鋼渣粉水泥改良膨脹土干濕循環下力學性能及機理分析

吳燕開，王 浩，苗盛瑤，韓 天，曹玉鵬

(1.山東科技大學 山東省土木工程防災減災重點實驗室，山東 青島 266590 ；2.山東科技大學 土木工程與建筑學院，山東 青島 266590；3.中鐵建工集團山東有限公司，山東 青島 266061；4.山東科技大學 交通學院，山東 青島 266590)

膨脹土干濕效應下產生的吸水膨脹和失水收縮是導致工程事故的重要因素。不同學者通過室內試驗研究，發現膨脹土經過多次干濕循環后強度衰減很大。吳珺華等[1]對干濕循環作用下的非飽和膨脹土進行不排水剪切試驗，發現干濕循環會顯著降低膨脹土的不排水抗剪強度。韓華強等[2]通過對非飽和膨脹土的強度和變形進行研究，認為干濕循環將引起非飽和膨脹土土體結構的改變，從而導致其長期強度和變形模量明顯降低。毛新等[3]發現干濕循環次數增多時，土體結構破壞嚴重，強度明顯衰減。呂海波等[4]通過干濕循環試驗，得到了含水率變化幅度和干濕循環次數的增加都會降低膨脹土抗剪強度的結論。Khemissa等[5]和Nowamooz等[6]對含水率和干密度與抗剪強度的關系也進行了大量的研究[7]，根據壓汞試驗結果發現干濕循環會削弱膨脹土內部土顆粒之間的連結力。膨脹土在干濕循環中的裂隙發展狀況也十分明顯，Zhan等[8]研究發現，膨脹土裂隙會隨含水率增加而快速發展；并有學者通過模型試驗對裂隙發育進行觀測[9-10]。

目前常用的膨脹土改良方法是采用石灰、水泥等改性材料進行改良。Guney等[11]采用石灰穩定土研究了干濕循環作用對膨脹土膨脹性的影響；李新明等[12]通過剪切試驗，發現使用石灰改良的膨脹土在干濕循環作用后，抗剪強度參數基本不變；Rao等[13]利用水泥穩定粉煤灰作為墊層材料抑制膨脹土的脹縮性。同時也有學者研究新的材料用于膨脹土的改良，Wang等[14]發現在一定范圍內，增加黃麻纖維的含量和長度，可提高膨脹土的抗剪強度、黏聚力和強度比。近年來鋼渣粉在地基土改良方面也取得了一定的成果，由于鋼渣粉中有硅酸三鈣和硅酸二鈣等具有活性的物質，這些物質具有與水泥相似的水硬膠凝性，可部分替代水泥用于軟土的固化。有研究者發現鋼渣粉的加入可以在一定程度上降低軟土的膨脹性[15-16]，故使用鋼渣粉來改良膨脹土。厚榮斌[17]使用鋼渣、稻殼灰和生石灰對膨脹土進行改良，發現膨脹土的強度提升，可塑性降低。吳燕開等[18]采用鋼渣粉摻合料改良膨脹土，研究發現隨鋼渣粉摻量增加，膨脹率逐漸降低，強度逐漸增加。Reddy等[19]研究發現在水泥基、非水泥基以及化學添加劑三類穩定膨脹土的添加劑中，化學添加劑的性能要優于其他類型。

目前，對于鋼渣粉做固化劑改良膨脹土以及對改良土的干濕循環耐受能力研究較少，以臨沂膨脹土為研究對象，采用水泥、鋼渣粉和NaOH對膨脹土進行改良處理，通過室內試驗，對改良前后的膨脹土在干濕循環前后的抗剪強度變化進行分析，并對其內在改良機理進行探討。

1 試驗材料和試樣制備

1.1 試驗材料

試驗用土取自山東省臨沂市南郊某工地。土樣埋深約1.0～1.5 m，呈灰黑色，可塑，黏性較強，天然含水率高，裂隙面呈蠟狀光滑，具有典型的膨脹土特征。利用晾曬和研磨之后的土樣進行試樣制作，其物理力學參數見表1。

表1 膨脹土土樣的物理力學參數

試驗中所用的水泥是P.C32.5R復合硅酸鹽水泥，其主要成分是CaO、SiO2和Al2O3等；鋼渣粉由產自石家莊的廢棄鋼渣加工而成，主要成分是MgO、CaO、Fe2O3、Al2O3和MnO等，水泥和鋼渣粉化學成分見表2。激發劑NaOH產自天津市北聯精細化學品開發有限公司，分析純。

表2 鋼渣粉和水泥主要化學成分及百分含量

1.2 試樣制備

將現場取回的膨脹土土樣自然風干，測得風干后土樣含水率約為6%，碾磨后過直徑2 mm的標準篩，取過篩土樣備用。按照《土工試驗方法標準》[20]要求，采用壓實法制作直徑39.1 mm、高度80 mm的圓柱狀試樣。通過擊實試驗測得純膨脹土以及改良土的最優含水率和最大干密度，膠凝材料以及激發劑的摻比根據文獻[21]確定，試樣具體控制參數如表3所示。試樣制備好后脫模放入恒溫恒濕養護箱中養護，養護溫度為(20 ± 0.5)℃，相對濕度≥95%，試樣養護到相應齡期后進行干濕循環試驗。

表3 試樣的控制參數

2 干濕循環及測試內容

2.1 干濕循環

試驗主要參照水膜轉移法以及文獻[22-23]方法進行。對達到養護齡期的試樣進行先吸水然后干燥的處理，1次吸水1次干燥為1次干濕循環，試驗中對未改良土采用引流法吸水，改良土采用浸泡法吸水，兩者均用自然風干法干燥，吸水和干燥時間各為12 h。循環次數分別為：未改良土,1、2、3、4、5次；三種改良土試樣：1、3、5、7、9次。

2.2 測試內容

試樣進行不同次數的干濕循環后，進行體積變化率試驗、不固結不排水三軸壓縮試驗(unconsolidated undrained triaxial compression test,UU test)、無側限抗壓強度試驗、掃描電鏡試驗(scanning electron microscope, SEM)以及能譜分析(engergy dispersive spectrometer, EDS)。

3 結果與分析

3.1 體積變化率

進行干濕循環試驗時，在吸水和干燥結束時都對試樣的體積和質量進行測量，圖1是在7天養護齡期時不同土體進行干濕循環試驗中采集到的數據，繪制成體積變化率((測量時的體積-初始試樣的體積)/初始試樣的體積)隨干濕循環次數的變化規律。由圖1(a)可知，4種土體的體積變化率可分為兩種形式，一種是純膨脹土試樣，體積變化率較大，在坐標系中占據絕對大的空間；另一種是改良土體，與膨脹土試樣相比較，體積變化率微乎其微，在坐標系中貼近零值上下浮動分布。在干濕循環的試驗過程中，吸水過程可以保證試驗條件相同，而干燥過程則是在自然環境下進行的風干處理，容易受到天氣條件的影響，因此在吸水過程后得到的質量或體積數值較干燥處理后的結果更具有規律性。觀察圖1，發現純膨脹土試樣的體積變化更具有規律性，而3種改良土的體積變化更多是雜亂無章的，只能從整體上看出一個趨勢走向。

圖1 體積變化率(7天)

未改良土試樣體積在干濕循環的過程中持續變化，僅從每次吸水后的體積變化來看，隨干濕循環次數逐漸增加，從1次循環時的10.01%到第5次循環時的13.15%，體積變化率逐步上升。另外由于試驗過程中環境的變化，導致干燥后試樣體積變化率規律性不強，但也可以看出體積變化率始終大于零，其中包括質量變化率達到甚至低于零的時候，意味著在整個干濕循環的過程中試樣體積始終比初始時候大，也表明純膨脹土試樣在干濕循環的作用下結構發生了不可恢復的變化，試樣結構松散，土體顆粒的間距加大以及裂隙的逐步發展也是吸水時體積變化率緩慢上升的原因。試樣體積變化率從0次到1次干濕循環的增量是10%，即膨脹土在初次干濕循環作用后體積就會出現10%的體積變化，可見膨脹土體對水敏感性較強。

另外，改良土體的體積變化率較未改良土試樣有了相當大的減小，與未改良土吸水導致的體積膨脹相比，改良土體的體積膨脹率均可控制在1%以內，相比來說有90%以上的減小幅度。3種改良土中Es-SSP-C試樣較多的表現出體積增量的正值，而水化反應較快的Es-SSP-C-N和Es-C則更多的表現出體積的減小，并且從總體來看，體積的變化率有一個逐漸減小的趨勢。

3.2 干濕循環次數與抗剪強度指標間關系

圖2是各試樣在UU試驗中黏聚力(C)和內摩擦角(φ)隨干濕循環次數變化的曲線圖。從圖中可以看出，改良后膨脹土的黏聚力、內摩擦角明顯高于未改良膨脹土。未改良土試樣黏聚力隨干濕循環次數的增加持續減??；改良土受干濕循環的影響較小，ES-C幾乎不受干濕循環作用的影響，而ES-SSP-C以及ES-SSP-C-N由于鋼渣粉活性低的原因，未加NaOH活性激發劑與添加活性激發劑的改良土均隨著干濕循環次數的增加，其黏聚力逐漸增強。由圖2(b)可知，未改良土試樣的內摩擦角和黏聚力一樣，改良膨脹土的內摩擦角明顯大于未改良膨脹土，未改良膨脹土內摩擦角隨著干濕循環次數的增加而減小，而3種改良膨脹土隨著干濕循環次數的增加，其內摩擦角變化幅度不大。

圖2 抗剪強度指標隨干濕循環的變化

圖3 黏聚力折損率

究其原因，未改良膨脹土在干濕循環作用下反復經歷濕漲干縮的體積變化，土體顆粒在水的作用下聯結作用不斷減弱，裂隙發展并逐漸貫通甚至形成裂縫，土體結構松散、土顆粒之間的相互交錯阻力減小，因此未改良膨脹土黏聚力、內摩擦角隨干濕循環的進行不斷減小[24-25]；對于改良土，試樣中水化產物將土顆粒包裹，相互之間連接緊密，各組成成分在膠凝物質的作用下形成團聚體，因此試樣中的黏聚力大幅度提升；改良土試樣中團聚體之間的交錯阻礙了土體受壓后的錯位變形，但在干濕循環作用下，土體之中存在的微小孔隙也會受到水分的侵蝕，孔隙和裂隙周邊的結構會受到影響，因此內摩擦角也會隨干濕循環有一定的變化，但總體是在一個范圍內上下浮動。

把n次干濕循環后得到的黏聚力與零次循環時的黏聚力之比定義為土體強度折損率，作圖3。圖中顯示未改良膨脹土的黏聚力隨干濕循環次數的增加，黏聚力衰減逐漸變大，但初次干濕循環的影響最顯著。改良膨脹土衰減率相對較低，Es-SSP-C隨著干濕循環次數的增加黏聚力有所增大，這主要是因為Es-SSP-C未摻活性激發劑，鋼渣水化反應慢，隨著干濕循環次數的增加，在濕循環作用下水化反應逐漸加快，因此出現黏聚力隨干濕循環次數增加而增大的現象。

由以上分析可知，對于未改良膨脹土，受干濕循環影響其強度衰減明顯，特別是初次干濕循環后，黏聚力和內摩角均大幅度降低。而對于采用水泥鋼渣粉改良后的膨脹土，在干濕循環作用下，其強度會隨干濕循環次數的變化而出現波動，但變化幅度相當小，3種改良土中ES-SSP-C-N改良土的抗剪強度效果最好。

圖4 各類試樣無側限抗壓強度與干濕循環次數關系

3.3 無側限抗壓強度與干濕循環次數間關系

圖4為各類試樣養護7天后不同次數干濕循環后無側限抗壓強度曲線圖。由圖可知，未改良膨脹土的強度較低，初始強度為0.39 MPa，經歷第1次干濕循環后強度降低到0.19 MPa，降低幅度達到51.3%。在之后連續的干濕循環中，強度呈現出持續降低的趨勢，但降低的幅度較小，曲線下降的較為緩慢，第3次循環即可達到穩定的狀態，穩定時強度約為0.16 MPa，是初始強度的41%。由此可見，在干濕循環作用下膨脹土強度會劇烈變化，這是工程中需要解決的重要問題之一。經過改良后的Es-C、Es-SSP-C和Es-SSP-C-N，初始強度比未改良膨脹土均有大幅度的提升，改良效果Es-SSP-C-N> Es-C>Es-SSP-C。Es-C在整個干濕循環過程中強度變化不大，Es-SSP-C強度表現出先增后減然后又增的趨勢，而Es-SSP-C-N在第1次干濕循環時強度出現較為明顯的下降后，隨干濕循環的進行其強度逐漸增加。改良土強度隨干濕循環的變化主要是膠凝材料在土體中發生水化反應的速度快慢不一致造成的。從整個強度變化趨勢來看，Es-SSP-C-N的無側限抗壓強度隨干濕循環所表現出來的強度變化符合工程需要。

4 微觀結構及機理分析

4.1 改良前后的微觀結構變化分析

掃描電鏡試驗的主要步驟：①制作試樣，將在壓縮試驗中破壞的試塊切割取樣，取試塊破壞面附近的一部分土體，將其打磨成長寬約2 cm，厚約2 mm的扁平試塊；②噴鉑處理，對水泥土材料的試塊進行噴鉑處理，即將制作的試塊放入高壓噴射涂布機中進行真空表面噴鉑處理；③提取微觀圖像，將表面布滿鍍層之后的試塊安裝在電鏡掃描試驗儀上，選取2 000倍和10 000倍的放大倍數進行微觀圖像的獲取，并對特別的微區的成分進行能譜分析。圖5為膨脹土(Es)干濕循環前后低倍鏡下觀察的試樣結構整體性和裂隙的SEM圖。從圖5(a)可知，在干濕循環前，土體顆粒之間的連結更加緊密，觀察面也比較平整，表明在壓實法制樣的作用下，未改良土土顆粒間有很好的連結，密實度也較好；從圖5(b)可以看出，干濕循環后土體試樣顯得更加的疏松，土顆粒之間的連結力明顯較弱，顆粒之間的間隙增大，并且在觀察面可以看到很多較大的孔隙和裂隙，表明在干濕循環中膨脹土經歷了吸水和失水的反復作用，土顆粒之間的連接作用明顯減弱，土體中的孔隙不斷增大，造成了結構的松散和裂隙的發育。

圖5 Es在干濕循環前后的微觀結構

在高倍鏡(10 000倍)的放大倍數下觀察發現，未改良土試樣中土體顆粒大多呈層狀結構，邊緣呈不規則形狀，黏土礦物之間的連結以面-面居多，干濕循環前后的變化主要體現在干濕循環后土體中單獨存在的黏土顆粒增多，并且層狀礦物之間的間距有所加大，意味著連接力的降低。從圖5(c)中可以看出，土中以塊狀和層片狀顆粒為主，土體微結構單元的排列定向性相對較好，其中有些礦物呈棉絮狀分布，這是伊蒙混層[26]，而且成分較多，這是遇水膨脹的物質；在圖5(d)中，土顆粒多是以粒狀和扁片狀為主，顆粒之間的連結減弱，形成松散的結構。

4.2 各類改良土干濕循環前后的微觀結構變化分析

圖6和7分別為改良土干濕循環前和干濕循環9次后放大2 000倍和10 000倍的SEM圖。從圖6～7可以看出，相比于未改良土，3類改良土在結構上顆粒之間分布更加均勻，并且顆粒排布更加緊密。水泥和鋼渣粉作為膠凝材料，初始時填充在膨脹土中，使多種材料在干拌的過程中充分接觸，在加水拌合后膠凝材料分布相對均勻，水泥和鋼渣粉水化產生的C-S-H和CH等物質將膨脹土顆粒膠結并填充于顆粒之間的縫隙；同時水化產生的Ca(OH)2作為微溶物也會以結晶的形式出現在土顆粒表面，從而增強土體的強度。對比發現，3種改良土中Es-SSP-C-N和Es-C試樣顆粒分布更加均勻，顆粒之間的連結較為緊密，孔隙中有膠凝材料和水化產物填充，而Es-SSP-C試樣比較疏松。通過圖6(c)可以看到，土體顆粒經過水化產物的膠結團聚，顆粒較為粗大，但在大的團聚體之間還有明顯的裂隙，構成了試樣的缺陷，致使其強度相對另外兩種土體略有降低。

圖6 干濕前和9次干濕循環后各類改良土在2 000倍下的SEM圖像

從圖7中更加清晰地觀察到改良土的土體單元排列緊密，定向性較好，顆粒間的膠凝物質也清晰可見。通過圖8所示的EDS能譜分析發現，鋼渣粉和水泥兩種膠凝材料水化后，以板狀分布的Ca(OH)2和形狀不規則卻具有膠凝特性的C-S-H和C-A-H為主。圖中可以看到Es-SSP-C-N和Es-C的土顆粒膠結的更加密實，黏土顆粒與C-S-H連接緊密，并且Ca(OH)2結晶分布其中。其中Es-SSP-C試樣的SEM圖像中膠凝材料的水化產物以無定型結構存在，將未水化的水泥和鋼渣粉以及黏土顆粒包裹并聯結在一起。圖7(a)中可以看到棱角比較分明的未水化的水泥顆粒，但黏土礦物顆粒不太明顯，只能看到大顆粒之間的連結。由此可見，膨脹土在水泥的摻和下，黏土顆粒被具有膠凝性質的水化產物包裹，水化產物在性能上較為穩定，并且對水的敏感度較低，因此在干濕循環條件下對水分較為敏感的黏土顆粒與水接觸的機會大大降低，同時膠凝材料的膠結作用也可以承受黏土顆粒遇水膨脹產生的膨脹力，對土體顆粒形成約束，所以在干濕循環作用下，土體的脹縮特性極大的減小，并且強度有了質的提高，另外C-S-H表面有零星分布的片狀Ca(OH)2，這表示水化反應不充分。

對于Es-C和Es-SSP-C，反應機理相似，不同的是有了鋼渣粉的參與，一方面鋼渣粉的活性較低，尤其在早期的試樣中，水化反應較慢，并且在與水泥和膨脹土拌合均勻后占據了一定的試塊體積，在水化反應中也吸收了一部分的水，同比減少了水泥的水化用水量，因此在水化反應的程度上不如單獨摻加水泥的Es-C。在圖7(d)中可以看到，在無定型的水化產物中有較多棱角平滑的鋼渣粉顆粒以及少量的水泥顆粒，未水化的膠凝材料顆粒鑲嵌于C-S-H和C-A-H等水化產物中，與黏性土顆粒形成膠結，試塊的強度也得到了提升，并且在干濕循環的環境中也會有較穩定的性能，但由于水化反應的程度較低，Es-SSP-C終究會弱于另外兩種試樣。

由圖7(e)可知，Es-SSP-C-N具有更加緊密的結構，土體顆粒被團絮狀的水化產物包裹，形成密實的團聚體，其中大量的片狀Ca(OH)2堆疊在一起，表征了水化反應的充分性，在未水化的膠凝材料和黏土顆粒上存在大量C-S-H和C-A-H等膠結礦物，并且相互之間的聯結處有很多針狀物，在構成空間框架結構的同時也形成了很好的聯結作用，對土體中存在的微裂隙進行填充，并且也使孔隙周邊的顆粒聯結良好。

在干濕循環之后，土體的微觀形貌變化不大，由圖6(b)、6(d)、6(f)可知，沒有明顯的劣化痕跡，甚至可以看到大顆粒裂隙進一步的彌合，尤其是Es-SSP-C，表明在早期的干濕循環中，土體裂隙部分會有水的填充，但由于結構在受到水侵蝕的同時仍存在著膠凝材料的水化，并且早期的膠凝材料水化只是進行了一小部分，所以在水更加充足的環境中可以更快速的完成水化反應，因此水化產物會進一步填充孔隙結構，并膠結土體顆粒，從而有更加緊密的結構。

對比圖7可知，各類改良土干濕循環前后物質的組成沒有明顯變化，并且顆粒排列仍然十分密實，但是在土顆?；驁F聚體顆粒之間的微裂隙中的膠凝狀況略有區別。在干濕循環中，水的不斷侵入和揮發，使試塊中的部分微溶物質(如Ca(OH)2)溶解，并且在多次干濕循環中不斷地產生溶解侵蝕，部分膠結物也會被破壞，從而微裂隙部位受到影響而擴大。干燥過程中，水分揮發使部分溶解物重新結晶，因此在裂隙周邊有一些零散分布的片狀物質，此物質結合力較弱，影響試樣整體性。但在整個干濕循環中，水在侵蝕土體結構時膠凝材料的水化反應仍在進行，因此膠結性仍保持正常的范圍，但即使如此強度也會受到影響而有所降低。

5 結論

通過室內三軸壓縮試驗以及無側限抗壓強度試驗，研究了鋼渣粉水泥改良膨脹土在干濕循環作用下強度變化規律并進行了分析總結，結合SEM以及EDS，對其變化機理進行了解釋，得到了如下結論：

1) 抗剪強度會隨圍壓增大而增大，并受干濕循環的影響呈非單調性變化，在不同干濕循環次數時強度大小關系總是Es-SSP-C-N>Es-C>Es-SSP-C>Es，表現了改良土強度特性的優異性，以及摻入活性激發劑后對鋼渣粉改良膨脹土強度的貢獻。在干濕循環次數和圍壓兩種因素中，后者對抗剪強度的影響大于前者。黏聚力和內摩擦角在改良土中的數值明顯大于未改良土，并且隨干濕循環次數的增加，黏聚力的變化幅度大于內摩擦角，其中水化效果更好的Es-SSP-C-N和Es-C變化幅度較小，表現了兩者承受干濕循環侵蝕能力的優勢。

2) 在干濕循環條件下，純土顆粒之間的連接力進一步減弱，層狀分布的顆粒之間有明顯的間隙，同時伴隨有結構松散以及裂隙發展，因此會有性能減弱的表現；改良土顆粒排列上更加緊密，在水化產物的膠結作用下有更強的整體性體現，在干濕循環的作用下相比純土的變化更小。

3) 相比于干濕循環前，改良土干濕循環后呈不定形態分布的C-S-H和板狀分布的Ca(OH)2等水化產物有增多的跡象，尤其是Es-SSP-C最為明顯，表明了干濕循環既是干濕侵蝕的過程，也是膠凝材料水化的過程，尤其在早期膠凝材料水化不充分時，水化效果更明顯，因此對干濕循環的侵蝕作用承受能力較強。