈陶粒土進行了三組不同初始孔隙比的一維壓縮試驗，如圖2 所示。本文試樣孔隙比計算中的孔隙體積不含陶粒內氣孔（包括封閉氣孔和與外界連通的氣孔）。考慮到陶粒粒徑較大，此處采用直徑為6.18 cm 的非標一維壓縮儀進行試驗。

為制備膠結陶粒土，陶粒在拌和之前浸水預濕，使水泥更好地發生水化反應，水泥漿體和水化產物可嵌入骨料表面微孔中，使得骨料和水泥水化產物更好地黏結在一起。然后用濾紙將顆粒表面水分吸干，稱取相應質量的水和水泥一起充分拌和，水泥摻量為10%（水泥干質量/ 試樣總質量）。將攪拌均勻的試樣裝入環刀中，在標準條件下養護7 d 后進行一維壓縮試驗。仍采用直徑為6.18 cm 的非標一維壓縮儀進行，結果如圖2 所示。對膠結陶粒土，孔隙比計算中，固相部分只包括陶粒的體積。

從圖2 可知，凈陶粒土的e-p 曲線變化平緩，無明顯的屈服點；水泥膠結能明顯減小陶粒土的變形。表1 給出了陶粒土在不同荷載增量等級下的壓縮系數。陶粒土有效重度小，工程應用中的有效應力在200 kPa 以內，可認為凈陶粒土為中等壓縮性土，而水泥膠結陶粒土即使在400 kPa 下仍為低壓縮性土。

圖2 陶粒土一維壓縮響應

表1 不同孔隙比試樣的壓縮系數MPa-1

4 微觀力學機理分析

本節對凈陶粒和裹覆1 層水泥漿層的陶粒進行單顆粒壓碎實驗，以分析陶粒土顆粒破碎行為對土體壓縮性的影響。采用自動無側限壓縮儀逐顆粒進行徑向壓縮加載。試驗時陶粒處于自然風干狀態。為確保陶粒受力穩定，選擇顆粒的短軸方向進行加載，加載速率為0.025 mm/s。絕大多數顆粒破碎形態為整體劈裂。此外，極少數顆粒表現為施力點局部壓碎，這可能是施力點恰好位于較大內氣孔附近所致。為研究水泥膠結陶粒土顆粒的抗壓碎能力，在陶粒表面裹附一層厚0.5 mm 的水泥漿（32.5R 復合硅酸鹽水泥，水灰比0.4），標準條件（溫度20 ℃、相對濕度95%）下養護7 d 后進行單軸壓縮試驗。水泥裹覆陶粒的單軸壓縮破壞形態為整體劈裂，未發現局部壓碎形式。

圖3 為陶粒和水泥裹覆陶粒單軸壓縮試驗中典型的壓縮力-壓縮應變曲線，顆粒粒徑為3 mm。圖3 中，峰值荷載前，顆粒軸向受力隨壓縮變形增大而增大；但由于顆粒表面局部凸起處的破損，這一壓力增長過程可能伴多次斜率調整。峰值后荷載逐漸減小至零，水泥裹覆陶粒的初始剛度和峰值強度都明顯大于凈陶粒。

圖3 單顆粒單軸壓縮力學響應

分析可知，應力范圍和密實程度對凈陶粒土壓縮性的影響機理如下：（1）隨壓縮應力增大，顆粒間接觸力逐漸增大，當超過顆粒破碎閾值時，顆粒破碎削弱土體骨架，骨架發生明顯的調整以填充破碎形成的空隙；（2）在相同應力條件下，陶粒排列越密實，顆粒間接觸越多，單個陶粒越接近等向受壓狀態；相比于孔隙比大（排列松散）情形下的陶粒土中顆粒傾向于偏壓受力狀態，密實排列有助于保護顆粒免受破碎。

而水泥膠結降低陶粒土壓縮性的微觀機理可理解為：（1） 水泥膠結使得松散顆粒凝聚成整體，只有當顆粒間的水泥膠結破壞后顆粒才會發生錯動，進而產生較大的壓縮變形；（2）水泥裹覆在陶粒表面可明顯提高陶粒的單顆粒強度和剛度。

5 結論

針對超輕陶粒土（包括凈陶粒土和水泥膠結陶粒土）開展了一維壓縮試驗、單顆粒壓縮試驗，并通過電鏡掃描觀察了陶粒的顆粒內部結構。得出以下結論：

陶粒表層氣孔較小而內核氣孔更大，是一種“外強內弱”的復合顆粒。陶粒壓縮破壞模式為劈裂破壞，水泥裹覆能明顯提高陶粒的抗壓強度和壓縮剛度。一維壓縮試驗中，200 kPa荷載以內的凈陶粒土是1 種弱/ 中壓縮性土。水泥摻入能明顯降低陶粒土的壓縮性。