干濕循環(huán)條件下CFG固化膨脹土強度特性研究

周文君，王 強，楊景東，李 蔓，尹鈺婷，郭小亮

（安徽理工大學(xué)土木建筑學(xué)院，安徽淮南232001）

膨脹土是一種具有吸水膨脹、失水收縮特性的特殊土，常會對建筑物產(chǎn)生一定破壞［1］。工程中常使用硅酸鹽水泥作為穩(wěn)定材料來改良膨脹土，但由于水泥的生產(chǎn)和使用伴隨著高能耗、高碳排放及高黏土消耗量的問題，因此使用其他環(huán)境友好型材料來替代水泥成為近年來的研究熱點［2-5］。粉煤灰是火電廠在發(fā)電過程中產(chǎn)生的一種廢料，其主要化學(xué)成分為SiO2、Al2O3、Fe2O3等。粉煤灰是火山灰材料的一種，經(jīng)過堿、硫酸鹽等激發(fā)后具有膠凝活性［6］。脫硫石膏是含硫煙氣經(jīng)脫硫后產(chǎn)生的工業(yè)副產(chǎn)品，其主要成分是二水硫酸鈣（CaSO4·2H2O），可用于水泥緩凝劑、石膏礦渣水泥以及建筑石膏生產(chǎn)等［7］。

將粉煤灰和脫硫石膏等引入建筑材料是處理廢料的有效途徑之一，眾多學(xué)者對水泥-粉煤灰、水泥-粉煤灰-脫硫石膏（CFG）復(fù)合材料固化改良土進行了研究。邵俐等［8］研究了水泥粉煤灰加固有機土的強度及變形規(guī)律，研究發(fā)現(xiàn)：粉煤灰對水泥試塊的早期強度影響較小，對后期強度影響較大；粉煤灰的最佳摻量為12%，此時強度和E50均最大，破壞應(yīng)變最小。查甫生等［9］利用電阻率法研究了水泥粉煤灰固化重金屬污染土的微觀機理，并建立了基于電阻率的固化鉛污染土強度預(yù)測模型。Garg和Pundir［10］使用硅酸鹽水泥、粉煤灰和石膏研制了粉煤灰黏結(jié)材料，發(fā)現(xiàn)其具有良好的耐水性和強度，其強度主要來源于鈣礬石和雪硅鈣石（tobermorite）。李響等［11］對水泥-粉煤灰復(fù)合膠凝材料的水化反應(yīng)進行了研究，結(jié)果顯示水泥水化對膠凝材料化學(xué)結(jié)合水量的貢獻主要在水化前期，而粉煤灰的貢獻則在水化后期。張翔等［12］研究發(fā)現(xiàn)：在硅酸鹽水泥、粉煤灰、脫硫石膏共同作用下水泥和粉煤灰水化反應(yīng)生成的水化硅酸鈣（C-S-H）和鈣礬石（AFt）填充于脫硫石膏晶體及硬化體的空隙中，有效增強了材料的強度，降低了吸水率。崔進楊等［13］研究了CFG固化鉛污染土的強度特性，并給出了CFG固化鉛污染土強度的預(yù)測公式。Wang等［14-16］研究了CFG固化鉛污染土的力學(xué)強度和微觀結(jié)構(gòu)隨碳化時間、鉛離子濃度以及固化劑摻量的變化規(guī)律以及CFG固化鎳銅污染土的強度、滲透和應(yīng)力-應(yīng)變特性。

上述研究中多集中于水泥-粉煤灰混合體系的水化過程以及CFG應(yīng)用于重金屬污染土的固化處理，但目前對干濕循環(huán)條件下CFG改良膨脹土強度特性的研究還鮮有報道。本文研究CFG改良膨脹土的強度特性和干濕循環(huán)對CFG固化土的破壞作用，以期為CFG在膨脹土改良方面的工程應(yīng)用提供參考。

1 試驗材料及方法

1.1 試驗材料

膨脹土取自合肥某地鐵施工場地，外觀呈黃褐色，含有黑色的氧化鐵和鐵錳結(jié)核。根據(jù)《公路土工試驗規(guī)程》（JTGE40—2007）定義該土樣為低液限粉質(zhì)黏土，屬低膨脹性土。土樣基本物理指標(biāo)見表1。

表1 試驗土基本物理性質(zhì)

水泥為淮南八公山產(chǎn)P.O.42.5普通硅酸鹽水泥，粉煤灰及脫硫石膏均取自淮南平圩發(fā)電廠。水泥、粉煤灰和脫硫石膏的主要化學(xué)成分見表2。

表2 水泥、粉煤灰和脫硫石膏主要化學(xué)成分 %

1.2 試驗設(shè)計

采用水泥和CFG復(fù)合材料為膨脹土改良劑，水泥質(zhì)量為干土質(zhì)量的16%，CFG由不同比例的水泥、粉煤灰和脫硫石膏組成。對16%水泥摻量的改良土進行擊實試驗，得到其最優(yōu)含水率為21.1%，最大干密度為1.89 g/cm3。

依據(jù)《公路工程無機結(jié)合料穩(wěn)定材料試驗規(guī)程》（JTGE51—2009）計算得到各組固化劑添加質(zhì)量和加水量，具體如表3所示。

表3 固化土組分

1.3 試驗方法

根據(jù)試驗方案進行材料稱量，將準(zhǔn)備好的干土粉加水（計算用水的90%）攪拌均勻，密封浸潤。8 h后加入固化劑和剩余水機械攪拌3 min，使得混合料達到預(yù)定含水率后開始試樣制作。試驗采用靜壓法制樣，分3層將拌好的混合料壓入模具，壓入后在相對濕度大于90%、溫度（20±3）℃的條件下標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護24 h，然后脫模得到直徑50 mm、高100 mm的圓柱試樣，將其繼續(xù)養(yǎng)護至設(shè)計齡期。試驗每組制作3個平行試樣，養(yǎng)護 7 d、14 d、28 d、60 d。

強度試驗：依據(jù)《土工試驗方法標(biāo)準(zhǔn)》（GB/T50123—2019）對養(yǎng)護到期的固化土試樣進行強度試驗。采用WDW-50微機控制電子萬能試驗機，按照等速位移加載方式進行試驗，加載速率1%/min。待峰值應(yīng)力出現(xiàn)后，應(yīng)變達到3%～5%停止加載；若無明顯峰值，則應(yīng)變達到20%時終止加載。

干濕循環(huán)試驗：水泥固化土和CFG固化土試樣分別養(yǎng)護28 d和60 d后進行干濕循環(huán)。試驗參考標(biāo)準(zhǔn)《ASTM-D559》，首先在室溫25℃干燥環(huán)境中靜置24 h，然后浸沒于25℃蒸餾水中養(yǎng)護24 h，記為一次干濕循環(huán)。每次循環(huán)后稱量質(zhì)量，并觀察記錄試樣表觀變化，同時取3個試樣測試該次循環(huán)下試樣的強度。循環(huán)0、3、6、9、12、15次后測其強度。12次循環(huán)結(jié)束后，累計試樣質(zhì)量損失率小于14%視為耐干濕循環(huán)能力合格。每級質(zhì)量損失率ωn和累計質(zhì)量損失率分別按照下式計算［17］：

其中，m0為試樣初始質(zhì)量，ωn為n級干濕循環(huán)后試樣質(zhì)量。

2 試驗結(jié)果與分析

2.1 無側(cè)限抗壓強度試驗

2.1.1 不同配比CFG固化土的強度

摻量對CFG復(fù)合固化土強度的影響如圖1所示。

由圖1可知：不同養(yǎng)護齡期下不同配比CFG復(fù)合固化土的強度有所不同；早期（養(yǎng)護7 d）C16F4G6固化土強度最高，14 d時三種復(fù)合固化土的強度相近，C16F8G2固化土強度略高，后期時（養(yǎng)護28 d、60 d）三種固化土的強度大小依次為C16F12G4、C16F8G2、C16F4G6；脫硫石膏在早期對強度提高較快，粉煤灰能夠有效提高固化土的長期強度。

粉煤灰對強度的增強作用來自于被激活后自身的水化反應(yīng)以及未水化粉煤灰顆粒的微集料填充效應(yīng)［18］。粉煤灰球狀顆粒中含有Al2O3、SiO2等成分，在堿性環(huán)境中粉煤灰玻璃體結(jié)構(gòu)中的Si-O鍵和Al-O鍵發(fā)生斷裂，Al2O3等活性物質(zhì)溶出后與Ca（OH）2發(fā)生火山灰反應(yīng)生成C-S-H和水化鋁酸鈣（C-A-H）凝膠，增強固化土骨架的強度［19］。脫硫石膏不僅能夠與水泥熟料中的鋁酸三鈣反應(yīng)生成AFt，而且活性CaSO4能與粉煤灰中的活性Al2O3等反應(yīng)生成AFt，AFt有利于形成固化土空間結(jié)構(gòu)，進而迅速提高強度［20］。同時未水化的粉煤灰顆粒和脫硫石膏晶體能夠作為微填料填充固化土孔隙，有利于結(jié)構(gòu)密實度和強度的提高。從固化土的長期強度考慮，復(fù)合固化土以C16F12G4為最佳。

2.1.2 齡期對CFG固化土強度的影響

CFG復(fù)合固化土強度隨養(yǎng)護齡期的變化如圖2所示。

圖1 摻量對CFG復(fù)合固化土強度的影響

圖2 齡期對CFG復(fù)合固化土強度的影響

由圖2可知，固化土的強度隨養(yǎng)護齡期的增長而增加，其中以C16F12G4固化土強度增長最快。因為C16F12G4組固化土中粉煤灰的摻量較大，在后期被水泥水化和脫硫石膏形成的堿性環(huán)境激活后，反應(yīng)生成更多的C-S-H和C-A-H，同時脫硫石膏的摻入促進了AFt的生成，進一步提高了強度。28 d以后強度持續(xù)增長，主要是由于后期粉煤灰的反應(yīng)程度遠大于前期［21］。

2.2 干濕循環(huán)試驗

根據(jù)強度試驗得到最佳配比復(fù)合固化土C16F12G4，將其養(yǎng)護28 d、60 d后進行干濕循環(huán)試驗，并與純水泥固化土C16進行對比。

2.2.1 試樣表觀特征變化

固化土試樣養(yǎng)護28 d后，進行干濕循環(huán)試驗，不同循環(huán)次數(shù)下試樣表面狀況如圖3所示。

由圖3可知：隨著循環(huán)次數(shù)的增加，試樣表面裂紋逐漸增多并出現(xiàn)剝落現(xiàn)象；普通水泥土試樣表面裂紋出現(xiàn)較復(fù)合固化土遲；干濕循環(huán)15次后兩種固化土試樣表面均出現(xiàn)明顯裂紋和輕微剝落，但普通水泥土沿著試樣周邊出現(xiàn)環(huán)狀裂紋，而復(fù)合固化土則為徑向裂紋。

圖3 干濕循環(huán)后固化土試樣表面狀況（28 d）

養(yǎng)護60 d后進行干濕循環(huán)試驗，試樣表面狀況如圖4所示。

圖4 干濕循環(huán)后固化土試樣表面狀況（60 d）

由圖4可知：循環(huán)15次后試樣表面出現(xiàn)可見裂紋及邊緣破損，普通水泥固化土試樣表面無明顯裂紋出現(xiàn)，但邊緣破損剝落嚴(yán)重，而復(fù)合固化土雖有裂紋出現(xiàn)，但試樣整體并無破損剝落，表明復(fù)合固化土耐干濕循環(huán)性能優(yōu)于普通水泥固化土。對比圖3、圖4可知：隨著養(yǎng)護齡期增加，兩種固化土的耐干濕循環(huán)性能均明顯增強，相比而言復(fù)合固化土的性能優(yōu)于水泥固化土。

2.2.2 試樣質(zhì)量變化

干濕循環(huán)后試樣質(zhì)量變化和質(zhì)量損失率分別如圖5、圖6所示。

圖5 固化土試樣質(zhì)量隨循環(huán)次數(shù)變化

圖6 試樣質(zhì)量損失率隨循環(huán)次數(shù)變化

由圖5、圖6可知：CFG復(fù)合固化土試樣質(zhì)量受循環(huán)次數(shù)的影響較小，最大質(zhì)量損失率為0.51%；水泥固化土試樣質(zhì)量變化較大，9次循環(huán)時質(zhì)量損失率絕對值最大為1.12%，說明復(fù)合固化土的水穩(wěn)定性更好，其耐干濕循環(huán)性能優(yōu)于水泥固化土。

這是因為相同齡期下復(fù)合固化土中水化產(chǎn)物更多，形成了更為堅固的骨架結(jié)構(gòu)，且未水化的粉煤灰和脫硫石膏顆粒會填充固化土孔隙，形成致密的結(jié)構(gòu)，這使得土樣抵抗水分浸入的能力提高。養(yǎng)護時間越長固化效果越好，耐干濕循環(huán)能力越強。28 d齡期復(fù)合固化土在0～6次循環(huán)后試樣質(zhì)量減小，但第6～9次循環(huán)時略微有所增加，超過9次循環(huán)后質(zhì)量又隨之減小；60 d齡期復(fù)合固化土試樣質(zhì)量隨循環(huán)次數(shù)的增加持續(xù)平緩減小，且循環(huán)次數(shù)少于9次時28 d復(fù)合固化土試樣的質(zhì)量損失率大于60 d試樣。28 d和60 d復(fù)合固化土試樣在12次循環(huán)結(jié)束時累計質(zhì)量損失率分別為1.35%和1.16%，滿足抵抗干濕循環(huán)要求。

水泥固化土試樣的質(zhì)量變化較大，隨循環(huán)次數(shù)的增加呈現(xiàn)先增加后減小的趨勢，0～12次循環(huán)試樣質(zhì)量總體增加，第9次循環(huán)時試樣質(zhì)量達到最大，12次循環(huán)后試樣質(zhì)量損失率由負轉(zhuǎn)正，質(zhì)量減小。這是由于水泥固化土的密實度小于復(fù)合固化土，所以干濕循環(huán)時水分浸入量大，導(dǎo)致試樣質(zhì)量有所增加，此時固化土試樣仍然具有良好的外觀，其結(jié)構(gòu)基本沒有明顯破壞。當(dāng)循環(huán)次數(shù)大于9次時，固化土在干濕變化過程中累積的結(jié)構(gòu)損傷開始體現(xiàn)出來，試樣表面開始出現(xiàn)裂紋，加速了水分蒸發(fā)，內(nèi)部可溶性鹽隨之流出，且試樣邊緣逐漸出現(xiàn)破損，進而導(dǎo)致試樣質(zhì)量減小。循環(huán)12次以后試樣質(zhì)量損失突然增大，說明此時試樣破壞更為嚴(yán)重，循環(huán)15次時表面有可見裂紋，試樣破壞明顯。同一循環(huán)次數(shù)下，60 d齡期水泥固化土試樣的質(zhì)量損失小于28 d齡期固化土，說明養(yǎng)護時間越長，固化土耐干濕循環(huán)能力越強。12次循環(huán)結(jié)束時28 d和60 d水泥固化土試樣的累計質(zhì)量損失率分別為-2.99%和-2.51%，總體質(zhì)量有所增加。

2.2.3 循環(huán)次數(shù)對固化土強度的影響

固化土強度隨干濕循環(huán)次數(shù)的變化如圖7所示。

由圖7可知：CFG固化土和水泥固化土試樣強度隨干濕循環(huán)次數(shù)的增加具有不同的變化規(guī)律。

CFG復(fù)合固化土強度隨循環(huán)次數(shù)增加會逐漸增加直至出現(xiàn)明顯的峰值，然后逐漸減小，但循環(huán)15次后試樣強度仍然大于初始強度（循環(huán)0次時的強度）。這是由于試樣循環(huán)浸水時未反應(yīng)完的水泥、粉煤灰以及脫硫石膏繼續(xù)反應(yīng)，生成膠凝物質(zhì)填充了固化土結(jié)構(gòu)空隙使得強度增強，但循環(huán)達到一定次數(shù)后材料反應(yīng)基本完成且試樣在干燥-濕潤的變化過程中產(chǎn)生損傷，導(dǎo)致強度開始降低。60 d齡期的復(fù)合固化土試樣在循環(huán)次數(shù)為3時出現(xiàn)強度峰值，28 d齡期試樣則在9次循環(huán)后達到峰值，這是因為齡期短的固化土試樣內(nèi)未反應(yīng)完全的固化劑較多，而齡期長的試樣固化劑反應(yīng)程度高，未反應(yīng)材料少。總體而言，循環(huán)次數(shù)不超過15次時復(fù)合固化土的強度均不小于初始強度，說明復(fù)合固化土具有良好的耐干濕循環(huán)性能。

水泥固化土強度隨干濕循環(huán)次數(shù)的增加先基本不變（或略有增加）然后開始減小，循環(huán)15次后試樣強度遠小于初始強度。這是由于相比于復(fù)合固化土，水泥固化土內(nèi)固化劑材料—水泥的含量較低，后續(xù)反應(yīng)難以繼續(xù)，所以隨著干濕循環(huán)次數(shù)的增加，試樣內(nèi)部損傷增多，強度開始降低。28 d水泥固化土試樣在前期循環(huán)過程中強度略有提高，6次循環(huán)后開始下降；60 d齡期試樣則在前期基本不變，9次循環(huán)以后強度突然減小。這是由于28 d時水泥未完全水化，濕循環(huán)時加速了水泥的水化，所以隨著循環(huán)次數(shù)的增多強度有所提高；60 d時水泥已反應(yīng)完全，固化土具有較高的結(jié)構(gòu)強度，所以其強度降低所對應(yīng)的循環(huán)次數(shù)大于28 d試樣。水泥固化土經(jīng)過15次循環(huán)后強度明顯低于初始強度，其耐干濕循環(huán)能力比復(fù)合固化土差。

2.3 微觀試驗

選取養(yǎng)護7 d、14 d、28 d、60 d典型齡期的水泥固化土和CFG復(fù)合固化土試樣進行電鏡掃描，觀察土樣的微觀結(jié)構(gòu)，放大1萬倍后的SEM分別如圖8、圖9所示。

圖7 固化土試樣無側(cè)限抗壓強度隨循環(huán)次數(shù)的變化

圖8 水泥固化土（C16）掃描電鏡圖

水泥固化土中水化產(chǎn)物的形成一部分由水泥水化生成，另一部分則由土顆粒中火山灰活性組分與水泥水化體系中的陽離子和Ca（OH）2發(fā)生離子交換、火山灰反應(yīng)等形成。由圖8可知：隨著養(yǎng)護齡期的增長水泥水化反應(yīng)愈發(fā)徹底，C-S-H、C-A-H等水化產(chǎn)物逐漸增多，固化土結(jié)構(gòu)密實度逐漸增加。7 d時固化土中有凝絮狀C-S-H凝膠出現(xiàn)；14 d時固化土中有纖維狀C-S-H凝膠出現(xiàn)，此時C-S-H數(shù)量較少且纖維較短沒有形成相互聯(lián)結(jié)的空間網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)；28 d時C-S-H纖維明顯發(fā)育長大，在圖8（c）中沒有觀察到縱橫交叉的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)可能是取樣位置導(dǎo)致；60 d時觀察到縱橫交叉的纖維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，生成了大量的膠凝產(chǎn)物，水泥水化完全，固化土結(jié)構(gòu)整體性增強，強度提高。

圖9為復(fù)合固化土掃描電鏡圖。

圖9 復(fù)合固化土（C16F12G4）掃描電鏡圖

在水泥水化體系中加入粉煤灰（FA）和脫硫石膏（GP）后，水泥水化堿性環(huán)境能夠激發(fā)FA的水化活性并生成C-S-H、C-A-H等膠凝產(chǎn)物，反應(yīng)方程式為：

GP引入體系后水泥熟料鋁酸三鈣（3CaO·Al2O3）會優(yōu)先與之反應(yīng)生成AFt［12］，同時粉煤灰在堿和SO4

2-的雙重激發(fā)下發(fā)生二次水化，同樣會生成AFt。反應(yīng)方程式為：

引入FA和GP不僅促進了水泥的水化反應(yīng)，同時還增加了水化產(chǎn)物的生成量，使得固化土的結(jié)構(gòu)更為致密，強度和耐干濕循環(huán)性能均有所提高。

由圖9可知：7 d時，試樣中未觀察到明顯的水化產(chǎn)物，但有完整的FA顆粒，說明此時水泥水化程度較低，并未形成較強的堿性環(huán)境以激活FA的水化活性，故固化土的強度較低；14 d時，觀察到試樣中有絨毛狀C-S-H凝膠和纖維狀A(yù)Ft晶體出現(xiàn)，同時還有大量未反應(yīng)完全的FA球狀顆粒和棱柱狀GP，說明此時FA和GP已經(jīng)開始參與反應(yīng)，同時由于有GP的參與產(chǎn)生了一定量的AFt；28 d時FA顆粒已破裂，GP明顯變少，纖維狀C-S-H和AFt開始相互聯(lián)結(jié)并與固化土顆粒形成固化土結(jié)構(gòu)骨架，未完全水化的膠凝材料顆粒填充在骨架間隙中；60 d時，已觀察不到FA、GP等物質(zhì)的形狀，水泥和FA結(jié)合GP反應(yīng)生成了大量的C-S-H和AFt，固化土體系形成，結(jié)構(gòu)致密，強度大大提高。

3 結(jié)論

通過強度試驗及干濕循環(huán)試驗，結(jié)合SEM微觀試驗得到以下結(jié)論：

（1）CFG固化土的強度隨養(yǎng)護齡期的增加而提高。

（2）粉煤灰與脫硫石膏均能夠有效提高水泥固化土的強度，其中脫硫石膏能夠促進早期強度的提高，而粉煤灰則可有效提高固化土的長期強度。其主要原因在于脫硫石膏可與水泥熟料反應(yīng)生成AFt，而粉煤灰的摻入可增加C-S-H、C-A-H及AFt的生成。

（3）CFG復(fù)合固化土的耐干濕循環(huán)性能明顯優(yōu)于水泥固化土，試樣水穩(wěn)定性更好，強度較高。復(fù)合固化劑可有效替代水泥應(yīng)用于土體固化處理，不僅促進了工業(yè)廢料粉煤灰和脫硫石膏的利用，而且減少了水泥的使用，具有良好的應(yīng)用價值。