CO2碳化水泥土抗压强度与微观机制研究

梁 飞

(中国铁建港航局集团有限公司 总承包分公司,广东 珠海 519000)

0 引 言

随着中国经济飞速发展和社会不断进步,城市建设过程中可直接利用的优质土地资源日趋减少。如何对滨海、滨湖等区域软弱地基进行有效加固,已成为建筑物地基处理面临的热点问题和亟待解决的工程难题。水泥固化地基土本身具有遇水硬化、强度高、压缩性低、渗透性低等其它材料所没有的优良特性,被广泛应用于地基处理、基坑支护等工程领域。然而,作为地球上仅次于水的第二大消耗物质,世界水泥产量每年以2.5%速度增长,从2005年2.3 Gt增至2020年3.5 Gt,预计2050年将增至3.7～4.4 Gt[1]。生产1 t水泥需60～130 kg燃料和110 kW·h电力,中国、印度和美国等国家水泥生产中的CO2排放量高达900～935 kg/t[2]。若能将水泥基材料与CO2碳化工艺相结合并引入土体加固领域,不但能实现CO2永久稳定封存,还能快速加固与增强硬化地基土体。

前人已对CO2碳化的固化效果及其诱导宏微观特性演变开展了许多研究,取得了一系列创新成果。Seifritz[3]于1990年率先提出了CO2矿化概念,即CO2溶解后与碱性矿物发生中和反应生成稳定固态碳酸盐,将CO2气体转化为永久矿物。Yi等[4]发现CO2碳化可显著改良活性MgO固化土抗压强度,且受MgO活性、碳化时间、初始含水率等多因素影响。Wang等[5]采用CO2碳化方法对活性MgO-粉煤灰固化东湖淤泥进行改性,并探明了碳化固化土抗压强度、耐久性与反应机制。Han等[6]认为水泥中硅酸三钙、硅酸二钙与CO2碳化反应,导致未水化水泥颗粒数量和尺寸减少并生成CaCO3和硅胶。钟白茜等[7]通过测试发现水化硅酸钙的碳化产物早期含有方解石、文石,而后期文石转变成方解石,大多数方解石结晶程度并不太完善。郑旭等[8-10]通过对CO2碳化活性MgO固化土进行冻融循环等试验,发现冻融循环和干湿循环作用对碳化固化土微观结构等特征并未产生较大影响,即CO2碳化促使固化土具有更好的抵抗冻融破坏和抗干湿破坏性能。Liska等[11]认为自然碳化时MgO水泥砌块强度增长有限,而强制碳化能大幅提高试样力学性能。李晨[12]通过对活性MgO固化粉土进行CO2碳化试验,观察到碳化反应产物主要为碳酸镁石、水碳镁石及球碳镁石。王东星等[13-14]采用CO2碳化活性MgO(或MgO基混合料)加固技术固化疏浚淤泥,探明了多因素影响下CO2碳化固化淤泥抗压强度与微观机理。张丰等[15]证实活性MgO和活性CaO能显著改善水泥砂浆碳化试样抗压强度,抗压强度最高时对应MgO/CaO质量比为3∶1。综上所述,前人已在CO2碳化水泥、混凝土和固化土等领域取得了丰富成果,但CO2碳化水泥固化土耐久性领域的研究迄今鲜有报道,尤其是CO2碳化水泥固化土强度演变规律等方面的探索当前亟需深化。

为弥补现有研究的不足,本文通过无侧限抗压强度、扫描电镜、持续浸水、干湿循环和冻融循环等系列试验,利用抗压强度、强度软化系数等指标,综合分析CO2碳化水泥固化土的力学行为、影响因素及微观机制,深入评判复杂外界气候环境下CO2碳化水泥固化土抗压强度和耐久性的演变过程。

1 试验材料与方法

1.1 试验材料

试验用土取自珠海市洪湾港北片区市政基础设施工程(一期)。根据JTGE40-2007《公路土工试验规程》[16]相关规定,对土样的初始含水率、界限含水率、比重、pH、最大干密度和最优含水率进行测定,所得指标值见表1。此外,采用激光粒度仪分析土样颗粒级配,发现黏粒组占比5.3%、粉粒组占比90.9%、砂粒组占比3.8%、比表面积为1.28 m2/g。试验用固化材料为32.5普通硅酸盐水泥,其化学组分见表2。

表1 试样用土基本性质Tab.1 Basic properties of tested soil

表2 水泥化学组成Tab.2 Chemical compositions of cement %

1.2 试验方法

固化土试样制备的具体流程为:① 使用小型搅拌机将配料原料低速搅拌5 min,缓慢加入水分充分拌匀,保证混合物料均匀性;② 将物料静置于密封袋内防止水分挥发,称取单个试样对应质量,填入内壁涂好凡士林的圆柱模具(∅50 mm×H50 mm)连续振捣;③ 将分层填料的模具使用油压千斤顶压实(压力500 MPa),成型后用脱模器将试样小心脱出;④ 对于标准养护试样,利用保鲜膜对试样密封包裹,随即移入恒温恒湿养护箱内养护至设定龄期;⑤ 对于即时碳化试样,脱模后立即转移至标准碳化试验箱(CO2浓度20%±2%、相对湿度70%±2%、温度20 ℃±2%)完成CO2碳化操作。通过量程50 kN、精度1 N的WDW-50型电子万能试验机测试试样无测限抗压强度,竖向加载速率1 mm/min。每组试样采用3个平行样,取其平均值作为碳化固化试样抗压强度实测值。值得注意的是,对于标准养护和碳化试样抗压强度试验,水泥掺量为10%,15%,20%,25%,30%(占干土质量之比);对于耐久性试验,固定试样水泥掺量25%;两种情况下水灰比均为0.55。选取以下材料代号代表试样,B-3h、B-1d、B-3d、B-7d、B-14d分别代表标准养护3 h、1 d、3 d、7 d、14 d试样,C-3h、C-1d、C-3d、C-7d、C-14d分别代表碳化3 h、1 d、3 d、7 d、14 d试样,7d-C-1d代表标准养护7 d且碳化1 d试样。

浸水试验:将试样完全浸泡于去离子水中并放置恒温20 ℃养护箱内,浸至0,1,3,7,14,21 d后取出用滤纸擦干,随后进行观察与测试。干湿循环试验:将试验组试样置于40 ℃烘箱中12 h,再将试样常温放置1 h,之后放入水箱并置于20 ℃养护箱中11 h,直至10次干湿循环试验结束。冻融循环试验:取冻融循环试验组置于恒温-20 ℃冻融箱内冰冻12 h,然后将冰冻试样放入20 ℃水槽内融化12 h,直至10次冻融循环试验结束。

2 试验结果与讨论

2.1 CO2浓度对抗压强度影响

为探究CO2浓度对水泥固化土力学性能的影响,将水泥掺量25%、水灰比0.55时水泥固化土在不同CO2浓度环境中碳化。碳化后水泥固化土抗压强度随CO2浓度变化过程如图1所示。分析可知,CO2碳化水泥固化土试样(R=25 mm,C-3h)的碳化深度随CO2浓度增高而持续增加。CO2浓度增大会引起试样内外CO2浓度梯度越大,更有利于CO2扩散并加快碳化反应速度,进而诱使试样碳化深度增加。

图1 不同CO2浓度下试样碳化深度和抗压强度Fig.1 Carbonation depth and compressive strength of carbonated solidified soils at various CO2 concentrations

图2 5%和20%CO2浓度下碳化试样微观结构(放大倍数20 000)Fig.2 Microstructure of carbonated solidified soils at CO2 concentrations of 5% and 20%(magnification=20 000)

不同CO2浓度下碳化水泥固化土试样抗压强度均比标准养护试样抗压强度高。当碳化3 h、CO2浓度5%时,碳化试样抗压强度比标准养护试样最低亦能够增长1.72倍,并且随CO2浓度增加,试样强度增长率随之增加。当CO2浓度升至20%时,碳化试样抗压强度最高增长2.34倍,表现出良好的高早强性能。随着碳化时间延长,尽管强度增长率有所下降,但试样抗压强度仍有较大幅度增大。随着CO2浓度增加,碳化水泥固化土试样抗压强度随之增加。碳化时间3 h时,20%CO2浓度下试样抗压强度比5%CO2浓度时对应强度高0.75 MPa,尽管强度增长幅度随碳化时间增加而有所下降。此时,CO2浓度越高,碳化程度越大,碳化试样抗压强度就越大,强度增长幅度也随之增加。当碳化时间延至1 d时,不同CO2浓度下试样碳化程度差异性减小,引起碳化试样抗压强度之间差异性亦减小。

不同CO2浓度下碳化3 h水泥固化土试样的微观形貌图如2所示。分析可知,在5%CO2浓度和20%CO2浓度下,碳化水泥土试样内部微观结构均较为密实,孔隙量较少。试样内部可明显观察到晶形良好的方解石生成。随着CO2浓度增加,内部方解石晶体的生成量及晶体发育程度均会提高,并且方解石空间分布更加均匀,进而促使碳化固化试样胶结密实程度和抗压强度提升。

值得注意的是,水泥包含了其主要矿物硅酸三钙、硅酸二钙与CO2接触发生碳化反应而生成的不同形态的碳酸钙晶体[17],晶体充分发挥化学胶结、骨架填充等作用,形成网状结构而增强水泥土整体性能。

2.2 碳化时间对抗压强度影响

经3,7,14 d碳化后(见图3),水泥掺量10%和15%对应碳化试样抗压强度相比同期标准养护试样强度有所下降,碳化增强效果不佳,即试样强度增长比呈负数。在水泥掺量更高时(20%、25%、30%),碳化试样抗压强度持续增加且均高于同期标准养护强度,25%水泥掺量时抗压强度最高、强度增长比最大(最高0.79倍),30%水泥掺量时试样抗压强度呈现下降。这表明,水泥掺量增加诱使碳化试样抗压强度呈现增长趋势,但在水泥掺量过高时有所下降。分析可知,水泥掺量较低时,碳化反应所生成方解石和霰石产量较少,不足以弥补C-S-H(碳化脱钙)、Ca(OH)2等水化产物所形成骨架结构遭受破坏而导致的强度劣化程度,从而使强度增长率呈现负值。水泥掺量更高时,试样中水泥水化产物及其它可供碳化反应的组分增多,碳化生成的大量CaCO3晶体可有效填充内部孔隙,使试样整体骨架结构更加致密,宏观上表现为抗压强度增加,力学性能改善。

图3 标准养护和CO2碳化试样抗压强度和微观形貌(放大倍数20 000)Fig.3 Compressive strength and micromorphology of standard cured soil and carbonated solidified soils (magnification=20 000)

2.3 持续浸水

在水中持续浸泡直至21 d时,固化土试样体表形貌、抗压强度和强度软化系数随浸水时间的变化过程如图4所示。3种不同方式处理水泥固化土经浸泡3 d后,试样外表并未出现明显变化。当试样浸泡至7 d后,B-7d试样下边缘仅有少量土颗粒脱落,C-3d试样下边缘产生明显局部脱落,7d-C-1d试样上边缘有少量土颗粒脱落。尽管浸泡7 d后试样均有不同程度的土颗粒脱落,但整体完整性依然良好且后期外表变化不大。

注:实线表示强度,虚线表示软化系数,下同。图4 浸水作用下碳化水泥土表观形貌和强度变化过程Fig.4 Change in appearance and strength of carbonated solidified soil under water immersion

3种不同方式处理水泥固化土试样在整个浸泡周期内抗压强度的变化趋势基本一致。试样强度在浸泡0～1 d内快速下降,1 d之后试样强度反而随浸泡时间的延长而不断增加,在浸泡21 d时仍未趋于稳定并有继续增长趋势。C-3d试样抗压强度下降最为明显,仅为初始强度的53.3%,即强度软化系数始终最低。B-7d试样强度下降幅度最小,为初始强度的83.2%,即强度软化系数始终最高。7d-C-1d试样强度介于两者之间,为初始强度的71.2%,但初始下降后绝对强度值仍高于B-7d试样。试样抗压强度快速下降的主要原因是水分子弱化了试样硬化体结构,宏观上表现为试样强度快速降低。水分弱化效应主要体现在3个方面:水分子侵入试样内部使主要强度相分解成易溶物质,水分子包裹在颗粒表面形成水膜并在物相分解后形成孔道而产生楔入作用。试样强度增长的主要原因是原本未水化物质继续水化生成水化硅酸钙等多种产物,胶结土颗粒形成骨架结构而使强度逐渐增长。由于CO2碳化反应的消耗导致碳化试样的可水化物质减少,故抗压强度增长幅度较小,增长速率较慢。浸泡21 d时,C-3d试样强度恢复到初始强度的73.3%,7d-C-1d试样强度恢复到初始强度的80%,而浸泡3 d时B-7d试样强度就已经超过初始强度,浸泡21 d时强度相比初始强度增长53.9%。

2.4 干湿循环

固化土试样外观形貌、抗压强度和强度软化系数随干湿循环次数的变化过程如图5所示。4次干湿循环时,3种不同方式处理水泥固化土试样外表并未出现明显变化。6次和8次循环时,B-7d试样上边缘少量土颗粒脱落,10次循环后下边缘局部土颗粒脱落。6次循环后C-3d试样上边缘少量土粒即将脱落,8次和10 循环后上边缘有明显局部脱落。6次以上循环时,7d-C-1d试样上边缘局部土体颗粒脱落。经历多次干湿循环后,试样均有不同程度的土颗粒脱落,但整体完整性较高,土粒脱落程度较低。B-7d试样强度软化系数始终最高,C-3d强度软化系数始终最低,而7d-C-1d介于二者之间,保持在0.8以上且强度绝对值超过5.5 MPa。

图5 不同干湿循环作用下碳化水泥土表观形貌和强度变化过程Fig.5 Change in appearance and strength of carbonated solidified soil under different dry-wet cycles

B-7d试样抗压强度先快速上升后缓慢上升,10次干湿循环后强度高达7.5 MPa,相比初始强度提高63.4%。湿循环时大量水分的补充以及干循环下的温度效应,使水泥固化试样水化反应速率和反应程度提高,抗压强度快速增加。由于水化物质消耗,干湿循环后期水化反应程度降低,强度增长速率减慢。C-3d和7d-C-1d试样强度先快速下降后逐渐增加,8次循环后C-3d强度有所下降而7d-C-1d强度依旧上升。早期阶段,干湿交替增加了水泥固化试样内部孔隙通道体积;温度效应使试样开裂,试样内部孔隙率增大而加剧水分弱化作用(溶蚀作用:溶解水化产物;介质作用:扩展裂纹通道;水膜作用:减小摩擦系数)。干湿循环早期,多因素综合作用下试样抗压强度逐级降低,即C-3d试样第2次干湿循环时强度降至最低,为初始强度的57.9%,7d-C-1d第3轮干湿循环时强度降到最低,即5.5 MPa,为初始强度的80.1%。随着干湿循环持续进行,温度效应逐渐占据主导,促进了水泥固化,使强度逐渐增长,即C-3d强度增至初始强度的78.4%,7d-C-1d增至初始强度的90.3%。由于CO2碳化反应导致可水化物质减少,碳化试样后期水化反应程度逐渐下降。经第8次循环后,C-3d试样受干湿循环破坏的劣化作用超过水化反应的增强作用,使强度有所下降。

2.5 冻融循环

冻融循环作用下固化土试样外观形貌、抗压强度和强度软化系数的变化过程如图6所示。试样B-7d经2次冻融循环后表观并无明显变化,冻融4次时仅试样上边缘有少量土颗粒脱落,冻融6次以上时试样上边缘局部有少量土粒脱落。试样C-3d在冻融2次、4次时局部发生土粒脱落,冻融6次时试样局部明显脱落,冻融8次以上时试样部分块体崩落。试样7d-C-1d经6次冻融循环时无明显外表变化,循环8次时上边缘有土颗粒脱落趋势,循环10次冻融时试样出现明显裂缝。

图6 不同冻融循环作用下碳化水泥土表观形貌和强度变化过程Fig.6 Change in appearance and strength of carbonated solidified soil under different freeze-thaw cycles

3种方式处理试样抗压强度在2次冻融循环时均出现不同程度地下降,C-3d试样强度下降最为明显(强度软化系数最低),仅为初始强度的46.1%;B-7d试样强度下降幅度最小(强度软化系数最高),为初始强度的86.7%;而7 d-C-1 d试样强度介于两者之间,为初始强度的63%。试样抗压强度下降的主要原因为:① 冻胀作用导致试样内部孔隙增加;② 水分子进入试样内部孔隙而产生弱化效应,表现为溶蚀作用、介质作用和水膜作用。在2～8次冻融循环时,试样抗压强度出现轻微增长或下降,B-7d试样强度能增至初始强度的1.1倍,而C-3d试样降至初始强度的51%,7 d-C-1 d试样降至初始强度的75.6%。试样内部未水化物质继续水化,所生成水化产物可强化试样内部骨架结构,使强度轻微增长。8～10次冻融循环时,试样抗压强度出现下降,其原因为可水化物质被消耗,内部水化反应程度逐渐降低,冻融循环对试样结构劣化效应愈发明显,试样局部土颗粒脱落程度较大甚至出现明显裂缝,导致强度有所下降。

3 结 论

(1) 碳化固化土试样抗压强度随CO2浓度和水泥掺量增加呈现升高趋势,CO2浓度20%、水泥掺量15%～25%时碳化试样抗压强度快速增长,最高达7.6 MPa。CO2碳化水泥加固土过程中水化反应和碳化反应并存,方解石和霰石晶体的生成是CO2碳化诱发水泥固化土强度提升的核心机制。

(2) 整个浸水周期内CO2碳化、水化-碳化和水化试样的抗压强度变化趋势基本一致,即先快速下降后又缓慢上升,强度软化系数最终各回升至73.3%、80%和153.9%,并有进一步增加的趋势。固化土试样的耐水性能优劣排序依次为:B-7d>7d-C-1d>C-3d。

(3) 干湿循环周期内碳化、水化-碳化和水化试样的表观形貌变化较小,仅边缘部分土颗粒脱落。B-7d试样抗压强度先快速上升后缓慢上升,C-3d和7d-C-1d试样强度先快速下降后逐渐增加,经8次循环后C-3d试样强度有所下降,7d-C-1d试样强度依然上升,循环结束后强度软化系数各达到163.4%、78.4%、90.3%。固化试样抗干湿循环劣化性能的优劣排序依次为:B-7d>7d-C-1d>C-3d。

(4) 冻融循环周期内B-7d试样仅边缘少量土颗粒脱落,C-3d出现大面积块体脱落,7d-C-1d外表形貌早期无明显变化,后期出现裂缝。碳化、水化-碳化和水化试样的抗压强度的变化趋势整体相似,即0～2次冻融循环时试样抗压强度出现不同程度下降,2～8次冻融循环时强度轻微增长,8～10次冻融循环时强度出现下降。固化试样抗冻融循环性能优劣排序依次为:B-7d>7d-C-1d>C-3d。