偏高嶺土對(duì)水泥土動(dòng)力學(xué)性能與微觀特征的影響

夏 玉 杰，賀 瑋

(1.新鄉(xiāng)職業(yè)技術(shù)學(xué)院 建筑工程系，河南 新鄉(xiāng) 453000； 2.新鄉(xiāng)學(xué)院 土木工程與建筑學(xué)院，河南 新鄉(xiāng) 453000)

0 引 言

隨著中國大型水利工程建設(shè)量日益增加，對(duì)大壩基礎(chǔ)填料的工程性能也提出了更高要求[1]。當(dāng)前，利用如水泥、石灰等普通無機(jī)材料進(jìn)行土體固化處理出現(xiàn)一系列新的問題，例如在振動(dòng)沖擊荷載的長(zhǎng)期作用下水泥固化土容易發(fā)生開裂，對(duì)工程的穩(wěn)定性和耐久性十分不利[2-4]。采用外加劑和外摻料進(jìn)行填料改性是一種有效的改良方法。地聚物是一種常見的固化劑，將其用于填料改性可有效提升材料強(qiáng)度性能，防止結(jié)構(gòu)損傷，同時(shí)提升材料的耐久性[5]。偏高嶺土是一種主要由硅氧、鋁氧四面體組成的新型無機(jī)地聚物材料，可用于替代水泥作為固化土的凝膠材料[6]。對(duì)比普通水泥熟料，偏高嶺土的碳排放量更低、熱膨脹系數(shù)更小、塑性變形性能更好且收縮率更小。前人的研究成果表明，偏高嶺土的化學(xué)活性對(duì)改善水泥土孔隙結(jié)構(gòu)有利，能夠顯著提高材料的力學(xué)性能，而當(dāng)前關(guān)于高嶺土基水泥土改性效果的研究主要集中在土體靜力學(xué)領(lǐng)域[7-9]。如葉華洋等[10]研究了改性水泥固化土受偏高嶺土摻量變化的影響規(guī)律，發(fā)現(xiàn)經(jīng)過3%含量的偏高嶺土改性后，試樣的靜抗壓強(qiáng)度可以提升至原來2倍左右；彭暉等[11]通過壓汞與電鏡實(shí)驗(yàn)得到了偏高嶺土改性水泥土的微觀結(jié)構(gòu)，從孔隙分布的角度揭示了偏高嶺土提升材料強(qiáng)度的本質(zhì)原因。Hayder等[12]開展偏高嶺土改性水泥土的拉伸測(cè)試，指出偏高嶺土與水泥的摻和比為1∶3左右時(shí)材料的抗拉強(qiáng)度達(dá)到最佳。然而，在利用水泥土修筑地基時(shí)，不僅要承受來自于上覆荷載和側(cè)向壓力等靜載作用，同時(shí)也會(huì)受到上部動(dòng)荷載造成的沖擊[13]。因此，需要全面了解動(dòng)荷載作用下復(fù)合水泥土材料的動(dòng)態(tài)強(qiáng)度特性，以及外摻料改善動(dòng)力學(xué)特性的機(jī)理。

本次研究首先利用分離式霍普金森壓桿(SHPB)單軸壓縮試驗(yàn)測(cè)試偏高嶺土改性水泥固化土試樣的動(dòng)態(tài)強(qiáng)度特征，然后結(jié)合核磁共振掃描(NMR)與電鏡掃描(SEM)的結(jié)果對(duì)材料的微觀孔隙結(jié)構(gòu)特征進(jìn)行分析，旨在深入認(rèn)知偏高嶺土改性的壩基水泥土材料力學(xué)性能和微觀特征。

1 樣品制備與試驗(yàn)方法

1.1 原材料

本次研究所用水泥土基料為粉質(zhì)黏土，取自葛州壩下游近壩區(qū)地基。對(duì)土體開展擊實(shí)試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)粉質(zhì)黏土的最優(yōu)含水率為15.2%。通過開展X射線衍射實(shí)驗(yàn)，得到了如圖1所示的粉質(zhì)黏土衍射圖譜，結(jié)合半定量法獲取了材料的礦物成分。根據(jù)半定量分析，對(duì)粉質(zhì)黏土礦物物相的組成進(jìn)行了測(cè)定，該方法可根據(jù)衍射圖譜中衍射角及其對(duì)應(yīng)的強(qiáng)度間接計(jì)算出不同礦物成分的比例。根據(jù)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)：粉質(zhì)黏土的礦物成分主要是石英(38.2%)、鈣長(zhǎng)石(22.0%)、斜長(zhǎng)石(17.9%)、伊利石(9.5%)和方解石(9.1%)。采用篩分與密度計(jì)法聯(lián)合測(cè)得了粉質(zhì)黏土的顆粒分布曲線(見圖2)，可以看出該粉質(zhì)黏土的顆粒組成主要是粉粒(41.8%)和黏粒(45.4%)。粉質(zhì)黏土顆粒級(jí)配曲線的不均勻系數(shù)Cu與曲率系數(shù)Cc分別為15.5和2.85。

圖1 土壤的X射線衍射圖譜Fig.1 X-ray diffraction pattern of the soil

圖2 土壤的顆粒粒徑分布曲線Fig.2 Particle size distribution curve of the soil

1.2 樣品制備

葉華洋等[10]通過大量試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)：采用堿性激發(fā)的拌和方法制備偏高嶺土改性水泥土樣品對(duì)力學(xué)性能的提升效果更好，在這項(xiàng)研究中，采用以下具體的混合法制備均勻、致密和高強(qiáng)度的復(fù)合水泥土樣品。 首先，在散狀土和干水泥的混合料中添加偏高嶺土，充分?jǐn)嚢韬箪o置48 h，然后混合NaOH和Na2SiO3(水玻璃)溶液制成堿性激發(fā)劑，將堿性激發(fā)劑添加到拌和好的物料中充分?jǐn)嚢杈鶆颍詈笠罁?jù)需水量添加一定質(zhì)量的蒸餾水。通過壓實(shí)法制備圓柱樣，分3層壓實(shí)，得到的試樣直徑為50 mm，高度為100 mm。本次試驗(yàn)中使用的膠凝材料為水泥與偏高嶺土，其總量占粉質(zhì)黏土質(zhì)量的15%，偏高嶺土的質(zhì)量摻量分別選取為0，2%，4%和6%，選取5種養(yǎng)護(hù)齡期(1，3，7，14 d與28 d)的水泥土試樣進(jìn)行動(dòng)力學(xué)和微觀結(jié)構(gòu)的測(cè)試。

1.3 試驗(yàn)方法

1.3.1霍普金森壓桿(SHPB)試驗(yàn)

動(dòng)力學(xué)試驗(yàn)采用了分離式霍普金森壓桿試驗(yàn)系統(tǒng)，所用樣品為直徑50 mm、高25 mm的圓柱樣。由于水泥土的波阻抗較低，根據(jù)“三波法”原理得到了改性水泥土樣品的動(dòng)態(tài)應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線結(jié)果[14]。開展復(fù)合水泥土的動(dòng)荷載沖擊試驗(yàn)時(shí)，為確保試驗(yàn)結(jié)果準(zhǔn)確，SHPB試驗(yàn)的電壓信號(hào)需要滿足三波法要求，即εI+εR=εT，其中εI、εR與εT分別對(duì)應(yīng)著應(yīng)變的入射信號(hào)、反射信號(hào)和透射信號(hào)。圖3為三波法原理的驗(yàn)證圖，可以看出該試驗(yàn)采用的入射+反射的疊加信號(hào)曲線與透射信號(hào)曲線重合度較高，符合SHPB動(dòng)荷載試驗(yàn)的要求。

圖3 三波法的電壓信號(hào)Fig.3 Typical voltage signals by three-wave method

1.3.2核磁共振試驗(yàn)

本次研究采用核磁共振分析儀(NMR23-50H型)進(jìn)行飽和試樣掃描。試驗(yàn)前對(duì)被測(cè)試樣品經(jīng)過真空飽和處理，然后將樣品放置到儀器中進(jìn)行掃描，根據(jù)核磁共振測(cè)試獲得了弛豫時(shí)間T2及其信號(hào)強(qiáng)度結(jié)果。

1.3.3掃描電鏡試驗(yàn)

采用EM-30C型掃描電子顯微鏡對(duì)復(fù)合固化水泥土樣品間顆粒微觀形貌進(jìn)行觀察。開展試驗(yàn)前，先對(duì)固化土樣品進(jìn)行制樣和表面處理，采用的樣品高度約為5 mm，直徑約為7.5 mm，然后對(duì)樣品進(jìn)行抽真空和凍干處理，最后將樣品放在掃描電子顯微鏡下進(jìn)行SEM圖像獲取。

2 結(jié)果分析

2.1 動(dòng)態(tài)壓縮試驗(yàn)結(jié)果

在SHPB單軸壓縮試驗(yàn)中，測(cè)試了摻入不同含量偏高嶺土和不同養(yǎng)護(hù)時(shí)間下的復(fù)合水泥土樣品，得到了動(dòng)應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線。從圖4可以看出：在單次沖擊試驗(yàn)過程中，動(dòng)應(yīng)力-軸向應(yīng)變關(guān)系曲線大致可以被分成壓實(shí)變形階段、彈性變形階段、塑性變形屈服階段與破壞階段，其中壓密階段的范圍較小，一般在0.5%以內(nèi)就結(jié)束，進(jìn)入彈性階段后的試樣內(nèi)部結(jié)構(gòu)損傷較小，動(dòng)應(yīng)力隨應(yīng)變?cè)黾映示€性增大；隨著微裂紋發(fā)生動(dòng)態(tài)擴(kuò)展，水泥土開始進(jìn)入塑性屈服階段，動(dòng)應(yīng)力不斷增加直至抵達(dá)峰值應(yīng)力，此時(shí)試樣已經(jīng)達(dá)到承載極限；進(jìn)入破壞階段后，水泥土樣品的應(yīng)變持續(xù)增加，但動(dòng)應(yīng)力值開始迅速下降，內(nèi)部結(jié)構(gòu)損傷加劇直至試樣完全破壞。根據(jù)圖4(a)還可以看出：與其他偏高嶺土摻量相比，偏高嶺土摻量為6%的水泥土動(dòng)應(yīng)力-應(yīng)變曲線達(dá)到應(yīng)力峰值后的下降段曲線相對(duì)比較平緩，試樣表現(xiàn)出顯著的塑性破壞的特征。從圖4(b)也可以看出：當(dāng)偏高嶺土含量為2%時(shí)，隨著養(yǎng)護(hù)時(shí)間的增加，動(dòng)應(yīng)力-應(yīng)變曲線的峰后動(dòng)應(yīng)力隨應(yīng)變?cè)黾酉陆邓俾拭黠@加快，且水泥土試樣的破壞形式從塑性逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)榇嘈浴?/p>

圖4 復(fù)合水泥土的動(dòng)應(yīng)力-軸向應(yīng)變曲線Fig.4 Dynamic stress-axial strain curves of cemented soil

圖5 復(fù)合水泥土的動(dòng)力學(xué)指標(biāo)Fig.5 Dynamic index curves of cemented soil

由SHPB試驗(yàn)獲取了不同養(yǎng)護(hù)齡期和不同偏高嶺土摻量的復(fù)合水泥土動(dòng)應(yīng)力-軸向應(yīng)變曲線，并從中提取出峰值動(dòng)應(yīng)力作為材料的動(dòng)抗壓強(qiáng)度fdc。圖5給出了不同養(yǎng)護(hù)期和偏高嶺土含量的復(fù)合水泥土的動(dòng)抗壓強(qiáng)度fdc。由圖5(a)可知，不同養(yǎng)護(hù)時(shí)間下的復(fù)合水泥土其fdc隨著偏高嶺土含量增加呈現(xiàn)先升后降的趨勢(shì)，在偏高嶺土含量為4%時(shí)達(dá)到極值，超過4%后動(dòng)力學(xué)特性明顯下降。由圖5(b)可知，不同偏高嶺土含量的復(fù)合水泥土其fdc隨養(yǎng)護(hù)時(shí)間增加而不斷提高，且在0～14 d范圍內(nèi)上升幅度比較顯著，在14～28 d養(yǎng)護(hù)齡期范圍內(nèi)動(dòng)強(qiáng)度值增加緩慢。上述現(xiàn)象表明采用偏高嶺土部分替代水泥可以有效增加水泥土的動(dòng)力學(xué)特性，但當(dāng)偏高嶺土含量過高時(shí)，動(dòng)抗壓強(qiáng)度明顯下降。動(dòng)力學(xué)性能下降的原因主要是少量偏高嶺土顆粒與水泥之間產(chǎn)生了表面的相互作用，進(jìn)而加速了水泥的水化反應(yīng)，再經(jīng)過膠凝效應(yīng)形成了黏土團(tuán)聚體；而偏高嶺土本身不能與Ca(OH)2發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，過量的偏高嶺土?xí)璧K水泥水化凝膠的形成，從而導(dǎo)致動(dòng)抗壓強(qiáng)度的降低。

2.2 孔隙分布結(jié)果

采用核磁共振試驗(yàn)可得到弛豫時(shí)間T2譜，通過分析進(jìn)而可獲得孔隙尺寸分布的結(jié)果。NMR試驗(yàn)可以對(duì)材料內(nèi)孔隙尺寸分布特征進(jìn)行測(cè)量，T2強(qiáng)度與孔隙的尺寸成正比關(guān)系[15]，通過NMR試驗(yàn)得到的T2分布曲線的變化規(guī)律可以反映復(fù)合水泥土內(nèi)部孔隙結(jié)構(gòu)的特性。不同養(yǎng)護(hù)時(shí)間和偏高嶺土含量下的復(fù)合水泥T2分布曲線如圖6所示(養(yǎng)護(hù)1 d和7 d的部分樣品在水飽和過程中發(fā)生崩解破壞，無法進(jìn)行NMR測(cè)試)。該分布曲線存在兩個(gè)峰值點(diǎn)(P1和P2)，即復(fù)合雙峰分布，兩個(gè)峰值之間的差異很大，P1峰的強(qiáng)度明顯高于P2峰，沿橫坐標(biāo)由左到右分別對(duì)應(yīng)于孔隙尺寸分布情況，說明復(fù)合水泥土的孔隙以尺寸較小的孔隙為主，大孔隙占比較少。

圖6 復(fù)合水泥土的NMR試驗(yàn)結(jié)果Fig.6 NMR results of cemented soil

不同養(yǎng)護(hù)時(shí)間和摻量偏高嶺土的改性水泥土其雙峰分布特征指標(biāo)如表1所列。可以看出在相同偏高嶺土摻量下，隨著養(yǎng)護(hù)時(shí)間的增加，P1峰比例總體呈增大趨勢(shì)，P2峰比例呈減小趨勢(shì)，表明隨著水化反應(yīng)的進(jìn)行，偏高嶺土水泥土中的大孔隙逐漸閉合，微觀結(jié)構(gòu)逐漸致密。而當(dāng)養(yǎng)護(hù)時(shí)間相同時(shí)，偏高嶺土摻量為4%的水泥土試樣其T2曲線面積最小，且P2的比例也最低，表明摻量為4%的復(fù)合水泥土孔隙發(fā)育程度最低，結(jié)構(gòu)最致密。

表1 復(fù)合水泥土的T2分布峰面積Tab.1 Peak area of NMR T2 curves of cemented soil

2.3 SEM試驗(yàn)結(jié)果

圖7給出了不同摻量偏高嶺土及不同養(yǎng)護(hù)時(shí)間下的復(fù)合水泥土 SEM圖片。偏高嶺土摻量為0時(shí)，養(yǎng)護(hù)7 d的樣品內(nèi)部富含大孔隙，結(jié)構(gòu)疏松；當(dāng)偏高嶺土摻量為4%時(shí)，養(yǎng)護(hù)7 d的復(fù)合水泥土內(nèi)部結(jié)構(gòu)較為緊密，孔隙大幅度減少；當(dāng)偏高嶺土摻量為6%時(shí)，水化凝膠物質(zhì)填充大孔隙，土體內(nèi)出現(xiàn)了較多的大體積孔洞，如圖7(c)所示。當(dāng)養(yǎng)護(hù)時(shí)間為28 d時(shí)，在偏高嶺土摻量為4%的水泥土內(nèi)部出現(xiàn)大量硅酸鈣水合物(C-S-H)組成的凝聚物和針狀的鈣礬石晶體。水化產(chǎn)物在起到填補(bǔ)水泥土內(nèi)部孔隙作用的同時(shí)，也對(duì)粉質(zhì)黏土顆粒起到凝聚的效果，進(jìn)而使得復(fù)合水泥土內(nèi)部結(jié)構(gòu)更加密實(shí)(見圖7(d))，此現(xiàn)象與NMR試驗(yàn)測(cè)到的孔隙結(jié)構(gòu)變化現(xiàn)象相互印證。

根據(jù)偏高嶺土改性機(jī)理分析可知，當(dāng)一定含量的偏高嶺土與水泥混合摻入土壤中并擊實(shí)成型后，形成土顆粒的團(tuán)聚體與水發(fā)生接觸，使得土顆粒之間生產(chǎn)出大量水化硅酸鈣凝膠體[16]。由于水化硅酸鈣凝膠體的比表面積遠(yuǎn)大于土顆粒，其表面能較高，吸附作用力較強(qiáng)，可以使得水化物中存在的鈣離子與土粒表面吸附的其他陽離子進(jìn)行離子交換反應(yīng)，進(jìn)而引起顆粒的結(jié)合而出現(xiàn)團(tuán)聚。土顆粒團(tuán)聚體的形成可對(duì)固化土結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性起到提升作用，因此固化土抵抗動(dòng)荷載沖擊變形的性能得以增強(qiáng)。然而，當(dāng)偏高嶺土的含量過高時(shí)，水泥水化的需水量更高，導(dǎo)致內(nèi)部裂隙增多，動(dòng)力學(xué)性能明顯弱化。在本次研究中，當(dāng)偏高嶺土的含量為4%時(shí)，動(dòng)抗壓強(qiáng)度特性達(dá)到最佳，孔隙發(fā)育程度最低，故4%為最佳改性的摻量。

3 結(jié) 論

(1) 偏高嶺土摻量的增加，使得復(fù)合固化土試樣的動(dòng)抗壓強(qiáng)度呈現(xiàn)出先增加后降低的非線性變化規(guī)律，動(dòng)抗壓強(qiáng)度在摻量為4%摻量時(shí)固化土強(qiáng)度達(dá)到極大值，當(dāng)偏高嶺土摻量達(dá)到6%時(shí)，強(qiáng)度較未摻偏高嶺土的水泥土有所下降；固化土動(dòng)抗壓強(qiáng)度在0～14 d的養(yǎng)護(hù)齡期內(nèi)增長(zhǎng)較快，在14～28 d養(yǎng)護(hù)齡期內(nèi)增長(zhǎng)緩慢。

(2) NMP試驗(yàn)結(jié)果表明偏高嶺土改性水泥土的T2分布曲線為雙峰分布。隨著水化反應(yīng)的進(jìn)行，復(fù)合水泥土中的大孔隙逐漸閉合，微觀結(jié)構(gòu)逐漸致密；當(dāng)養(yǎng)護(hù)時(shí)間相同時(shí)，偏高嶺土摻量為4%的試樣孔隙發(fā)育程度最低，微觀結(jié)構(gòu)最致密。

(3) 從 SEM圖像看出不含偏高嶺土試樣內(nèi)部的孔隙數(shù)量較多，體積較大。當(dāng)偏高嶺土摻量為4%時(shí)，復(fù)合固化土的孔隙數(shù)量迅速減少，而當(dāng)偏高嶺土摻量為6%時(shí)，材料的密實(shí)度大幅下降，孔隙數(shù)量相應(yīng)地增加。隨著養(yǎng)護(hù)時(shí)間增加，復(fù)合固化土內(nèi)部的水化硅酸鈣凝膠體增多，對(duì)孔隙結(jié)構(gòu)起到改善作用。