干湿循环条件下CFG固化膨胀土强度特性研究

周文君，王 强，杨景东，李 蔓，尹钰婷，郭小亮

（安徽理工大学土木建筑学院，安徽淮南232001）

膨胀土是一种具有吸水膨胀、失水收缩特性的特殊土，常会对建筑物产生一定破坏［1］。工程中常使用硅酸盐水泥作为稳定材料来改良膨胀土，但由于水泥的生产和使用伴随着高能耗、高碳排放及高黏土消耗量的问题，因此使用其他环境友好型材料来替代水泥成为近年来的研究热点［2-5］。粉煤灰是火电厂在发电过程中产生的一种废料，其主要化学成分为SiO2、Al2O3、Fe2O3等。粉煤灰是火山灰材料的一种，经过碱、硫酸盐等激发后具有胶凝活性［6］。脱硫石膏是含硫烟气经脱硫后产生的工业副产品，其主要成分是二水硫酸钙（CaSO4·2H2O），可用于水泥缓凝剂、石膏矿渣水泥以及建筑石膏生产等［7］。

将粉煤灰和脱硫石膏等引入建筑材料是处理废料的有效途径之一，众多学者对水泥-粉煤灰、水泥-粉煤灰-脱硫石膏（CFG）复合材料固化改良土进行了研究。邵俐等［8］研究了水泥粉煤灰加固有机土的强度及变形规律，研究发现：粉煤灰对水泥试块的早期强度影响较小，对后期强度影响较大；粉煤灰的最佳掺量为12%，此时强度和E50均最大，破坏应变最小。查甫生等［9］利用电阻率法研究了水泥粉煤灰固化重金属污染土的微观机理，并建立了基于电阻率的固化铅污染土强度预测模型。Garg和Pundir［10］使用硅酸盐水泥、粉煤灰和石膏研制了粉煤灰黏结材料，发现其具有良好的耐水性和强度，其强度主要来源于钙矾石和雪硅钙石（tobermorite）。李响等［11］对水泥-粉煤灰复合胶凝材料的水化反应进行了研究，结果显示水泥水化对胶凝材料化学结合水量的贡献主要在水化前期，而粉煤灰的贡献则在水化后期。张翔等［12］研究发现：在硅酸盐水泥、粉煤灰、脱硫石膏共同作用下水泥和粉煤灰水化反应生成的水化硅酸钙（C-S-H）和钙矾石（AFt）填充于脱硫石膏晶体及硬化体的空隙中，有效增强了材料的强度，降低了吸水率。崔进杨等［13］研究了CFG固化铅污染土的强度特性，并给出了CFG固化铅污染土强度的预测公式。Wang等［14-16］研究了CFG固化铅污染土的力学强度和微观结构随碳化时间、铅离子浓度以及固化剂掺量的变化规律以及CFG固化镍铜污染土的强度、渗透和应力-应变特性。

上述研究中多集中于水泥-粉煤灰混合体系的水化过程以及CFG应用于重金属污染土的固化处理，但目前对干湿循环条件下CFG改良膨胀土强度特性的研究还鲜有报道。本文研究CFG改良膨胀土的强度特性和干湿循环对CFG固化土的破坏作用，以期为CFG在膨胀土改良方面的工程应用提供参考。

1 试验材料及方法

1.1 试验材料

膨胀土取自合肥某地铁施工场地，外观呈黄褐色，含有黑色的氧化铁和铁锰结核。根据《公路土工试验规程》（JTGE40—2007）定义该土样为低液限粉质黏土，属低膨胀性土。土样基本物理指标见表1。

表1 试验土基本物理性质

水泥为淮南八公山产P.O.42.5普通硅酸盐水泥，粉煤灰及脱硫石膏均取自淮南平圩发电厂。水泥、粉煤灰和脱硫石膏的主要化学成分见表2。

表2 水泥、粉煤灰和脱硫石膏主要化学成分 %

1.2 试验设计

采用水泥和CFG复合材料为膨胀土改良剂，水泥质量为干土质量的16%，CFG由不同比例的水泥、粉煤灰和脱硫石膏组成。对16%水泥掺量的改良土进行击实试验，得到其最优含水率为21.1%，最大干密度为1.89 g/cm3。

依据《公路工程无机结合料稳定材料试验规程》（JTGE51—2009）计算得到各组固化剂添加质量和加水量，具体如表3所示。

表3 固化土组分

1.3 试验方法

根据试验方案进行材料称量，将准备好的干土粉加水（计算用水的90%）搅拌均匀，密封浸润。8 h后加入固化剂和剩余水机械搅拌3 min，使得混合料达到预定含水率后开始试样制作。试验采用静压法制样，分3层将拌好的混合料压入模具，压入后在相对湿度大于90%、温度（20±3）℃的条件下标准养护24 h，然后脱模得到直径50 mm、高100 mm的圆柱试样，将其继续养护至设计龄期。试验每组制作3个平行试样，养护 7 d、14 d、28 d、60 d。

强度试验：依据《土工试验方法标准》（GB/T50123—2019）对养护到期的固化土试样进行强度试验。采用WDW-50微机控制电子万能试验机，按照等速位移加载方式进行试验，加载速率1%/min。待峰值应力出现后，应变达到3%～5%停止加载；若无明显峰值，则应变达到20%时终止加载。

干湿循环试验：水泥固化土和CFG固化土试样分别养护28 d和60 d后进行干湿循环。试验参考标准《ASTM-D559》，首先在室温25℃干燥环境中静置24 h，然后浸没于25℃蒸馏水中养护24 h，记为一次干湿循环。每次循环后称量质量，并观察记录试样表观变化，同时取3个试样测试该次循环下试样的强度。循环0、3、6、9、12、15次后测其强度。12次循环结束后，累计试样质量损失率小于14%视为耐干湿循环能力合格。每级质量损失率ωn和累计质量损失率分别按照下式计算［17］：

其中，m0为试样初始质量，ωn为n级干湿循环后试样质量。

2 试验结果与分析

2.1 无侧限抗压强度试验

2.1.1 不同配比CFG固化土的强度

掺量对CFG复合固化土强度的影响如图1所示。

由图1可知：不同养护龄期下不同配比CFG复合固化土的强度有所不同；早期（养护7 d）C16F4G6固化土强度最高，14 d时三种复合固化土的强度相近，C16F8G2固化土强度略高，后期时（养护28 d、60 d）三种固化土的强度大小依次为C16F12G4、C16F8G2、C16F4G6；脱硫石膏在早期对强度提高较快，粉煤灰能够有效提高固化土的长期强度。

粉煤灰对强度的增强作用来自于被激活后自身的水化反应以及未水化粉煤灰颗粒的微集料填充效应［18］。粉煤灰球状颗粒中含有Al2O3、SiO2等成分，在碱性环境中粉煤灰玻璃体结构中的Si-O键和Al-O键发生断裂，Al2O3等活性物质溶出后与Ca（OH）2发生火山灰反应生成C-S-H和水化铝酸钙（C-A-H）凝胶，增强固化土骨架的强度［19］。脱硫石膏不仅能够与水泥熟料中的铝酸三钙反应生成AFt，而且活性CaSO4能与粉煤灰中的活性Al2O3等反应生成AFt，AFt有利于形成固化土空间结构，进而迅速提高强度［20］。同时未水化的粉煤灰颗粒和脱硫石膏晶体能够作为微填料填充固化土孔隙，有利于结构密实度和强度的提高。从固化土的长期强度考虑，复合固化土以C16F12G4为最佳。

2.1.2 龄期对CFG固化土强度的影响

CFG复合固化土强度随养护龄期的变化如图2所示。

图1 掺量对CFG复合固化土强度的影响

图2 龄期对CFG复合固化土强度的影响

由图2可知，固化土的强度随养护龄期的增长而增加，其中以C16F12G4固化土强度增长最快。因为C16F12G4组固化土中粉煤灰的掺量较大，在后期被水泥水化和脱硫石膏形成的碱性环境激活后，反应生成更多的C-S-H和C-A-H，同时脱硫石膏的掺入促进了AFt的生成，进一步提高了强度。28 d以后强度持续增长，主要是由于后期粉煤灰的反应程度远大于前期［21］。

2.2 干湿循环试验

根据强度试验得到最佳配比复合固化土C16F12G4，将其养护28 d、60 d后进行干湿循环试验，并与纯水泥固化土C16进行对比。

2.2.1 试样表观特征变化

固化土试样养护28 d后，进行干湿循环试验，不同循环次数下试样表面状况如图3所示。

由图3可知：随着循环次数的增加，试样表面裂纹逐渐增多并出现剥落现象；普通水泥土试样表面裂纹出现较复合固化土迟；干湿循环15次后两种固化土试样表面均出现明显裂纹和轻微剥落，但普通水泥土沿着试样周边出现环状裂纹，而复合固化土则为径向裂纹。

图3 干湿循环后固化土试样表面状况（28 d）

养护60 d后进行干湿循环试验，试样表面状况如图4所示。

图4 干湿循环后固化土试样表面状况（60 d）

由图4可知：循环15次后试样表面出现可见裂纹及边缘破损，普通水泥固化土试样表面无明显裂纹出现，但边缘破损剥落严重，而复合固化土虽有裂纹出现，但试样整体并无破损剥落，表明复合固化土耐干湿循环性能优于普通水泥固化土。对比图3、图4可知：随着养护龄期增加，两种固化土的耐干湿循环性能均明显增强，相比而言复合固化土的性能优于水泥固化土。

2.2.2 试样质量变化

干湿循环后试样质量变化和质量损失率分别如图5、图6所示。

图5 固化土试样质量随循环次数变化

图6 试样质量损失率随循环次数变化

由图5、图6可知：CFG复合固化土试样质量受循环次数的影响较小，最大质量损失率为0.51%；水泥固化土试样质量变化较大，9次循环时质量损失率绝对值最大为1.12%，说明复合固化土的水稳定性更好，其耐干湿循环性能优于水泥固化土。

这是因为相同龄期下复合固化土中水化产物更多，形成了更为坚固的骨架结构，且未水化的粉煤灰和脱硫石膏颗粒会填充固化土孔隙，形成致密的结构，这使得土样抵抗水分浸入的能力提高。养护时间越长固化效果越好，耐干湿循环能力越强。28 d龄期复合固化土在0～6次循环后试样质量减小，但第6～9次循环时略微有所增加，超过9次循环后质量又随之减小；60 d龄期复合固化土试样质量随循环次数的增加持续平缓减小，且循环次数少于9次时28 d复合固化土试样的质量损失率大于60 d试样。28 d和60 d复合固化土试样在12次循环结束时累计质量损失率分别为1.35%和1.16%，满足抵抗干湿循环要求。

水泥固化土试样的质量变化较大，随循环次数的增加呈现先增加后减小的趋势，0～12次循环试样质量总体增加，第9次循环时试样质量达到最大，12次循环后试样质量损失率由负转正，质量减小。这是由于水泥固化土的密实度小于复合固化土，所以干湿循环时水分浸入量大，导致试样质量有所增加，此时固化土试样仍然具有良好的外观，其结构基本没有明显破坏。当循环次数大于9次时，固化土在干湿变化过程中累积的结构损伤开始体现出来，试样表面开始出现裂纹，加速了水分蒸发，内部可溶性盐随之流出，且试样边缘逐渐出现破损，进而导致试样质量减小。循环12次以后试样质量损失突然增大，说明此时试样破坏更为严重，循环15次时表面有可见裂纹，试样破坏明显。同一循环次数下，60 d龄期水泥固化土试样的质量损失小于28 d龄期固化土，说明养护时间越长，固化土耐干湿循环能力越强。12次循环结束时28 d和60 d水泥固化土试样的累计质量损失率分别为-2.99%和-2.51%，总体质量有所增加。

2.2.3 循环次数对固化土强度的影响

固化土强度随干湿循环次数的变化如图7所示。

由图7可知：CFG固化土和水泥固化土试样强度随干湿循环次数的增加具有不同的变化规律。

CFG复合固化土强度随循环次数增加会逐渐增加直至出现明显的峰值，然后逐渐减小，但循环15次后试样强度仍然大于初始强度（循环0次时的强度）。这是由于试样循环浸水时未反应完的水泥、粉煤灰以及脱硫石膏继续反应，生成胶凝物质填充了固化土结构空隙使得强度增强，但循环达到一定次数后材料反应基本完成且试样在干燥-湿润的变化过程中产生损伤，导致强度开始降低。60 d龄期的复合固化土试样在循环次数为3时出现强度峰值，28 d龄期试样则在9次循环后达到峰值，这是因为龄期短的固化土试样内未反应完全的固化剂较多，而龄期长的试样固化剂反应程度高，未反应材料少。总体而言，循环次数不超过15次时复合固化土的强度均不小于初始强度，说明复合固化土具有良好的耐干湿循环性能。

水泥固化土强度随干湿循环次数的增加先基本不变（或略有增加）然后开始减小，循环15次后试样强度远小于初始强度。这是由于相比于复合固化土，水泥固化土内固化剂材料—水泥的含量较低，后续反应难以继续，所以随着干湿循环次数的增加，试样内部损伤增多，强度开始降低。28 d水泥固化土试样在前期循环过程中强度略有提高，6次循环后开始下降；60 d龄期试样则在前期基本不变，9次循环以后强度突然减小。这是由于28 d时水泥未完全水化，湿循环时加速了水泥的水化，所以随着循环次数的增多强度有所提高；60 d时水泥已反应完全，固化土具有较高的结构强度，所以其强度降低所对应的循环次数大于28 d试样。水泥固化土经过15次循环后强度明显低于初始强度，其耐干湿循环能力比复合固化土差。

2.3 微观试验

选取养护7 d、14 d、28 d、60 d典型龄期的水泥固化土和CFG复合固化土试样进行电镜扫描，观察土样的微观结构，放大1万倍后的SEM分别如图8、图9所示。

图7 固化土试样无侧限抗压强度随循环次数的变化

图8 水泥固化土（C16）扫描电镜图

水泥固化土中水化产物的形成一部分由水泥水化生成，另一部分则由土颗粒中火山灰活性组分与水泥水化体系中的阳离子和Ca（OH）2发生离子交换、火山灰反应等形成。由图8可知：随着养护龄期的增长水泥水化反应愈发彻底，C-S-H、C-A-H等水化产物逐渐增多，固化土结构密实度逐渐增加。7 d时固化土中有凝絮状C-S-H凝胶出现；14 d时固化土中有纤维状C-S-H凝胶出现，此时C-S-H数量较少且纤维较短没有形成相互联结的空间网状结构；28 d时C-S-H纤维明显发育长大，在图8（c）中没有观察到纵横交叉的网状结构可能是取样位置导致；60 d时观察到纵横交叉的纤维网状结构，生成了大量的胶凝产物，水泥水化完全，固化土结构整体性增强，强度提高。

图9为复合固化土扫描电镜图。

图9 复合固化土（C16F12G4）扫描电镜图

在水泥水化体系中加入粉煤灰（FA）和脱硫石膏（GP）后，水泥水化碱性环境能够激发FA的水化活性并生成C-S-H、C-A-H等胶凝产物，反应方程式为：

GP引入体系后水泥熟料铝酸三钙（3CaO·Al2O3）会优先与之反应生成AFt［12］，同时粉煤灰在碱和SO4

2-的双重激发下发生二次水化，同样会生成AFt。反应方程式为：

引入FA和GP不仅促进了水泥的水化反应，同时还增加了水化产物的生成量，使得固化土的结构更为致密，强度和耐干湿循环性能均有所提高。

由图9可知：7 d时，试样中未观察到明显的水化产物，但有完整的FA颗粒，说明此时水泥水化程度较低，并未形成较强的碱性环境以激活FA的水化活性，故固化土的强度较低；14 d时，观察到试样中有绒毛状C-S-H凝胶和纤维状AFt晶体出现，同时还有大量未反应完全的FA球状颗粒和棱柱状GP，说明此时FA和GP已经开始参与反应，同时由于有GP的参与产生了一定量的AFt；28 d时FA颗粒已破裂，GP明显变少，纤维状C-S-H和AFt开始相互联结并与固化土颗粒形成固化土结构骨架，未完全水化的胶凝材料颗粒填充在骨架间隙中；60 d时，已观察不到FA、GP等物质的形状，水泥和FA结合GP反应生成了大量的C-S-H和AFt，固化土体系形成，结构致密，强度大大提高。

3 结论

通过强度试验及干湿循环试验，结合SEM微观试验得到以下结论：

（1）CFG固化土的强度随养护龄期的增加而提高。

（2）粉煤灰与脱硫石膏均能够有效提高水泥固化土的强度，其中脱硫石膏能够促进早期强度的提高，而粉煤灰则可有效提高固化土的长期强度。其主要原因在于脱硫石膏可与水泥熟料反应生成AFt，而粉煤灰的掺入可增加C-S-H、C-A-H及AFt的生成。

（3）CFG复合固化土的耐干湿循环性能明显优于水泥固化土，试样水稳定性更好，强度较高。复合固化剂可有效替代水泥应用于土体固化处理，不仅促进了工业废料粉煤灰和脱硫石膏的利用，而且减少了水泥的使用，具有良好的应用价值。