水泥-堿渣改良膨脹土干濕循環耐久性及其劣化機制試驗研究

劉晶晶, 吳東彪, 許龍, 于鵬, 黃生伍,3

(1.安徽省城建設計研究總院股份有限公司博士后科研工作站, 合肥 230051; 2.合肥工業大學資源與環境工程學院, 合肥 230009; 3.中國建筑材料工業地質勘察中心山西總隊, 太原 030031)

中國膨脹土分布廣泛,分布面積超過10萬km2,是發生膨脹土地質災害最為頻繁的國家之一[1-2]。受其吸水膨脹、失水收縮特性的影響,季節性降雨可使膨脹土地基經歷反復的脹縮變形,最終導致地基出現隆起、沉降、開裂等明顯的結構性破壞,嚴重威脅交通工程、水利工程以及工民建的安全穩定運行[3]。

目前,化學法是應用最為廣泛的地基土改良技術之一,可有效消除或削弱膨脹土的脹縮性,使其工程性質得到明顯改善[4-6]。然而,在反復的干濕循環作用下,經石灰、水泥等傳統水硬性材料改良的膨脹土的力學性能和脹縮性仍會出現較明顯的劣化現象[7-8]。Al-Taie等[9]指出,在完成第二次干濕循環時,石灰改良膨脹土的膨脹量達到最大值;并指出,干濕循環對改良膨脹土脹縮性能的影響與試樣含水率和壓實應力密切相關。張棟等[10]發現,不同類型的膨脹土經水泥和石灰改良后,其干濕循環耐久性存在顯著差異。Adhikari等[11]通過試驗得出,經水泥與石灰改良的膨脹土,分別在完成第二次和第五次干濕循環時出現結構性破壞。而Abdullah等[12]則指出,增加水泥摻量可有效提高改良膨脹土的干濕循環耐久性。然而,當干濕循環次數大于3次時,其無側限抗壓強度隨著干濕循環次數的持續增加而明顯減小。此外,Maheepala等[13]認為,干濕循環改變了土體內部的有效孔隙體積,進而削弱了膨脹土的儲水能力,因而導致其膨脹勢有所增加。此外,干濕循環破壞了改良土中團聚體內顆粒的膠結作用,使得改良土的膨脹性進一步增大[14]。另一方面,水泥、石灰等傳統改良劑的生產伴隨著礦石資源消耗、能源耗損以及溫室氣體大量排放等問題,嚴重制約了中國生態環境建設的可持續發展。因此,為了進一步改善膨脹土的工程性質,鞏固其干濕循環耐久性,同時減少水泥、石灰等能源消耗型材料的耗損,部分學者嘗試將固體廢渣用于膨脹土的改良。吳燕開等[15]研究發現,與未改良的膨脹土相比,水泥改良膨脹土、水泥-鋼渣改良膨脹土的無荷膨脹率均下降95%以上;在干濕循環作用下,水泥-鋼渣改良膨脹土的體積、質量變化率最低。Sahoo等[16]比較了石灰、水泥和堿激發礦渣改良膨脹土的濕脹變形特征。結果指出,堿激發礦渣改良膨脹土抗濕脹變形能力最優,強度損失率明顯低于水泥、石灰改良土。Chowdary等[17]發現,水泥改良膨脹土在經歷6次或7次干濕循環時,其物理力學性能已不能滿足工程實踐要求;而堿激發礦渣改良膨脹土在完成12次干濕循環時,其工程性質仍滿足規范要求。綜上所述,與單獨使用一種改良劑相比,將廢渣與水泥或石灰混合對膨脹土進行改良可使其表現出更優的干濕循環耐久性。

堿渣是氨堿法制堿過程中排放的固體廢渣,其主要成分為CaCO3、CaCl2、CaSO4及少量CaO等,pH為9～11,呈堿性,粒徑較細[18]。基于上述化學組成、酸堿性、顆粒級配等特征,孫孝海等[19]和張文豪等[20]對堿渣改良膨脹土的可行性進行了試驗研究。試驗結果指出,摻入適量堿渣可有效降低膨脹土的膨脹性,最優摻量為30%。此外,與堿渣+水泥/石灰改良膨脹土相比,單獨使用堿渣的改良效果更加。而堿渣作為膨脹土改良劑的主要作用機理主要體現在3個方面[21-22]:堿渣的主要成分CaCO3可作為土體骨架,加強顆粒間的咬合作用力,可提高土體的抗剪強度;CaCl2、CaSO4等可溶鈣鹽遇水可釋放Ca2+與黏土顆粒表面的單價陽離子發生離子交換作用,導致土顆粒表面結合水膜變薄,進而導致土體脹縮性減弱;CaO水化與土中SiO2或Al2O3發生火山灰反應,生成水化硅酸鈣、水化鋁酸鈣等膠凝產物,使得團聚體間膠結作用力增強,土體強度進一步加強。目前,關于堿渣改良膨脹土的研究較少,現有結論有待考證;而關于堿渣改良膨脹土干濕循環耐久性的研究更是鮮有報道。因此,在滿足膨脹土改良要求的同時,拓寬堿渣的綜合回收利用途徑,提高堿渣綜合回收利用率,有必要對堿渣改良膨脹土開展系統的干濕循環耐久性試驗研究。

現通過系統的室內試驗對水泥-堿渣改良膨脹土進行干濕循環耐久性研究,并借助微觀測試技術揭示其劣化機制。首先,通過常規土工試驗評價水泥-堿渣改良膨脹土的改良效果;其次,通過無側限抗壓強度試驗掌握干濕循環作用對改良膨脹土力學性能的影響;再次,通過記錄干濕循環過程中試驗的質量、體積和表觀的變化,分析干濕循環作用對改良土宏觀形貌的影響;最后,利用掃描電鏡(scanning electron microscope,SEM)、熱重分析(thermogravimetric analysis,TGA)和壓汞試驗(mercury intrusion porosimetry,MIP)等微觀測試技術分析水泥-堿渣改良膨脹土的改良機理,以及干濕循環作用下改良土微觀形貌、礦物成分及孔隙分布特征的演化規律,進一步揭示水泥-堿渣改良膨脹土的干濕循環劣化微觀作用機制。

1 試驗材料與方法

1.1 試驗材料

(1)試驗用土。試驗所用膨脹土取自安徽省淮南市壽縣炎劉鎮,取土深度3～4 m,土樣呈黃褐色,含有鈣質或鐵錳結核,呈堅硬狀態,基本物理指標如表1所示。根據《土的工程分類標準》(GB/T 50145—2007),原狀土的液限和塑性指數分別58.9%和31.6,屬于高液限黏土。試驗用土自由膨脹率為58%,屬于弱膨脹土。

表1 原狀土基本物理性質指標

(2)改良劑。選擇商用C42.5型普通硅酸鹽水泥(簡稱C)和堿渣(簡稱SR)按不同比例混合對膨脹土進行改良,水泥購自合肥市某水泥批發市場,堿渣購自山東省濰坊市某堿廠。表2所示是水泥和堿渣的X射線熒光光譜分析結果,其主要化學成分包括CaO、SiO2和Al2O3等。此外,圖1給出了堿渣的礦物成分分析結果,其主要礦物成分為方解石、霰石、硫酸鈣和氯化鈣等。

圖1 堿渣的主要礦物成分[23]

表2 水泥和堿渣的主要化學成分

1.2 制備試樣

1.2.1 設計配合比

改良劑總摻量設計為10%,即水泥和堿渣的質量總和與干土的質量比為1∶10;水泥和堿渣的質量比為0∶10、1∶9、3∶7和5∶5,分別用C10SR0、C9SR1、C7SR3和C5SR5表示。

1.2.2 制樣步驟

根據研究目的,需制備柱狀試樣和環刀試樣若干,試樣尺寸分別為Ф50 mm×H100 mm和Ф61.8 mm×H20 mm。具體制樣步驟如下。

步驟1將膨脹土、水泥和堿渣在105 ℃烘箱內烘干24 h,取出、碾碎,膨脹土過2 mm篩,水泥和堿渣過0.5 mm篩。

步驟2根據設計配合比,稱量一定質量的干土、水泥和堿渣拌合均勻。

步驟3將含水率控制為干土-改良劑混合物的塑限,稱取適量去離子水,將其均勻噴灑在混合料表面,并迅速攪拌均勻。

步驟4稱取一定質量的拌合料倒入模具,利用萬能試驗機以0.5 mm/min的位移速度壓實土樣,試樣干密度控制為天然膨脹土最大干密度的90%。

步驟5將制好的試樣用保鮮袋密封,放入標準養護箱進行養護[溫度(22±2) ℃、相對濕度95%±2%],養護齡期設計為1、7、14和28 d。

1.3 試驗方法

1.3.1 基本物理指標測試

將完成指定齡期養護的試樣放入45 ℃烘箱,烘干、碾碎。根據《公路土工試驗規程》(JTG 3430—2020),對試樣進行界限含水率試驗(過2 mm篩)和自由膨脹率試驗(過0.5 mm篩)。

1.3.2 干濕循環試驗

為了掌握自然降雨與蒸發過程中改良膨脹土工程性質的長期演化規律,對完成28 d標準養護的改良土進行干濕循環試驗[24]。

步驟1取出完成養護的試樣,測量試樣的初始質量M0。

步驟2將試樣放入底部置有透水石和濾紙的容器中,然后向容器中加入去離子水直至浸沒試樣,靜置24 h。

步驟3完成浸泡后取出試樣,拭去試樣表面附著水,測量并記錄試樣質量Miwet。

步驟4將試樣放入溫度設置為(50±2) ℃的烘箱,持續干燥23 h。

步驟5完成干燥后,將試樣取出,靜置于實驗臺上,當試樣溫度降至與室溫相同時,測量并記錄試樣質量Mi。

上述過程記為1次干濕循環,設計干濕循環次數為0、1、3、5、8和12次。試樣經歷i次干濕循環的質量損失記為ML,公式為

(1)

1.3.3 力學試驗

根據《公路土工試驗規程》(JTG 3430—2020),進行無側限抗壓強度試驗和一維固結壓縮試驗:前者試樣應變速率控制為1 mm/min;后者采用快速固結法,設置荷載梯度為25、50、100、200、400、800 kPa,判穩方式為最后一級荷載持續 24 h。

1.3.4 微觀測試

為了避免試樣出現干縮變形、水化反應的持續進行對試驗結果造成干擾,在進行微觀測試分析前需對試樣進行凍干處理:首先,將待測樣品切成規則的長方體,橫截面面積約5 mm×5 mm;然后,將樣品放入液氮中迅速凍結、取出,放入Alpha 1-4 LDplus 型凍干機內,真空凍干24 h,密封保存。

(1)掃描電子顯微鏡試驗。將凍干的樣品輕輕掰斷,保留斷面(觀測面)不被擾動。用刀片削平底面,將試樣厚度控制在3～5 mm,并用毛刷輕輕掃除浮在觀測面上的土顆粒。為了加強試樣導電性,用導電膠將其固定在載樣盤上進行真空噴金處理,然后進行SEM測試。

(2)熱重分析。將試樣放入45 ℃的烘箱內烘干,碾碎,過0.075 mm篩,用于TGA測試。測試條件設定為:①惰性氣體(N2)流速設置為50 mL/min;②吹掃時間設置為10 min;③溫度范圍設置為25～1 000 ℃;④加熱速率為5 ℃/min。

(3)壓汞試驗。將凍干試樣切成邊長約5 mm的立方體用于MIP測試。MIP試驗包括兩個加壓階段:低壓系統的加壓范圍是3.6～200 kPa,進汞時間設為10 s/點;高壓系統的加壓范圍是0.2～241.3 MPa,進汞時間設為60 s/點。

2 試驗結果與分析

2.1 改良膨脹土的基本物理性質

2.1.1 界限含水率

圖2是改良膨脹土的液限和塑性指數與水泥-堿渣質量比的關系曲線。由圖2可知,經7 d和 28 d 養護的水泥-堿渣改良膨脹土的液限分別為41.9%～43.0%和40.2%～41.6%、塑性指數分別是12.9～14.2和9.6～12.1。與原狀土相比(液限58.9%,塑性指數31.6),改良膨脹土的液限和塑性指數顯著降低。

圖2 界限含水率與改良劑配比的關系曲線

水泥、堿渣水化釋放出大量的Ca2+與黏土礦物表面的低價陽離子(Na+、K+)發生陽離子交換作用,導致黏土顆粒表面雙電層厚度減小,結合水膜厚度也隨之減小,土顆粒持水能力降低。另一方面,隨著養護齡期的增加,水化膠凝產物逐漸增多。這些膠凝產物可有效膠結、團聚土顆粒,或填充土體孔隙,增大粗粒組分含量,最終導致土體界限含水率發生明顯變化。

圖3是不同配比的改良土在養護1、7、14、28 d時的塑性圖。改良前,天然膨脹土屬于高液限黏土;而經水泥-堿渣改良后,塑性明顯減小,土性由高液限黏土轉變為低液限粉土。改良土土性的變化可歸因于加入改良劑改變了膨脹土的陽離子交換能力、硅酸鹽礦物的相對含量以及可塑成分的含量[25]。

PI為塑性指數;wL為液限

2.1.2 自由膨脹率

圖4是不同齡期的水泥-堿渣改良膨脹土自由膨脹率的變化曲線。與天然膨脹土相比(自由膨脹率為58%),經水泥-堿渣改良后試樣的自由膨脹率明顯降低,降幅為29.3%～75.9%。盡管增加堿渣的摻入量會導致自由膨脹率降幅減小,但試樣的膨脹性仍能得到明顯改善,證明了在改良膨脹土中用堿渣替換部分水泥的可行性。

圖4 水泥-堿渣改良膨脹土的自由膨脹率變化曲線

Erzin等[26]指出,膨脹土的脹縮性受其陽離子交換容量、比表面積和孔隙液pH控制。如圖2所示,經水泥-堿渣改良后,膨脹土液限和塑性指數均明顯降低。說明其陽離子交換容量和比表面積減小,最終導致膨脹土的脹縮性顯著降低。此外,水泥和堿渣提供的堿性環境使黏土礦物中的硅酸鹽組分大量溶解,黏土礦物相對含量減少,進而導致黏性土膨脹性減小[27]。

2.2 無側限抗壓強度

水泥-堿渣改良膨脹土的無側限抗壓強度變化曲線如圖5所示。與原狀土相比(270 kPa),水泥-堿渣改良膨脹土的無側限抗壓強度顯著增大,并且隨養護齡期增加而增大。試樣強度大幅增長可歸因于水化硅酸鈣、水化鋁酸鈣、鈣礬石等水化膠凝產物、火山灰反應產物對土體孔隙的填充以及對土顆粒/土團聚體的膠結作用,使土體結構更加致密、完整[28-29]。

圖5 水泥-堿渣改良膨脹土的無側限抗壓強度變化曲線

隨著水泥-堿渣質量比減小,試樣強度隨之降低:當堿渣替換水泥的量為10%和20%時,試樣強度降幅較小,特別是養護齡期為14 d和28 d的試樣強度幾乎沒有變化;而當替換量為30%～50%時,試樣強度明顯下降,但強度降幅隨養護齡期增加而減小。當水泥被堿渣少量替換時,盡管會導致水泥水化產物生成量減少,但水泥水化提供的強堿性環境可使堿渣中的SiO2和Al2O3分解,并進一步激發火山灰反應,生成水化硅酸鈣和水化鋁酸鈣等膠凝產物。因此,當堿渣摻入量較低時,對改良土強度發展影響較小。然而,當水泥被替換的量較高時,水化膠凝產物明顯減少,水化反應釋放的OH-也隨之減少,因此抑制了堿渣的火山灰反應。此外,盡管堿渣中的碳酸鈣組分可作為土體骨架、或填充土體孔隙,但堿渣顆粒本身無黏性,無法膠結土顆粒或團聚體。因此,在堿渣摻量較高條件下,改良土的力學性能有所降低。

依據《公路路面基層施工技術細則》(JTG/T F20—2015)對水泥-堿渣改良膨脹土的改良效果及其路用性能進行評價,結果如表3所示。評價結果指出,除了不能滿足高速公路和一級公路極重、特重、重交通以及二級及二級以下公路極重、特重交通對基層材料強度的要求之外,水泥-堿渣改良膨脹土的無側限抗壓強度符合其他各等級公路的基層和底基層材料的強度標準。綜上所述,水泥-堿渣可有效改善膨脹土的強度性能,根據不同等級公路對結構層設計強度的要求適當調整堿渣摻入量,使其既能滿足改良膨脹土強度的使用要求,又能提高堿渣的利用率,最終實現廢物回收利用、節約資源、節約成本、綠色環保的目的。

表3 水泥穩定材料的7 d齡期無側限抗壓強度標準

2.3 干濕循環耐久性

2.3.1 宏觀形貌演化規律

圖6是完成28 d養護的試樣經歷0、1、3、5、8、12 次干濕循環時的表觀形貌特征。

圖6 干濕循環過程中試樣的宏觀形貌演化過程

如圖6所示,在干濕循環作用下,所有改良土的主要破壞特征是剝落,試樣表面無明顯宏觀裂縫發育。試樣C10SR0和C9SR1在經歷5次干濕循環時出現明顯的剝落現象,而試樣C7SR3和C5SR5則是在經歷3次干濕循環時就出現剝落現象,并隨干濕循環次數的增加逐漸劣化。

2.3.2 累積質量損失

試樣的累積質量損失率與干濕循環次數的關系曲線如圖7所示。試樣C10SR和C9SR1的質量損失率相對較小;在完成12次干濕循環時,兩者累積質量損失率均低于20%。試樣C7SR3的質量損失率略高于C10SR0和C9SR1,并在完成4次干濕循環時質量損失增長速率有所提升。試樣C5SR5的質量損失率則明顯高于其他3組試樣,并且在完成兩次干濕循環后出現快速增長。由此可知,在干濕循環作用下,改良土的質量損失變化規律與其表觀形貌演化規律基本一致。

圖7 累積質量損失率與干濕循環次數之間的關系

2.3.3 無側限抗壓強度

對28 d齡期的試樣進行干濕循環試驗,其無側限抗壓強度與干濕循環次數的關系曲線如圖8所示。

圖8 干濕循環作用下水泥-堿渣改良膨脹土的無側限抗壓強度變化規律

由圖8可知,隨著干濕循環次數的增加,試樣C10SR0和C9SR1的無側限抗壓強度變化曲線可分為3個階段:①當干濕循環次數為0～5次時,試樣強度略有波動,整體變化不大;②當干濕循環次數從5次增加到8次時,試樣強度快速下降,強度損失速率顯著增大;③而當干濕循環次數從8次增加到12次時,強度損失速率明顯放緩,試樣強度處于緩慢下降階段。已有研究指出,水泥的水化反應在養護28 d時并沒有結束。水泥-堿渣改良土內部持續生成的水化膠凝產物的填充及膠結作用進一步鞏固了試樣結構,利于強度發展;而在干濕循環作用下,試樣出現反復的脹縮變形導致試樣內部形成微裂縫,破壞結構完整性,不利于強度發展。因此,水化反應持續進行所產生的正面影響與干濕循環作用所引起的負面影響相互耦合,最終導致試樣強度在干濕循環初始階段產生小幅波動。隨著干濕循環次數的增加,試樣內部原有微裂縫繼續擴張,同時又有新的微裂縫不斷生成,導致試樣結構有原來的致密狀向松散狀轉變。此時,干濕循環所產生的負面影響占主導地位,從而使得試樣強度明顯降低。當完成8次干濕循環時,試樣結構達到新的動態平衡。因此,繼續增加干濕循環次數對試樣結構的影響逐漸減小。此時,試樣強度的變化趨勢區域平緩。

與試樣C10SR0和C9SR1相比,干濕循環作用下,試樣C7SR3和C5SR5的無側限抗壓強度發展規律則有所不同:當經歷1～3次干濕循環時,其無側限抗壓強度損失速率即達到最大值;而隨干濕循環次數的增加,試樣強度的損失速率逐漸減小并趨于平緩。其原因主要是因為水泥/堿渣摻入比的減小削弱了水化反應和火山灰反應對試樣結構的積極影響;同時,堿渣本身具備較強的吸濕能力,相應地,改良土的吸濕能力也隨堿渣摻量的增加而有所提升。因此,在干濕循環初始階段,試樣C7SR3和C5SR5的無側限抗壓強度即表現出較明顯的下降趨勢。

3 分析與討論

3.1 水泥-堿渣改良膨脹土的微觀作用機理

3.1.1 熱重分析

對不同齡期、不同水泥-堿渣質量比的改良膨脹土進行熱重分析,結果如圖9所示。經水泥-堿渣改良的膨脹土中有水化硅酸鈣(CSH)、鈣礬石(AFt)、水化鋁酸鈣(CAH)、氫氧化鈣[Ca(OH)2]和碳酸鈣(CaCO3)等水化/火山灰反應產物生成。這類膠凝產物填充土體孔隙、膠結土顆粒,從而形成致密的土體結構,最終使改良土的工程性質得到明顯改善。

TG表示熱重量,即當前溫度或時間的樣品質量與初始質量之比;DTG表示熱重微分,即TG曲線上的各點對時間的微分

如圖9所示,對比試樣C8SR2-7 d和C8SR2-28 d 可知,養護齡期增加使試樣中CSH生成量明顯增多,而AFt、CAH、Ca(OH)2和CaCO3相對含量基本不變。由此可以證明,水泥-堿渣改良膨脹土無側限抗壓強度隨養護齡期增加而增大主要歸因于CSH生成量增多。與試樣C10SR0-28 d相比,試樣C8SR2-28 d中CSH、 AFt、CAH和Ca(OH)2等主要礦物組分相對含量無明顯變化,只有CaCO3的相對含量明顯增大。說明堿渣摻量較低條件下,水泥水化提供的強堿性環境可進一步激發堿渣發生火山灰反應,促進CSH的形成;而堿渣中的CaCO3也能填充部分土體孔隙,利于土體形成致密結構[30]。因此,使用堿渣替換少量水泥并沒有對改良土的強度發展產生明顯的負面影響。然而,隨著水泥-堿渣質量比持續減小,除了CaCO3相對含量出現顯著增加,試樣C6SR4-28d中的主要膠凝產物的相對含量幾乎沒有變化,但其強度卻顯著降低。其原因可能是在長期養護過程中,水化硅酸鈣與碳酸鈣發生絡合反應生成一種復合型化合物CaO·SiO2·CaCO3·nH2O。該化合物與CSH具有相似的熱穩定性,但膠結性能較差,不利于改良土的強度發展。另一方面,堿渣中所含CaCO3無黏性,含量過大同樣會削弱土顆粒或團聚體間的膠結作用[31]。因此,在水泥-堿渣質量比較低條件下,改良土的無側限抗壓強度明顯降低。

綜上所述,對于水泥-堿渣改良膨脹土來說,控制其強度發展的關鍵礦物組分是水化硅酸鈣(CSH)和碳酸鈣(CaCO3)。

3.1.2 孔徑分布特征

圖10是水泥-堿渣改良膨脹土的孔徑分布曲線。與壓實黏土典型的“雙峰”孔徑分布曲線不同的是,水泥-堿渣改良膨脹土的孔徑分布曲線具有“三峰”特征,特征峰出現在孔徑0.01、2.5和15 μm處(分別以P1、P2和P3表示)。

圖10 水泥-堿渣改良膨脹土的孔徑分布曲線

對比試樣C10SR0-1 d和C10SR0-14 d的孔徑分布曲線可以看出,隨著養護齡期的增加,特征峰P1和P2向右偏移、峰值增大,而特征峰P3則向左偏移、峰值減小。說明水泥與土顆粒間的物理、化學作用使改良土中小孔隙增多、大孔隙減少。其主要原因在于水泥水化釋放的Ca2+與土顆粒表面Na+和K+等發生陽離子交換反應,導致雙電層厚度減小,縮減土顆粒間距,使得顆粒間小孔增多;而隨著養護齡期增加,水化膠凝產物生成量增大,填充團聚體間的大孔隙,進而導致大孔數量明顯減少。在宏觀上表現為土體脹縮性降低、密實度和強度明顯增加。

養護14 d的試樣C10SR0、 C8SR2和C6SR4的孔徑分布特征較為相似,特征峰出現的位置和強度變化不大,如圖10所示。為了進一步分析水泥-堿渣摻入比對改良土孔隙分布特征的影響,將孔隙按孔徑大小分為4類:小孔,孔徑≤0.5 μm;中孔,0.5 μm <孔徑≤5 μm;大孔,5 μm<孔徑≤50 μm;特大孔,孔徑≤50 μm,統計結果如圖11所示。當水泥-堿渣質量比減小時,小孔體積明顯增大,其他幾類孔隙體積變化幅度較小。該結果進一步證明,水泥-堿渣改良土在養護過程中有新型化合物生成,填充土體孔隙,使大孔體積減小,小孔體積增多。然而,由于該化合物的膠結性能較差,未能使改良土的工程性質得到進一步改善。

圖11 水泥-堿渣改良膨脹土各類孔隙的累積體積分布特征

3.2 干濕循環劣化微觀作用機制

3.2.1 微觀形貌特征

圖12是試樣C10SR0經歷不同次數的干濕循環后的微結構圖像。與未經歷干濕循環的試樣相比,經歷1次和5次干濕循環的試樣中礦物組分無明顯變化,水化硅酸鈣(CSH)、鈣礬石(AFt)和氫氧化鈣(CH)等典型水化產物仍普遍發育。此外,在0～5次干濕循環作用下,試樣C10SR0中膠凝產物的微觀形貌特征也未發生明顯變化。

圖12 干濕循環作用下試樣C10SR0的SEM圖像

圖13是試樣C7SR3在完成0、1和5次干濕循環時的SEM圖像。在經歷干濕循環前,試樣中水化產物普遍發育,填充土體孔隙。由于堿渣替換部分水泥,導致水化產物生成量減少,土體中仍存在細小孔隙,但整體結構較致密。在完成1次干濕循環后,試樣中的水化產物依然可見,但試樣中開始發育細小裂縫,如圖13(b)所示。隨著干濕循環次數的增多,水化產物的形貌特征遭受破壞,鑒別難度增加。此外,試樣內部結更加松散,顆粒間膠結程度變差,原有微裂隙進一步擴張并伴隨新裂隙的形成。

圖13 干濕循環作用下試樣C7SR3的SEM圖像

綜上所述,盡管干濕循環不會改變改良膨脹土的礦物組分,但其晶體結構則會遭到不同程度的破壞。由此可知,干濕循環作用下改良膨脹土工程性質的劣化可歸因于水化膠凝產物晶體結構的破壞,以及土體內部裂縫的發育及擴張。

3.2.2 孔徑分布特征

圖14是試樣C10SR0和C7SR3在完成0、1和5次干濕循環時的孔徑分布曲線。

圖14 干濕循環對改良膨脹土孔徑分布特征的影響

由圖14可知,干濕循環前后,試樣的孔徑分布曲線具有“三峰”特征;隨著干濕循環次數的增加,特征峰P4明顯向左偏移,特征峰P5和P6的位置則無明顯變化。說明干濕循環作用導致改良土中的小孔收縮,相應地孔隙數量增多;而中孔和大孔的孔徑無明顯變化,但相應地孔隙數量隨著干濕循環次數的增多略有增加。

當試樣完成28 d標準養護時,土體結構在團聚化作用、水化膠凝產物的膠結-填充作用下呈致密狀態,如圖15(a)所示。在干濕循環吸濕階段,未被水化膠凝產物包裹的土顆粒吸水膨脹,顆粒間緊密接觸,如圖15(b)所示。此時,由于水化膠凝產物的膠結作用,土顆粒吸水膨脹而引起的土體變形較小,對土體結構穩定性影響較小。而在干燥階段,隨著土顆粒表面吸附水的蒸發,顆粒間斥力減小,顆粒間距離減小,因而導致土中的小孔數量增多。此外,隨著含水率的降低,土中的基質吸力顯著增大,加劇了土體收縮,因而也使得小孔數量進一步增加。而土顆粒收縮的同時也會導致團聚體間的空隙進一步增大,進而導致大孔數量增多。而當基質吸力超過團聚體或土顆粒間的膠結作用力時,就會導致土體內部形成微裂縫,并在連續的干濕循環作用下逐漸擴張,最終導致改良膨脹土的工程性質嚴重劣化。

圖15 改良膨脹土干濕循環劣化機理圖

4 結論

通過室內試驗對水泥-堿渣改良膨脹土的工程性質及其干濕循環耐久性進行評價,并通過微觀測試技術分析了水泥-堿渣改良膨脹土的改良機理以及干濕循環劣化機制。主要研究結果如下。

(1)加入水泥-堿渣可有效改善膨脹土的工程性質,使其滿足部分等級公路的基層和底基層材料的應用標準。

(2)陽離子交換反應引起的絮凝作用/團聚化作用以及水化硅酸鈣等水化/火山灰反應產物的膠結-填充作用是改善膨脹土工程性質的主要機理。

(3)熱重分析和壓汞試驗結果證明,降低水泥-堿渣質量比引起的強度損失可歸因于一種膠凝性能較差的復合型化合物CaO·SiO2·CaCO3·nH2O的形成。

(4)干濕循環初期,試樣宏觀形貌及無側限抗壓強度無明顯變化;隨著干濕循環次數的增加,試樣強度明顯減小,其宏觀破壞特征表現為剝落。

(5)干濕循環作用下,改良土的微觀劣化作用機制如下。一是水化膠凝產物對土顆粒或團聚體的膠結作用遭到破壞;二是微裂縫的發育及擴張。