粉煤灰水泥土强度增长机理研究及其试验验证

姜 鹏 章剑青 朱征平

(江苏华宁工程咨询有限公司，江苏 南京 210018)

0 引言

水泥是一种多相无机材料，其主要相为阿利特(硅酸三钙)、贝利特(硅酸二钙)、铝酸盐(铝酸三钙)和铁铝酸盐(铁铝酸四钙)，这些相很大程度上决定水泥的水硬性[1]。水泥常被用做土体固化剂，通过一系列物理化学作用，使地基土硬结成水泥加固土体，广泛应用于软基处理工程中，研究其固化机理对于水泥土设计、施工具有重要意义。

1 粉煤灰—水泥系统的水化反应

1.1 水泥矿物的水化[1]反应

硅酸三钙、硅酸二钙水化产物是水化硅酸钙以及氢氧化钙(氢氧钙石)。铝酸三钙水化经一系列中间产物转化，最终生成单硫相—水化铝酸四钙固溶体。铁铝酸四钙与铝酸三钙水化反应类似，只是中间产物均为三价铁置换的产物，且三价铁置换的产物在结构上与相应的纯铝酸盐非常相似，故易于和它们形成固溶体，即单硫相—水化铝酸四钙型固溶体。

1.2 粉煤灰水化及其对水泥水化反应的影响[2]

粉煤灰水化时先在粉煤灰颗粒表面形成一层水化硅酸钙凝胶外壳，然后颗粒表面铝硅玻璃体溶解并与Ca(OH)2反应[2]，最终水化产物及结构与水泥水化产物基本类似。粉煤灰—水泥系统中水泥熟料矿物首先发生水化反应，生成的Ca(OH)2与粉煤灰的铝硅玻璃体发生水化反应；水泥熟料水化反应提供粉煤灰二次水化所需的Ca(OH)2，而粉煤灰熟料颗粒表面提供水泥熟料水化反应产物沉淀场所，从而促进水泥熟料矿物的水化作用。交替进行的两类水化反应相互促进、互相制约。

2 粉煤灰—水泥加固土强度增长机理

2.1 水泥水化产物与土颗粒的作用

水泥固化过程中，土中粘粒和水形成的胶体分散系，通过离子交换和团粒化作用[3]，最终形成蜂窝状结构，使强度提高。随着水化反应深入，粘土中部分矿物成分与离子交换剩余钙离子发生化学反应生成不溶于水的稳定化合物，生成物逐渐硬化进一步提高体系强度。碱性环境下，水化物中游离的氢氧化钙与二氧化碳发生碳酸化反应，生成的碳酸钙不溶于水，使得土的分散度、压缩性降低，强度增加。

2.2 水泥系统在土骨架中凝结产生强度

随着水泥系统交替进行两类水化反应进行，随着水化物晶体生长，浆体不断稠化和硬化。稠化使浆体从絮凝系统逐渐变为粘弹性骨架固体[4]，孔隙逐渐被水化物填充，最终形成复杂的弹脆性物质，强度得到发展。水泥浆体在土骨架中凝结或结硬，是水化物结晶形态发展和晶体生长的结果[4]。水泥经过复杂的溶解水化—产物沉淀过程，成为硬化浆体在土骨架内填充并产生一定强度。

2.3 粉煤灰增强水泥加固土作用的机理

粉煤灰增强水泥加固土作用的机理，是通过三种基本效应：形态效应、活性效应、微集料效应[5]引起的充填行为及致密作用、胶凝效应及和易性效应，促使水泥水化反应更充分、彻底，减少土骨架及水泥浆体的孔隙体积，从而有利于系统强度提高。

2.4 粉煤灰—水泥土强度增长的内在机理

粉煤灰—水泥土强度来源于浆体硬化以及浆体对土孔隙充填及挤密产生的强度。硬化粉煤灰—水泥浆体强度来源[6]于：水化产物颗粒内部、颗粒之间的原子力；水化产物的尺寸、形态以及它们的相互生长和结团；显微结构的发展。原子力为微观尺度力，对浆体强度贡献很小；水化物晶体生长、形态发展、结团以及显微结构发展成为粉煤灰—水泥土强度主要来源。有研究发现水分进入水化物晶格内部引起强度增长，水泥浆体的强度与非蒸发水量成正比[6]。可见部分反应掉的水进入产物晶格内，促进晶体结构生长，是浆体强度增长的源泉。

3 粉煤灰水泥土强度增长机理的试验验证

3.1 试验方案

按土样原位含水量分别配制水灰比0.5，水泥掺量aw=10%,14%,18%，粉煤灰掺量a=2%,4%,8%的粉煤灰水泥土试样，在标准养护室养护。分别进行多龄期的无侧限抗压强度、含水率、扫描电子显微镜试验。

3.2 试验结果及分析

3.2.1无侧限抗压强度试验结果及分析

对比分析图1,图2试验结果，可以得出以下结论：

1)粉煤灰水泥加固土强度随龄期增长而增长，且增速逐渐降低，这与前文得出的强度增长内在机理一致；增加粉煤灰掺量，强度提高，验证了粉煤灰对水化促进作用。

2)粉煤灰—水泥加固土变形特征介于脆性体与弹塑性体之间。因为粉煤灰—水泥在土骨架中发生水化反应，水化物的结晶与重结晶、晶体的生长等都需要时间，28 d龄期前还不能形成有效的水泥石骨架、颗粒孔隙较大，受压变形时，颗粒间有足够间隙发生错动，因而其变形表现出塑性。龄期28 d后水泥石骨架基本形成，产物晶体在系统颗粒间隙中生长填充，致使孔隙逐渐减小，受压变形时，由于颗粒相互束缚因而错动不大，主要是晶枝在错动过程中破坏，因而其变形表现出弹性；达到一定压力引起晶枝全部破坏，强度陡降，表现出脆性破坏。

3)水泥掺量相同、增加粉煤灰掺量，应力应变曲线变陡，说明发生脆断破坏的龄期提前。脆性破坏龄期提前说明晶体生长及形成水泥石骨架时间缩短，验证了粉煤灰促进水泥水化反应。

3.2.2含水量试验结果及分析

定义水泥加固土的结合水率为某一龄期水泥加固土中非蒸发水占水泥加固土初始总含水量的比例。图3,图4说明：粉煤灰水泥加固土结合水率随龄期增长而增大，强度随结合水率增大而增大。因为随龄期增长进入水化物晶格的水分增加、结合水率相应增加，生成的晶格结构增多，因而表现出强度增长，验证了前文的化学机理。

3.2.3扫描电子显微镜试验结果及分析

由图5a)及图6a)：龄期较小时，结构松散、粗大孔洞及裂隙发育，说明结晶、重结晶、晶体生长处于初期；与图7a)及图8a)对比：随着龄期增长，结构变密实、孔洞及裂隙减少，是水化产物结晶成核、晶体错生长的结果，与强度变化规律及前文的化学机理一致。图5b),图6b)中纤维状产物附着的粗大颗粒是水泥矿物、纤维状产物是水化硅酸钙，板柱状产物是单硫相或者Ca(OH)2晶体、钙矾石，不规则产物是结晶不良的水化硅酸钙多聚物；对比发现：随着龄期增长粒间孔隙减少，有纤维状产物生成，这是晶体交错生长的结果。验证了水化物首先在水泥矿物颗粒表面生长，离子迁移过程中逐渐在颗粒间结晶成核(裂隙间纤维状产物)，并随着龄期增长，晶体逐渐占据粒间孔隙，宏观上表现为强度增长。对比图5～图8，图6,图8中生成纤维状产物的区域多于图5,图7，说明水泥掺入比相同时，适量粉煤灰能够促进水泥水化及晶体生长，对系统早期强度增长有利。

4 结语

室内试验表明，粉煤灰—水泥加固土变形特征随介于脆性体与弹塑性体之间；其强度、结合水率随龄期增长而增大；水泥掺量一定时，适当增加粉煤灰掺量，能够促进水泥水化反应进程。扫描电子显微镜对比不同龄期试样，验证了其强度受晶体生长控制，并由晶体生长内在机理决定。