水泥-碱渣改良膨胀土干湿循环耐久性及其劣化机制试验研究

刘晶晶, 吴东彪, 许龙, 于鹏, 黄生伍,3

(1.安徽省城建设计研究总院股份有限公司博士后科研工作站, 合肥 230051; 2.合肥工业大学资源与环境工程学院, 合肥 230009; 3.中国建筑材料工业地质勘察中心山西总队, 太原 030031)

中国膨胀土分布广泛,分布面积超过10万km2,是发生膨胀土地质灾害最为频繁的国家之一[1-2]。受其吸水膨胀、失水收缩特性的影响,季节性降雨可使膨胀土地基经历反复的胀缩变形,最终导致地基出现隆起、沉降、开裂等明显的结构性破坏,严重威胁交通工程、水利工程以及工民建的安全稳定运行[3]。

目前,化学法是应用最为广泛的地基土改良技术之一,可有效消除或削弱膨胀土的胀缩性,使其工程性质得到明显改善[4-6]。然而,在反复的干湿循环作用下,经石灰、水泥等传统水硬性材料改良的膨胀土的力学性能和胀缩性仍会出现较明显的劣化现象[7-8]。Al-Taie等[9]指出,在完成第二次干湿循环时,石灰改良膨胀土的膨胀量达到最大值;并指出,干湿循环对改良膨胀土胀缩性能的影响与试样含水率和压实应力密切相关。张栋等[10]发现,不同类型的膨胀土经水泥和石灰改良后,其干湿循环耐久性存在显著差异。Adhikari等[11]通过试验得出,经水泥与石灰改良的膨胀土,分别在完成第二次和第五次干湿循环时出现结构性破坏。而Abdullah等[12]则指出,增加水泥掺量可有效提高改良膨胀土的干湿循环耐久性。然而,当干湿循环次数大于3次时,其无侧限抗压强度随着干湿循环次数的持续增加而明显减小。此外,Maheepala等[13]认为,干湿循环改变了土体内部的有效孔隙体积,进而削弱了膨胀土的储水能力,因而导致其膨胀势有所增加。此外,干湿循环破坏了改良土中团聚体内颗粒的胶结作用,使得改良土的膨胀性进一步增大[14]。另一方面,水泥、石灰等传统改良剂的生产伴随着矿石资源消耗、能源耗损以及温室气体大量排放等问题,严重制约了中国生态环境建设的可持续发展。因此,为了进一步改善膨胀土的工程性质,巩固其干湿循环耐久性,同时减少水泥、石灰等能源消耗型材料的耗损,部分学者尝试将固体废渣用于膨胀土的改良。吴燕开等[15]研究发现,与未改良的膨胀土相比,水泥改良膨胀土、水泥-钢渣改良膨胀土的无荷膨胀率均下降95%以上;在干湿循环作用下,水泥-钢渣改良膨胀土的体积、质量变化率最低。Sahoo等[16]比较了石灰、水泥和碱激发矿渣改良膨胀土的湿胀变形特征。结果指出,碱激发矿渣改良膨胀土抗湿胀变形能力最优,强度损失率明显低于水泥、石灰改良土。Chowdary等[17]发现,水泥改良膨胀土在经历6次或7次干湿循环时,其物理力学性能已不能满足工程实践要求;而碱激发矿渣改良膨胀土在完成12次干湿循环时,其工程性质仍满足规范要求。综上所述,与单独使用一种改良剂相比,将废渣与水泥或石灰混合对膨胀土进行改良可使其表现出更优的干湿循环耐久性。

碱渣是氨碱法制碱过程中排放的固体废渣,其主要成分为CaCO3、CaCl2、CaSO4及少量CaO等,pH为9～11,呈碱性,粒径较细[18]。基于上述化学组成、酸碱性、颗粒级配等特征,孙孝海等[19]和张文豪等[20]对碱渣改良膨胀土的可行性进行了试验研究。试验结果指出,掺入适量碱渣可有效降低膨胀土的膨胀性,最优掺量为30%。此外,与碱渣+水泥/石灰改良膨胀土相比,单独使用碱渣的改良效果更加。而碱渣作为膨胀土改良剂的主要作用机理主要体现在3个方面[21-22]:碱渣的主要成分CaCO3可作为土体骨架,加强颗粒间的咬合作用力,可提高土体的抗剪强度;CaCl2、CaSO4等可溶钙盐遇水可释放Ca2+与黏土颗粒表面的单价阳离子发生离子交换作用,导致土颗粒表面结合水膜变薄,进而导致土体胀缩性减弱;CaO水化与土中SiO2或Al2O3发生火山灰反应,生成水化硅酸钙、水化铝酸钙等胶凝产物,使得团聚体间胶结作用力增强,土体强度进一步加强。目前,关于碱渣改良膨胀土的研究较少,现有结论有待考证;而关于碱渣改良膨胀土干湿循环耐久性的研究更是鲜有报道。因此,在满足膨胀土改良要求的同时,拓宽碱渣的综合回收利用途径,提高碱渣综合回收利用率,有必要对碱渣改良膨胀土开展系统的干湿循环耐久性试验研究。

现通过系统的室内试验对水泥-碱渣改良膨胀土进行干湿循环耐久性研究,并借助微观测试技术揭示其劣化机制。首先,通过常规土工试验评价水泥-碱渣改良膨胀土的改良效果;其次,通过无侧限抗压强度试验掌握干湿循环作用对改良膨胀土力学性能的影响;再次,通过记录干湿循环过程中试验的质量、体积和表观的变化,分析干湿循环作用对改良土宏观形貌的影响;最后,利用扫描电镜(scanning electron microscope,SEM)、热重分析(thermogravimetric analysis,TGA)和压汞试验(mercury intrusion porosimetry,MIP)等微观测试技术分析水泥-碱渣改良膨胀土的改良机理,以及干湿循环作用下改良土微观形貌、矿物成分及孔隙分布特征的演化规律,进一步揭示水泥-碱渣改良膨胀土的干湿循环劣化微观作用机制。

1 试验材料与方法

1.1 试验材料

(1)试验用土。试验所用膨胀土取自安徽省淮南市寿县炎刘镇,取土深度3～4 m,土样呈黄褐色,含有钙质或铁锰结核,呈坚硬状态,基本物理指标如表1所示。根据《土的工程分类标准》(GB/T 50145—2007),原状土的液限和塑性指数分别58.9%和31.6,属于高液限黏土。试验用土自由膨胀率为58%,属于弱膨胀土。

表1 原状土基本物理性质指标

(2)改良剂。选择商用C42.5型普通硅酸盐水泥(简称C)和碱渣(简称SR)按不同比例混合对膨胀土进行改良,水泥购自合肥市某水泥批发市场,碱渣购自山东省潍坊市某碱厂。表2所示是水泥和碱渣的X射线荧光光谱分析结果,其主要化学成分包括CaO、SiO2和Al2O3等。此外,图1给出了碱渣的矿物成分分析结果,其主要矿物成分为方解石、霰石、硫酸钙和氯化钙等。

图1 碱渣的主要矿物成分[23]

表2 水泥和碱渣的主要化学成分

1.2 制备试样

1.2.1 设计配合比

改良剂总掺量设计为10%,即水泥和碱渣的质量总和与干土的质量比为1∶10;水泥和碱渣的质量比为0∶10、1∶9、3∶7和5∶5,分别用C10SR0、C9SR1、C7SR3和C5SR5表示。

1.2.2 制样步骤

根据研究目的,需制备柱状试样和环刀试样若干,试样尺寸分别为Ф50 mm×H100 mm和Ф61.8 mm×H20 mm。具体制样步骤如下。

步骤1将膨胀土、水泥和碱渣在105 ℃烘箱内烘干24 h,取出、碾碎,膨胀土过2 mm筛,水泥和碱渣过0.5 mm筛。

步骤2根据设计配合比,称量一定质量的干土、水泥和碱渣拌合均匀。

步骤3将含水率控制为干土-改良剂混合物的塑限,称取适量去离子水,将其均匀喷洒在混合料表面,并迅速搅拌均匀。

步骤4称取一定质量的拌合料倒入模具,利用万能试验机以0.5 mm/min的位移速度压实土样,试样干密度控制为天然膨胀土最大干密度的90%。

步骤5将制好的试样用保鲜袋密封,放入标准养护箱进行养护[温度(22±2) ℃、相对湿度95%±2%],养护龄期设计为1、7、14和28 d。

1.3 试验方法

1.3.1 基本物理指标测试

将完成指定龄期养护的试样放入45 ℃烘箱,烘干、碾碎。根据《公路土工试验规程》(JTG 3430—2020),对试样进行界限含水率试验(过2 mm筛)和自由膨胀率试验(过0.5 mm筛)。

1.3.2 干湿循环试验

为了掌握自然降雨与蒸发过程中改良膨胀土工程性质的长期演化规律,对完成28 d标准养护的改良土进行干湿循环试验[24]。

步骤1取出完成养护的试样,测量试样的初始质量M0。

步骤2将试样放入底部置有透水石和滤纸的容器中,然后向容器中加入去离子水直至浸没试样,静置24 h。

步骤3完成浸泡后取出试样,拭去试样表面附着水,测量并记录试样质量Miwet。

步骤4将试样放入温度设置为(50±2) ℃的烘箱,持续干燥23 h。

步骤5完成干燥后,将试样取出,静置于实验台上,当试样温度降至与室温相同时,测量并记录试样质量Mi。

上述过程记为1次干湿循环,设计干湿循环次数为0、1、3、5、8和12次。试样经历i次干湿循环的质量损失记为ML,公式为

(1)

1.3.3 力学试验

根据《公路土工试验规程》(JTG 3430—2020),进行无侧限抗压强度试验和一维固结压缩试验:前者试样应变速率控制为1 mm/min;后者采用快速固结法,设置荷载梯度为25、50、100、200、400、800 kPa,判稳方式为最后一级荷载持续 24 h。

1.3.4 微观测试

为了避免试样出现干缩变形、水化反应的持续进行对试验结果造成干扰,在进行微观测试分析前需对试样进行冻干处理:首先,将待测样品切成规则的长方体,横截面面积约5 mm×5 mm;然后,将样品放入液氮中迅速冻结、取出,放入Alpha 1-4 LDplus 型冻干机内,真空冻干24 h,密封保存。

(1)扫描电子显微镜试验。将冻干的样品轻轻掰断,保留断面(观测面)不被扰动。用刀片削平底面,将试样厚度控制在3～5 mm,并用毛刷轻轻扫除浮在观测面上的土颗粒。为了加强试样导电性,用导电胶将其固定在载样盘上进行真空喷金处理,然后进行SEM测试。

(2)热重分析。将试样放入45 ℃的烘箱内烘干,碾碎,过0.075 mm筛,用于TGA测试。测试条件设定为:①惰性气体(N2)流速设置为50 mL/min;②吹扫时间设置为10 min;③温度范围设置为25～1 000 ℃;④加热速率为5 ℃/min。

(3)压汞试验。将冻干试样切成边长约5 mm的立方体用于MIP测试。MIP试验包括两个加压阶段:低压系统的加压范围是3.6～200 kPa,进汞时间设为10 s/点;高压系统的加压范围是0.2～241.3 MPa,进汞时间设为60 s/点。

2 试验结果与分析

2.1 改良膨胀土的基本物理性质

2.1.1 界限含水率

图2是改良膨胀土的液限和塑性指数与水泥-碱渣质量比的关系曲线。由图2可知,经7 d和 28 d 养护的水泥-碱渣改良膨胀土的液限分别为41.9%～43.0%和40.2%～41.6%、塑性指数分别是12.9～14.2和9.6～12.1。与原状土相比(液限58.9%,塑性指数31.6),改良膨胀土的液限和塑性指数显著降低。

图2 界限含水率与改良剂配比的关系曲线

水泥、碱渣水化释放出大量的Ca2+与黏土矿物表面的低价阳离子(Na+、K+)发生阳离子交换作用,导致黏土颗粒表面双电层厚度减小,结合水膜厚度也随之减小,土颗粒持水能力降低。另一方面,随着养护龄期的增加,水化胶凝产物逐渐增多。这些胶凝产物可有效胶结、团聚土颗粒,或填充土体孔隙,增大粗粒组分含量,最终导致土体界限含水率发生明显变化。

图3是不同配比的改良土在养护1、7、14、28 d时的塑性图。改良前,天然膨胀土属于高液限黏土;而经水泥-碱渣改良后,塑性明显减小,土性由高液限黏土转变为低液限粉土。改良土土性的变化可归因于加入改良剂改变了膨胀土的阳离子交换能力、硅酸盐矿物的相对含量以及可塑成分的含量[25]。

PI为塑性指数;wL为液限

2.1.2 自由膨胀率

图4是不同龄期的水泥-碱渣改良膨胀土自由膨胀率的变化曲线。与天然膨胀土相比(自由膨胀率为58%),经水泥-碱渣改良后试样的自由膨胀率明显降低,降幅为29.3%～75.9%。尽管增加碱渣的掺入量会导致自由膨胀率降幅减小,但试样的膨胀性仍能得到明显改善,证明了在改良膨胀土中用碱渣替换部分水泥的可行性。

图4 水泥-碱渣改良膨胀土的自由膨胀率变化曲线

Erzin等[26]指出,膨胀土的胀缩性受其阳离子交换容量、比表面积和孔隙液pH控制。如图2所示,经水泥-碱渣改良后,膨胀土液限和塑性指数均明显降低。说明其阳离子交换容量和比表面积减小,最终导致膨胀土的胀缩性显著降低。此外,水泥和碱渣提供的碱性环境使黏土矿物中的硅酸盐组分大量溶解,黏土矿物相对含量减少,进而导致黏性土膨胀性减小[27]。

2.2 无侧限抗压强度

水泥-碱渣改良膨胀土的无侧限抗压强度变化曲线如图5所示。与原状土相比(270 kPa),水泥-碱渣改良膨胀土的无侧限抗压强度显著增大,并且随养护龄期增加而增大。试样强度大幅增长可归因于水化硅酸钙、水化铝酸钙、钙矾石等水化胶凝产物、火山灰反应产物对土体孔隙的填充以及对土颗粒/土团聚体的胶结作用,使土体结构更加致密、完整[28-29]。

图5 水泥-碱渣改良膨胀土的无侧限抗压强度变化曲线

随着水泥-碱渣质量比减小,试样强度随之降低:当碱渣替换水泥的量为10%和20%时,试样强度降幅较小,特别是养护龄期为14 d和28 d的试样强度几乎没有变化;而当替换量为30%～50%时,试样强度明显下降,但强度降幅随养护龄期增加而减小。当水泥被碱渣少量替换时,尽管会导致水泥水化产物生成量减少,但水泥水化提供的强碱性环境可使碱渣中的SiO2和Al2O3分解,并进一步激发火山灰反应,生成水化硅酸钙和水化铝酸钙等胶凝产物。因此,当碱渣掺入量较低时,对改良土强度发展影响较小。然而,当水泥被替换的量较高时,水化胶凝产物明显减少,水化反应释放的OH-也随之减少,因此抑制了碱渣的火山灰反应。此外,尽管碱渣中的碳酸钙组分可作为土体骨架、或填充土体孔隙,但碱渣颗粒本身无黏性,无法胶结土颗粒或团聚体。因此,在碱渣掺量较高条件下,改良土的力学性能有所降低。

依据《公路路面基层施工技术细则》(JTG/T F20—2015)对水泥-碱渣改良膨胀土的改良效果及其路用性能进行评价,结果如表3所示。评价结果指出,除了不能满足高速公路和一级公路极重、特重、重交通以及二级及二级以下公路极重、特重交通对基层材料强度的要求之外,水泥-碱渣改良膨胀土的无侧限抗压强度符合其他各等级公路的基层和底基层材料的强度标准。综上所述,水泥-碱渣可有效改善膨胀土的强度性能,根据不同等级公路对结构层设计强度的要求适当调整碱渣掺入量,使其既能满足改良膨胀土强度的使用要求,又能提高碱渣的利用率,最终实现废物回收利用、节约资源、节约成本、绿色环保的目的。

表3 水泥稳定材料的7 d龄期无侧限抗压强度标准

2.3 干湿循环耐久性

2.3.1 宏观形貌演化规律

图6是完成28 d养护的试样经历0、1、3、5、8、12 次干湿循环时的表观形貌特征。

图6 干湿循环过程中试样的宏观形貌演化过程

如图6所示,在干湿循环作用下,所有改良土的主要破坏特征是剥落,试样表面无明显宏观裂缝发育。试样C10SR0和C9SR1在经历5次干湿循环时出现明显的剥落现象,而试样C7SR3和C5SR5则是在经历3次干湿循环时就出现剥落现象,并随干湿循环次数的增加逐渐劣化。

2.3.2 累积质量损失

试样的累积质量损失率与干湿循环次数的关系曲线如图7所示。试样C10SR和C9SR1的质量损失率相对较小;在完成12次干湿循环时,两者累积质量损失率均低于20%。试样C7SR3的质量损失率略高于C10SR0和C9SR1,并在完成4次干湿循环时质量损失增长速率有所提升。试样C5SR5的质量损失率则明显高于其他3组试样,并且在完成两次干湿循环后出现快速增长。由此可知,在干湿循环作用下,改良土的质量损失变化规律与其表观形貌演化规律基本一致。

图7 累积质量损失率与干湿循环次数之间的关系

2.3.3 无侧限抗压强度

对28 d龄期的试样进行干湿循环试验,其无侧限抗压强度与干湿循环次数的关系曲线如图8所示。

图8 干湿循环作用下水泥-碱渣改良膨胀土的无侧限抗压强度变化规律

由图8可知,随着干湿循环次数的增加,试样C10SR0和C9SR1的无侧限抗压强度变化曲线可分为3个阶段:①当干湿循环次数为0～5次时,试样强度略有波动,整体变化不大;②当干湿循环次数从5次增加到8次时,试样强度快速下降,强度损失速率显著增大;③而当干湿循环次数从8次增加到12次时,强度损失速率明显放缓,试样强度处于缓慢下降阶段。已有研究指出,水泥的水化反应在养护28 d时并没有结束。水泥-碱渣改良土内部持续生成的水化胶凝产物的填充及胶结作用进一步巩固了试样结构,利于强度发展;而在干湿循环作用下,试样出现反复的胀缩变形导致试样内部形成微裂缝,破坏结构完整性,不利于强度发展。因此,水化反应持续进行所产生的正面影响与干湿循环作用所引起的负面影响相互耦合,最终导致试样强度在干湿循环初始阶段产生小幅波动。随着干湿循环次数的增加,试样内部原有微裂缝继续扩张,同时又有新的微裂缝不断生成,导致试样结构有原来的致密状向松散状转变。此时,干湿循环所产生的负面影响占主导地位,从而使得试样强度明显降低。当完成8次干湿循环时,试样结构达到新的动态平衡。因此,继续增加干湿循环次数对试样结构的影响逐渐减小。此时,试样强度的变化趋势区域平缓。

与试样C10SR0和C9SR1相比,干湿循环作用下,试样C7SR3和C5SR5的无侧限抗压强度发展规律则有所不同:当经历1～3次干湿循环时,其无侧限抗压强度损失速率即达到最大值;而随干湿循环次数的增加,试样强度的损失速率逐渐减小并趋于平缓。其原因主要是因为水泥/碱渣掺入比的减小削弱了水化反应和火山灰反应对试样结构的积极影响;同时,碱渣本身具备较强的吸湿能力,相应地,改良土的吸湿能力也随碱渣掺量的增加而有所提升。因此,在干湿循环初始阶段,试样C7SR3和C5SR5的无侧限抗压强度即表现出较明显的下降趋势。

3 分析与讨论

3.1 水泥-碱渣改良膨胀土的微观作用机理

3.1.1 热重分析

对不同龄期、不同水泥-碱渣质量比的改良膨胀土进行热重分析,结果如图9所示。经水泥-碱渣改良的膨胀土中有水化硅酸钙(CSH)、钙矾石(AFt)、水化铝酸钙(CAH)、氢氧化钙[Ca(OH)2]和碳酸钙(CaCO3)等水化/火山灰反应产物生成。这类胶凝产物填充土体孔隙、胶结土颗粒,从而形成致密的土体结构,最终使改良土的工程性质得到明显改善。

TG表示热重量,即当前温度或时间的样品质量与初始质量之比;DTG表示热重微分,即TG曲线上的各点对时间的微分

如图9所示,对比试样C8SR2-7 d和C8SR2-28 d 可知,养护龄期增加使试样中CSH生成量明显增多,而AFt、CAH、Ca(OH)2和CaCO3相对含量基本不变。由此可以证明,水泥-碱渣改良膨胀土无侧限抗压强度随养护龄期增加而增大主要归因于CSH生成量增多。与试样C10SR0-28 d相比,试样C8SR2-28 d中CSH、 AFt、CAH和Ca(OH)2等主要矿物组分相对含量无明显变化,只有CaCO3的相对含量明显增大。说明碱渣掺量较低条件下,水泥水化提供的强碱性环境可进一步激发碱渣发生火山灰反应,促进CSH的形成;而碱渣中的CaCO3也能填充部分土体孔隙,利于土体形成致密结构[30]。因此,使用碱渣替换少量水泥并没有对改良土的强度发展产生明显的负面影响。然而,随着水泥-碱渣质量比持续减小,除了CaCO3相对含量出现显著增加,试样C6SR4-28d中的主要胶凝产物的相对含量几乎没有变化,但其强度却显著降低。其原因可能是在长期养护过程中,水化硅酸钙与碳酸钙发生络合反应生成一种复合型化合物CaO·SiO2·CaCO3·nH2O。该化合物与CSH具有相似的热稳定性,但胶结性能较差,不利于改良土的强度发展。另一方面,碱渣中所含CaCO3无黏性,含量过大同样会削弱土颗粒或团聚体间的胶结作用[31]。因此,在水泥-碱渣质量比较低条件下,改良土的无侧限抗压强度明显降低。

综上所述,对于水泥-碱渣改良膨胀土来说,控制其强度发展的关键矿物组分是水化硅酸钙(CSH)和碳酸钙(CaCO3)。

3.1.2 孔径分布特征

图10是水泥-碱渣改良膨胀土的孔径分布曲线。与压实黏土典型的“双峰”孔径分布曲线不同的是,水泥-碱渣改良膨胀土的孔径分布曲线具有“三峰”特征,特征峰出现在孔径0.01、2.5和15 μm处(分别以P1、P2和P3表示)。

图10 水泥-碱渣改良膨胀土的孔径分布曲线

对比试样C10SR0-1 d和C10SR0-14 d的孔径分布曲线可以看出,随着养护龄期的增加,特征峰P1和P2向右偏移、峰值增大,而特征峰P3则向左偏移、峰值减小。说明水泥与土颗粒间的物理、化学作用使改良土中小孔隙增多、大孔隙减少。其主要原因在于水泥水化释放的Ca2+与土颗粒表面Na+和K+等发生阳离子交换反应,导致双电层厚度减小,缩减土颗粒间距,使得颗粒间小孔增多;而随着养护龄期增加,水化胶凝产物生成量增大,填充团聚体间的大孔隙,进而导致大孔数量明显减少。在宏观上表现为土体胀缩性降低、密实度和强度明显增加。

养护14 d的试样C10SR0、 C8SR2和C6SR4的孔径分布特征较为相似,特征峰出现的位置和强度变化不大,如图10所示。为了进一步分析水泥-碱渣掺入比对改良土孔隙分布特征的影响,将孔隙按孔径大小分为4类:小孔,孔径≤0.5 μm;中孔,0.5 μm <孔径≤5 μm;大孔,5 μm<孔径≤50 μm;特大孔,孔径≤50 μm,统计结果如图11所示。当水泥-碱渣质量比减小时,小孔体积明显增大,其他几类孔隙体积变化幅度较小。该结果进一步证明,水泥-碱渣改良土在养护过程中有新型化合物生成,填充土体孔隙,使大孔体积减小,小孔体积增多。然而,由于该化合物的胶结性能较差,未能使改良土的工程性质得到进一步改善。

图11 水泥-碱渣改良膨胀土各类孔隙的累积体积分布特征

3.2 干湿循环劣化微观作用机制

3.2.1 微观形貌特征

图12是试样C10SR0经历不同次数的干湿循环后的微结构图像。与未经历干湿循环的试样相比,经历1次和5次干湿循环的试样中矿物组分无明显变化,水化硅酸钙(CSH)、钙矾石(AFt)和氢氧化钙(CH)等典型水化产物仍普遍发育。此外,在0～5次干湿循环作用下,试样C10SR0中胶凝产物的微观形貌特征也未发生明显变化。

图12 干湿循环作用下试样C10SR0的SEM图像

图13是试样C7SR3在完成0、1和5次干湿循环时的SEM图像。在经历干湿循环前,试样中水化产物普遍发育,填充土体孔隙。由于碱渣替换部分水泥,导致水化产物生成量减少,土体中仍存在细小孔隙,但整体结构较致密。在完成1次干湿循环后,试样中的水化产物依然可见,但试样中开始发育细小裂缝,如图13(b)所示。随着干湿循环次数的增多,水化产物的形貌特征遭受破坏,鉴别难度增加。此外,试样内部结更加松散,颗粒间胶结程度变差,原有微裂隙进一步扩张并伴随新裂隙的形成。

图13 干湿循环作用下试样C7SR3的SEM图像

综上所述,尽管干湿循环不会改变改良膨胀土的矿物组分,但其晶体结构则会遭到不同程度的破坏。由此可知,干湿循环作用下改良膨胀土工程性质的劣化可归因于水化胶凝产物晶体结构的破坏,以及土体内部裂缝的发育及扩张。

3.2.2 孔径分布特征

图14是试样C10SR0和C7SR3在完成0、1和5次干湿循环时的孔径分布曲线。

图14 干湿循环对改良膨胀土孔径分布特征的影响

由图14可知,干湿循环前后,试样的孔径分布曲线具有“三峰”特征;随着干湿循环次数的增加,特征峰P4明显向左偏移,特征峰P5和P6的位置则无明显变化。说明干湿循环作用导致改良土中的小孔收缩,相应地孔隙数量增多;而中孔和大孔的孔径无明显变化,但相应地孔隙数量随着干湿循环次数的增多略有增加。

当试样完成28 d标准养护时,土体结构在团聚化作用、水化胶凝产物的胶结-填充作用下呈致密状态,如图15(a)所示。在干湿循环吸湿阶段,未被水化胶凝产物包裹的土颗粒吸水膨胀,颗粒间紧密接触,如图15(b)所示。此时,由于水化胶凝产物的胶结作用,土颗粒吸水膨胀而引起的土体变形较小,对土体结构稳定性影响较小。而在干燥阶段,随着土颗粒表面吸附水的蒸发,颗粒间斥力减小,颗粒间距离减小,因而导致土中的小孔数量增多。此外,随着含水率的降低,土中的基质吸力显著增大,加剧了土体收缩,因而也使得小孔数量进一步增加。而土颗粒收缩的同时也会导致团聚体间的空隙进一步增大,进而导致大孔数量增多。而当基质吸力超过团聚体或土颗粒间的胶结作用力时,就会导致土体内部形成微裂缝,并在连续的干湿循环作用下逐渐扩张,最终导致改良膨胀土的工程性质严重劣化。

图15 改良膨胀土干湿循环劣化机理图

4 结论

通过室内试验对水泥-碱渣改良膨胀土的工程性质及其干湿循环耐久性进行评价,并通过微观测试技术分析了水泥-碱渣改良膨胀土的改良机理以及干湿循环劣化机制。主要研究结果如下。

(1)加入水泥-碱渣可有效改善膨胀土的工程性质,使其满足部分等级公路的基层和底基层材料的应用标准。

(2)阳离子交换反应引起的絮凝作用/团聚化作用以及水化硅酸钙等水化/火山灰反应产物的胶结-填充作用是改善膨胀土工程性质的主要机理。

(3)热重分析和压汞试验结果证明,降低水泥-碱渣质量比引起的强度损失可归因于一种胶凝性能较差的复合型化合物CaO·SiO2·CaCO3·nH2O的形成。

(4)干湿循环初期,试样宏观形貌及无侧限抗压强度无明显变化;随着干湿循环次数的增加,试样强度明显减小,其宏观破坏特征表现为剥落。

(5)干湿循环作用下,改良土的微观劣化作用机制如下。一是水化胶凝产物对土颗粒或团聚体的胶结作用遭到破坏;二是微裂缝的发育及扩张。