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0 引言
吕擎峰等[4]开展了水玻璃等固化盐渍土的无侧限抗压强度与微观结构的试验,研究发现碱激发地聚合物胶凝材料能够优化固化土的微观构造,且固化效果与碱激发反应的程度密切相关,反应程度提升,固化效果也随之增强。王重阳等[5]对碱激发条件下砒砂岩钢渣粉水泥复合土的强度进行了分析,结果显示,碱激发剂增多时,能够促进钢渣粉水化生成产物增多,从而更有效地发挥胶结土颗粒以及填充内部孔隙的功能,进而提高抗压强度。周浩雪等[6]探究了粉煤灰含量变化对碱激发矿渣/粉煤灰复合胶凝材料在不同养护条件下强度增长的影响,研究发现,热养护可以明显加速碱激发胶凝材料早期水化反应的进程。王志良等[7]对新型复合碱激发体系下偏高岭土对水泥稳定红黏土的加固效果进行了研究,得出在最优掺量条件下,与纯水泥固化土相比,聚合物强度增加了2.82倍。刘玉琳等[8]使用NaOH作为碱激发剂,结合粉煤灰制备地聚物,试验表明NaOH对粉煤灰的活性提升作用显著。陈林等[9]将碱激发高炉矿渣用作固化剂来固化淤泥质工程渣土,研究表明,固化剂的掺入增强了渣土的力学性能以及水稳性。众多学术界的成果均一致揭示,碱激发聚合物展现出显著的效果。
稻壳灰(Rice Husk Ash,RHA)是一种工业固废,含有大量的硅元素,而且表现出良好的火山灰反应活性[10],是一种环保型建筑材料,具有成本低、资源丰富、环保等优点。因此对于不良土,还有学者采用RHA进行固化处理。李丽华等[11-15]对于RHA展开了系列研究:利用稻壳灰和水泥对淤泥进行固化处理;采用稻壳灰-水泥固化镉污染土;采用稻壳灰-高炉矿渣为材料对于膨胀土的固化效果及机理展开了研究;利用稻壳灰等固体废弃物对重金属污染土进行固化,均取得了良好的加固效果。易富等[16]提出稻壳灰联合地聚物固化工程渣土形成流态稻壳灰-地聚物固化土。Argaw等[17]研究了稻壳灰与硅酸盐矿渣水泥对黏土的固化作用,结果表明,稻壳灰能部分替代水泥从而提高固化土承载比和强度。Oluwatuyi等[18]以石灰-稻壳灰比例为1∶2,通过淋滤等试验,研究固化铅或萘污染红土的环境性能,结果表明铅浓度在允许范围之内。
然而在现有研究中,主要采用与其他材料共混固化的技术路径,很少有关碱激发RHA地聚物固化粉土的相关研究,本研究通过室内试验,对碱激发RHA地聚物固化粉土的物理、力学性能、水稳定性、微观结构等进行系统分析,为实际工程应用提供理论依据。同时,本研究还将探讨不同因素(如碱激发剂浓度、RHA掺量等)对固化粉土性能的影响,以期为优化碱激发RHA地聚物固化粉土技术提供指导。
1 试验材料
1.1 试验土样
1.2 稻壳灰
1.3 碱激发剂
试验所用NaOH为白色均匀粒状固体,纯度为分析纯,含量≥96%。用来调配不同浓度的激发剂,本文中NaOH掺量指的是NaOH与水的质量比。
2 试验方案
2.1 击实试验
根据《铁路工程土工试验规程》[19],试样制备前将粉土烘干、破碎后过2 mm筛,采用重型击实法进行击实试验,得出素土及稻壳灰各掺量下试样的最优含水量和最大干密度。
2.2 无侧限压缩试验
7 d的养护龄期可以反映材料在早期阶段的性能,这是工程应用中的一个重要指标。通过对早期性能的评价,可以初步判断材料是否具备进一步研究和应用的潜力。因此本文开展相同养护条件下7 d养护龄期稻壳灰地聚物试样的研究。
为了探究稻壳灰掺量(稻壳灰与干粉土的质量比,下同)、碱激发剂浓度、养护龄期对稻壳灰稻壳灰地聚的力学性能的影响,采用控制变量法,根据设计配合比将固化材料与水进行搅拌均匀,控制稻壳灰掺量分别为0、5%、7.5%、10%、碱激发剂浓度分别为5%、10%、15%,覆盖保鲜膜闷料24 h。由击实试验得出最大干密度96%,采用锤击法制成型为Φ39.1 mm×H80 mm的柱状试样。将试样用保鲜膜包裹,进行标准养护。每组试验分别制备3个物理力学性质相同的试样,结果取平均值。
采用YYW-2型应变控制无侧限压力仪,对无侧限抗压强度UCS进行测试,控制轴向应变为2 mm/min,试验方案如表2。
表2 试验方案Table 2 Experimental schemes |
| 序号 | 测试内容 | 掺量 | 养护龄期/d |
|---|---|---|---|
| 1 | UCS | 0%RHA+0%NaOH | 7 |
| 2 | 5%RHA+0%NaOH | ||
| 3 | 7.5%RHA+0%NaOH | ||
| 4 | 10%RHA+0%NaOH | ||
| 5 | 5%RHA+5%NaOH | ||
| 6 | 7.5%RHA+5%NaOH | ||
| 7 | 10%RHA+5%NaOH | ||
| 8 | 5%RHA+10%NaOH | ||
| 9 | 7.5%RHA+10%NaOH | ||
| 10 | 10%RHA+10%NaOH | ||
| 11 | 5%RHA+15%NaOH | ||
| 12 | 7.5%RHA+15%NaOH | ||
| 13 | 10%RHA+15%NaOH |
2.3 SEM及XRD试验
采用德国蔡司场发射分析扫描电镜(SEM)和布鲁克D8 advance X射线衍射仪(XRD)对天然粉土、稻壳灰、稻壳灰掺量为7.5%以及7.5%稻壳灰与10%NaOH的试样烘干后进行微观结构分析。
2.4 崩解试验
3 试验结果分析
为了深入分析碱激发稻壳灰地聚物对粉土的固化效果性,对天然粉土、掺入稻壳灰的试样及掺入碱激发剂的试验粉土进行物理力学特性以及微观结构分析,研究微观机理和掺量的影响规律,在实际工程进行推广与应用。
3.1 击实试验结果分析
击实试验的结果如图5所示。
RHA取不同掺量时,随含水率的增大,干密度呈先增大后减小的趋势。RHA掺量分别为0、5%、7.5%、10%时,最大干密度从1.821 g/cm3到1.511 g/cm3,呈减小趋势,最优含水率从17.86%到24.95%呈增大趋势。添加碱激发剂后的击实曲线与只掺入稻壳灰的击实曲线几乎一致,因此未在图中体现。
分析其原因,稻壳灰颗粒相对较轻、体积较大,且通常呈球形或类球形。当它们与土粒混合时,会增加土体的孔隙率,从而在不同程度上减少在一定压实能量下能够达到的最大干密度。稻壳灰比天然土粒的比重要低,因此,在单位体积内掺入稻壳灰后,混合土的总体重量会相对减少,从而导致其干密度的降低。稻壳灰颗粒可以围绕土粒形成包裹,在压实时可能减少土粒之间的排列密度,因此会降低干密度。由于稻壳灰具有较高的比表面积和可能含有一定量的未燃烧碳,它可能具有较高的水分吸收性。这意味着在达到相同压实度时,混合土体可能需要更多的水分,因此导致最优含水率的增加。
3.2 无侧限压缩试验结果分析
无侧限压缩试验结果如图6所示,素土的无侧限抗压强度为422 kPa,NaOH掺量为0,稻壳灰的掺量分别为5%、7.5%、10%时,无侧限抗压强度依次为728、949、916 kPa,稻壳灰掺量为7.5%时无侧限抗压强度达到峰值,稻壳灰的掺量为10%时,强度略微下降,说明稻壳灰的掺入可以提高土体的强度,但是并不是掺量越大效果越好。将NaOH作为碱激发剂掺入稻壳灰,以稻壳灰掺量是7.5%时为例,NaOH浓度分别为5%、10%、15%时,无侧限抗压强度分别为1 059、1 092、952 kPa,较只掺入7.5%稻壳灰依次增大了1.116、1.501、1.003倍,NaOH浓度在10%时无侧限抗压强度达到峰值,说明加入碱激发剂可以进一步提高土体的抗压强度。
3.3 固化粉土的崩解性
式中:X是指崩解率(%);Mud是指未崩解土体的质量(g);Md是指崩解掉落的土体质量(g);Ms是指土样未开始崩解前的质量(g)。
对于素土试样,在前1 min,试样大量吸水并逸出了气泡,土颗粒以鳞片状逐渐剥落,崩解率为58%,在2.5 min时崩解结束。加入7.5%RHA的试样,在1 min时,逐渐开始剥落,此时崩解率为9%,直至在8 min时崩解基本结束。掺入稻壳灰可以提高土体水稳定性,掺入7.5%RHA跟10%NaOH的固化土试样,在前期未出现崩解现象,在第8 min时才开始有剥落的迹象,在21 min时崩解率达到86%,随后试样基本不再剥落,未彻底崩解,内部存在部分未解离的土体,形成了崩解核[22]。加入10%NaOH后,可以进一步降低土体的崩解性。
分析原因,粉土未经过处理时,结构相对松散,并不致密,崩解性能较差,在短时间内即解体。而经过固化处理后的粉土,碱激发稻壳灰形成更多的地聚物凝胶,增加了土体之间的连接力,土体在崩解脱落时变得相对困难,进一步提升了抗崩解性能。
3.4 SEM及XRD试验结果分析
3.4.1 SEM试验结果分析
电镜扫描结果如图8所示,利用IPP6.0微孔隙分析软件提取素土、掺入7.5%的土样、掺入7.5%与10%氢氧化钠固化粉土的微观孔隙等效周长和等效面积等参数,依据式(2)计算土体孔隙单元体形态分布分形维数。
式中:D为孔隙形态分布分形维数;C为常数;A、P分别为孔隙等效面积、等效周长。绘制lgP-lgA双对数图[23],研究土体在固化前后的微观孔隙分形特征。
未掺入稻壳灰时,土颗粒相互之间的黏结相对较弱,孔隙较大且分布不均匀。粉土原生颗粒呈不规则形状,颗粒间存在较大间距,界面结合不十分紧密,土的致密性不高。掺入稻壳灰后,稻壳灰颗粒作为填充材料填补了粉土颗粒之间的空隙,增加密实度。稻壳灰细颗粒分布在土颗粒周围,部分黏附在土颗粒表面。相比未掺稻壳灰的土体,此时孔隙度有所降低。掺入稻壳灰与氢氧化钠后,因为氢氧化钠激发稻壳灰活性,可形成更多胶结产物,形成更紧密的网络结构。土颗粒被更多的胶结物质所黏结,颗粒间隙进一步减少。有明显的胶结产物形成,具有低孔隙度,展现出好的致密性和力学性能。
3.4.2 XRD试验结果分析
取养护龄期为7 d,未掺入稻壳灰的试样、掺入7.5%稻壳灰试样、7.5%RHA和10%NaOH试样进行XRD分析。
从图10还可以看出,素土、掺入7.5%RHA的土、掺入7.5%RHA跟10%NaOH的固化土图谱基本相近,最明显的特征峰约在27.8°处,存在大量的石英的特征峰。相较于原状土,掺入稻壳灰与氢氧化钠后,由原来的Ca化合物、Al化合物转化为了水化产物,这些都是典型的胶凝材料水化产物,这说明在原状土中掺入碱激发稻壳灰后,生成了胶凝物质,证实了前文中的分析。
4 结论
本研究针对碱激发RHA固化粉土,通过无侧限压缩试验、击实试验、X射线衍射、SEM试验,崩解试验,探讨不同稻壳灰掺量、不同浓度碱激发剂的稻壳灰固化土强度演变规律以及其微观结构变化,主要结论如下:
(1)稻壳灰的掺入能显著提高土体强度,固化土强度随稻壳灰掺量的增加先增后减。对于本文所用粉土,稻壳灰最优掺量为7.5%。NaOH作为碱激发剂,可以激发稻壳灰中的矿物活性,产生胶凝材料,掺入稻壳灰后可以进一步提高土体强度,本研究中NaOH的最佳浓度为10%。
(2)稻壳灰与NaOH为最优掺量时,固化土的UCS值增大至1.501倍,无侧限抗压强度得到显著提高,崩解时间较素土明显减少,固化的水稳定性得到改善。
(3)SEM以及XRD图谱中表明,经过固化处理后分布分维数从1.498减小至1.196,7 d养护龄期固化土可见大量密集网状结构,土颗粒被更多的胶结物质所黏结,颗粒间隙减小,有明显的胶结产物形成,具有低的孔隙度,展现出好的致密性和力学性能。
(4)碱激发稻壳灰固化土有良好的工程特性,且稻壳灰具有成本低、资源丰富、环保等众多优点,在不良粉土地区的地基、路基填筑工程中具有广阔的应用前景。