PPCC改良過濕土力學(xué)性能及微觀特性研究

關(guān)鍵詞：過濕土；工業(yè)固廢；ＦＰＣＣ；力學(xué)性能；微觀結(jié)構(gòu)

中圖分類號：ＴＶ４２；Ｕ４１６ 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：Ａ ｄｏｉ：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１０００－１３７９．２０２４．０６．０２６

引用格式：孟憲金，李嘉衡，王運(yùn)濤．ＦＰＣＣ 改良過濕土力學(xué)性能及微觀特性研究［Ｊ］．人民黃河，２０２４，４６（６）：１５２－１５６，１６２．

過濕土是指潮濕地區(qū)廣泛分布的含水率過高的潮濕性黏土或粉土［１］ 。我國黃河流域多地存在過濕土，含水率大導(dǎo)致土體難以壓實(shí)，存在“彈簧”現(xiàn)象［２］ 。許多學(xué)者致力于過濕土改良，如：何克揚(yáng)等［３］ 對不同摻量水泥改良過濕土進(jìn)行研究， 發(fā)現(xiàn)加州承載比（Ｃａｌｉｆｏｒｎｉａ Ｂｅａｒｉｎｇ Ｒａｔｉｏ，簡稱ＣＢＲ）及強(qiáng)度與水泥摻量相關(guān)性較強(qiáng)，當(dāng)水泥摻量為３％～５％時，可將過濕土用作路基填料；程培峰等［４］ 研究了原狀過濕土的固結(jié)變形特性，發(fā)現(xiàn)土的含水率越大其壓縮性越大，凍融循環(huán)后土體的壓縮性增大、更難壓實(shí)。

粉煤灰作為一種工業(yè)固廢材料，在膠凝材料制備［５－７］ 、路基土改良［８－９］ 等方面均有應(yīng)用。對于生產(chǎn)黃磷產(chǎn)生的固廢材料磷渣，以往的處理方式主要是掩埋，其對環(huán)境會產(chǎn)生嚴(yán)重的危害［１０］ ，現(xiàn)階段越來越多地將其應(yīng)用到混凝土制作中［１１－１３］ 。電石渣是水與電石反應(yīng)生產(chǎn)乙炔氣體的副產(chǎn)品，主要成分為Ｃａ（ＯＨ）_２，其可以與活性二氧化硅、活性氧化鋁等活性組分發(fā)生火山灰反應(yīng)，產(chǎn)生具有膠結(jié)作用的物質(zhì)［１４－１５］ 。杜延軍等［１６－１７］ 利用電石渣改良過濕黏土，通過無側(cè)限抗壓強(qiáng)度、酸堿度、壓汞和熱重試驗(yàn)等分析其改良效果，并進(jìn)行了一系列路用性能測試，證明電石渣改良過濕土具有良好的工程應(yīng)用前景。

為達(dá)到提高過濕土強(qiáng)度并合理利用工業(yè)固廢的目的， 筆者利用粉煤灰（ Ｆｌｙ ａｓｈ）、磷渣（ Ｐｈｏｓｐｈｏｒｕｓｓｌａｇ）、電石渣（Ｃａｒｂｉｄｅ ｓｌａｇ）及水泥（Ｃｅｍｅｎｔ）所制備的煤灰－磷渣－電石渣－水泥膠凝材料（簡稱ＦＰＣＣ）對過濕土進(jìn)行改良，首先對摻量為４％、６％、８％及１０％的ＦＰＣＣ 過濕土進(jìn)行ＣＢＲ 試驗(yàn)與７、２８ ｄ 齡期無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)，并與摻量為４％的水泥過濕土進(jìn)行承載力及強(qiáng)度對比，進(jìn)而確定過濕土中ＦＰＣＣ 最佳摻量；然后通過掃描電子顯微鏡觀察不同摻量ＦＰＣＣ 過濕土的微觀結(jié)構(gòu)，利用Ｍａｔｌａｂ 軟件與ＩＰＰ 軟件分析其孔隙特征及分布情況，揭示其強(qiáng)度形成機(jī)理，評價(jià)ＦＰＣＣ 對過濕土強(qiáng)度的改良效果。

１試驗(yàn)材料與方法

１．１試驗(yàn)材料

１）粉煤灰、磷渣、電石渣、水泥。粉煤灰產(chǎn)自河北省靈壽縣熙民礦產(chǎn)品有限公司，細(xì)度為３２５ 目；磷渣產(chǎn)自河南省洛陽氚珅化工儀器有限公司；電石渣產(chǎn)自山東省德州市德州實(shí)華化工有限公司，細(xì)度為３００ 目；Ｐ．Ｏ４２５普通硅酸鹽水泥產(chǎn)自山東省日照市莒縣中聯(lián)水泥有限公司。對粉煤灰、磷渣及電石渣進(jìn)行Ｘ 射線熒光光譜分析，得到化學(xué)成分表（見表１）。電石渣主要化學(xué)成分為ＣａＯ，占比達(dá)到了８５．３１％；磷渣主要化學(xué)成分為ＳｉＯ_２及ＣａＯ，占比分別為３９．５１％與４５．１２％；粉煤灰主要化學(xué)成分為ＳｉＯ_２ 與Ａｌ_２ Ｏ_３，占比分別為４９．２１％與３３．４３％。

２）試驗(yàn)用土。取自黃河山東東明段與河南蘭考段接壤處，取土地段地下水位較高，土體含水率大、難以壓實(shí)，其基本物理性能見表２。

１．２ 試驗(yàn)方法

１）試件制備。參考《公路無機(jī)結(jié)合料穩(wěn)定材料試驗(yàn)規(guī)程》（ＪＴＧ Ｅ５１—２００９）［１８］ ，制備尺寸為５０ ｍｍ×５０ ｍｍ圓柱形ＦＰＣＣ 過濕土試件，ＦＰＣＣ 摻量分別為４％、６％、８％及１０％（簡稱４％、６％、８％、１０％ＦＰＣＣ），同時制備水泥過濕土試件作對比，水泥摻量為４％（簡稱４％水泥），養(yǎng)護(hù)齡期為７ ｄ 及２８ ｄ。各試件制備完成后立即放入溫度（２１±２） ℃、相對濕度９５％的標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)箱養(yǎng)護(hù)至所需齡期。

２）ＦＰＣＣ 過濕土力學(xué)特性試驗(yàn)。對７、２８ ｄ 齡期４％、６％、８％、１０％ＦＰＣＣ 過濕土及４％水泥過濕土開展無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)、ＣＢＲ 試驗(yàn)及抗壓回彈模量試驗(yàn)。

３）ＦＰＣＣ 過濕土微觀試驗(yàn)。為揭示ＦＰＣＣ 摻量對過濕土微觀結(jié)構(gòu)的影響，對２８ ｄ 齡期４％、６％、８％、１０％ＦＰＣＣ 過濕土進(jìn)行ＳＥＭ 微觀分析。利用Ｍａｔｌａｂ 軟件與Ｉｍａｇｅ － Ｐｒｏ Ｐｌｕｓ （ ＩＰＰ） 軟件處理掃描電鏡圖像［１９］ ，分析２８ ｄ 齡期不同摻量ＦＰＣＣ 過濕土的孔隙率Ｐ、孔隙直徑ｄ、孔隙豐度及孔隙定向角的分布規(guī)律，研究ＦＰＣＣ 摻量對孔隙的影響，揭示ＦＰＣＣ 過濕土強(qiáng)度的形成機(jī)理。其中，孔隙率Ｐ 為孔隙面積與總面積的比值，其計(jì)算公式為

１．３試驗(yàn)過程

試驗(yàn)過程及設(shè)備如圖１ 所示。

２試驗(yàn)結(jié)果及分析

２．１ＦＰＣＣ改良過濕土力學(xué)特性

為驗(yàn)證ＦＰＣＣ對過濕土的改良效果，對７、２８ｄ齡期４％、６％、８％、１０％ＦＰＣＣ 過濕土及４％水泥過濕土進(jìn)行無側(cè)限抗壓試驗(yàn)及ＣＢＲ試驗(yàn)，分析ＦＰＣＣ過濕土力學(xué)特性。

２．１．１無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)

ＦＰＣＣ改良過濕土無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果如圖２所示。

素土無側(cè)限抗壓強(qiáng)度為０．０９ ＭＰａ，幾乎沒有強(qiáng)度，這是素土含水率大、壓實(shí)度不夠?qū)е碌模唬?ｄ齡期時，１０％ＦＰＣＣ 過濕土無側(cè)限抗壓強(qiáng)度最大，４％、６％、８％、１０％ＦＰＣＣ 過濕土強(qiáng)度分別為０．４１、０．５９、０．６５、０．７１ ＭＰａ，此時４％水泥過濕土強(qiáng)度為０．６６ ＭＰａ，可見其與８％ＦＰＣＣ 過濕土無側(cè)限抗壓強(qiáng)度相當(dāng)。２８ ｄ 齡期時ＦＰＣＣ 過濕土無側(cè)限抗壓強(qiáng)度相較７ ｄ 齡期有了大幅提升，其中４％、６％、８％、１０％ＦＰＣＣ 試樣強(qiáng)度分別提升了１４６．３％、１７９．７％、１６６．２％、１５４．９％，可見６％ＦＰＣＣ 試樣強(qiáng)度（為１．６５ ＭＰａ）提升率最大，摻量大于６％后，隨著ＦＰＣＣ 摻量的增多，試樣強(qiáng)度提升率降低。

綜上可知，ＦＰＣＣ 過濕土適宜摻量為６％～１０％，考慮到節(jié)約水泥用量以及更合理地利用工業(yè)固廢，建議摻量為６％，此時不僅減少了水泥用量，而且２８ ｄ 齡期無側(cè)限抗壓強(qiáng)度與４％水泥過濕土基本一致，且具有良好的力學(xué)特性，綜合性能最佳。

２．１．２ＣＢＲ 試驗(yàn)及抗壓回彈模量試驗(yàn)

ＦＰＣＣ 改良過濕土ＣＢＲ 試驗(yàn)及抗壓回彈模量試驗(yàn)結(jié)果見表３。

素土的ＣＢＲ 值與抗壓回彈模量僅為３． １％ 與１６．７ ＭＰａ，無法滿足《公路瀝青路面設(shè)計(jì)規(guī)范》（ＪＴＧＤ５０—２０１７）［２０］ 要求，因此無法直接用于路基回填；４％ＦＰＣＣ 過濕土ＣＢＲ 值遠(yuǎn)高于素土，而６％及以上ＦＰＣＣ過濕土ＣＢＲ 值均在２０％以上，并且隨著齡期的增長而增大，２８ ｄ 齡期１０％ ＦＰＣＣ 過濕土ＣＢＲ 值達(dá)到了４３．１％，比４％水泥過濕土高２２．１％，因此４％及以上ＦＰＣＣ 過濕土均滿足回填要求；４％、６％、８％、１０％ＦＰＣＣ過濕土７ ｄ 齡期抗壓回彈模量分別為５１．１、７１．４、９４．３、１０１．６ ＭＰａ，６％ＦＰＣＣ 過濕土抗壓回彈模量與４％水泥的接近。

對比７、２８ ｄ 齡期不同摻量ＦＰＣＣ 過濕土的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度、ＣＢＲ 值及抗壓回彈模量可知，ＦＰＣＣ 用于過濕土改良效果顯著。

２．２微觀試驗(yàn)分析

２．２．１ ＳＥＭ 掃描結(jié)果

２８ｄ 齡期不同摻量ＦＰＣＣ過濕土ＳＥＭ 掃描結(jié)果見圖３。

ＦＰＣＣ 過濕土的主要水化產(chǎn)物為水化硅酸鈣（Ｃ－Ｓ－Ｈ） 凝膠、針棒狀的鈣礬石（ＡＦｔ） 以及少量的Ｃａ（ＯＨ）_２晶體。由圖３ 可知：隨著ＦＰＣＣ 摻量增大，土體內(nèi)部水化產(chǎn)物不斷增加，素土不斷被包裹，同時孔隙與裂縫明顯減少，這是ＦＰＣＣ 過濕土強(qiáng)度隨摻量不斷增大的主要原因。２８ ｄ 齡期ＦＰＣＣ 過濕土仍有未反應(yīng)粒子，如球狀粉煤灰等，可見此時ＦＰＣＣ 過濕土仍未反應(yīng)完全，隨著齡期的增長，強(qiáng)度仍會持續(xù)增大。

綜上所述，ＦＰＣＣ 過濕土中有明顯的水化產(chǎn)物，ＦＰＣＣ 摻量越大水化產(chǎn)物越多，其中以Ｃ－Ｓ－Ｈ 凝膠及ＡＦｔ 為主，這是ＦＰＣＣ 過濕土強(qiáng)度的主要來源。

２．２．２ＦＰＣＣ 過濕土孔隙結(jié)構(gòu)分析

利用Ｍａｔｌａｂ 與ＩＰＰ 軟件對２８ ｄ 齡期ＦＰＣＣ 過濕土ＳＥＭ 圖像進(jìn)行處理，進(jìn)而分析其孔隙率Ｐ、孔隙直徑ｄ、孔隙豐度及孔隙定向角的分布規(guī)律，Ｍａｔｌａｂ 與ＩＰＰ 軟件處理過程如圖４ 所示。

由圖５ 可知， ＦＰＣＣ 過濕土孔隙率分布在０．９０％～１．１５％范圍內(nèi)，隨著ＦＰＣＣ 摻量的增大孔隙率逐漸減小，其原因是Ｃ－Ｓ－Ｈ 凝膠與ＡＦｔ 的生成使土體內(nèi)部孔隙及裂縫得到填充，一定程度上證明了無側(cè)限抗壓強(qiáng)度會隨摻量增大而提高。此外，通過對孔隙率與ＦＰＣＣ 摻量的擬合發(fā)現(xiàn)兩者為指數(shù)關(guān)系，確定系數(shù)Ｒ^２ ＝ ０．９９５，具有很強(qiáng)的相關(guān)性，因此可以預(yù)測增大ＦＰＣＣ 摻量后孔隙率減小，ＦＰＣＣ 摻量為６％～１０％時孔隙率基本分布在０．９０％～０．９５％范圍內(nèi)，孔隙填充不明顯，導(dǎo)致ＦＰＣＣ 摻量大于６％時無側(cè)限抗壓強(qiáng)度增長率減小。

２）孔隙直徑。２８ ｄ 齡期ＦＰＣＣ 過濕土孔隙直徑分布規(guī)律如圖６ 所示。隨著ＦＰＣＣ 摻量的增大，直徑＜５ μｍ及５ ～ １０ μｍ 孔隙占比增大，４％、６％、８％、１０％ＦＰＣＣ 過濕土中兩種直徑孔隙占比分別為２１．５４％、４２．５９％、５０．９４％、５５．０９％，ＦＰＣＣ 摻量大于６％后兩種直徑孔隙占比增大緩慢，同時１０～２０ μｍ及＞２０ μｍ 兩種直徑孔隙減少。這說明摻量增大后水化產(chǎn)物的不斷生成使得孔隙得到填充，大孔隙數(shù)量明顯減少而微小孔隙有所增加，一定程度上說明了無側(cè)限抗壓強(qiáng)度增大的原因。

３）孔隙豐度。２８ｄ 齡期ＦＰＣＣ 過濕土孔隙豐度分布規(guī)律如圖７ 所示。在ＦＰＣＣ 膠凝材料摻量增加后孔隙豐度在０ ～ ０．２ 區(qū)間占比基本不變，在０．２～０．４ 與０．４～０．６ 兩個區(qū)間占比明顯降低，０．６～０．８ 及０．８～１．０兩區(qū)間孔隙豐度占比增大。可見，隨著ＦＰＣＣ 摻量的增加，孔隙豐度趨近于１，說明孔隙及裂縫得到填充，各孔隙形狀趨近于圓形。

４）孔隙定向角。２８ ｄ 齡期ＦＰＣＣ 過濕土孔隙定向角分布規(guī)律如圖８ 所示。隨著ＦＰＣＣ 摻量的增大，孔隙定向角由開始的各角度均有分布發(fā)展為定向在１２０°～１４０°和３００°～３２０°，這說明孔隙的定向性不斷增強(qiáng)，孔隙向有序方向發(fā)展，ＦＰＣＣ 膠凝材料的摻加使土體內(nèi)部不規(guī)則裂縫及孔隙得到填充，使其規(guī)則化，進(jìn)而增大了其強(qiáng)度。

綜上所述，隨著ＦＰＣＣ 摻量的增大，過濕土內(nèi)部水化產(chǎn)物不斷生成，進(jìn)而使裂縫與大孔隙得到填充，孔隙率降低、孔隙直徑減小、孔隙豐度增大及孔隙定向角有序化，因而增大了過濕土的強(qiáng)度。

３結(jié)論

通過研究主要得出以下結(jié)論：

１）對比７、２８ ｄ 齡期不同摻量ＦＰＣＣ 過濕土的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度、ＣＢＲ值及抗壓回彈模量可知ＦＰＣＣ 用于過濕土改良效果顯著，２８ｄ 齡期時６％ＦＰＣＣ過濕土各指標(biāo)均滿足使用要求。

２）通過ＳＥＭ 掃描可知，２８ ｄ齡期ＦＰＣＣ過濕土中產(chǎn)生了大量水化產(chǎn)物，其以Ｃ－Ｓ－Ｈ 凝膠及ＡＦｔ 為主，并且隨著ＦＰＣＣ 摻量的增大，水化產(chǎn)物增多。

３）利用Ｍａｔｌａｂ 與ＩＰＰ軟件分析ＳＥＭ 圖像發(fā)現(xiàn)，隨著ＦＰＣＣ摻量的增大，過濕土水化產(chǎn)物持續(xù)生成，使得孔隙率降低、孔隙直徑減小、孔隙豐度增大及孔隙定向角有序化，這是其強(qiáng)度增大的重要原因。