超輕陶粒土的一維壓縮特性及其微觀機理

葛曉永，徐玉桂，張軍，王志華，申志福

（1.南京江北新區(qū)中心區(qū)發(fā)展有限公司，南京 211899；2.南京工業(yè)大學(xué) 交通運輸工程學(xué)院，南京 210009）

1 引言

陶粒是以黏土、頁巖、粉煤灰等為原料，經(jīng)高溫?zé)Y(jié)或加入膠凝劑經(jīng)免燒工藝形成的一種內(nèi)部疏松多孔的輕質(zhì)散粒狀材料。燒結(jié)陶粒表面堅硬的陶、釉質(zhì)賦予顆粒一定的力學(xué)強度，而其內(nèi)部發(fā)達的微孔隙結(jié)構(gòu)則賦予陶粒顯著的輕質(zhì)性[1～4]，輕質(zhì)陶粒顆粒密度可低于0.5 g/cm3。陶粒在土木工程領(lǐng)域最初主要用于制備非承重建材（如輕質(zhì)砌塊、內(nèi)隔墻板），近年陶?；炷烈延糜诓糠殖兄亟Y(jié)構(gòu)[5，6]。現(xiàn)有研究多從混凝土材料角度分析陶粒骨料及陶?；炷恋牧W(xué)特性。

將陶粒作為巖土工程材料，Caldeira 和Neves[7]，Stoll 和Holm[8]的試驗表明，陶粒土在三軸壓縮下的響應(yīng)與普通回填料相似，驗證了陶粒可作為輕質(zhì)回填料替代普通回填土。陶粒土不同于砂石類回填料土的特點在于其顆粒的易碎性[9，10]。巖土工程中的粗粒土顆粒破碎多發(fā)生于如壩體等涉及高應(yīng)力范圍的工程問題，而陶粒土在100 kPa 以內(nèi)即可觀察到顆粒破碎。本文針對由一種超輕陶粒形成的陶粒土（包括不摻加膠結(jié)劑的凈陶粒土和水泥膠結(jié)陶粒土），開展電鏡掃描觀察、一維壓縮試驗及單顆粒壓碎試驗，研究水泥摻入對陶?？箟耗芰σ约疤樟Ｍ梁暧^壓縮特性的影響，并從微觀上進行機理分析。

2 陶粒的物理性質(zhì)

當陶粒在回轉(zhuǎn)窯中經(jīng)高溫?zé)Y(jié)時，原料中的有機物燃燒迫使顆粒膨脹，并形成蜂窩狀的氣孔結(jié)構(gòu)，外表面熔化并燒結(jié)形成較堅硬的外殼，最終形成1 種疏松多孔的輕質(zhì)顆粒。本次試驗選用的陶粒以黏土為原料燒制而成，形態(tài)多為圓球形或橢球形，表面平順。

圖1 為陶粒內(nèi)部孔隙的掃描電鏡照片。圖1 表明，陶粒內(nèi)部氣孔多呈球狀或橢球狀，部分氣孔相互連通。陶粒表面為1層厚約250 μm 的密實層，該表層厚度與粒徑無關(guān)。陶?？梢暈? 種有表層和內(nèi)核構(gòu)成的“外強內(nèi)弱”的復(fù)合顆粒。圖1 還表明，陶粒內(nèi)核的孔隙率大于表層，內(nèi)核氣孔尺寸也明顯大于表層氣孔。

圖1 粒徑5 mm的陶粒電鏡掃描圖（放大275 倍）

本次試驗所用陶粒的風(fēng)干狀態(tài)自然堆積密度0.4 g/cm3，屬于超輕陶粒（堆積密度在0.3～0.5 g/cm3的陶粒）；吸水飽和狀態(tài)自然堆積密度為0.524 g/cm3。陶粒顆粒表觀密度0.73 g/cm3，按照無孔陶質(zhì)材料比重2.55 計算，陶粒內(nèi)部孔隙率為0.71。

3 陶粒土的一維壓縮特性

本節(jié)介紹凈陶粒土和膠結(jié)陶粒土的壓縮變形特性。凈陶粒土是指由陶粒構(gòu)成的散粒狀土，而膠結(jié)陶粒土為由水泥將陶粒黏結(jié)而形成的塊狀土。兩種陶粒土作為大面積回填材料時，受力狀態(tài)接近一維側(cè)限壓縮。

對自然風(fēng)干的2～5 mm 粒徑陶粒構(gòu)成的凈陶粒土進行了三組不同初始孔隙比的一維壓縮試驗，如圖2 所示。本文試樣孔隙比計算中的孔隙體積不含陶粒內(nèi)氣孔（包括封閉氣孔和與外界連通的氣孔）?？紤]到陶粒粒徑較大，此處采用直徑為6.18 cm 的非標一維壓縮儀進行試驗。

為制備膠結(jié)陶粒土，陶粒在拌和之前浸水預(yù)濕，使水泥更好地發(fā)生水化反應(yīng)，水泥漿體和水化產(chǎn)物可嵌入骨料表面微孔中，使得骨料和水泥水化產(chǎn)物更好地黏結(jié)在一起。然后用濾紙將顆粒表面水分吸干，稱取相應(yīng)質(zhì)量的水和水泥一起充分拌和，水泥摻量為10%（水泥干質(zhì)量/ 試樣總質(zhì)量）。將攪拌均勻的試樣裝入環(huán)刀中，在標準條件下養(yǎng)護7 d 后進行一維壓縮試驗。仍采用直徑為6.18 cm 的非標一維壓縮儀進行，結(jié)果如圖2 所示。對膠結(jié)陶粒土，孔隙比計算中，固相部分只包括陶粒的體積。

從圖2 可知，凈陶粒土的e-p 曲線變化平緩，無明顯的屈服點；水泥膠結(jié)能明顯減小陶粒土的變形。表1 給出了陶粒土在不同荷載增量等級下的壓縮系數(shù)。陶粒土有效重度小，工程應(yīng)用中的有效應(yīng)力在200 kPa 以內(nèi)，可認為凈陶粒土為中等壓縮性土，而水泥膠結(jié)陶粒土即使在400 kPa 下仍為低壓縮性土。

圖2 陶粒土一維壓縮響應(yīng)

表1 不同孔隙比試樣的壓縮系數(shù)MPa-1

4 微觀力學(xué)機理分析

本節(jié)對凈陶粒和裹覆1 層水泥漿層的陶粒進行單顆粒壓碎實驗，以分析陶粒土顆粒破碎行為對土體壓縮性的影響。采用自動無側(cè)限壓縮儀逐顆粒進行徑向壓縮加載。試驗時陶粒處于自然風(fēng)干狀態(tài)。為確保陶粒受力穩(wěn)定，選擇顆粒的短軸方向進行加載，加載速率為0.025 mm/s。絕大多數(shù)顆粒破碎形態(tài)為整體劈裂。此外，極少數(shù)顆粒表現(xiàn)為施力點局部壓碎，這可能是施力點恰好位于較大內(nèi)氣孔附近所致。為研究水泥膠結(jié)陶粒土顆粒的抗壓碎能力，在陶粒表面裹附一層厚0.5 mm 的水泥漿（32.5R 復(fù)合硅酸鹽水泥，水灰比0.4），標準條件（溫度20 ℃、相對濕度95%）下養(yǎng)護7 d 后進行單軸壓縮試驗。水泥裹覆陶粒的單軸壓縮破壞形態(tài)為整體劈裂，未發(fā)現(xiàn)局部壓碎形式。

圖3 為陶粒和水泥裹覆陶粒單軸壓縮試驗中典型的壓縮力-壓縮應(yīng)變曲線，顆粒粒徑為3 mm。圖3 中，峰值荷載前，顆粒軸向受力隨壓縮變形增大而增大；但由于顆粒表面局部凸起處的破損，這一壓力增長過程可能伴多次斜率調(diào)整。峰值后荷載逐漸減小至零，水泥裹覆陶粒的初始剛度和峰值強度都明顯大于凈陶粒。

圖3 單顆粒單軸壓縮力學(xué)響應(yīng)

分析可知，應(yīng)力范圍和密實程度對凈陶粒土壓縮性的影響機理如下：（1）隨壓縮應(yīng)力增大，顆粒間接觸力逐漸增大，當超過顆粒破碎閾值時，顆粒破碎削弱土體骨架，骨架發(fā)生明顯的調(diào)整以填充破碎形成的空隙；（2）在相同應(yīng)力條件下，陶粒排列越密實，顆粒間接觸越多，單個陶粒越接近等向受壓狀態(tài)；相比于孔隙比大（排列松散）情形下的陶粒土中顆粒傾向于偏壓受力狀態(tài)，密實排列有助于保護顆粒免受破碎。

而水泥膠結(jié)降低陶粒土壓縮性的微觀機理可理解為：（1） 水泥膠結(jié)使得松散顆粒凝聚成整體，只有當顆粒間的水泥膠結(jié)破壞后顆粒才會發(fā)生錯動，進而產(chǎn)生較大的壓縮變形；（2）水泥裹覆在陶粒表面可明顯提高陶粒的單顆粒強度和剛度。

5 結(jié)論

針對超輕陶粒土（包括凈陶粒土和水泥膠結(jié)陶粒土）開展了一維壓縮試驗、單顆粒壓縮試驗，并通過電鏡掃描觀察了陶粒的顆粒內(nèi)部結(jié)構(gòu)。得出以下結(jié)論：

陶粒表層氣孔較小而內(nèi)核氣孔更大，是一種“外強內(nèi)弱”的復(fù)合顆粒。陶粒壓縮破壞模式為劈裂破壞，水泥裹覆能明顯提高陶粒的抗壓強度和壓縮剛度。一維壓縮試驗中，200 kPa荷載以內(nèi)的凈陶粒土是1 種弱/ 中壓縮性土。水泥摻入能明顯降低陶粒土的壓縮性。