宁夏地区有75%左右的干旱土地[1],是典型的缺水干旱区[2],盐渍化是干旱地区的普遍特性。一方面盐渍土极易发生盐腐蚀和盐胀等危害,另一方面宁夏地区也属于季节性冻土区[3],盐渍土在长期的盐-冻融循环作用下,加速了渠道衬砌的破坏[4],因此盐渍土地基的固化变得愈发重要[5]。
为了有效解决这一问题,增加渠道衬砌混凝土的使用时间,许多学者进行了分析与研究。徐永丽等[6]、 周坤渊等[7]、 刘浪等[8]采用的动三轴试验系统表明,石灰可改良盐渍土路基的稳定性;李舒洁等[9]探究再生微粉固化剂固化盐渍土的力学性能并通过SEM和XRD手段观察后证明了掺入再生微粉后的盐渍土抗压强度有明显提升,且水化产物硅酸钙和铝酸钙填充到盐渍土颗粒孔隙中,增加了土体密实度;张杨[10]分析了土凝岩改良盐渍土直剪试验数据,得出了土凝岩掺量对强度的破坏规律,发现将改良土建筑到路基边坡,安全系数可增加20%以上;朱燕等[11]使用新型亲水性丙烯酸酯共聚乳液(ZM)来改良盐渍土,发现ZM质量分数为1.5%的改良氯盐渍土的抗干湿循环性及水稳性效果最佳;杨家顺等[12]对镁渣及多种固废进行利用,作为盐渍土的固化剂加入工业废渣可提高盐渍土的无侧限抗压强度,并具备更稳定的体积安定性,其中钢渣-石灰稳定盐渍土的作用最明显;杜玉凤等[13]发现施加矿物改良剂可减少盐渍土的可溶盐含量,增强土壤的抗冻性,降低腐蚀破坏的影响,其中磷矿粉和活化沸石(PR3)的效果最佳。
在宁夏地区,镁渣固废利用率仅为35%左右[14-16],为提高工业废料的利用率,降低环境污染[17-18],本文中探究利用水泥-镁渣作为固化剂固化盐渍土,研究固化盐渍土的力学性能等特性,为水泥-镁渣固化盐渍土的应用及渠道衬砌提供理论依据和技术支撑,可一定程度降低冻胀破坏和腐蚀破坏带来的影响。
1 实验
1.1 主要试剂材料和仪器设备
材料: 水泥(P.O. 32.5, 宁夏平罗恒达水泥有限责任公司); 镁渣(惠冶镁业集团有限公司); 盐渍土(平罗县引黄灌区)。 使用X射线荧光分析仪(XRF)对水泥、 镁渣和盐渍土的化学成分具体分析, 结果如表1所示, 水泥的物理性能如表2所示, 盐渍土颗粒级配曲线如图1所示, 镁渣的外观形态如图2所示。
仪器设备:S2RANGER LE03040428型XRF(德国布鲁克AXS公司);D8 ADVANCE型X射线衍射仪(XRD,德国布鲁克AXS公司); EVO 18型扫描电镜(SEM,德国Zeiss公司);TSZ30-2.0型应变控制式三轴仪(南京土壤仪器厂有限公司)。
表1 水泥、镁渣和盐渍土的化学成分
Tab.1 Chemical composition of cement,magnesium slag and saline soil %
名称w(SiO2)w(Fe2O3)w(Al2O3)w(K2O)w(CaO)w(MgO)w(P2O5)w(SO3)w(TiO2)水泥19.416.517.910.9464.250.98镁渣34.684.090.580.1347.0012.51 0.280.22盐渍土62.706.208.309.002.000.10注: “空白”表示无此项。
表2 P.O. 32.5水泥的物理性能
Tab.2 Physical properties of P.O. 32.5 cement
体积安定性/mm比表面积/(m2·kg-1)凝结时间/min初凝终凝抗压强度/MPa7 d28 d抗折强度/MPa7 d28 d2.2321416928410.7735.444.015.54
图1 盐渍土颗粒级配曲线
Fig.1 Particle grading curve of saline soil
图2 镁渣外观形态
Fig.2 Appearance of magnesium slag
1.2 方案
工程固化盐渍土中水泥掺量(质量分数,下同)最高为6%, 一般为3%～6%[19], 这是为了避免盐渍土经固化后干缩性过大, 试验的最大掺量为5%; 镁渣的掺量一般为水泥掺量的5%～15%[20]; 设计了13种不同水泥和镁渣掺量的固化盐渍土样本, 具体掺量见表3所示。
表3 掺入不同质量分数水泥、镁渣的固化盐渍土
Tab.3 Solidified saline soil with different mass fraction of cement and magnesium slag %
试验编号水泥掺量镁渣掺量试验编号水泥掺量镁渣掺量试验编号水泥掺量镁渣掺量试验编号水泥掺量镁渣掺量10021033045051561107115835931010 31511551251013515
为表征水泥和镁渣掺量对盐渍土的固化效果和强度机制,采用三轴试验、 XRD和SEM等手段对不同龄期、 不同压实系数的试样进行研究。盐渍土渠道地基土压实系数一般在0.90以上,所以最小压实系数取0.89;实际工程最大压实系数为0.96左右,因此最大压实系数取0.97。基于此,再设计压实系数为0.93。即选取0.89、 0.93、 0.97共3种压实系数。
1.3 三轴试验
三轴试验是指侧限压缩和剪力同时作用于试块,使其内部应力分布较均匀,并探究试块的抗剪强度指标及获得其内部有效应力的变化趋势。
(a)试块加载过程
(b)试块加载模型图
图3 试块加载过程及模型图
Fig.3 Test block loading process and model diagram
注意事项:本试验中的土粒粒径应保持在20 mm内;每个性质相同的试块需做2个平行试验最终取平均值,可减小试验误差。图3所示为试块加载过程及模型图。
步骤:按上下顺序将不透水板、试块、试块帽放在压力室底座处;用水填满压力室,将活塞朝向测力计及试块顶部;调整离合器至粗位,若试块帽与测力计接近时可调整离合器至细位,并安装调零后的变形指示剂;关闭水阀,施加围压并记录每个编号的测力计、变形指示计读数。
2 结果与分析
2.1 三轴试验
2.1.1 7 d龄期试样
(a)黏聚力
(b)内摩擦角
图4 7 d龄期试样的压实系数与黏聚力、 内摩擦角的增减关系
Fig.4 Relationship between compaction coefficient and increase and decrease of cohesion and internal friction angle of samples at 7 days
图4所示为7 d龄期试样的压实系数与黏聚力及内摩擦角的增减关系。 由图可知, 水泥、 镁渣固化盐渍土的黏聚力和内摩擦角均随压实系数的增大而增加; 当压实系数从0.89～0.93增大到>0.93～0.97时,对于固化盐渍土的黏聚力和内摩擦角而言,匀为前者较小;单掺水泥时,不同压实系数固化盐渍土的黏聚力和内摩擦角均随着水泥含量的增加而增加;随着镁渣的加入,不同压实系数的固化盐渍土黏聚力为先增后减趋势,内摩擦角增幅不明显。/p>
2.1.2 28 d龄期试样
图5所示为28 d龄期试样的压实系数与黏聚力及内摩擦角的增长关系。 由图可知, 与7 d龄期试样结果相同, 水泥-镁渣固化盐渍土的黏聚力和内摩擦角均随压实系数的增大而增加; 当压实系数从0.89～0.93增大到>0.93～0.97时, 对固化盐渍土的黏聚力增长幅度相似,而内摩擦角的增长幅度较小;单掺水泥时,与7 d龄期试样结果相同,不同压实系数固化盐渍土的黏聚力和内摩擦角均随水泥掺量的增加而增加;当镁渣掺入后,水泥掺量为1%时,固化盐渍土的黏聚力随镁渣掺量的增加而变大,水泥掺量为4%时,固化盐渍土的黏聚力随镁渣掺量的增加,其增长幅度较小,甚至降低;随镁渣掺量的增加,不同压实系数的固化盐渍土的内摩擦角的增长幅度不突出。
2.1.3 抗剪强度提升机制分析
(a)黏聚力
(b)内摩擦角
图5 28 d龄期试样的压实系数与黏聚力、 内摩擦角的增长关系
Fig.5 Relationship between compaction coefficient and increase and decrease of cohesion and internal friction angle of samples at 28 days
水泥经水化产生的Mg2+、 Ca2+会置换出盐渍土中Na+、 K+,该离子交换发生在碱性介质中,减少了土颗粒中Ca2+扩散层,增加了土粒间的凝结。随水泥进一步水化,土中Ca2+与大量铝硅矿物发生反应生成水化铝酸钙和水化硅酸钙,这2种物质属于胶凝体并交错覆盖土粒表面,使土结构更加密实,进而提高土的强度;镁渣加入后,土样的抗剪强度提高,一方面由于镁渣中存在丰富的硅酸二钙,以γ-C2S为主,可更好地填充于孔隙中;另一方面镁渣的水化促进了水化硅酸钙和Ca(OH)2的生成,增加了其填充效应。对7、 28 d龄期的试样,土样黏聚力提高,内摩擦角的变化并不突出,表明产生的水化物加强了土粒间的黏结力从而表现为黏聚力的增强。水泥、盐渍土、镁渣中的Al2O3、 SiO2等物质水化后生成铝酸钙、硅酸钙等物质提高土体的抗剪强度。
2.2 样品的抗剪强度模型计算
通过Design-Expert对每个试样的强度机制进行方差计算,得出固化盐渍土的强度指标和不同水泥及镁渣掺量的关系模型,结果见式(1)—(12),为计算不同水泥及镁渣掺量盐渍土的抗剪强度指标提供理论依据。
c7-0.89=-0.764 
1xcxm+13.463 0xc+0.468 9xm+31.585 2,
(1)
φ7-0.89=-0.096 
9xcxm+3.499 0xc+0.314 6xm+7.831 5,
(2)
c7-0.93=-0.619 
9xcxm+13.424 2xc+0.771 1xm+33.824 5,
(3)
φ7-0.93=-0.076 
1xcxm+3.552 4xc+0.404 7xm+8.644 4,
(4)
9xcxm+15.017 3xc+1.196 1xm+37.987 8,
(5)
φ7-0.97=-0.111 
9xcxm+3.925 1xc+0.368 1xm+9.689 1,
(6)
c28-0.89=-1.127 
2xcxm+18.802 2xc+1.477 9xm+40.698 2,
(7)
φ28-0.89=-0.227 
9xcxm+4.372 5xc+0.391 2xm+9.919 8,
(8)
c28-0.93=-1.040 
6xcxm+20.106 5xc+1.562 6xm+42.246 2,
(9)
φ28-0.93=-0.352 
4xcxm+5.173 9xc+0.386 1xm+10.120 5,
(10)
c28-0.97=-1.234 
4xcxm+23.256 9xc+2.243 8xm+45.194 7,
(11)
φ28-0.97=-0.286 
8xcxm+5.136 3xc+0.522 1xm+11.152 2,
(12)
式中: c7-0.89为7 d龄期试样且压实系数为0.89固化盐渍土的黏聚力, 以此类推; φ7-0.89为7 d龄期试样且压实系数为0.89固化盐渍土的内摩擦角, 以此类推; xc为水泥质量分数, 在1%～5%之间; xm为镁渣质量分数, 范围为5%～15%。
通过以上模型计算的P值均<0.000 1, 说明模型精度较高; 在单因素xc的条件下, P值均<0.005, 说明固化盐渍土的水泥掺量对其黏聚力和内摩擦角的影响较大; 单因素xm的条件下, P值均>0.05, 说明固化盐渍土的镁渣掺量对其黏聚力和内摩擦角的影响较小, 这与上述抗剪强度原因分析当中描述相符。
2.3 水泥-镁渣固化盐渍土水化机理分析
为弄清水泥-镁渣双掺固化盐渍土的水化机制,用XRD和SEM分别对7、 28 d龄期的水泥质量分数为3%和镁渣质量分数分别为5%、 10%、 15%的固化盐渍土进行表征分析,XRD分析结果见图6、 SEM分析结果见图7。
(a)水泥质量分数为3%与镁渣质量分数为5%
(b)水泥质量分数为3%与镁渣质量分数为10%
(c)水泥质量分数为3%与镁渣质量分数为15%
1—硅酸三钙; 2—硅酸二钙; 3—铝酸三钙; 4—水化硅酸钙; 5—水化铝酸钙;6—氢氧化钙; 7—钙矾石; 8—硅酸钙镁水合物; 9—石英。
图6 水泥质量分数为3%和不同掺量镁渣固化盐渍土的XRD结果
Fig.6 XRD analysis of 3% cement and different contents of magnesium slag solidified saline soil
SEM微观检测中被检测样品一般采用试样中心破碎的块体。XRD检测中被检测样品一般采用玛瑙研钵研磨成无颗粒感的粉体。文献[21-22]中均采用此方式进行微观样品制作,并认为取中心完整的块状体不会影响硬化浆体的微观形态。
(a)7 d龄期时水泥质量分数为3%与镁渣质量分数为5%
(b)7 d龄期时水泥质量分数为3%与镁渣质量分数为10%
(c)7 d龄期时水泥质量分数为3%与镁渣质量分数为15%
(d)28 d龄期时水泥质量分数为3%与镁渣质量分数为5%
(e)28 d龄期时水泥质量分数为3%与镁渣质量分数为10%
(f)28 d龄期时水泥质量分数为3%与镁渣质量分数为15%
图7 水泥质量分数为3%和不同掺量镁渣固化盐渍土的SEM图像
Fig.7 SEM images of 3% cement and different contents of magnesium slag solidified saline soil
由图6可以看出,主要观察到的有2θ为8.90°处的水化铝酸钙特征峰、 2θ为20.86°处的硅酸二钙特征峰、 2θ分别为26.64°和27.46°处的水化硅酸钙的特征峰、 2θ为27.65°处的硅酸三钙的特征峰及36.54°和42.45°处的Ca2Mg8Si12O32(HO)4(硅酸钙镁水合物)的特征峰、 2θ为39.46°处的特征峰最低;固化后,盐渍土抗剪强度提高的主要原因是水化硅酸钙的存在,这与抗剪强度原因分析当中的描述一致。由图7可以看出,对7 d龄期试样且镁渣掺量较少时,观察到固化盐渍土SEM图像中出现大量连续孔洞、孔隙和团聚体之间不密实的现象,而当镁渣掺量较多时,观察到固化盐渍土的SEM图像中孔洞、孔隙逐渐减少,且水化产物水化铝酸钙明显增多;当处于28 d龄期时,SEM图像中大部分孔隙被某些微团粒水化产物填补,盐渍土中的颗粒显现出块状或片状,且土粒全部相互交错在一起或相互镶嵌,这是因为镁渣颗粒较小,可进行颗粒间的填充,表明固化盐渍土的强度和密实度得到了改善。
3 结论
通过13种不同水泥和镁渣掺量固化盐渍土的三轴试验、 XRD和SEM表征分析得出以下结论。
1)7 d龄期试样水泥-镁渣固化盐渍土的黏聚力和内摩擦角均随压实系数的增大而增加;单掺水泥时,固化盐渍土的黏聚力和内摩擦角均随着水泥含量的提升而变大;镁渣加入后,固化盐渍土的黏聚力为先增后减,内摩擦角增幅不明显。
2)对单掺水泥的28 d龄期固化盐渍土试样,其黏聚力和内摩擦角变化趋势与7 d龄期试样相同;水泥-镁渣双掺且前者掺量为1%时,固化盐渍土的黏聚力随镁渣掺量的增加而变大,水泥掺量为4%时,黏聚力增长幅度较小;随镁渣掺量的增加,不同压实系数固化盐渍土的内摩擦角的增长幅度不突出,由此可知:掺量多的水泥镁渣对固化盐渍土强度提升不明显。
3)水泥-镁渣固化盐渍土的水化产物以水化铝酸钙、氢氧化钙、水化硅酸钙和钙矾石为主,其中水化硅酸钙的特征峰最强(钙矾石次之),Ca2Mg8Si12O32(HO)4的特征峰最低;固化盐渍土抗剪强度提高的主要原因是水化硅酸钙的生成。
4)SEM分析发现28 d龄期试样较7 d龄期的表现出更密实、孔洞减少、颗粒显现出块状或片状且相互镶嵌的现象,表明固化盐渍土的强度和密实度得到增强。
5)建立了固化盐渍土抗剪强度指标与水泥和镁渣掺量的关系模型,P值均<0.000 1,模型精度较好;水泥-镁渣固化盐渍土的抗剪强度得到提升,水泥质量分数为3%与镁渣质量分数为10%混合料固化盐渍土具有较好的力学性能,为水泥-镁渣固化剂的应用提供理论支持。
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