細砂增強偏高嶺土基地質聚合物力學性能細觀研究

王忠昶，趙曉昀

(大連交通大學 交通運輸工程學院，遼寧 大連 116028)①

地質聚合物是由二氧化硅四面體及氧化鋁結構通過縮聚反應所形成的無機硅鋁酸鹽材料，為法國學者 J.Davidovits于20世紀70年代提出[1].其在堿性激發劑作用下，硅酸根離子及鋁酸根離子經溶解、聚合及縮聚過程，形成穩定的三維網狀結構.相較于傳統的建筑行業材料，如波特蘭水泥等，地聚物制備工藝簡捷，能夠減少生產過程中二氧化碳的排放，且來源廣泛造價較低，大多取自工業廢材，如礦渣、粉煤灰等，因而在土木工程領域展現出巨大的發展前景[2-4].偏高嶺土是地聚物的一種，具有地聚物的優良性能，近年來得到了廣泛的應用.因其凝結時間短，“快硬早強”的特性，可用于臨時修補加固工程，如機場跑道路面等.其耐久性較高，可有效地抵抗硫酸根的侵蝕作用，因而可用于不良環境下傳統建筑材料的保護工作，例如作為暴露于海洋環境下混凝土的防腐涂層，能夠有效地減弱氯離子的滲透作用，延緩腐蝕效率[5].隨著近年來地聚物的大力發展，其缺陷以及劣性也逐漸地展露出來，如強度低，干縮性差等，因而更多的學者將目光轉向地質聚合物復合結構，如Colangelo等人研究了砂漿及偏高嶺土所形成的復合物，通過掃描電子顯微鏡的觀察發現砂漿可以減少復合結構的微裂縫，從而提高地聚物的強度[6].

顆粒流分析方法PFC3D，是基于通用離散單元模型框架，由計算引擎及圖形操作界面所構成的細觀分析數值軟件.其基于顆粒的相互作用，通過軟接觸方式實現有限尺寸顆粒的運動破壞形式及相互作用模擬[7].如劉華偉通過PFC模擬了裂隙巖石試件的單軸壓縮試驗，研究了預制裂隙的閉合情況[8].吳疆宇通過PFC模擬了膠結充填體在承載過程中的裂紋演化規律及顆粒破壞模式[9].

現有研究仍存在一定的局限性，因復合材料經濟成本巨大、對于提高地聚物的強度作用有限，而無法應用于大型結構工程.本文選用標準砂及不同細度的細砂摻入偏高嶺土中制備地聚物復合材料，通過力學實驗及顆粒流軟件PFC3D研究細砂對偏高嶺土基地質聚合物抗壓強度的影響，并從微觀及細觀角度探究現象產生的內因.

1 材料及方法

1.1 實驗原材料及制備過程

實驗材料選用偏高嶺土，其物理特性及化學成分如下：SiO2為49.67%，Al2O3為42.54%，Fe2O3為1.32%，TiO2為2.14%，K2O為0.18%，Na2O為0.68%，CaO為0.19%，MgO為0.40%，LOI為2.74%，主要由二氧化硅及氧化鋁組成.其溶解于激發劑中的硅酸根離子及鋁酸根離子聚和縮聚形成的硅鋁酸根凝膠是地聚物強度的主要來源.堿性激發劑選用氫氧化鈉溶液(質量分數50%)及硅酸鈉溶液(模數2.0、波美度45).細砂經普通河砂篩分后得到，粒徑分布于0.3～0.6 mm，0.2～0.3 mm，0.15～0.2 mm，小于0.15 mm四個區間.

將兩種溶液定量混合，攪拌均勻并靜置24 h，待激發劑溶液冷卻后，以達到硅鋁比2.0、鈉鋁比1.0的目標配比，與定量的偏高嶺土在攪拌機內攪拌5 min.待充分混合后，形成地聚物前體，將不同細度的細砂加入混合物中，攪拌5 min.原材料均勻混合后，將混合物灌入直徑為32 mm，高度為70 mm的圓柱形模具中，養護24h至初凝后脫模，轉入塑料薄膜中，以45%相對濕度及室溫條件下分別養護3、7、28 d后進行無側限抗壓強度測試.

1.2 無側限抗壓強度測試

SS及FS對比組試件分別養護3、7、28 d后進行無側限抗壓強度測試，對比組配合比列于表1.測試儀器選用上海三思縱橫WAW-300型微機伺服萬能試驗機，將試件固定后進行加載，加載速率為2 cm/min，當峰后強度降為峰值強度的80%時停止加載， 通 過萬能試驗機接入的電腦自動采集試驗過程中的應力應變曲線，完整記錄試件破壞前期、峰值強度及破壞后期全過程的數據.每組試件均設重復組，以保證實驗結果的準確性.

表1 實驗對比組配合比 kg

1.3 PFC3D顆粒流模型建立

以無側限抗壓強度試驗為背景，選用顆粒流軟件PFC3D模擬FS1-FS6試件的單軸壓縮過程.根據實驗用材的物理特性，選用平行黏結模型，模擬試件尺寸與實驗試件尺寸一致，直徑為32 mm，高度為70 mm.綜合考慮計算結果的準確性及計算機運行情況，顆粒以六組所對應的粒徑及含量等比例生成.模擬試驗與室內試驗同采用位移加載方式，記錄試件的應力應變及試件內部裂紋的產生，以應力應變曲線為基準調整顆粒細觀參數，當模型峰后強度降為峰值強度的80%時，模擬試驗停止.圖1給出了FS1-FS6的模擬試件應力應變曲線.

圖1 六種模擬試件的應力應變曲線

2 結果與討論

2.1 抗壓強度分析

為初步研究砂漿對偏高嶺土基地聚物力學性能的影響，設置SS組進行無側限抗壓測試，圖2給出了SS及FS對比組試件粒徑分布，圖3給出了對比組試件在室內溫度20℃、相對濕度45%環境下養護3、7、28 d后的無側限抗壓強度.結果表明MKG及SS組試件在養護3d后均達到了較高的強度，這源于地聚物的“快硬早強”特性.養護28 d后，MKG抗壓強度達到17.44 MPa，SS1達到22.59 MPa，SS2達到25.40 MPa，SS3達到16.51 MPa，由此可見標準砂的摻入可以有效地提高地聚物復合物的強度，且隨著標準砂摻入量的增大，復合物強度出現先提高后降低的趨勢，在摻入量為最大質量分數的15%時達到較高強度.這是因為標準砂在地聚物漿體中形成砂漿，這種砂漿可以適當填補地聚物內部孔隙，減少微裂縫的數量，使復合物內部結構更加的均勻致密，從而達到強度提高的效果.但標準砂摻入量過大時反而使得復合物強度降低，這源于標準砂的不規則集配，粒徑尺寸分布區間較大，使得其“修補”工作效果一般化.而標準砂中較大尺寸的顆粒自重大，在灌入模具進行硬化的過程中會沉入底部，無法均勻分布于整體試件，導致試件底部出現砂粒的沉積現象，進而影響復合物強度.

圖2 對比組細砂粒徑分布

圖3 對比組試件抗壓強度

標準砂雖能夠提高地聚物的抗壓強度，但由于粒徑尺寸的局限性，其作用效果差.為更大程度提高地聚物復合物的強度，設置FS對比組，選擇細度模數更高的細砂進行實驗，進一步研究細砂粒徑對偏高嶺土基地聚物抗壓強度的影響.

從圖3中可以得知，養護28d后，FS1抗壓強度達到25.89 MPa，FS2達到35.20 MPa，FS3達到34.21 MPa，FS4達到41.51 MPa，相較于摻入15%標準砂的SS2試件，強度均有所提高.其中FS1與SS2相比，養護28 d后試件強度均無明顯變化，而FS2-FS4與SS2相比，在養護28 d后試件強度出現了顯著的提高，FS4達到峰值.這表明細砂能夠有效地增強地聚物的強度，與標準砂相比提高的程度更大.且細砂粒徑越小，強度提升效果越顯著，在粒徑小于0.15 mm時，相比于同等摻入量的標準砂試件，強度提高了16.11 MPa；相比于未摻入砂的原狀偏高嶺土試件，強度提高了24.07 MPa.這是因為細砂與標準砂相比，能夠與地聚物漿體形成更加均勻致密的結構，使復合物孔隙度更低、結構更加穩定，內部微裂紋更少.而統一集配的細砂在整體試件中分布得更加均勻，無沉積現象出現.

養護28 d后，FS5抗壓強度達到33.69 MPa，FS6達到28.88 MPa，可見隨著細砂摻量的增加，試件抗壓強度逐漸降低，這是因為在細砂摻量較低時，其在復合物中主要作為輔助材料，通過“修補”試件內部的微裂縫，填充試件內部孔隙而起到膠結作用.隨著細砂摻量不斷增大，其逐漸替代偏高嶺土成為試件主要的強度來源，膠結能力變為次要作用.然而相較于SS2，FS5提高了8.29 MPa，FS6提高了3.48 MPa，可見即使細砂摻量增大會導致試件強度降低，但其作用效果仍高于標準砂.

2.2 裂紋分布分析

為從細觀角度探究地聚物復合物的強度發展規律，選用顆粒流軟件PFC3D模擬試件的單軸壓縮過程，建立Fish函數監測試件內部的裂紋發展.

圖4給出了單軸壓縮試驗結束后模擬試件FS1-FS6內部的裂紋數量.FS1組試件的裂紋總數達到2 256條，其中剪裂紋占比26.8%，拉裂紋占比73.2%.FS2組試件的裂紋總數達到1 852條，其中剪裂紋占比53.6%，拉裂紋占比46.4%.FS3組試件的裂紋總數達到2 186條，其中剪裂紋占比53.1%，拉裂紋占比46.9%.FS4組試件的裂紋總數達到2 207條，其中剪裂紋占比52.1%，拉裂紋占比47.9%.FS5組試件的裂紋總數達到2 904條，其中剪裂紋占比51.0%，拉裂紋占比49.0%.FS6組試件的裂紋總數達到3 654條，其中剪裂紋占比72.8%，拉裂紋占比27.2%.發現FS5組試件拉裂紋占比最高，可見在地聚物復合物中細砂粒徑較大時，試件內部微裂隙主要以拉裂紋形式出現.FS6組裂紋總數最多，剪裂紋占比最高，可見當復合物中粒徑小于0.15 mm的細砂摻量達到25%時，試件內部微裂隙主要以剪裂紋形式大量出現.FS1、FS5及FS6三組試件裂紋總數較多，這是其抗壓強度較低的原因之一，反之，FS2、FS3及FS4組裂紋總數較少，強度較高.

圖4 模擬試件內部的裂紋數量

然而裂紋總數并非是影響試件強度的唯一因素，裂紋的分布狀態同樣重要.圖5給出了單軸壓縮試驗結束后試件內部的裂紋分布情況.FS1、FS6組試件裂紋分布范圍廣泛，在試件的端部、中間段均出現大量的拉裂紋或剪裂紋，且于端部的分布狀態不均勻，呈現出不規則的形狀.FS2、FS3及FS5三組試件裂紋主要分布在試件上端部，中間段出現少量的剪裂紋，且于上端部的分布狀態較均勻.FS4組試件裂紋集中分布于上端部且分布狀態均勻，近似呈現出“圓盤型”，中間段出現極少的剪裂紋，這是其強度高的原因之一.

圖5 模擬試件內部的裂紋分布

2.3 顆粒破壞狀態分析

試件處于單軸壓縮條件下時，端部產生的拉裂隙促使試件出現局部破壞現象，從而導致部分顆粒產生較大位移.為研究顆粒逃逸情況，建立Fish函數監測模擬試件的顆粒破壞狀態.

圖6給出了單軸壓縮試驗結束后試件的顆粒破壞狀態.FS1、FS2及FS3三組試件上下端部均出現較嚴重的顆粒破壞情況，其中FS1試件上端部破壞嚴重，部分顆粒產生明顯位移，FS2試件下端部破壞較嚴重，FS3試件產生局部的片狀剝離現象.FS4、FS5及FS6三組試件的顆粒破壞情況均只出現于上端部，表明隨著細砂粒徑的減小，顆粒的破壞范圍隨之縮小，破壞程度減輕，這是試件強度提高的原因之一，其中FS4試件于上端部出現較嚴重的破壞，部分顆粒產生顯著位移，并伴隨有局部的剝離現象.FS5及FS6試件的上端部破壞情況較輕，其中FS5試件仍存在局部剝離，而FS6試件未觀測到明顯的剝離現象，表明細砂摻入量的增加會減輕顆粒破壞程度.

圖6 模擬試件顆粒的破壞狀態

2.4 孔隙度分析

試件在單軸壓縮過程中，孔隙度會發生變化，建立Fish函數監測模擬試件FS1-FS6的孔隙度變化情況.圖7給出了單軸壓縮過程中試件內部孔隙度變化情況，發現FS3試件初始孔隙度最高，FS1試件最低，即隨著細砂粒徑的減小，試件初始孔隙度反而增大，這可能是源于PFC3D無法模擬試件在養護過程中發生的變化，而這一系列變化必然會在一定程度上影響試件的物理特性.FS5試件的初始孔隙度低于FS4，高于FS6組，這表明隨著細砂摻量的增加，孔隙度會降低.在壓縮過程結束后，FS1-FS4試件的孔隙度變化幅度逐漸增大，FS4-FS6試件逐漸減小，在FS4試件處達到最大幅值，表明隨著細砂粒徑的減小，試件在壓縮前后孔隙度變化程度增大，內部結構會變得更加緊實致密，這是試件強度提高的原因之一，反之隨著細砂摻量的增加，試件在壓縮前后孔隙度變化程度減小.

圖7 模擬試件內部孔隙度變化

3 結論

(1)SS-FS4試件養護28 d后均達到較高抗壓強度，其中細砂粒徑小于0.15 mm、摻量為15%最大質量分數的FS4組試件強度最高，達到41.51 MPa，而原狀偏高嶺土試件強度為17.80 MPa，表明細砂的摻入可以提高偏高嶺土基地質聚合物抗壓強度，且細砂粒徑越小，提高效果越顯著，這源于細砂所形成的砂漿可以填充復合物內部孔隙，減少微裂紋的數量，使復合物內部結構更加致密.隨著細砂摻量的增加，試件強度出現下降趨勢;

(2)PFC3D模擬試件單軸壓縮實驗結束后， FS1組試件拉裂紋占比最高，FS6組試件剪裂紋占比最高，表明復合物中細砂粒徑較大時，試件內部微裂隙主要以拉裂紋形式出現，而當復合物中粒徑小于0.15mm的細砂摻量達到25%時，剪裂紋大量出現.FS1、FS5及FS6三組試件裂紋總數較多，這是其強度較低的原因之一，反之，FS4組裂紋總數較少，強度較高;

(3)FS1-FS3三組試件上下端部均出現較嚴重的顆粒破壞情況，其中FS1試件上端部破壞嚴重，部分顆粒產生明顯位移.FS4、FS5及FS6三組試件的顆粒破壞情況均只出現于上端部，表明細砂粒徑的減小使顆粒的破壞范圍隨之縮小，破壞程度減輕.FS5及FS6試件的上端部破壞情況均輕于FS4，其中FS5仍存在局部剝離，而FS6未觀測到明顯的剝離現象，表明細砂摻量的增加使顆粒破壞程度減輕;

(4)FS3試件初始孔隙度最高，FS1試件最低，即隨著細砂粒徑的減小，模擬試件初始孔隙度增大.FS5組試件的初始孔隙度低于FS4組，高于FS6組，表明隨著細砂摻量的增加，孔隙度逐漸降低.壓縮結束后，FS4組孔隙度達到最大變化幅值，表明細砂粒徑的減小使試件在壓縮前后孔隙度變化增大，內部結構更加密實，而細砂摻量的增加使壓縮前后孔隙度變化減小.