粉煤灰基地聚物固化盐渍土的工程特性与微观机制_邓建红.pdf

第 37 卷第 1 期粉 煤 灰 综 合 利 用Vol37No12023 年2 月FLY ASH COMPEHENSIVE UTILIZATIONFeb2023材料科学粉煤灰基地聚物固化盐渍土的工程特性与微观机制*Engineering Characteristics and Micromechanism of Fly Ash based Polymer Solidified Saline Soil邓建红1，陈昶2，安然2(1.湖北路桥集团有限公司，湖北 武汉 430070;2.武汉科技大学 城市学院，湖北 武汉 430065)摘要:为探索粉煤灰基地聚物对盐渍土的加固效果，对固化后的土体开展了力学性能和细微观结构的试验，从本质上揭示粉煤灰基地聚物对盐渍土的固化机理。结果表明:随着粉煤灰基地聚物掺量的增加，盐渍固化土的最优干密度下降，最优含水率上升;当掺量从 0 增至 6%时，盐渍固化土的无侧限抗压强度增加了 5.5倍，而当掺量为 8%时的强度没有明显提升;盐渍土的孔径分布呈双峰分布，随着地聚物掺量的增加，孔隙体积逐渐降低;盐渍固化土的阳离子交换量随粉煤灰基地聚物掺量增加而提高，且与无侧限抗压强度呈现线性相关;在盐渍土中加入粉煤灰基地聚物使土颗粒间的孔隙收缩，黏结性和密实度增强，进而达到固化的效果。本研究成果为粉煤灰基地聚物在盐渍土地区地基加固工程中的设计与施工提供了参考。关键词:盐渍土;粉煤灰;地聚物;工程特性;微观特征中图分类号:TU448文献标志码:A文章编号:10058249(2023)01004706DOI:1019860/jcnkiissn10058249202301009DENG Jianhong1，CHEN Chang2，AN an2(1.Hubei oad and Bridge Group Co.，Ltd.，Wuhan 430070，China;2.City School，Wuhan University of Science and Technology，Wuhan 430065，China)Abstract:In order to explore the reinforcement effect of fly ash base polymers on saline soil，tests on mechanical properties and finemicrostructure of solidified soil were carried out，which essentially revealed the solidifying mechanism of fly ash base polymers on salinesoil.The results show that with the increase of fly ash base polymers content，the optimal dry density of soil decreases，and the optimalmoisture content increases.As the content increases from 0 to 6%，the unconfined compressive strength of solidified soil increases by 5.5times，and when the content exceeds 8%，the strength increase can be ignored.The pore size distribution of saline soil shows a bimodaldistribution，and the pore volume decreases gradually with the increase of geopolymer content.The cation exchange capacity of solidifiedsoil increased with the increase of content，and was linearly related to the unconfined compressive strength.The addition of fly ash basepolymer in saline soil makes the pores between the soil particles shrink，the cohesibility is enhanced，and then achieves the effect ofsolidification.The results of this study provide a reference for the design and construction of fly ash base polymer in the foundationreinforcement project of saline soil area.Keywords:saline soil;fly ash;polymer;engineering characteristics;microscopic characteristics*基金项目:国家自然科学基金项目(12102312);湖北省交通运输厅科技项目(TS0210012)。作者简介:邓建红(1969)，男，硕士，高级工程师，研究方向:土木工程材料与施工组织设计。收稿日期:202204290引言随着我国“一带一路”战略布局的深入开展，大量铁路、公路等基础设施在盐渍土地区建设。48粉煤灰综合利用37 卷材料科学湖北省江汉平原地区存在大量盐渍土地层，岩土性质十分不稳定，对基础设施工程的建设造成重要危害1。盐渍土存在有机胶、无机胶体高度分散，碱化层相对黏重，孔隙发育的不良结构2，饱和时膨胀泥泞，风干时收缩开裂，可压缩性高，通透性差，是工程界中一种广受关注的“问题土”3。采用常规条件下的盐渍土作地基、路基土或排水基土经常会出现不均匀沉降、翻浆冒泥、渠堤坍塌等工程问题46。盐渍土的岩土性质对基础工程的建设具有极为不利的影响，在地基处理中需要格外重视7。为了对盐碱地的地基土进行加固处理，很多地区使用大量水泥、石灰和地聚物等胶凝物质对盐渍土进行改良，从而达到工程性能稳定的效果，但使用这种方法也存在经济成本高、环境效应差等问题8。粉煤灰是火电厂燃煤时排出的一种固体废弃物，因排放量巨大，粉煤灰的大量堆积对生态环境造成严重影响9。将粉煤灰用作硅铝质胶凝材料，以合成地聚物制备生态型建筑材料1011，相比硅酸盐水泥胶凝材料，粉煤灰基地聚物的 CO2排放量可下降至 50%80%12。近年来，地聚物在土体加固改性领域得到了广泛应用。王永宝等13 采用矿渣和粉煤灰合成地聚物，并对软弱土进行固化，通过开展力学性能测试发现，地聚物可以提高土体的强度、抗渗性与抗冻融性能;陈忠清等14 采用粉煤灰基地聚物对黏性土进行改性，提高了土体的强度，使其路用指标达到了公路设计要求;高昊鹏等15 通过试验发现地聚物掺量是影响土体性能的重要因素，掺量过低达不到稳定加固的效果，对工程安全与耐久性不利，掺量过高则对工程经济不利，如何兼顾地基加固的安全性与经济性成为阻碍相关地区基础建设的关键问题;Cagla 等16 通过对粉土开展力学试验和微观结构扫描电镜试验，得到了粉煤灰地聚物对土体抗剪强度指标的影响规律，指出微观结构黏结力的提升是土体力学性能增强的本质机理。然而，当前采用粉煤灰基地聚物对盐渍土进行固化的研究较为少见，对固化土理化性质以及微观机理的研究尚须深入探究。本文以江汉平原的钠基盐渍土为对象，采用粉煤灰基地聚物对盐渍土进行固化，对固化后的土体的力学性能和细微观结构特征进行试验研究，揭示粉煤灰基地聚物对盐渍土的固化机理，旨在为粉煤灰基地聚物在盐渍土地区地基加固提供重要参考。1试验材料1.1土体的基本性质本研究采用的盐渍土基本物理参数指标见表1;土样的天然密度为 1.62 g/cm3，天然含水率为14.6%，为高液限、弱膨胀性、高渗透性土，土样的矿物成分见表 2。经测定该土的最优含水率为15.2%，钠离子含量为 38.6%，土体为钠基盐渍土，可溶性晶体的总含量(TDS)为44.2%，盐渍土的平均 pH 值为 7.8，呈弱碱性。表 1盐渍土的基本物理性质指标Table 1Basic physical properties index of saline soil天然含水率/%孔隙率密度/(g/cm3)渗透系数/(cms1)塑限/%液限/%膨胀率/%14.60.531.624.0110628.961.743.1表 2盐渍土的矿物成分组成Table 2Mineral composition of saline soil/%石英钠长石方解石伊利石蒙脱石斜长石其他48.222.09.56.14.13.86.31.2粉煤灰基地聚物由前期试验发现，采用粉煤灰与碱性激发剂可以制备地聚物材料，每 100 g 粉煤灰需配置 12.5 g碱激发剂。粉煤灰为火电厂燃煤生产的级粉煤灰，主要化学成分见表 3。碱激发剂为工业水玻璃和氢氧化钠溶液的混合溶液，水玻璃的 SiO2质量分数是 28.95%、Na2O 为 12.98%，水玻璃的模数(SiO2/Na2O 摩尔比)为 2.11，氢氧化钠纯度为98.6%。碱激发剂中的水玻璃与氢氧化钠溶液的质量比为 3 2。表 3粉煤灰的化学成分组成Table 3Chemical composition of fly ash/%SiO2CaOAl2O3Fe2O3MgONa2OK2O烧失量48.514.716.310.75.41.31.21.91 期邓建红等:粉煤灰基地聚物固化盐渍土的工程特性与微观机制49材料科学1.3试验方法1.3.1击实试验本研究的控制变量为粉煤灰基地聚物掺量，即质量含量，设置 2%、4%、6%和 8%四种不同的掺量，以盐渍土为基准对照组。采用分层击实法制备试样，分三层击实制备成直径 39.1 mm、高度为 80 mm 圆柱体土样开展击实试验，确定在不同地聚物掺量条件下，混合土料的最大干密度与最优含水率。1.3.2强度测试参照 JGJT 702009 建筑砂浆基本性能试验方法标准的要求，使用土工无侧限压缩仪对试件的抗压强度进行测定，每组试验取 3 个平行样品的均值作为结果。1.3.3核磁共振试验使用 Macro M12 型大孔径核磁共振扫描仪对固化土进行孔径分析。试验前对每个样品进行饱和处理，分析过程中根据核磁信号转换为孔隙体积信息，从而获得土体孔隙尺寸分布曲线。1.3.4扫描电镜观察试验前切取直径约为 1 cm 的圆柱样品，将样品冷冻干燥，然后对土体的新鲜切面进行喷金处理，最后使用 JSM 6700F 型扫描电子显微镜(SEM)观察固化土中的颗粒空间构型与孔隙特征等。1.3.5阳离子交换量测定阳离子交换量 CEC 是指在一定 pH 值时，单位质量的土中包含所有交换性阳离子(Na+、K+、Ca2+、Mg2+、H+等)的摩尔数，单位是 cmol/kg。CEC 值会受多种因素的影响，如交换剂性质、盐浓度、pH 值和淋洗方法等，采用 Tucker 法对阳离子交换量总量进行解析统计。2试验结果2.1压实特性图 1 为不同粉煤灰基地聚物掺量的固化土土体干密度与含水率之间的关系曲线。从图 1 中可以看出，盐渍土的最大干密度(MDD)远高于固化土，且最优含水率(OMC)远低于固化土。盐渍土的 MDD 值为 1.585 g/cm3，OMC 值为 16.8%。固化土的 MDD 取值范围为 1.658 1.782 g/cm3，OMC 取值范围为 16.5%17.8%。随着地聚物掺量的增加，固化土的 MDD 值和 OMC 值逐渐增大。另外，固化土的压实曲线也比盐渍土的压实曲线更加平坦。该现象主要是由于地聚物对水分子的吸附能力强于土颗粒，土壤中的一部分游离水在与地聚物接触后转化为结合水。而为了提高土体压实性能需要更多的自由水进行润滑，导致最优含水率随掺量的增加而增大。地聚物与土体颗粒发生化学反应后使黏土颗粒之间发生聚集和絮凝，形成尺寸较大的团粒结构，从而改变原有的土体细微观结构。经地聚物改性后，盐渍土的密实度提高，这使其压实性能变差。图 1不同粉煤灰基地聚物掺量的固化土压实曲线Fig.1Compacted curve of solidified soil with differentpolymer content of fly ash base2.2强度特性图 2 为不同粉煤灰基地聚物掺量的固化土无侧限抗压强度。从曲线可以看出:随着粉煤灰基地聚物掺量的增加，土体的无侧限抗 压 强 度(UCS)显著提高。当掺量在 4%6%之间时，UCS 值增幅最大;当掺量超过 6%时，UCS 值基本保持不变。当掺量达到 6%时，固化土 UCS 值约为盐渍土的 4.35.5 倍，最高达到了 1.44 MPa。这是因为粉煤灰基地聚物的多孔结构具有明显的吸附作用，在火山灰反应下会形成一系列水化硅酸钙和铝酸钙产品，这些产物与土颗粒产生胶结作用，有助于提高土体强度。此外，经过 28 d 标准养护的试件比养护 7 d 的强度提升了 54.5%。此现象表明为了更好地满足工程上安全性与经济性50粉煤灰综合利用37 卷材料科学要求，粉煤灰基地聚物固化土需要进行充分的养护。图 2强度指标与地聚物掺量的关系曲线Fig.2elationship between the strength index andphosphogypsum content2.3微观结构特征为了研究粉煤灰基地聚物掺量对盐渍土改性的微观机理，对固化土进行核磁共振试验与扫描电子显微镜观察。由核磁共振的弛豫时间分布谱可以定量得到材料的孔隙分布曲线17，结果如图3 所示。从图中可看出所有孔隙体积分布曲线均分级良好，边界光滑，说明所有孔隙大小都在可检测范围内，根据孔径大小将孔隙分为大孔隙与小孔隙两个类别，其中小孔隙孔径 d1 m，大孔隙孔径 d1 m。相对于盐渍土，加入粉煤灰基地聚物后，固化土试件的小孔隙与大孔隙的体积逐渐下降。当掺量达到 8%时，孔隙分布曲线的两个峰值均有所提高，且峰值对应的孔径也略有增大。该现象说明在一定范围内，增加粉煤灰基地聚物的掺量可以减小盐渍土内部的孔隙体积，但超过这个范围时，孔隙结构可能会扩大。图 3不同粉煤灰地聚物掺量固化土的孔隙分布曲线Fig.3Pore distribution curve of solidified soil bydifferent geopolymer content of fly ash base不同粉煤灰基地聚物掺量的固化土 SEM 图像如图 4 所示。从图 4(a)可以观察到盐渍土微观结构中存在各种形状和大小各异的裂隙，土颗粒间的边界面呈点面接触和边面接触;当粉煤灰基地聚物掺量为 2%时，固化土颗粒相互胶结形成团粒状结构，裂隙数量变少;当掺量为 6%时，固化土的微观孔隙尺寸较小，颗粒间形成了絮凝状的碳酸钙，并与土颗粒团聚体紧密结合，大幅提(a)0(b)2%(c)6%1 期邓建红等:粉煤灰基地聚物固化盐渍土的工程特性与微观机制51材料科学(d)8%图 4不同粉煤灰基地聚物掺量固化土的 SEM 图Fig.4SEM diagram of solidified soil with differentpolymer content of fly ash base高土体密实度;当掺量为 8%时，游离的针状钙矾石填充在固化土之间的孔隙中，絮凝状的碳酸钙胶凝减少，孔隙数量有增加趋势。孔隙的变化使得土颗粒间组构关系也出现相应的改变，颗粒之间的排列致密程度不断上升，进而增强了力学性能。2.4阳离子交换量土体的阳离子交换量(CEC)是指在土壤胶体吸附的阳离子总数。粉煤灰基地聚物加入会促进土体发生阳离子交换和火山灰反应。图 5 为不同粉煤灰基地聚物掺量下土体的 CEC 值，盐渍土的 CEC 值最低，养护7 和28 d 的 CEC 值约为11.6和 11.8 cmol/kg;当地聚物掺量从 0 增长至 6%时，7 和 28 d 两种试样的 CEC 值分别上升至 16.5 和17 cmol/kg左右;当掺量超过 6%后，CEC 趋于稳定。究其原因是由于粉煤灰基地聚物发生水化反应，大量 Ca(OH)2电离产生 Ca2+，地聚物掺量越高，参与交换的 Ca2+越多，土颗粒吸附的 Na+与Ca2+共同发挥作用。而添加过量时，一部分的地聚物将土颗粒表面包围，生成弱胶结的 Ca(OH)2微晶体，阻碍阳离子交换。图 6 为 CEC 与无侧限抗压强度拟合曲线。由图 6 可知，固化土的 CEC 与无侧限抗压强度成线性相关，相关性系数 2均超过 0.97，说明 CEC 的变化趋势与固化土的单轴压缩试验结果具有类似的规律。当粉煤灰基地聚物掺量不足 4%时，少量的地聚物不能提供足够的 Ca2+来参与阳离子交换图 5CEC地聚物掺量关系图Fig.5CECgeopolymer content relationship和火山灰反应，使得强度的提升受到限制;而当掺量增加到 6%时，Ca2+含量趋于饱和，化学反应速率增加，产生大量碳酸钙胶结物填充盐渍土的孔隙，力学性能提高;当掺量达到 8%时，虽然强度仍 有 增 加，但 此 时 与 水 反 应 生 成 过 量 的Ca(OH)2抑制了火山灰反应，使得强度变化缓慢。由图5 和图6 可以看出，7 d 与28 d 的 CEC 值差距微小，这表明阳离子交换首先发生，且随着火山灰反应的进行，大量碳酸钙的凝胶产物不断生成。图 6CEC 值与无侧限抗压强度拟合曲线Fig.6Fitted curves of CEC value and unconfined strength综上所述，粉煤灰基地聚物具有较强的化学活性。随着养护时间的增加，地聚物的水化反应与火山灰效应进一步增强。地聚物的掺合改性使得土中生成了难溶于水的碳酸钙凝胶体，提高了土颗粒间的黏结效应和结构强度。水化反应生成的凝胶产物在水环境中发生硬化，提高了盐渍土的水稳定性和力学特性18。因此，粉煤灰基地聚物与土颗粒间发生的化学反应改变了盐渍土微观结构，提高了土体强度。52粉煤灰综合利用37 卷材料科学3结论(1)经过粉煤灰基地聚物固化后，盐渍土的最大干密度明显提高，且最优含水率下降，固化土的压实曲线较盐渍土更为平缓。(2)固化土的无侧限抗压强度随粉煤灰基地聚物掺量和养护时间的增加而提高，当掺量为 6%时，UCS 值增幅最大，约为盐渍土的 5.6 倍，掺量超过 6%后 UCS 值逐渐趋于稳定。(3)根据孔隙分布曲线将固化土的孔隙分为大孔隙(d1 m)与小孔隙(d1 m)两个类别，随着粉煤灰基地聚物掺量增加，试样的孔隙体积均逐渐降低，黏土颗粒聚集形成团粒结构，大体积孔隙发生闭合。(4)阳离子交换量随粉煤灰基地聚物掺量的增加而提高，且阳离子交换量(CEC)值与无侧限抗压强度呈现线性相关性，说明地聚物提供了大量 Ca2+参与阳离子交换和火山灰反应，这是盐渍土内部孔隙减少，密实度和强度提升的关键。参考文献 1 周冬梅，张远芳，叶鸣.粉煤灰掺量对天然盐渍土强度和变形的影响 J.粉煤灰综合利用，2017(5):1316.2 张朝晖，师百垒，李宗利.高速公路盐渍土地区路基地基改良研究 J.公路工程，2018，43(3):5256.3 邵生俊，王丽琴，陶虎，等.黄土的构度及其与粒度、密度、湿度之间的关系 J.岩土工程学报，2014，36(8):13871393.4 赵永敢，王淑娟，李彦，等.脱硫石膏改良盐碱土技术发展历程与展望 J.清华大学学报(自然科学版)，2022，62(4):735745.5 慕焕东，邓亚虹，李荣建.干湿循环对地裂缝带黄土抗剪强度影 响 研 究 J.工 程 地 质 学 报，2018，26(5):11311138.6 周春梅，王琴华，张静波，等.干湿和冻融循环对压实黄土路用性能影响的试验研究 J.防灾减灾工程学报，2019，39(3):533540.7 ESTABAGH A ，PASAEI B，JAVADI A A.Laboratoryinvestigation of the effect of cyclic wetting and drying on thebehaviour of an expansive soil J.Soils and Foundations，2015，55(2):304314.8 YAN C G，ZHANG Z Q，JING Y L.Characteristics of strengthand pore distribution of limefly ash loess under freezethawcyclesanddrywetcycles J .ArabianJournalofGeosciences，2017，10(24):530544.9 管柏伦，郭荣鑫，齐荣庆，等.偏高岭土粉煤灰基地聚物砂浆力学性能研究 J.硅酸盐通报，2021，40(4):12501257.10 LIU J，WANG T，TIAN Y.Experimental study of the dynamicproperties of cement and limemodified clay soils subjected tofreezethaw cycles J.Cold egions Science Technology，2010，61(1):2933.11 丁彩红.粉煤灰矿渣基地聚物混凝土抗盐冻性能试验研究 J.粉煤灰综合利用，2022，36(4):7580.12 管柏伦，郭荣鑫，齐荣庆，等.偏高岭土粉煤灰基地聚物砂浆力学性能研究 J.硅酸盐通报，2021，40(4):12501257.13 王永宝，张翛，史晨曦，等.材料组分对矿渣、粉煤灰和赤泥基地聚物收缩影响试验研究 J.太原理工大学学报，2022，53(5):955962.14 陈忠清，朱泽威，吕越.粉煤灰基地聚物加固土的强度及抗冻融性能试验研究 J.水文地质工程地质，2022，49(4):100108.15 高昊鹏，朱苦竹.地聚物砂浆在道路加固中的应用与研究 J.粉煤灰综合利用，2019(6):8992.16 CAGLA T，GOKHAN C.The effects of gypsum and mulchapplications on reclamation parameters and physical propertiesof an alkali soil，2018，190(6):347357.17 安然，孔令伟，黎澄生，等.炎热多雨气候下花岗岩残积土的强度衰减与微结构损伤规律 J.岩石力学与工程学报，2020，39(9):19021911.18 刘屹斯，黄雪峰，张彭成，等.电场条件石灰改良盐渍土及消除盐胀机理研究 J.粉煤灰综合利用，2018(4):4447.