碱激发剂对地聚物固化黄土工程特性的影响

赵彦旭，向俊燃，吕擎峰，单小康，陈 臆

(1.中铁二十一局集团有限公司，兰州 730070； 2.兰州大学土木工程与力学学院，西部灾害与环境力学教育部重点实验室，兰州 730000)

目前黄土固化主要包含物理固化与化学固化[1]. 物理固化包括强夯法、挤密桩法和预浸水法等，化学固化则通过添加水泥、二灰、水玻璃等无机固化剂实现[2]. 在上述传统无机固化剂的基础上，逐渐以纤维材料[3]、地聚物[4]等环保再生材料为主作为土体固化剂. 地聚物通过碱激发剂激发硅铝质原料(碱- 硅铝酸盐反应)生成，具有低CO2排放、性能优良的特点，是一种绿色胶凝材料. 粉煤灰作为一种地聚物的原料，其主要成分为SiO2、Al2O3、CaO，但其玻璃体外壳性质稳定，不易水化，而水玻璃作为一种碱激发剂，能破坏粉煤灰玻璃体结构的Al—O键、Si—O键，使粉煤灰潜在活性得以释放[5]. 水玻璃碱激发粉煤灰基地聚物作为一种矿物地聚物，能有效利用工业固体废弃物，国内外很多学者对其在工程领域的应用进行了大量的研究.

Ranjbar等[6]研究在不同基体体积比下掺入微钢纤维对水玻璃碱激发粉煤灰基地聚物力学性能的影响. 试验表明，添加微细钢纤维(micro steel fiber,MSF)可以显著提高水玻璃碱激发粉煤灰基地聚物的极限抗弯承载力和延展性，同时不会对其极限抗压强度产生不利影响. Duan等[7]通过将锯末(木屑)添加入水玻璃碱激发粉煤灰基地聚物中，发现木屑对地聚物后期的抗开裂收缩、抗压强度有积极作用，同时，随着木屑添加量的增加，孔隙率降低. Komljenovic等[8]通过不同碱激发剂激发粉煤灰，以抗压强度为指标，发现碱当量一定时，NaOH+Na2SiO3碱激发效果最好. Al-Majidi等[9]通过水玻璃碱激发粉煤灰与高炉矿渣制备地聚物混凝土，改变其初期养护温度为60 ℃，发现前期抗压强度有很大提高，但28 d抗压强度与室温养护强度基本一致. Zhang等[10]以水玻璃碱激发偏高岭土、粉煤灰、偏高岭土- 粉煤灰混合物，通过一系列试验评估比较其力学性能和热性能. 试验表明，粉煤灰基地聚物由于微观孔隙的存在，其抗压强度低但耐热性高于偏高岭土，而偏高岭土- 粉煤灰复合地聚物则具备较高的强度和耐热性. Oderji等[11]研究相对湿度对水玻璃碱激发粉煤灰基地聚物的影响，试验表明，相对湿度为70%时，其抗压抗弯性能得到提升. 侯云芬等[12]研究水玻璃模数、含固量对粉煤灰基地聚物抗压强度的影响，发现水玻璃模数为1.4时，抗压强度最高；含固量越高，抗压强度越高，并借助X射线衍射分析(X-raydiffraction,XRD)、傅里叶变换红外光谱仪(Fourier transform infrared spectromete,FTIR)对其机理进行解释. 谢子令等[13]研究养护温度及时间对水玻璃碱激发粉煤灰基地聚物混凝土强度发展的影响. 试验发现，在20～80 ℃时，提高养护温度可以线性提高粉煤灰基地聚物混凝土的抗压强度，而地聚物混凝土的抗压强度随龄期延长呈近指数函数增大，并最终趋于稳定. 吕擎峰等[14]以水玻璃碱激发粉煤灰基地聚物固化硫酸盐渍土，研究其对固化硫酸盐渍土强度的影响，并分析探讨其固化机制. 陈潇等[15]综合分析硅铝基质种类、碱激发剂性质、养护制度对地聚物力学性能的影响. 目前，水玻璃碱激发粉煤灰基地聚物多用于改良水泥、混凝土，其应用于固化黄土的研究相对较少，而工程上黄土的固化改良一般采用水泥材料，强度耐久性和环保性较差，采用碱激发地聚物可以提高强度的同时具有绿色环保的优势.

本文以不同模数、波美度的水玻璃碱激发粉煤灰基地聚物进行黄土固化. 通过击实试验、无侧限抗压强度试验、直剪试验、崩解试验及吸水性试验研究其对固化黄土的工程特性的影响，通过扫描电镜(scanning electron microscope,SEM)、全自动化表面积及孔径分析仪(brunner-emmet-teller measurement,BET)试验研究其对固化黄土微观结构的影响并进行相关分析.

1 试样制备和试验方法

1.1 试验材料

表1 试验黄土的基本物理指标

表2 水玻璃基本参数

表3 粉煤灰主要化学成分

1.2 试验方法

根据以往研究[16]，本次试验采用粉煤灰相对黄土的质量分数为18%. 对水玻璃原液加入NaOH进行模数调整，选用模数为1.5、2.0、3.2，按照工程上使用水玻璃浓度范围，波美度选用20、25、30°Bé. 将试验黄土风干碾碎，过5 mm筛后，与粉煤灰拌和均匀，搅拌均匀后立即轻型击实. 同一水玻璃参数的试样，通过水玻璃中的含水量设置5个目标含水率，以此保证试验过程中水玻璃参数不变，通过轻型击实得出击实曲线，研究水玻璃对固化黄土击实特性的影响. 在最优含水率的条件下，通过轻型击实制样，在室内(温度20 ℃，湿度55%)自然养护28 d后，进行无侧限抗压强度试验、直剪试验，研究水玻璃对固化黄土强度特性的影响，进行崩解试验及吸水性试验，研究水玻璃对固化黄土水理特性的影响.

上述试验主要参照《土工试验方法标准》(GB/T 50123—2019). 其中抗压强度试样尺寸为直径102 mm、高116 mm的轻型击实圆柱体样；抗剪强度试样在轻型击实制样后，通过内径61.8 mm、高20 mm的环刀切样，并在环刀中自然养护；崩解试样及吸水性试样是将轻型击实圆柱样养护到期后切割成5 cm×5 cm×5 cm的立方体样.

2 黄土的击实特性

采用BKJ-Ⅲ型多功能电动击实仪进行轻型击实试验，固化黄土最优含水率、最大干密度与水玻璃模数、波美度的关系见图1、2.

图1 击实特性与水玻璃模数的关系Fig.1 Relationships between compaction properties of modulus of sodium silicate

图2 击实特性与水玻璃波美度的关系Fig.2 Relationships between compaction properties of Baume degree of sodium silicate

由图1、2可见，同一波美度水玻璃固化土的最优含水率随模数的增大而增大，增加量约为3.9%；最大干密度则随模数的增加而降低，均降低约0.15 g/cm3. 同一模数下，固化土的最优含水率随波美度的增大而减小，均减小约0.5%；最大干密度则随波美度的增大而增大，增加约0.04 g/cm3.

模数、波美度均对黄土击实特性有影响，但模数对黄土击实特性的影响较波美度更显著. 模数降低、波美度增加，其实质都是使水玻璃中有效成分Na2O·nSiO2含量增多. Na2O·nSiO2作为可溶性的硅酸盐，其含量增多，使土体中离子浓度增大，扩散层厚度变薄，土颗粒结合水能力降低，一方面导致可塑性降低，最优含水率下降，另一方面土粒间阻力减小，压实时土粒易于移动挤紧，孔隙减小，最大干密度提高.

3 固化黄土的强度特性

3.1 固化黄土的无侧限抗压强度

采用CMT5504电子万能材料试验机测试试样养护28 d后的无侧限抗压强度，加载速率为0.5 mm/min. 无侧限抗压强度与水玻璃模数、波美度的关系见图3、4.

图3 固化土抗压强度与水玻璃模数的关系Fig.3 Relationships between the compressive strength of solidified soil and modulus of sodium silicate

由图3可见，3种波美度的固化黄土，其抗压强度均随模数的升高而降低；相同模数下，波美度越高，其抗压强度越高，最高提升了159.22%；相同模数下，25～30°Bé时，抗压强度的提高幅度大于20～25°Bé.

小克里姆林宫既然是沙俄时代阿斯特拉罕衙署所在地，这里同样也发生了诸多与留居伏尔加河的卡尔梅克人相关的政治大事，诸如：

由图4可见，3种模数的固化黄土，其抗压强度均随波美度的增加而提高，最高强度达3.42 MPa；25～30°Bé段抗压强度增长率大于20～25°Bé段；同一波美度下，模数越低，抗压强度越高，最高提升了102.74%.

图4 固化土抗压强度与水玻璃波美度的关系Fig.4 Relationships between the compressive strength of solidified soil and Baume degree of sodium silicate

3.2 固化黄土的抗剪强度

采用ZJ型应变控制式直剪仪测试试样养护28 d后的抗剪强度，采用快剪，剪切速度为0.8 mm/min，垂直压力设为100、200、300、400 kPa. 固化黄土的黏聚力、内摩擦角与水玻璃模数、波美度的关系见图5、6.

由图5可见，3种波美度的固化土，黏聚力均随模数的增加而降低；模数为2.0～3.2时，黏聚力降低幅度变小；同一模数下，波美度越高，黏聚力越高，但波美度为20、25°Bé时黏聚力相近，30°Bé时黏聚力有较大提升. 内摩擦角随着模数的变化规律不显著，在10°范围内波动，表明模数对内摩擦角影响不大.

图5 固化土抗剪强度指标与水玻璃模数的关系Fig.5 Relationships between the shear strength index of solidified soil and modulus of sodium silicate

由图6可见，3种模数的固化土，黏聚力均随波美度的增加而升高，且25～30°Bé时，黏聚力提高幅度更大，最大黏聚力为548.17 kPa；同一波美度下，模数越低，黏聚力越高，但模数为2.0、3.2时黏聚力相近，模数为1.5时提升较大. 内摩擦角则随着波美度的增加先增加后减小，波动范围10°以内，说明波美度对内摩擦角影响不大.

图6 固化土抗剪强度指标与水玻璃波美度的关系Fig.6 Relationships between the shear strength index of solidified soil and Baume degree of sodium silicate

4 固化黄土的崩解性和吸水性

4.1 固化黄土的崩解性

提高水理特性是黄土固化应用的主要目标之一. 崩解试验结束后，仅模数为3.2、波美度为20°Bé的固化黄土崩解破坏，其余试样均未崩解破坏. 各试样的崩解曲线(崩解率- 时间曲线)见图7，其中崩解率是指土样崩解过程中崩解掉落部分土体(崩解体)质量与土样未开始崩解前的质量之比，计算方法为

(1)

式中：Dt是指崩解过程中，任意时刻土体的崩解率，%；Md是指崩解掉落部分土体质量，g；Ms是指土样未开始崩解前的质量，g；Mud是指未崩解部分土体质量，g.

由图7(a)可见，破坏试样崩解曲线与其他试样存在明显差别，在前2 min，试样大量吸水并逸出气泡，使崩解率急速下降，试验浸湿，而后试样软化，并在20 min后以鳞片状崩解解离，直至120 min左右崩解结束，但试样并未彻底崩解为淤泥状或黏流黏塑状，内部存在部分未解离的土体，形成崩解核.

对于未崩解破坏的试样，崩解曲线趋势相近，见图7(b)，均在前15 min内因吸水使崩解率下降，而后崩解率基本保持不变. 但各试样最终稳定的崩解率与浸湿阶段持续时间(崩解速率)存在差别.

图7 不同模数、波美度水玻璃固化黄土的崩解曲线Fig.7 Disintegration curve of sodium silicate solidified loess with different moduli and Baume degrees

土体崩解是土体(土颗粒)受到的崩解力大于其与母体的连接力所致. 模数为3.2、波美度为20°Bé的固化黄土其崩解过程中崩解力占优，因而崩解破坏，但地聚物凝胶改善了土体的胶结状态，使其仍具备一定的黏聚力，并形成了崩解核，最终崩解率未达100%也源于此. 对于其他试样，由于水玻璃模数更低、波美度更高，碱激发粉煤灰形成了更多的地聚物凝胶，土体间连接力更强，使土体崩解脱落变得相对困难. 此外，浸入土体内的水，既可削弱土颗粒间的胶结力，对结构产生破坏作用，同时又能促进未水化粉煤灰进一步反应，对土体结构具有积极作用. 水对土体的侵蚀破坏与对未反应粉煤灰的二次碱激发作用并存，但由于土颗粒被大量地聚物凝胶包裹，其破坏作用小于粉煤灰二次碱激发作用与地聚物凝胶对土体连接力的改善作用，故土样崩解性减弱.

4.2 固化黄土的吸水性

为了更全面体现水玻璃模数、波美度对固化黄土水理特性的影响，参照《工程岩体试验方法标准》(GB/T 50266—2013)对崩解性较弱的各试样进行吸水性试验，试验结果见表4.

表4 不同模数、波美度水玻璃固化黄土的吸水率

由表4可见，不同模数的固化黄土，其自然吸水率、饱和吸水率均随水玻璃波美度的升高而降低. 不同波美度的固化黄土，其自然吸水率、饱和吸水率均随着水玻璃模数的增大而升高. 同时，各固化黄土试样，其饱和吸水率较自然吸水率高3%左右，相差不大.

水玻璃模数越小、波美度越高的试样，由于更多地聚物凝胶的形成，使其内部孔(空)隙被凝胶充填，减弱了孔隙发育度，孔隙率更低，降低了其自然吸水率、饱和吸水率. 同时，地聚物凝胶的存在，减少了土体内部的开孔(交联孔)，使大孔隙体积减少，形成了更多的微观孔隙，提高了微观孔隙的占比[10]，这使得土体在自然吸水条件下几近饱和，故自然吸水率与饱和吸水率相差不大.

5 微观结构特征分析

5.1 SEM

采用Apreo S扫描电子显微镜进行测试，加速电流30.00 kV，束流大小为0.40 nA. 部分不同模数、波美度水玻璃固化黄土的SEM图像见图8.

1—未反应的粉煤灰； 2—凝胶物质； 3—土颗粒； 4—粒间孔隙； 5—架空孔隙. 图8 不同模数、波美度水玻璃下固化黄土SEM图像(×1 000)Fig.8 SEM photographs of sodium silicate solidified loess with different moduli and Baume degrees

由图8可见，不同土样均含有部分未完全水化的粉煤灰圆珠颗粒，充填在土体孔隙中；凝胶包裹吸附在骨架颗粒周围，增强了土颗粒间的胶结作用，减小了大孔隙体积，但各土样仍不同程度地存在粒间孔隙或架空孔隙.

不同波美度、模数固化黄土的SEM图像具有明显区别. 强度最低的固化黄土(见图8(e))中地聚物凝胶较少，存在棱角状土颗粒，具有明显的架空孔隙，最大孔径可达150 μm，粒间孔隙多且连通性较好. 强度最高的固化土样(见图8(c))，其骨架颗粒四周有大量凝胶生成，改变了孔隙结构，以粒间孔隙为主，且数量较少，凝胶包裹在骨架颗粒周围，使土颗粒间接触面积增大，相互黏结为整体，提高了强度.

同一模数下，随着水玻璃波美度的升高，土体中凝胶物质数量增多，孔隙由架空孔隙逐渐转变为粒间孔隙，土颗粒由棱角状逐渐过渡为次圆状，土颗粒因更多凝胶的包裹，骨架颗粒间的胶结作用得以加强. 同一波美度下，随着水玻璃模数的降低，具有上述类似的变化. 凝胶物质改善了土体孔隙结构，使土骨架颗粒接触面积增大，凝胶物质对土颗粒的包裹作用及其数量是影响固化黄土强度的主因.

5.2 BET

采用ASAP 2020M和TriStar Ⅱ 3020型物理吸附仪在90 ℃进行氮气吸脱附测试，吸脱附时间为12 h. 不同模数、波美度水玻璃固化黄土微结构参数见表5，BJH法dV/dD孔径分布见图9.

图9 不同模数、波美度水玻璃下固化黄土的孔径分布Fig.9 Pore size distribution of sodium silicate solidified loess with different moduli and Baume degrees

从表5可以看出，同一模数下，土样比表面积随波美度的提高而增大，平均增幅为29.78%，平均孔径随波美度的提高而减小，平均降幅为10.10%；同一波美度下，土样比表面积随模数的减小而增大，平均增幅为60.39%，平均孔径随模数的减小而降低，平均降幅为29.60%，表明模数对固化土孔隙结构的影响较波美度更显著，而孔隙体积则变化不大，为0.014 cm3/g左右.

表5 不同模数、波美度水玻璃固化黄土孔隙结构参数

由图9可见，固化黄土的孔径分布图趋势相近，均为单峰分布，孔径分布相对均匀，集中在2～32 nm区间，以介孔为主，且最可几孔径(峰值孔径)均为4 nm左右. 同时，水玻璃模数越低、波美度越高，固化黄土2～4 nm孔径的孔体积越大，表明形成了更多小于4 nm的孔隙.

6 机理分析

水玻璃模数越低、波美度越高，其水解过程使OH-、Na+的浓度增加，碱性环境增强，提高了粉煤灰的溶解度，使更多活性SiO2、Al2O3参与反应，生成的硅铝酸钠等凝胶产物增多，胶结作用进一步加强，改善了孔隙结构，土体抗压强度和黏聚力得以提高. 对于内摩擦角，凝胶产物的增多使土颗粒间咬合作用变得紧密，内摩擦角增大；但离子浓度增加，扩散层厚度变薄，水的润滑作用增强，土颗粒间滑动摩擦力减小，内摩擦角减小，土体内摩擦角变化不大正是两方面平衡的结果.

7 结论

1) 水玻璃对固化黄土的击实特性影响显著，随模数降低、波美度增大，固化黄土最优含水率线性降低、最大干密度增加，且模数较波美度对击实特性的影响更显著.

2) 随着水玻璃模数降低、波美度增大，水玻璃碱激发粉煤灰基地聚物固化黄土的抗压强度增大，最高为3.42 MPa，黏聚力增大，最高为548.17 kPa.

3) 水玻璃模数越低、波美度越大，地聚物固化黄土的崩解性越弱(仅模数为3.2、波美度为20°Bé的固化黄土崩解破坏)，自然吸水率、饱和吸水率越低.

4) 微观结构上，水玻璃碱激发粉煤灰生成的硅铝酸钠等凝胶产物包裹充填于土颗粒间，相互胶结形成空间网状结构，改善了孔径分布与孔隙结构. 水玻璃模数越小、波美度越高，固化黄土的平均孔径越小，比表面积越大，2～4 nm的纳米级孔隙体积越大.