冻融循环对碱激发高炉矿渣微粉加固软土强度的影响

邵 俐，李佩青，王彬杰

(上海理工大学 环境与建筑学院，上海 200093)

0 引言

高炉矿渣微粉(ground granulated blast furnace slag，简称GGBS)作为一种工业副产品，具有与水泥相似的胶凝性能，且具有稳定性好、活性高、成本低等优点[1-3]，因此可被用来代替波兰特水泥进行软土固化。高炉矿渣微粉发生水化反应产生的水化硅酸钙(CSH)和水化铝酸钙(CAH)能够使松散的土颗粒胶结，从而提高固化土的塑性指数和无侧限抗压强度[4-5]。

由于软土的强度低、孔隙比大等特性，仅添加GGBS的固化土耐久性和力学性质较差，且其本身的水化速度慢[6-7]，不足以满足工程需要。许多学者进行了大量的试验，研究表明在添加GGBS的基础上，再加入Na2CO3，NaOH，CaO或MgO等碱性激发剂能够有效地加速其水化反应，显著提高软土的抗压强度、降低孔隙体积和渗透系数[4,8-9]。Song等[10]通过试验改变矿渣/碱激发剂的比例，提高了固化土28 d的抗压强度。Wentao Li等[11]对比发现相比于水泥固化，MgO-GGBS的固化效果更好，且所造成的膨胀性更小。

复杂的气候环境会影响软土的固化效果。周梅等[12]研究发现地质聚合物胶砂强度受养护温度的影响较大，尤其对早期强度影响显著。Tebaldi[13]等对不同冻融循环次数下石灰改性土的试验表明随着冻融循环次数的增加，土体强度逐渐下降，而在10次循环后逐渐趋于稳定。董慧等[14]通过研究冻融水泥土发现冻融水泥土的无侧限抗压强度随着冻融循环次数的增加逐渐减小且冻融前后水泥土的应力应变曲线均呈应变软化型。柯睿等[15]研究发现冻融循环作用使固化淤泥土的内摩擦角和黏聚力减小，塑性破坏转变为脆性破坏，从而导致强度低、承载能力差。吴王意[16]对改性滨海水泥土进行冻融循环试验发现冻融循环对其强度有劣化作用，且主要发生在前期。吴燕开等[17]采用水泥、钢渣粉和NaOH改良膨胀土发现外掺料的水化作用能够产生胶凝物质，从而使膨胀土颗粒变得密实且冻融循环作用下，体积变化率降低。

目前关于GGBS在碱性激发剂促进下固化土体的研究有很多，且有研究表明石膏硫酸盐能够提高碱激发剂对GGBS活性的影响，使其强度进一步提高[18]，但大多数的研究都停留在标准养护条件下。本研究考虑到温度变化对碱激发高炉矿渣固化土特性的影响，利用复合激发剂激发原理，采用高炉矿渣微粉辅以石灰作为碱性激发剂并外掺石膏和硫酸钠的方法对上海地区软土进行固化处理，通过无侧限抗压强度试验、X射线衍射(XRD)试验和扫描电镜(SEM)试验，研究了标准养护和冻融养护两种条件下固化土的强度特性，对比分析冻融循环养护条件对其特性的影响，并通过XRD试验和SEM试验探究其微观机理。

1 试验方案与方法

1.1 试验材料

试验所用的软土取自上海地区，其基本物理性质如表1所示。

表1 土体的基本物理性质Tab.1 Basic physical properties of soil

图1 土体的粒径分析Fig.1 Particle size analysis of soil

土体的颗粒级配用BT-9300Z型激光粒度分布仪测得(如图1)。所用矿渣为标号S105的矿渣微粉，石灰为分析纯CaO，材料的具体化学成分如表2所示，所用外掺剂石膏和硫酸钠均为分析纯试剂。

表2 材料的化学组成成分Tab.2 Chemical compositions of materials

1.2 试验方案

为研究冻融循环养护条件对添加外掺剂固化软土强度特性的影响，本试验采用4种掺入方案，分别为单掺GGBS，Lime+GGBS，Lime+GGBS+石膏，Lime+GGBS+硫酸钠。固化剂(GGBS，Lime+GGBS)的总掺入量均为干土质量的20%，且经过前期的试验研究，Lime与GGBS的最佳配合比为6∶14，石膏硫酸盐外掺剂的掺量为固化剂的5%。为了与标准养护条件形成对比，各掺量组别设置在标准养护及冻融循环养护两类养护条件下养护7，14，28，60，90，120 d。具体试验方案如表3所示。

表3 两种养护条件试验对比Tab.3 Comparison of 2 curing conditions

1.3 试验方法

固化土试样制作过程：(1)将现场所取的软土放入105 ℃恒温干燥箱中烘干8 h后，进行粉碎并过0.5 mm筛；(2)按照42%的天然含水率计算并称取所需干土、固化剂、外掺剂和水的质量；(3)将干土与称取好的干燥的固化剂及外掺剂搅拌均匀后加入定量的水进行拌和；(4)将拌和均匀后的土分层装入直径为39.1 mm，高度为80 mm的圆柱形模具中，通过分层振捣后将表面刮平成型；(4)盖上塑料薄膜，48 h后脱模并放入塑料密封袋中，并进行标号。为了减小试验误差，每组试验做3个平行样，试验结果取其各组的平均值。

养护过程：为研究冻融对固化效果的影响，试验中分两类养护条件，第1类试块放入恒温恒湿标准养护箱中进行养护，设置养护温度为18～22 ℃，控制相对湿度≥95%；第2类在冻融条件下进行养护，所用仪器为WGD501冻融试验箱，冻融循环养护温度范围为-10～30 ℃，设置程序在1 h 内升温至30 ℃并保持此温度2 h，然后1 h降温至-10 ℃并保持此温度2 h，至此为一个冻融循环。养护龄期分别为7，14，28，60，90，120 d。

试样养护到预定龄期后进行以下试验：(1)根据《公路土工试验规程》(JTG E40—2007)进行试样的无侧限抗压强度试验。(2)对无侧限抗压强度试验破坏后的小块样品进行真空冷冻干燥预处理，为了消除土中水分对试验的影响，用国产LGJ-10D型冷冻干燥机对土样进行脱水处理，确保含水率降至1%以下，以保证成像效果。选取干燥处理后的样品中含有较好自然断裂面的小薄片用手轻轻掰成约为10 mm ×10 mm ×5 mm的方片，在其表面均匀连续地喷镀厚度为10～20 nm的金膜后进行SEM试验。(3)对固化土破碎较好的部分进行烘干后碾压过0.075 mm筛，得到均匀粉末进行XRD试验。

2 试验结果与分析

2.1 无侧限抗压强度

图2(a)为标准养护条件下固化土的无侧限抗压强度随养护龄期的变化规律，可以看出随着养护龄期的增加，固化土的无侧限抗压强度不断增大。单掺GGBS固化土强度随着养护龄期的增加呈线性增长，且60 d前的增长速率大于60 d后，其主要原因是随着水化反应的进行，后期GGBS含量减少，从而造成强度增长速率降低。GGBS+Lime固化土的强度在28 d前有大幅提升(28 d强度为5 148.8 kPa)，这表明Lime提供的碱性条件可使GGBS表现出明显的水硬性能，同时石灰与水反应生成的Ca(OH)2与矿渣中的活性SiO2，Al2O3作用生成CSH和CAH凝胶[19]，将土颗粒包裹、胶结，有效地提高土体的抗压强度。在此基础上加入石膏或硫酸钠可以进一步增强土体抗压强度(120 d强度分别由7 018.9 kPa提高至8 371.8 kPa，7 902.3 kPa)，说明高炉矿渣自身的活性较低，碱性条件和石膏硫酸盐能激发矿渣的活性，促进其水化反应，使得固化土强度大幅提高。比较添加石膏和硫酸钠的两种情况，可以看出添加石膏的效果略优于硫酸钠，主要原因在于石膏在这个体系中不仅能够起到碱激发剂的作用，同时还可作为强度增强剂，提高固化土的无侧限抗压强度[17]。图2(b)为冻融养护条件下无侧限抗压强度随龄期的变化规律，由图可知：其无侧限抗压强度增长规律与标准养护条件下的固化土相似，但冻融循环条件下试样的强度均有不同程度的降低。

图2 固化土的无侧限抗压强度与龄期的关系Fig.2 Relationships between unconfined compressive strength of solidified soil and curing period

图3 两种养护条件下固化土的强度对比Fig.3 Comparison of strengths of solidified soil under 2 curing conditions

图3为两种养护条件下固化土无侧限抗压强度对比图，从图中可以看出，在7 d时(如图3(a)所示)冻融养护对各组固化土的影响较小，单掺GGBS组甚至出现冻融循环养护提高固化土强度的现象，这主要是因为前期土体的含水量较大，高炉矿渣能与土中水充分接触且30 ℃的条件下在一定程度上促进了其水化反应，同时在冷冻过程中土体内部发生冻胀，使其产生微裂缝，水分扩散加快使水进入土体内部与未完全水化的GGBS进一步发生水化反应，产生胶凝物质填充微裂缝和颗粒孔隙，一定程度上弥补了土体的强度的损失，因此强度相差不大。但是这种填充效果并不是一直进行的，随着养护龄期的增加(如图3(b)～(f))，固化土的无侧限抗压强度在冻融循环条件下明显降低，分别下降了22.4%，54.1%，51.6%，48.0%，其原因是随着养护龄期的增加，高炉矿渣水化反应逐渐完全，标准养护条件下强度较大，而冻融循环时土中水冻结膨胀使得土颗粒重新排列，微裂隙不断增多，破坏了固化土原本的结构，同时冻融循环次数的增加使其对水化反应的抑制作用增强，产生了破坏作用。

图4为强度变化率(冻融养护条件下固化土无侧限抗压强度与标准养护下固化土无侧限抗压强度之比)与龄期之间的关系。冻融循环对试样无侧限抗压强度影响越大，强度变化率越偏离1。从图中可以看出，随着养护龄期的增加，强度变化率减小，说明冻融循环次数增加，对各试样的影响增大。4组对比，GGBS组的强度变化率最小，说明其受冻融循环影响大；石膏硫酸盐的加入，能够在一定程度上降低冻融循环的影响，且Lime+GGBS+硫酸钠一组的强度变化率均大于Lime+GGBS+石膏，说明加入硫酸钠对冻融循环作用的抵抗性更强。两种养护条件下无侧限抗压强度的对比(见图2)，冻融条件下加入硫酸钠的强度反高于添加石膏固化土，也证明添加硫酸钠能更好地抵抗冻融循环的影响。

图4 强度变化率与龄期关系Fig.4 Relationship between change rate of strength and curing period

2.2 应力应变关系

图5为养护60 d时固化土的应力应变关系。由图可知，固化土的应力应变曲线可以分为4个阶段：弹性阶段、塑性阶段、强度屈服阶段和应力衰减阶段。在土体中单掺GGBS时，土体弹性阶段斜率较小，而当土体中同时掺入石灰和高炉矿渣时，弹性阶段的斜率增加，说明其水化反应产物的胶结作用提高了固化土的弹性模量。各组固化土的破坏应变均处于1.5%～4%之间，均属于应变软化型破坏，且加入复合激发剂时，破坏应力增大而破坏应变减小，主要是由于高炉矿渣水化反应产生的CSH和CAH凝胶的连接作用阻碍了裂隙的发展。

图5 养护60 d的应力应变关系Fig.5 Stress-strain relationship after curing for 60 days

两种养护条件下固化土的破坏应变图如图6所示，可以看出两种养护条件下随着龄期的增加，各组固化土的破坏应变均减小，说明GGBS发生水化反应产生凝胶增强了土颗粒间的黏结作用，结构相对有韧性。对比图6(a)，(b)，可以看出冻融养护条件下固化土的破坏应变相对较高，主要原因是冻融循环抑制了水化反应，使得产生的胶凝物质减少，同时土中水的冻胀作用在一定程度上破坏了固化土的胶凝结构，改变了固化土的结构，抵抗土体变形的能力降低。在标准养护条件下，添加石膏固化土的破坏应变更小，说明在石膏的作用下高炉矿渣产生的胶凝物质更多，结构更有韧性；而对比冻融养护条件下各组固化土的破坏应变可以看出，添加硫酸钠后的破坏应变小于添加石膏的固化土，进一步说明添加硫酸钠能够抵抗冻融循环的影响。

图6 两种养护条件下固化土的破坏应变曲线Fig.6 Curves of damage strain of solidified soil under 2 curing conditions

2.3 扫描电镜(SEM)分析

图7为各组固化土试样养护60 d后放大10 000倍的扫描电镜图，可以看出单掺GGBS中虽然存在无定型凝胶相产物，但仍有较多的孔隙存在，土颗粒间黏结效果弱，土体结构仍较松散，而其他3组固化土中碱性环境的存在，使得高炉矿渣的水化反应程度提高，土体结构比较紧密，孔隙较少，且存在大量的纤维状水化产物，土颗粒间有明显的的针状物连接，颗粒表面有絮状物包裹，使得土体形成黏聚体，因而无侧限抗压强度高。对比标准养护和冻融养护条件下的SEM图，以图7(c)为例可以看出标准养护条件下固化土的结构致密均一，整体性好，无明显的大孔隙。而冻融养护条件下土颗粒较为破碎，生成的凝胶物质比标准养护条件下少且孔隙相对于标准养护下较多，同时可以看出仍有较多的高炉矿渣存在，说明其水化不充分。主要是因为冻融循环条件下土中水冻结，影响了火山灰反应，进而导致高炉矿渣微粉的水化反应程度降低。且土体发生冻胀，破坏了土骨架结构，土体中存在较多孔隙，使其固化土的强度远小于标准养护条件下土体的强度，与前面分析无侧限抗压强度的情况相符。

图7 龄期60 d的各组固化土的SEM照片Fig.7 SEM images of solidified soil after curing for 60 days

2.4 X射线衍射(XRD)分析

图8 标准养护60 d各组固化土与原状土的XRD衍射图Fig.8 X-ray diffractograms of different groups of solidified soil and undisturbed soil after standard curing for 60 days

为探究土体固化后的物相含量组成，对各组土进行XRD试验，并利用Jade软件找出主要产物并标注物相相应的峰。图8为标准养护60 d后各组土与原状土的XRD衍射对比图，可以看出原状土中的主要物质为石英(SiO2)，还有钠长石(NaAlSi3O8)、钙铝黄长石(CaAl2Si2O8)、高岭石(Al2SiO5)等黏土矿物质。在单掺GGBS情况下，仅检测出少量的水化硅酸钙(C-S-H)；在此基础上加入Lime为其提供碱性环境，高炉矿渣微粉水化反应加剧，消耗了大量SiO2使其衍射峰值降低，同时反应生成水化硅酸钙凝胶(C-S-H)和水化硅铝酸钙凝胶(C-A-S-H)；石膏和硫酸钠的加入并没有明显改变水化生成物的物相种类，但随着SiO2含量的减少，凝胶的生成量增多，增加了土颗粒之间的黏结性，这是导致固化土无侧限抗压强度提高的主要原因。

图9为冻融养护60 d时各组固化土的XRD衍射图，可以看出在冻融循环的作用下，水化硅酸钙(C-S-H)和水化硅铝酸钙凝胶(C-A-S-H)的衍射峰数量少且峰值均低于标准养护条件下的衍射峰值，而SiO2、钠长石等的衍射峰值相对较高。主要由于冻融循环作用会抑制高炉矿渣微粉的水化反应，使得参与反应的SiO2的消耗量减少，水化产物的生成量较少，故而固化土的强度相对较低。

图9 冻融养护60 d各组固化土的XRD衍射图Fig.9 X-ray diffractograms of different groups of solidified soil after freeze-thaw cycle curing for 60 days

3 结论

本研究在标准养护和冻融养护两种条件下，针对掺加4种不同固化剂的固化土强度和微观结构进行了研究。主要有以下几个结论：

(1)GGBS自身的活性较低，单独固化软土的效果较差，但在Lime提供的碱性环境下，能够很好地发生水化反应，增强土体强度。石膏和硫酸钠作为外掺剂，可以进一步促进高炉矿渣的水化反应，同时石膏还能够起到强度增强剂的作用，效果略优于硫酸钠。

(2)两种养护条件下，固化土的无侧限抗压强度均随龄期的增长而增大。在冻融养护条件下，养护初期由于土中水含量较大、冻融循环次数较少，无侧限抗压强度与标准养护条件下相差不大。但随着养护时间的增长，各组固化土强度均低于标准养护下的土体强度，说明冻融循环抑制了高炉矿渣的水化反应，且对固化土的结构造成破坏。

(3)在软土中加入复合激发剂后，土体的弹性模量增加，破坏应变减小，破坏应力增大。由于冻融循环抑制了GGBS的水化反应，其破坏应变相较于标准养护下较大。两种养护条件下，各组固化土的应力应变关系均为应变软化型。

(4)GGBS在Lime提供的碱性环境下发生水化反应产生大量CSH和CAH凝胶，增强土颗粒间的黏结作用，颗粒表面有絮状物包裹，黏结成为整体，使结构更加致密。养护龄期越长，土体的整体性越好，越难看到粒间孔隙。冻融条件对水化反应的抑制作用，使得胶凝物质比标准养护条件下量少，整体性较差，且在SEM照片中仍能发现未反应的高炉矿渣微粉。

(5)复合激发的情况下，高炉矿渣微粉的水化反应程度高，SiO2的消耗量均大于单掺情况，且水化凝胶物质的产量也较多。冻融循环在一定程度上抑制水化反应，使得凝胶物质的生成量降低，从而导致固化土的强度低于标准养护条件下的强度，但其并不改变固化土的物相类型。