CO2碳化水泥土抗壓強度與微觀機制研究

梁 飛

(中國鐵建港航局集團有限公司 總承包分公司,廣東 珠海 519000)

0 引 言

隨著中國經濟飛速發展和社會不斷進步,城市建設過程中可直接利用的優質土地資源日趨減少。如何對濱海、濱湖等區域軟弱地基進行有效加固,已成為建筑物地基處理面臨的熱點問題和亟待解決的工程難題。水泥固化地基土本身具有遇水硬化、強度高、壓縮性低、滲透性低等其它材料所沒有的優良特性,被廣泛應用于地基處理、基坑支護等工程領域。然而,作為地球上僅次于水的第二大消耗物質,世界水泥產量每年以2.5%速度增長,從2005年2.3 Gt增至2020年3.5 Gt,預計2050年將增至3.7～4.4 Gt[1]。生產1 t水泥需60～130 kg燃料和110 kW·h電力,中國、印度和美國等國家水泥生產中的CO2排放量高達900～935 kg/t[2]。若能將水泥基材料與CO2碳化工藝相結合并引入土體加固領域,不但能實現CO2永久穩定封存,還能快速加固與增強硬化地基土體。

前人已對CO2碳化的固化效果及其誘導宏微觀特性演變開展了許多研究,取得了一系列創新成果。Seifritz[3]于1990年率先提出了CO2礦化概念,即CO2溶解后與堿性礦物發生中和反應生成穩定固態碳酸鹽,將CO2氣體轉化為永久礦物。Yi等[4]發現CO2碳化可顯著改良活性MgO固化土抗壓強度,且受MgO活性、碳化時間、初始含水率等多因素影響。Wang等[5]采用CO2碳化方法對活性MgO-粉煤灰固化東湖淤泥進行改性,并探明了碳化固化土抗壓強度、耐久性與反應機制。Han等[6]認為水泥中硅酸三鈣、硅酸二鈣與CO2碳化反應,導致未水化水泥顆粒數量和尺寸減少并生成CaCO3和硅膠。鐘白茜等[7]通過測試發現水化硅酸鈣的碳化產物早期含有方解石、文石,而后期文石轉變成方解石,大多數方解石結晶程度并不太完善。鄭旭等[8-10]通過對CO2碳化活性MgO固化土進行凍融循環等試驗,發現凍融循環和干濕循環作用對碳化固化土微觀結構等特征并未產生較大影響,即CO2碳化促使固化土具有更好的抵抗凍融破壞和抗干濕破壞性能。Liska等[11]認為自然碳化時MgO水泥砌塊強度增長有限,而強制碳化能大幅提高試樣力學性能。李晨[12]通過對活性MgO固化粉土進行CO2碳化試驗,觀察到碳化反應產物主要為碳酸鎂石、水碳鎂石及球碳鎂石。王東星等[13-14]采用CO2碳化活性MgO(或MgO基混合料)加固技術固化疏浚淤泥,探明了多因素影響下CO2碳化固化淤泥抗壓強度與微觀機理。張豐等[15]證實活性MgO和活性CaO能顯著改善水泥砂漿碳化試樣抗壓強度,抗壓強度最高時對應MgO/CaO質量比為3∶1。綜上所述,前人已在CO2碳化水泥、混凝土和固化土等領域取得了豐富成果,但CO2碳化水泥固化土耐久性領域的研究迄今鮮有報道,尤其是CO2碳化水泥固化土強度演變規律等方面的探索當前亟需深化。

為彌補現有研究的不足,本文通過無側限抗壓強度、掃描電鏡、持續浸水、干濕循環和凍融循環等系列試驗,利用抗壓強度、強度軟化系數等指標,綜合分析CO2碳化水泥固化土的力學行為、影響因素及微觀機制,深入評判復雜外界氣候環境下CO2碳化水泥固化土抗壓強度和耐久性的演變過程。

1 試驗材料與方法

1.1 試驗材料

試驗用土取自珠海市洪灣港北片區市政基礎設施工程(一期)。根據JTGE40-2007《公路土工試驗規程》[16]相關規定,對土樣的初始含水率、界限含水率、比重、pH、最大干密度和最優含水率進行測定,所得指標值見表1。此外,采用激光粒度儀分析土樣顆粒級配,發現黏粒組占比5.3%、粉粒組占比90.9%、砂粒組占比3.8%、比表面積為1.28 m2/g。試驗用固化材料為32.5普通硅酸鹽水泥,其化學組分見表2。

表1 試樣用土基本性質Tab.1 Basic properties of tested soil

表2 水泥化學組成Tab.2 Chemical compositions of cement %

1.2 試驗方法

固化土試樣制備的具體流程為:① 使用小型攪拌機將配料原料低速攪拌5 min,緩慢加入水分充分拌勻,保證混合物料均勻性;② 將物料靜置于密封袋內防止水分揮發,稱取單個試樣對應質量,填入內壁涂好凡士林的圓柱模具(?50 mm×H50 mm)連續振搗;③ 將分層填料的模具使用油壓千斤頂壓實(壓力500 MPa),成型后用脫模器將試樣小心脫出;④ 對于標準養護試樣,利用保鮮膜對試樣密封包裹,隨即移入恒溫恒濕養護箱內養護至設定齡期;⑤ 對于即時碳化試樣,脫模后立即轉移至標準碳化試驗箱(CO2濃度20%±2%、相對濕度70%±2%、溫度20 ℃±2%)完成CO2碳化操作。通過量程50 kN、精度1 N的WDW-50型電子萬能試驗機測試試樣無測限抗壓強度,豎向加載速率1 mm/min。每組試樣采用3個平行樣,取其平均值作為碳化固化試樣抗壓強度實測值。值得注意的是,對于標準養護和碳化試樣抗壓強度試驗,水泥摻量為10%,15%,20%,25%,30%(占干土質量之比);對于耐久性試驗,固定試樣水泥摻量25%;兩種情況下水灰比均為0.55。選取以下材料代號代表試樣,B-3h、B-1d、B-3d、B-7d、B-14d分別代表標準養護3 h、1 d、3 d、7 d、14 d試樣,C-3h、C-1d、C-3d、C-7d、C-14d分別代表碳化3 h、1 d、3 d、7 d、14 d試樣,7d-C-1d代表標準養護7 d且碳化1 d試樣。

浸水試驗:將試樣完全浸泡于去離子水中并放置恒溫20 ℃養護箱內,浸至0,1,3,7,14,21 d后取出用濾紙擦干,隨后進行觀察與測試。干濕循環試驗:將試驗組試樣置于40 ℃烘箱中12 h,再將試樣常溫放置1 h,之后放入水箱并置于20 ℃養護箱中11 h,直至10次干濕循環試驗結束。凍融循環試驗:取凍融循環試驗組置于恒溫-20 ℃凍融箱內冰凍12 h,然后將冰凍試樣放入20 ℃水槽內融化12 h,直至10次凍融循環試驗結束。

2 試驗結果與討論

2.1 CO2濃度對抗壓強度影響

為探究CO2濃度對水泥固化土力學性能的影響,將水泥摻量25%、水灰比0.55時水泥固化土在不同CO2濃度環境中碳化。碳化后水泥固化土抗壓強度隨CO2濃度變化過程如圖1所示。分析可知,CO2碳化水泥固化土試樣(R=25 mm,C-3h)的碳化深度隨CO2濃度增高而持續增加。CO2濃度增大會引起試樣內外CO2濃度梯度越大,更有利于CO2擴散并加快碳化反應速度,進而誘使試樣碳化深度增加。

圖1 不同CO2濃度下試樣碳化深度和抗壓強度Fig.1 Carbonation depth and compressive strength of carbonated solidified soils at various CO2 concentrations

圖2 5%和20%CO2濃度下碳化試樣微觀結構(放大倍數20 000)Fig.2 Microstructure of carbonated solidified soils at CO2 concentrations of 5% and 20%(magnification=20 000)

不同CO2濃度下碳化水泥固化土試樣抗壓強度均比標準養護試樣抗壓強度高。當碳化3 h、CO2濃度5%時,碳化試樣抗壓強度比標準養護試樣最低亦能夠增長1.72倍,并且隨CO2濃度增加,試樣強度增長率隨之增加。當CO2濃度升至20%時,碳化試樣抗壓強度最高增長2.34倍,表現出良好的高早強性能。隨著碳化時間延長,盡管強度增長率有所下降,但試樣抗壓強度仍有較大幅度增大。隨著CO2濃度增加,碳化水泥固化土試樣抗壓強度隨之增加。碳化時間3 h時,20%CO2濃度下試樣抗壓強度比5%CO2濃度時對應強度高0.75 MPa,盡管強度增長幅度隨碳化時間增加而有所下降。此時,CO2濃度越高,碳化程度越大,碳化試樣抗壓強度就越大,強度增長幅度也隨之增加。當碳化時間延至1 d時,不同CO2濃度下試樣碳化程度差異性減小,引起碳化試樣抗壓強度之間差異性亦減小。

不同CO2濃度下碳化3 h水泥固化土試樣的微觀形貌圖如2所示。分析可知,在5%CO2濃度和20%CO2濃度下,碳化水泥土試樣內部微觀結構均較為密實,孔隙量較少。試樣內部可明顯觀察到晶形良好的方解石生成。隨著CO2濃度增加,內部方解石晶體的生成量及晶體發育程度均會提高,并且方解石空間分布更加均勻,進而促使碳化固化試樣膠結密實程度和抗壓強度提升。

值得注意的是,水泥包含了其主要礦物硅酸三鈣、硅酸二鈣與CO2接觸發生碳化反應而生成的不同形態的碳酸鈣晶體[17],晶體充分發揮化學膠結、骨架填充等作用,形成網狀結構而增強水泥土整體性能。

2.2 碳化時間對抗壓強度影響

經3,7,14 d碳化后(見圖3),水泥摻量10%和15%對應碳化試樣抗壓強度相比同期標準養護試樣強度有所下降,碳化增強效果不佳,即試樣強度增長比呈負數。在水泥摻量更高時(20%、25%、30%),碳化試樣抗壓強度持續增加且均高于同期標準養護強度,25%水泥摻量時抗壓強度最高、強度增長比最大(最高0.79倍),30%水泥摻量時試樣抗壓強度呈現下降。這表明,水泥摻量增加誘使碳化試樣抗壓強度呈現增長趨勢,但在水泥摻量過高時有所下降。分析可知,水泥摻量較低時,碳化反應所生成方解石和霰石產量較少,不足以彌補C-S-H(碳化脫鈣)、Ca(OH)2等水化產物所形成骨架結構遭受破壞而導致的強度劣化程度,從而使強度增長率呈現負值。水泥摻量更高時,試樣中水泥水化產物及其它可供碳化反應的組分增多,碳化生成的大量CaCO3晶體可有效填充內部孔隙,使試樣整體骨架結構更加致密,宏觀上表現為抗壓強度增加,力學性能改善。

圖3 標準養護和CO2碳化試樣抗壓強度和微觀形貌(放大倍數20 000)Fig.3 Compressive strength and micromorphology of standard cured soil and carbonated solidified soils (magnification=20 000)

2.3 持續浸水

在水中持續浸泡直至21 d時,固化土試樣體表形貌、抗壓強度和強度軟化系數隨浸水時間的變化過程如圖4所示。3種不同方式處理水泥固化土經浸泡3 d后,試樣外表并未出現明顯變化。當試樣浸泡至7 d后,B-7d試樣下邊緣僅有少量土顆粒脫落,C-3d試樣下邊緣產生明顯局部脫落,7d-C-1d試樣上邊緣有少量土顆粒脫落。盡管浸泡7 d后試樣均有不同程度的土顆粒脫落,但整體完整性依然良好且后期外表變化不大。

注:實線表示強度,虛線表示軟化系數,下同。圖4 浸水作用下碳化水泥土表觀形貌和強度變化過程Fig.4 Change in appearance and strength of carbonated solidified soil under water immersion

3種不同方式處理水泥固化土試樣在整個浸泡周期內抗壓強度的變化趨勢基本一致。試樣強度在浸泡0～1 d內快速下降,1 d之后試樣強度反而隨浸泡時間的延長而不斷增加,在浸泡21 d時仍未趨于穩定并有繼續增長趨勢。C-3d試樣抗壓強度下降最為明顯,僅為初始強度的53.3%,即強度軟化系數始終最低。B-7d試樣強度下降幅度最小,為初始強度的83.2%,即強度軟化系數始終最高。7d-C-1d試樣強度介于兩者之間,為初始強度的71.2%,但初始下降后絕對強度值仍高于B-7d試樣。試樣抗壓強度快速下降的主要原因是水分子弱化了試樣硬化體結構,宏觀上表現為試樣強度快速降低。水分弱化效應主要體現在3個方面:水分子侵入試樣內部使主要強度相分解成易溶物質,水分子包裹在顆粒表面形成水膜并在物相分解后形成孔道而產生楔入作用。試樣強度增長的主要原因是原本未水化物質繼續水化生成水化硅酸鈣等多種產物,膠結土顆粒形成骨架結構而使強度逐漸增長。由于CO2碳化反應的消耗導致碳化試樣的可水化物質減少,故抗壓強度增長幅度較小,增長速率較慢。浸泡21 d時,C-3d試樣強度恢復到初始強度的73.3%,7d-C-1d試樣強度恢復到初始強度的80%,而浸泡3 d時B-7d試樣強度就已經超過初始強度,浸泡21 d時強度相比初始強度增長53.9%。

2.4 干濕循環

固化土試樣外觀形貌、抗壓強度和強度軟化系數隨干濕循環次數的變化過程如圖5所示。4次干濕循環時,3種不同方式處理水泥固化土試樣外表并未出現明顯變化。6次和8次循環時,B-7d試樣上邊緣少量土顆粒脫落,10次循環后下邊緣局部土顆粒脫落。6次循環后C-3d試樣上邊緣少量土粒即將脫落,8次和10 循環后上邊緣有明顯局部脫落。6次以上循環時,7d-C-1d試樣上邊緣局部土體顆粒脫落。經歷多次干濕循環后,試樣均有不同程度的土顆粒脫落,但整體完整性較高,土粒脫落程度較低。B-7d試樣強度軟化系數始終最高,C-3d強度軟化系數始終最低,而7d-C-1d介于二者之間,保持在0.8以上且強度絕對值超過5.5 MPa。

圖5 不同干濕循環作用下碳化水泥土表觀形貌和強度變化過程Fig.5 Change in appearance and strength of carbonated solidified soil under different dry-wet cycles

B-7d試樣抗壓強度先快速上升后緩慢上升,10次干濕循環后強度高達7.5 MPa,相比初始強度提高63.4%。濕循環時大量水分的補充以及干循環下的溫度效應,使水泥固化試樣水化反應速率和反應程度提高,抗壓強度快速增加。由于水化物質消耗,干濕循環后期水化反應程度降低,強度增長速率減慢。C-3d和7d-C-1d試樣強度先快速下降后逐漸增加,8次循環后C-3d強度有所下降而7d-C-1d強度依舊上升。早期階段,干濕交替增加了水泥固化試樣內部孔隙通道體積;溫度效應使試樣開裂,試樣內部孔隙率增大而加劇水分弱化作用(溶蝕作用:溶解水化產物;介質作用:擴展裂紋通道;水膜作用:減小摩擦系數)。干濕循環早期,多因素綜合作用下試樣抗壓強度逐級降低,即C-3d試樣第2次干濕循環時強度降至最低,為初始強度的57.9%,7d-C-1d第3輪干濕循環時強度降到最低,即5.5 MPa,為初始強度的80.1%。隨著干濕循環持續進行,溫度效應逐漸占據主導,促進了水泥固化,使強度逐漸增長,即C-3d強度增至初始強度的78.4%,7d-C-1d增至初始強度的90.3%。由于CO2碳化反應導致可水化物質減少,碳化試樣后期水化反應程度逐漸下降。經第8次循環后,C-3d試樣受干濕循環破壞的劣化作用超過水化反應的增強作用,使強度有所下降。

2.5 凍融循環

凍融循環作用下固化土試樣外觀形貌、抗壓強度和強度軟化系數的變化過程如圖6所示。試樣B-7d經2次凍融循環后表觀并無明顯變化,凍融4次時僅試樣上邊緣有少量土顆粒脫落,凍融6次以上時試樣上邊緣局部有少量土粒脫落。試樣C-3d在凍融2次、4次時局部發生土粒脫落,凍融6次時試樣局部明顯脫落,凍融8次以上時試樣部分塊體崩落。試樣7d-C-1d經6次凍融循環時無明顯外表變化,循環8次時上邊緣有土顆粒脫落趨勢,循環10次凍融時試樣出現明顯裂縫。

圖6 不同凍融循環作用下碳化水泥土表觀形貌和強度變化過程Fig.6 Change in appearance and strength of carbonated solidified soil under different freeze-thaw cycles

3種方式處理試樣抗壓強度在2次凍融循環時均出現不同程度地下降,C-3d試樣強度下降最為明顯(強度軟化系數最低),僅為初始強度的46.1%;B-7d試樣強度下降幅度最小(強度軟化系數最高),為初始強度的86.7%;而7 d-C-1 d試樣強度介于兩者之間,為初始強度的63%。試樣抗壓強度下降的主要原因為:① 凍脹作用導致試樣內部孔隙增加;② 水分子進入試樣內部孔隙而產生弱化效應,表現為溶蝕作用、介質作用和水膜作用。在2～8次凍融循環時,試樣抗壓強度出現輕微增長或下降,B-7d試樣強度能增至初始強度的1.1倍,而C-3d試樣降至初始強度的51%,7 d-C-1 d試樣降至初始強度的75.6%。試樣內部未水化物質繼續水化,所生成水化產物可強化試樣內部骨架結構,使強度輕微增長。8～10次凍融循環時,試樣抗壓強度出現下降,其原因為可水化物質被消耗,內部水化反應程度逐漸降低,凍融循環對試樣結構劣化效應愈發明顯,試樣局部土顆粒脫落程度較大甚至出現明顯裂縫,導致強度有所下降。

3 結 論

(1) 碳化固化土試樣抗壓強度隨CO2濃度和水泥摻量增加呈現升高趨勢,CO2濃度20%、水泥摻量15%～25%時碳化試樣抗壓強度快速增長,最高達7.6 MPa。CO2碳化水泥加固土過程中水化反應和碳化反應并存,方解石和霰石晶體的生成是CO2碳化誘發水泥固化土強度提升的核心機制。

(2) 整個浸水周期內CO2碳化、水化-碳化和水化試樣的抗壓強度變化趨勢基本一致,即先快速下降后又緩慢上升,強度軟化系數最終各回升至73.3%、80%和153.9%,并有進一步增加的趨勢。固化土試樣的耐水性能優劣排序依次為:B-7d>7d-C-1d>C-3d。

(3) 干濕循環周期內碳化、水化-碳化和水化試樣的表觀形貌變化較小,僅邊緣部分土顆粒脫落。B-7d試樣抗壓強度先快速上升后緩慢上升,C-3d和7d-C-1d試樣強度先快速下降后逐漸增加,經8次循環后C-3d試樣強度有所下降,7d-C-1d試樣強度依然上升,循環結束后強度軟化系數各達到163.4%、78.4%、90.3%。固化試樣抗干濕循環劣化性能的優劣排序依次為:B-7d>7d-C-1d>C-3d。

(4) 凍融循環周期內B-7d試樣僅邊緣少量土顆粒脫落,C-3d出現大面積塊體脫落,7d-C-1d外表形貌早期無明顯變化,后期出現裂縫。碳化、水化-碳化和水化試樣的抗壓強度的變化趨勢整體相似,即0～2次凍融循環時試樣抗壓強度出現不同程度下降,2～8次凍融循環時強度輕微增長,8～10次凍融循環時強度出現下降。固化試樣抗凍融循環性能優劣排序依次為:B-7d>7d-C-1d>C-3d。