赤泥-钙基复合水泥土的强度与电阻率特性研究

温浩，索崇娴，郝雅芬，樊佩阁，董晓强

(太原理工大学 土木工程学院， 山西 太原 030024)

0 引言

水泥土作为一种土壤加固技术，在工程中有着广泛的应用[1]，但水泥固化土也存在着强度不高，稳定性较差等缺点。近年来一些学者通过向水泥土体系中添加其它材料的方法，达到改善水泥土力学性能的目的。固体废物作为一种潜在资源，在土体改良中有着广泛的应用。KOLIAS等[2]利用高钙粉煤灰与水泥稳定细粒土，两种粘结剂反应生成的水化产物提高了材料的早期强度和最终强度，同时对弹性模量和CBR性能提升显著。ROMANO等[3]向波兰特水泥中添加赤泥，通过等温传导量热法监测水化反应，并通过Vicat试验监测水泥的凝固时间，观察到有大量的硅铝酸钙水化物形成，同时水泥砂浆中石膏消耗量增加。CHEN等[4]在水泥土中添加赤泥，结果表明赤泥掺入对无侧限抗压强度(UCS)有增强效果，相较于未处理黄土，动弹性模量提高四倍，赤泥掺量为15%～20%时效果最好。在水泥土中，Ca(OH)2对于CSH凝胶的生成速率影响较大[5]，通过提高Ca(OH)2含量可以有效促进水化反应的进行[6]，同时固化土体系中生成的钙矾石(AFt)等具有膨胀性质的矿物可以填充材料孔隙[7]，对于强度提升效果明显。一些学者将赤泥与脱硫石膏搭配，同样也取得了一定成果。对于赤泥-石膏-矿渣-水泥熟料胶凝体系，高术杰等[8]研究了不同种类石膏对于胶凝体系抗压强度的影响，指出添加不同种类石膏的材料水化产物类似，主要有AFt与CSH凝胶，脱硫石膏效果最好。祝丽萍等[9]通过X射线衍射(X-ray diffraction, XRD)、扫描电镜(scanning electron microscope, SEM)、核磁共振等研究了胶凝体系早期水化产物，指出反应初期有纤维状与细针状AFt生成，与CSH凝胶相互胶结，形成了致密的结构。

电阻率法作为一种快速的无损检测手段，可以通过电阻率这一材料固有电学参数，表征材料力学性质，缪林昌等[10]对水泥土电阻率模型进行了推导，分析了龄期、含水率等因素的影响。刘松玉等[11]分析了电阻率与UCS之间的关系，对应用电阻率法检测水泥土桩进行了可行性研究。董晓强等[12]对现场钻取的水泥土芯样进行了电阻率、UCS试验及渗透试验，进一步验证了电阻率法应用的可行性。文献[13-15]指出，固化土体系中生成的AFt等膨胀矿物与CSH凝胶的协调性对于材料强度影响较大，但对于两者协调性的检测难度较大。本文着眼于利用赤泥、脱硫石膏、水泥研发新型胶结剂，利用电阻率表征AFt等膨胀矿物的填充作用，研究了赤泥的添加对于赤泥-钙基复合水泥土强度与电阻率的影响。

1 材料与方法

1.1 试验材料

试验所用赤泥取自山西孝义某铝厂，属于拜尔法生产Al2O3的副产物;脱硫石膏取自山西太原市二电厂;水泥为普通42.5硅酸盐水泥;黄土取自山西太原东山某工地。

赤泥与脱硫石膏的扫描电镜图像及X射线射衍图谱如图1所示，图1(a)、图1(c)为赤泥、脱硫石膏扫描电镜图像，图1(b)、图1(d)为赤泥、脱硫石膏X射线射衍图谱。由图1可见，赤泥颗粒极小，呈细小片状颗粒堆积胶结而成，XRD分析可知赤泥中含有CaCO3、水化硅酸钙和其他成分复杂的矿物。相较于赤泥，脱硫石膏的颗粒尺寸较大，呈较规则的棱柱状晶体，主要成分为CaSO4·0.5H2O及CaSO4·2H2O。主要原材料化学成分组成见表1。赤泥、脱硫石膏、黄土粒径分布如图2所示。

表1 主要原材料化学成分组成

(a) 赤泥扫描电镜图像

图2 原料粒径分布

1.2 试验方法

原材料配合比见表2，其中以黄土质量为基准，赤泥掺量CR依次为3%、6%、9%、12%、15%，含水量统一设为29%。制样过程中原料总质量保持不变，加蒸馏水搅拌均匀后分层装入可拆卸三联钢模，振荡成型，制成边长70.7 mm立方体试样，得到试块的质量在680～690 g，同一配比试块质量差在5 g以内，使试样密实度相对一致。试样制备完成后标准养护至7、14、28 d，达到相应龄期后进行强度及电阻率试验。

表2 原材料配合比

抗压强度试验使用WAW-2000型微机控制电子万能实验机，选择位移控制，速率为1 mm/min，取破坏后试样用于XRD试验。取指定龄期的小块试样，置于无水乙醇中，经自然风干后将试样打磨为50 mm×50 mm、厚度为2～3 mm的片状样品，喷金后用于扫描电镜(SEM)试验。扫描电镜试验和能谱分析(energy dispersive spectrometer, EDS)试验采用UltimaIV 2036E102型电子显微镜进行试样的微观图像采集和元素分析。

参照文献[16-17]建议的试验方法，得到试样初始电阻率。参照文献[18]建议的试验方法，得到应力-应力-电阻率数据。

2 试验结果分析

2.1 强度分析

图3所示为不同赤泥掺量下养护龄期对抗压强度的影响。由图3可以看出，14 d龄期内试样抗压强度增长迅速，龄期后半段增长缓慢。CR分别为3%、6%、9%、12%、15%时，对应14 d龄期抗压强度分别为2.32、2.27、2.64、2.72、2.74 MPa，分别达到28 d龄期抗压强度的81%、74%、82%、83%、89%。14 d龄期对于试样强度的形成较为关键。

图3 养护龄期对抗压强度的影响

图4所示为不同养护龄期下赤泥掺量对抗压强度的影响。由图4可以看出，赤泥掺入对抗压强度有增强效果，在CR=12%时，抗压强度达到峰值。7、14 d龄期抗压强度变化幅度较大，28 d龄期抗压强度变化趋于平缓；当CR=6%时，7、14 d龄期试样抗压强度相较于CR=3%时出现下降；而当CR小于12%时，28 d龄期试样抗压强度表现为增加的趋势。在养护初期，由于复合水泥土内部水化反应尚未完全进行，在试样内部存在大量孔隙，CR=6%时对应脱硫石膏掺量为12%，在石膏掺量较小的情况下，生成的AFt无法有效填充孔隙，造成强度下降。养护后期，水泥水化反应基本完成，AFt对于试样中孔隙的填充效应逐渐明显，整体结构趋于致密，当CR=6%时28 d龄期试样的抗压强度出现明显增长。赤泥材料本身无法形成有效的强度，过量赤泥造成试样碱性较大，抑制水化反应的进行，因此CR=15%时抗压强度出现明显下降。

图4 赤泥掺量对抗压强度的影响

2.2 初始电阻率分析

图5所示为养护龄期对电阻率的影响。由图5可以看出，对于不同CR下，初始电阻率随养护龄期增长的变化趋势类似。图6为不同赤泥掺量下初始电阻率与抗压强度的关系，图6中每条直线对应的3个点表示3个不同的龄期。按照线性关系对图6中数据进行拟合，得到的线性方程如公式(1)所示：

图5 养护龄期对电阻率的影响

图6 不同赤泥掺量下初始电阻率与抗压强度的关系

qU=a+bρ,

(1)

式中，qU为抗压强度，MPa；ρ为初始电阻率，Ω·m；a、b为常数。初始电阻率与抭压强度线性方程相关参数见表3。除CR=9%外，其余掺量下R2>0.95，CR=12%时R2=0.98。总体而言，初始电阻率与抗压强度相关性良好。

表3 初始电阻率与抗压强度线性方程相关参数

图7所示为不同养护龄期下试样初始电阻率与赤泥掺量的关系。赤泥的掺入提高了试样初始电阻率，当CR=12%时，初始电阻率达到最大值，同时抗压强度也到达峰值。比较不同龄期下初始电阻率变化趋势，28 d龄期变化规律相较于7、14 d龄期表现出一定的差异性，变化幅度较大。电阻率作为土体固有的电学参数，表征试样内部结构变化。当CR较小时，对应脱硫石膏掺量较小，反应生成的AFt无法有效填充试样中的孔隙，抗压强度与初始电阻率较低。当CR=12%时，CSH凝胶与AFt协调性最好，AFt的填充效果明显，试样抗压强度与初始电阻率达到峰值。当CR较大时，过量的赤泥抑制了水化反应的进行，反应生成过量的AFt对孔隙结构有破坏作用，试样初始电阻率下降。AFt填充效应对试样孔隙的数量有较大影响，但土体孔隙率的测试不仅操作困难，同时价格昂贵，由于初始电阻率与强度相关性良好，可利用初始电阻率这一材料固有参数表征AFt与CSH凝胶生成速率的协调性。

图7 不同养护龄期下初始电阻率与赤泥掺量的关系

2.3 应力-应变-电阻率分析

根据文献[17]，当原材料相同配合比不同时，试样应力-应变-电阻率曲线具有相似性，因此取不同龄期的应力-应变-电阻率曲线进行分析。图8为CR=12%,龄期分别为7、14、28 d时试样的应力-应变-电阻率曲线图。复合水泥土应力-应变-电阻率曲线可分3个阶段进行讨论[19]：①初始加载阶段，此阶段应变增长较快，应力变化较小，试样内部孔隙被持续压缩，土体微观重组，孔隙水通道贯通，电阻率快速下降。②持续加载阶段，随应变增加，试样进入弹性变形阶段，此时应力快速增长，电阻率在经过快速降低后趋于稳定，在试样表面薄弱处有微小裂纹产生。③破坏阶段，当应力达到峰值后，随着应变进一步增长，应力迅速降低，直至试样发生破坏。试样表面裂纹迅速发展，形成了较大的裂纹，最终完全贯通。此阶段在可以观察到电阻率有上升的趋势，但变化幅度很小，可以认为电阻率保持稳定。

(a) 7 d

本文所选用试样采用振荡成型，与静压法成型的试样相比较[17]，应力-应变-电阻率曲线有所不同，静压法成型试样应力达到峰值后，随着试验的进行，试样电阻率有明显的上升，试验大约在应变达到5%后停止。采取振荡成型的试样，随应力增长，电阻率迅速降低至稳定值，之后变化很小，应变基本达到8%以上，此后随着试验进行，发现试样有被压成“饼状”的情形发生，对应于图8(a)中8%应变时应力-应变曲线相对平缓的现象。静压法成型试样试验完成后较破碎，振荡法成型试样试验完成后试样完整度较高。

2.4 SEM&EDS分析

图9 不同龄期下试样XRD图谱

图9为不同龄期下试样XRD图谱，为使分析更为全面，对56 d龄期试样同样进行XRD测试。对比可知，相较于7、28 d龄期试样，56 d龄期试样在10°附近有峰消失，此峰代表CaSO4·2H2O；同样代表CaSO4·2H2O的峰在30°至35°范围内也有消失，可见反应中有CaSO4·2H2O被消耗。7、14、28 d龄期试样的XRD图谱中都可以观察到有AFt与CSH凝胶生成。

图10为28 d龄期试样的SEM图像与EDS图谱，图10(b)、图10(d)依次为图10(a)、图10(c)中方框与椭圆框区域EDS图谱。图10(a)中可见有大量无定形CSH凝胶形成[20]，图10(c)中可见有大量短柱状AFt生成[8]，EDS元素分析证明了以上观点。由图1(a)、图1(c)可知，赤泥与脱硫石膏颗粒尺寸相差较大，在赤泥-钙基复合水泥土体系中，未参与反应脱硫石膏颗粒起到了骨架作用。反应过程中，试样碳酸化反应生成CaCO3，同时孔隙水中有的大量Ca(OH)2晶体析出。水泥水化生成的不定形CSH凝胶将CaCO3和Ca(OH)2晶体包裹，初步形成稳定结构。试样内部依旧存在大量孔隙，脱硫石膏反应生成的AFt填充其中，使试样孔隙大量减少，强度增长。

(a) ×5000

复合水泥土体系中，赤泥析出的OH-离子与脱硫石膏溶解产生的Ca2+相结合，使孔隙水中过量的Ca(OH)2析出，充足的Ca(OH)2对于体系水化反应较为关键[6]，在此过程中脱硫石膏起到了“补钙”的作用。赤泥中同时也含有部分水泥熟料的成分，同样参与水化反应。在赤泥的碱激发作用下，脱硫石膏发生火山灰反应生成了大量的AFt，AFt是具有膨胀性质的矿物，过量的AFt会破坏体系结构。原料中水泥水化反应提供了大量CSH凝胶。此时AFt与CSH凝胶生成速率的协调性对于试样强度发展很重要，AFt的孔隙填充效果越好，强度越大。

3 结论

① 赤泥掺入加速了水泥的水化进程，同时对脱硫石膏有激发作用，生成的AFt对于孔隙填充作用明显，CR=12%时CSH凝胶与AFt协调性最好，强度表现最优。

② 赤泥的掺入显著提高了赤泥-钙基复合水泥土的强度，选择配合比为：赤泥12%、脱硫石膏24%、水泥10%、黄土100%时，试样的强度表现最优。CR小于12%时，火山灰反应产生的AFt的填充效果随赤泥掺量的增加逐渐增强，CR大于12%时，生成的过量AFt对结构体系有破坏作用。

③ 赤泥的掺入对试样初始电阻率影响明显，初始电阻率随CR的增加而增加，当CR=12%时达到最大值，此后随着CR的增加而减小，初始电阻率与抗压强度线性拟合相关性良好。可利用初始电阻率表征AFt的填充作用。随着应力的增长，电阻率呈现出迅速下降后趋于稳定的特点。