粉煤灰基地聚物固化盐渍土的工程特性与微观机制_邓建红.pdf

第 37 卷第 1 期粉 煤 灰 综 合 利 用Vol37No12023 年2 月FLY ASH COMPEHENSIVE UTILIZATIONFeb2023材料科学粉煤灰基地聚物固化盐渍土的工程特性与微观机制*Engineering Characteristics and Micromechanism of Fly Ash based Polymer Solidified Saline Soil邓建红1，陈昶2，安然2(1.湖北路桥集团有限公司，湖北 武汉 430070;2.武汉科技大学 城市学院，湖北 武汉 430065)摘要:为探索粉煤灰基地聚物对盐渍土的加固效果，对固化后的土体开展了力学性能和细微观结构的试验，从本质上揭示粉煤灰基地聚物对盐渍土的固化机理。结果表明:随着粉煤灰基地聚物掺量的增加，盐渍固化土的最优干密度下降，最优含水率上升;当掺量从 0 增至 6%时，盐渍固化土的无侧限抗压强度增加了 5.5倍，而当掺量为 8%时的强度没有明显提升;盐渍土的孔径分布呈双峰分布，随着地聚物掺量的增加，孔隙体积逐渐降低;盐渍固化土的阳离子交换量随粉煤灰基地聚物掺量增加而提高，且与无侧限抗压强度呈现线性相关;在盐渍土中加入粉煤灰基地聚物使土颗粒间的孔隙收缩，黏结性和密实度增强，进而达到固化的效果。本研究成果为粉煤灰基地聚物在盐渍土地区地基加固工程中的设计与施工提供了参考。关键词:盐渍土;粉煤灰;地聚物;工程特性;微观特征中图分类号:TU448文献标志码:A文章编号:10058249(2023)01004706DOI:1019860/jcnkiissn10058249202301009DENG Jianhong1，CHEN Chang2，AN an2(1.Hubei oad and Bridge Group Co.，Ltd.，Wuhan 430070，China;2.City School，Wuhan University of Science and Technology，Wuhan 430065，China)Abstract:In order to explore the reinforcement effect of fly ash base polymers on saline soil，tests on mechanical properties and finemicrostructure of solidified soil were carried out，which essentially revealed the solidifying mechanism of fly ash base polymers on salinesoil.The results show that with the increase of fly ash base polymers content，the optimal dry density of soil decreases，and the optimalmoisture content increases.As the content increases from 0 to 6%，the unconfined compressive strength of solidified soil increases by 5.5times，and when the content exceeds 8%，the strength increase can be ignored.The pore size distribution of saline soil shows a bimodaldistribution，and the pore volume decreases gradually with the increase of geopolymer content.The cation exchange capacity of solidifiedsoil increased with the increase of content，and was linearly related to the unconfined compressive strength.The addition of fly ash basepolymer in saline soil makes the pores between the soil particles shrink，the cohesibility is enhanced，and then achieves the effect ofsolidification.The results of this study provide a reference for the design and construction of fly ash base polymer in the foundationreinforcement project of saline soil area.Keywords:saline soil;fly ash;polymer;engineering characteristics;microscopic characteristics*基金项目:国家自然科学基金项目(12102312);湖北省交通运输厅科技项目(TS0210012)。作者简介:邓建红(1969)，男，硕士，高级工程师，研究方向:土木工程材料与施工组织设计。收稿日期:202204290引言随着我国“一带一路”战略布局的深入开展，大量铁路、公路等基础设施在盐渍土地区建设。48粉煤灰综合利用37 卷材料科学湖北省江汉平原地区存在大量盐渍土地层，岩土性质十分不稳定，对基础设施工程的建设造成重要危害1。盐渍土存在有机胶、无机胶体高度分散，碱化层相对黏重，孔隙发育的不良结构2，饱和时膨胀泥泞，风干时收缩开裂，可压缩性高，通透性差，是工程界中一种广受关注的“问题土”3。采用常规条件下的盐渍土作地基、路基土或排水基土经常会出现不均匀沉降、翻浆冒泥、渠堤坍塌等工程问题46。盐渍土的岩土性质对基础工程的建设具有极为不利的影响，在地基处理中需要格外重视7。为了对盐碱地的地基土进行加固处理，很多地区使用大量水泥、石灰和地聚物等胶凝物质对盐渍土进行改良，从而达到工程性能稳定的效果，但使用这种方法也存在经济成本高、环境效应差等问题8。粉煤灰是火电厂燃煤时排出的一种固体废弃物，因排放量巨大，粉煤灰的大量堆积对生态环境造成严重影响9。将粉煤灰用作硅铝质胶凝材料，以合成地聚物制备生态型建筑材料1011，相比硅酸盐水泥胶凝材料，粉煤灰基地聚物的 CO2排放量可下降至 50%80%12。近年来，地聚物在土体加固改性领域得到了广泛应用。王永宝等13 采用矿渣和粉煤灰合成地聚物，并对软弱土进行固化，通过开展力学性能测试发现，地聚物可以提高土体的强度、抗渗性与抗冻融性能;陈忠清等14 采用粉煤灰基地聚物对黏性土进行改性，提高了土体的强度，使其路用指标达到了公路设计要求;高昊鹏等15 通过试验发现地聚物掺量是影响土体性能的重要因素，掺量过低达不到稳定加固的效果，对工程安全与耐久性不利，掺量过高则对工程经济不利，如何兼顾地基加固的安全性与经济性成为阻碍相关地区基础建设的关键问题;Cagla 等16 通过对粉土开展力学试验和微观结构扫描电镜试验，得到了粉煤灰地聚物对土体抗剪强度指标的影响规律，指出微观结构黏结力的提升是土体力学性能增强的本质机理。然而，当前采用粉煤灰基地聚物对盐渍土进行固化的研究较为少见，对固化土理化性质以及微观机理的研究尚须深入探究。本文以江汉平原的钠基盐渍土为对象，采用粉煤灰基地聚物对盐渍土进行固化，对固化后的土体的力学性能和细微观结构特征进行试验研究，揭示粉煤灰基地聚物对盐渍土的固化机理，旨在为粉煤灰基地聚物在盐渍土地区地基加固提供重要参考。1试验材料1.1土体的基本性质本研究采用的盐渍土基本物理参数指标见表1;土样的天然密度为 1.62 g/cm3，天然含水率为14.6%，为高液限、弱膨胀性、高渗透性土，土样的矿物成分见表 2。经测定该土的最优含水率为15.2%，钠离子含量为 38.6%，土体为钠基盐渍土，可溶性晶体的总含量(TDS)为44.2%，盐渍土的平均 pH 值为 7.8，呈弱碱性。表 1盐渍土的基本物理性质指标Table 1Basic physical properties index of saline soil天然含水率/%孔隙率密度/(g/cm3)渗透系数/(cms1)塑限/%液限/%膨胀率/%14.60.531.624.0110628.961.743.1表 2盐渍土的矿物成分组成Table 2Mineral composition of saline soil/%石英钠长石方解石伊利石蒙脱石斜长石其他48.222.09.56.14.13.86.31.2粉煤灰基地聚物由前期试验发现，采用粉煤灰与碱性激发剂可以制备地聚物材料，每 100 g 粉煤灰需配置 12.5 g碱激发剂。粉煤灰为火电厂燃煤生产的级粉煤灰，主要化学成分见表 3。碱激发剂为工业水玻璃和氢氧化钠溶液的混合溶液，水玻璃的 SiO2质量分数是 28.95%、Na2O 为 12.98%，水玻璃的模数(SiO2/Na2O 摩尔比)为 2.11，氢氧化钠纯度为98.6%。碱激发剂中的水玻璃与氢氧化钠溶液的质量比为 3 2。表 3粉煤灰的化学成分组成Table 3Chemical composition of fly ash/%SiO2CaOAl2O3Fe2O3MgONa2OK2O烧失量48.514.716.310.75.41.31.21.91 期邓建红等:粉煤灰基地聚物固化盐渍土的工程特性与微观机制49材料科学1.3试验方法1.3.1击实试验本研究的控制变量为粉煤灰基地聚物掺量，即质量含量，设置 2%、4%、6%和 8%四种不同的掺量，以盐渍土为基准对照组。采用分层击实法制备试样，分三层击实制备成直径 39.1 mm、高度为 80 mm 圆柱体土样开展击实试验，确定在不同地聚物掺量条件下，混合土料的最大干密度与最优含水率。1.3.2强度测试参照 JGJT 702009 建筑砂浆基本性能试验方法标准的要求，使用土工无侧限压缩仪对试件的抗压强度进行测定，每组试验取 3 个平行样品的均值作为结果。1.3.3核磁共振试验使用 Macro M12 型大孔径核磁共振扫描仪对固化土进行孔径分析。试验前对每个样品进行饱和处理，分析过程中根据核磁信号转换为孔隙体积信息，从而获得土体孔隙尺寸分布曲线。1.3.4扫描电镜观察试验前切取直径约为 1 cm 的圆柱样品，将样品冷冻干燥，然后对土体的新鲜切面进行喷金处理，最后使用 JSM 6700F 型扫描电子显微镜(SEM)观察固化土中的颗粒空间构型与孔隙特征等。1.3.5阳离子交换量测定阳离子交换量 CEC 是指在一定 pH 值时，单位质量的土中包含所有交换性阳离子(Na+、K+、Ca2+、Mg2+、H+等)的摩尔数，单位是 cmol/kg。CEC 值会受多种因素的影响，如交换剂性质、盐浓度、pH 值和淋洗方法等，采用 Tucker 法对阳离子交换量总量进行解析统计。2试验结果2.1压实特性图 1 为不同粉煤灰基地聚物掺量的固化土土体干密度与含水率之间的关系曲线。从图 1 中可以看出，盐渍土的最大干密度(MDD)远高于固化土，且最优含水率(OMC)远低于固化土。盐渍土的 MDD 值为 1.585 g/cm3，OMC 值为 16.8%。固化土的 MDD 取值范围为 1.658 1.782 g/cm3，OMC 取值范围为 16.5%17.8%。随着地聚物掺量的增加，固化土的 MDD 值和 OMC 值逐渐增大。另外，固化土的压实曲线也比盐渍土的压实曲线更加平坦。该现象主要是由于地聚物对水分子的吸附能力强于土颗粒，土壤中的一部分游离水在与地聚物接触后转化为结合水。