礦渣穩(wěn)定黃土的微細(xì)觀結(jié)構(gòu)研究*

李 俊

（甘肅新發(fā)展城市開發(fā)建設(shè)運(yùn)營(yíng)集團(tuán)有限公司，甘肅 蘭州 730000）

黃土在我國(guó)主要分布在黃河中上游，其中典型黃土的分布面積63萬(wàn)km2［1］。黃土主要由黏粒、粉粒和石英顆粒等組成，黃土具有孔隙結(jié)構(gòu)特征顯著、顆粒間連接弱、對(duì)水敏感等特點(diǎn)［2］。黃土在自然狀態(tài)下顆粒之間的黏結(jié)較好，表現(xiàn)出有一定的強(qiáng)度和較好的穩(wěn)定性，然而，黃土浸水后土顆粒之間的連接迅速降低，出現(xiàn)邊坡滑塌、路基沉陷、地基失穩(wěn)等工程事故［3］，因此，采用無(wú)機(jī)結(jié)合材料穩(wěn)定黃土的技術(shù)、材料選擇受到了工程界廣泛關(guān)注［4-5］。其中，普通硅酸鹽水泥穩(wěn)定黃土早期強(qiáng)度高，但黃土的塑性指數(shù)較高，水泥穩(wěn)定黃土的溫縮干縮大，工程中往往摻加其他無(wú)機(jī)結(jié)合材料來綜合穩(wěn)定黃土；石灰穩(wěn)定黃土成本低、施工簡(jiǎn)單，但初期強(qiáng)度較低；工業(yè)廢渣穩(wěn)定黃土強(qiáng)度高、穩(wěn)定性好及收縮小［6］，并且做到了廢物的重復(fù)利用，因而礦渣穩(wěn)定黃土技術(shù)在土建工程中應(yīng)用越來越廣泛。本論述采用的礦渣是冶煉生鐵后經(jīng)淬冷磨細(xì)后質(zhì)地疏松、多孔粒狀結(jié)構(gòu)物，具有較好的水硬性。因此，礦渣穩(wěn)定黃土經(jīng)常用作土木工程的建筑材料。本論述對(duì)礦渣穩(wěn)定黃土的微細(xì)觀結(jié)構(gòu)開展了研究，探索礦渣穩(wěn)定黃土的強(qiáng)度形成機(jī)理，對(duì)穩(wěn)定黃土材料的選擇提供參考。

1 試驗(yàn)原材料及配合比

1.1 試驗(yàn)材料

黃土取自蘭州城關(guān)區(qū)南山路一6 m深度的基坑處，取樣中保證未混入其他雜質(zhì)，將黃土自然風(fēng)干碾碎后過標(biāo)準(zhǔn)篩。取大約150 g左右的土樣，測(cè)試黃土的含水量和重度；土樣中加水調(diào)勻后密閉放置一段時(shí)間，等水分均勻后用液塑限聯(lián)合測(cè)試黃土的液限和塑限，并計(jì)算土體的塑性指數(shù)，黃土的具體物理參數(shù)見表1所列。礦渣購(gòu)自山東某有限公司，比重為2.91，利用X 衍射測(cè)得黃土、礦渣的化學(xué)成分見表2、3所列，礦渣的基本物理參數(shù)見表4所列。

表1 黃土的物理性質(zhì)

表2 黃土的化學(xué)組成

表4 礦渣的物理性質(zhì)

表3 礦渣的化學(xué)組成

1.2 配合比及試樣制作

根據(jù)公路工程無(wú)機(jī)結(jié)合穩(wěn)定材料試驗(yàn)規(guī)程穩(wěn)定黃土中工業(yè)廢渣摻量的推薦值［7］，本試驗(yàn)方案擬定中礦渣的摻量（質(zhì)量比）選為15%，則黃土的含量為85%。通過標(biāo)準(zhǔn)擊室試驗(yàn)得出礦渣穩(wěn)定黃土的最佳含水量為19.87%、最大干密度為1.59 g/cm3。制作礦渣穩(wěn)定黃土試樣時(shí)用內(nèi)徑61.8 mm、高125 mm的模具，采用靜壓法壓實(shí)試樣［8］。先計(jì)算制作1 個(gè)試樣時(shí)所需礦渣、黃土、水的質(zhì)量并稱量，將所稱量的礦渣和黃土倒入攪拌鍋中并攪拌均勻，接著加水繼續(xù)攪拌均勻?yàn)橹梗缓蟀训V渣穩(wěn)定黃土均勻的分為5份，依次往模具中倒入每份混合物、壓實(shí)每層混合物。最后，將壓實(shí)的試樣脫模后放入護(hù)箱中養(yǎng)護(hù)28 d。

2 SEM -EDS 試驗(yàn)方法

掃描電鏡（SEM）是一種真空下掃描試樣表面激發(fā)電子信號(hào)，根據(jù)信號(hào)強(qiáng)度組成形貌照片，用來觀察試樣表面外觀形貌的儀器。能譜儀（EDS）常與SEM 聯(lián)用，是用來分析物質(zhì)組成元素的最常用儀器之一。從標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)箱中取出養(yǎng)護(hù)28 d 的試樣，用錘子敲開試樣從中部取出1 cm3左右的樣品，接著清理試樣表面的浮渣，然后在試樣表面噴金用作SEM-EDS測(cè)試的樣品，最后使用Model JSM-5600LV 掃描電子顯微鏡測(cè)試礦渣穩(wěn)定黃土試樣的微觀形貌和元素組成。

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 SEM 測(cè)試結(jié)果

圖1 給出了黃土試樣的SEM 圖，圖2～5 給出了礦渣穩(wěn)定黃土養(yǎng)護(hù)齡期分別為7 d、28 d、90 d、180 d 時(shí)的外觀形貌。比較黃土（圖1）和礦渣穩(wěn)定黃土（圖2～5）的外觀形貌，發(fā)現(xiàn)黃土顆粒之間孔隙較大、土顆粒之間連接弱，添加礦渣后土體中出現(xiàn)了大量的顆粒狀物質(zhì)，包裹和填塞在黃土顆粒空隙中，這是因?yàn)榈V渣發(fā)生了水化反應(yīng)生成的膠凝性物質(zhì)膠結(jié)黃土顆粒，使得黃土力學(xué)強(qiáng)度大大提高，提高程度取決于礦渣對(duì)黃土顆粒的膠結(jié)程度。從圖2～5可以看出養(yǎng)護(hù)齡期對(duì)穩(wěn)定黃土外觀形貌產(chǎn)生較大影響，養(yǎng)護(hù)初期（7 d）穩(wěn)定黃土中主要出現(xiàn)一些顆粒狀物質(zhì)填塞在黃土顆粒的間隙中（圖2），且這些顆粒的排列比較松散，沒有出現(xiàn)結(jié)團(tuán)現(xiàn)象。隨著養(yǎng)護(hù)齡期的延長(zhǎng)，在黃土顆粒表面出現(xiàn)一些棒狀和針棒狀物質(zhì)（圖3），這主要是礦渣在水化初期發(fā)生了陽(yáng)離子交換，導(dǎo)致在土顆粒表面形成少量的膠凝物質(zhì)，這些針棒狀和棒狀顆粒以邊-面接觸為主、邊-邊接觸為輔。養(yǎng)護(hù)90 d時(shí)，顆粒狀物質(zhì)大大減少，出現(xiàn)了大量團(tuán)聚物質(zhì)（圖4），這是礦渣進(jìn)一步發(fā)生水化反應(yīng)的產(chǎn)物，從而加強(qiáng)了黃土顆粒之間的膠結(jié)。隨著養(yǎng)護(hù)齡期的延長(zhǎng)，養(yǎng)護(hù)180 d 時(shí)，土體表面上的凹坑和大孔隙數(shù)量大大減少，出現(xiàn)了大量的絮狀和堆疊顆粒團(tuán)聚體，這些膠凝物質(zhì)的連接力較強(qiáng)大大加強(qiáng)黃土顆粒之間的連接，使穩(wěn)定黃土結(jié)構(gòu)更加密實(shí)。從圖4 和圖5 可知，從養(yǎng)護(hù)早期的顆粒狀到養(yǎng)護(hù)后期的絮狀、體積較大的層狀結(jié)構(gòu)，說明礦渣對(duì)黃土發(fā)生了團(tuán)聚作用，養(yǎng)護(hù)時(shí)間越長(zhǎng)，穩(wěn)定黃土的密實(shí)程度越高。

圖1 黃土的SEM圖像

圖2 礦渣穩(wěn)定黃土養(yǎng)護(hù)7 d的SEM圖像

圖3 礦渣穩(wěn)定黃土養(yǎng)護(hù)28 d的SEM圖像

圖4 礦渣穩(wěn)定黃土養(yǎng)護(hù)90 d的SEM圖像

圖5 礦渣穩(wěn)定黃土養(yǎng)護(hù)180 d的SEM圖像

3.2 EDS 測(cè)試結(jié)果

黃土試樣的元素組成測(cè)試結(jié)果如圖6所示，養(yǎng)護(hù)齡期分別為7 d、28 d、90 d、180 d 的礦渣穩(wěn)定黃土的元素組成測(cè)試結(jié)果如圖7～10 所示。比較黃土（圖6）和礦渣穩(wěn)定黃土（圖7～10）的EDS測(cè)試結(jié)果，發(fā)現(xiàn)礦渣穩(wěn)定黃土中Ca元素的含量顯著增加，這主要是由于礦渣中含有大量CaO導(dǎo)致的。從圖7～10可以看出，養(yǎng)護(hù)初期礦渣穩(wěn)定黃土主要發(fā)生了離子交換和水化反應(yīng)，養(yǎng)護(hù)后期礦渣穩(wěn)定黃土發(fā)生了火山灰、碳酸化作用，這些一系列的水化反應(yīng)提高了礦渣穩(wěn)定黃土的強(qiáng)度和穩(wěn)定性。

圖6 黃土的EDS結(jié)果

圖7 礦渣穩(wěn)定黃土養(yǎng)護(hù)7 d的EDS結(jié)果

圖8 礦渣穩(wěn)定黃土養(yǎng)護(hù)28 d的EDS結(jié)果

圖9 礦渣穩(wěn)定黃土養(yǎng)護(hù)90 d的EDS結(jié)果

圖10 礦渣穩(wěn)定黃土養(yǎng)護(hù)180 d的EDS結(jié)果

4 結(jié)論

本論述采用SEM-EDS 測(cè)試手段對(duì)礦渣穩(wěn)定黃土的微細(xì)觀結(jié)構(gòu)開展了研究，得出以下結(jié)論：

（1）比較黃土和礦渣穩(wěn)定黃土的外觀形貌，可以發(fā)現(xiàn)黃土顆粒之間孔隙較大、土顆粒之間連接弱，添加礦渣后土體中出現(xiàn)了大量的顆粒狀物質(zhì)，包裹和填塞在黃土顆粒空隙中，使得黃土力學(xué)強(qiáng)度大大提高。

（2）養(yǎng)護(hù)早期礦渣穩(wěn)定黃土中出現(xiàn)大量的顆粒狀物質(zhì)，養(yǎng)護(hù)后期出現(xiàn)絮狀、體積較大的層狀結(jié)構(gòu)物，說明隨養(yǎng)護(hù)時(shí)間的延長(zhǎng)礦渣對(duì)黃土的膠結(jié)、團(tuán)聚作用越明顯，大大提高了黃土的密實(shí)度和強(qiáng)度。

（3）礦渣穩(wěn)定黃土養(yǎng)護(hù)初期主要以離子交換、水化反應(yīng)為主，后期發(fā)生了火山灰、碳酸化作用。