Research of Strength and Freezing-thawing Durability of Saline Soil Solidified by Modified Sodium Silicate
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摘要: 为了解决盐渍土盐胀和溶陷等不良工程问题,进行了20、40、60℃改性水玻璃碱激发粉煤灰固化盐渍土试验研究. 通过冻融循环试验、无侧限抗压强度试验、X射线衍射光谱以及微观结构测试,研究了温度改性水玻璃固化盐渍土的强度和冻融循环耐久性. 结果表明:改性水玻璃固化盐渍土的强度随温度的升高反而降低;不同温度改性的水玻璃固化盐渍土的抗压强度随冻融循环次数的增加而降低并在冻融10次以后下降幅度减小;不同温度改性水玻璃固化盐渍土没有新的晶体衍射峰出现,随着改性温度的升高,芒硝和白云石的衍射强度增大,表观小孔隙率变大,强度降低,冻融循环后,微观结构遭到破坏.Abstract: In order to solve relevant engineering problems about sulphate salty soil and the collapsibility of saline, research of saline soil solidified by coal ash which was stimulated by temperature modification sodium silicate, was conducted in this paper. Strength and freezing-thawing durability of saline soil solidified by sodium silicate modified by temperature were studied by means of freeze-thaw cycle test, unconfined compressive strength test, X-ray diffraction spectra and microstructure test. The result shows that the strength of saline soil solidified by modified sodium silicate decreases against the rise of temperature. The shear strength of saline soil solidified by sodium silicate which is modified under different temperature decreases while the times of freeze-thaw cycle tests increase and its decreasing range is lessen after 10 times. There is no appearance of new crystal materials in saline soil solidified by sodium silicate modified by temperature. With the increasing of modification temperature, the diffracted intensity of mirabilite and dolomite gets enhanced, the apparent porosity becomes bigger, and strength decreases. The microstructure is damaged after freeze-thaw cycle tests.
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Key words:
- modified sodium silicate /
- saline soil /
- solidification /
- freeze-thaw cycles /
- strength
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1 试样制备和试验方法
试验盐渍土取自甘肃酒泉饮马农场附近,其土粒相对密度Gs为2.7、液限为23.5%、塑限为16.5%、塑性指数为7、最优含水率为11.3%、最大干密度为1.83g/cm3,化学成分组成见表1. 依据《岩土工程勘察规范》(GB50021—2001),该盐渍土为硫酸盐渍土. 水玻璃溶液通过水玻璃原液加水稀释而成,水玻璃原液:波美度为41°Bé,模数M为3.2,密度ρ为1.3835g/cm3.
表 1 土中离子组成状况Table 1. State of ion composition in soil项目 盐渍土 7%石灰+14%粉煤灰+20°Bé水玻璃 C 68 64 阴离子质量分数/ HC 414 2838 (mg·kg-1) S 25840 8213 Cl- 25413 28419 阳离子质量分数/ Ca2+ 4077 1597 (mg·kg-1) Mg2+ 4968 1110 Na++K+ 15732 19519 此次试验采用石灰质量分数为7%、粉煤灰质量分数为14%的最优配比[7],以及20°Bé的水玻璃联合固土. 试验所用水玻璃温度提升至20、40、60℃后迅速倒入待制土样中,并且将其搅拌均匀. 试验采用静压法,根据击实试验测得的最大干密度1.83g/cm3、最优含水率11.3%制样. 试样为直径65mm、高度65mm的圆柱体,不同改性温度的试样分别制备20组,每组2块. 试样制好后用保鲜膜包裹以保持其含水率不变,在保湿器内(20℃)养护28d. 养护结束后进行冻融循环试验、无侧限抗压强度试验、SEM试验以及XRD试验.
2 无侧限抗压强度
抗压强度属冻土的重要力学指标之一,同时也是寒区工程建设中基础设计的一个重要依据. 本次试验按照国家标准《土工试验方法标准》(GB/T50123—1999),使用CSS-WAW300型电液伺服万能试验机测试试样的无侧限抗压强度. 由图1可以看出,随着改性温度的升高,盐渍土固化土样强度降低,但是相较于素土(抗压强度208kPa)还是有大幅提高. 由图2可知,温度改性后盐渍土应力-应变曲线均可划分成3阶段:第1阶段试样处于弹性变形阶段,试样还未有明显的裂缝产生,初始的孔隙、裂缝被压密. 第2阶段为材料的塑性屈服阶段,随着荷载的增大,试样产生新裂缝,最初的裂缝继续发展,应力达到峰值. 第3阶段是破坏后阶段. 改性温度为20℃时曲线陡,试样的弹性模量大,应力强度高,破坏应变小,脆性破坏表现明显. 随着改性温度的升高,应力应变曲线变缓,破坏应变增大,塑性变形表现明显.
图 1 固化土抗压强度和改性水玻璃温度的关系Figure 1. Relationships between com pressive strength of solidified soil and sodium silicate density
图 2 不同改性温度固化盐渍土的单轴应力-应变曲线Figure 2. Stress-strain curve of saline soil solidified by sodium silicate modified under different temperature当水玻璃、石灰和粉煤灰联合固化盐渍土时,水玻璃首先和石灰水化生成物Ca(OH)2发生反应并生成NaOH,通过OH-环境的侵蚀激活,促使铝硅酸盐玻璃相解聚溶解,在粉煤灰颗粒表面形成具有凝胶性能的水合硅酸钙和水合铝酸钙. 因此,胶体的形成是提高土样强度的主要原因,这取决于粉煤灰在碱性激发剂溶液中的溶解程度. Vargas等[12]研究表明:碱性浓度较低时,温度及龄期不会对试样的强度有明显影响,甚至在龄期为28d时温度升高会降低试样强度. 本次试验所用水玻璃Na2O/SiO2较小,导致粉煤灰不足以完全溶解于激发剂中,产生的凝胶少.
3 冻融循环试验
参考兰州地区冬季平均地表温度确定冻结温度为-20℃,融化温度为20℃,冻12h,融12h,参照《水工混凝土试验规程》(SL352—2006)用恒温箱做不补水状态下的反复冻融.
如图3所示,冻融初期, 冻融循环使得试样颗粒的联结方式由水膜胶结变成了冰胶黏接,降低了试样的孔隙率,从而起到一种类似压密作用使试样的强度有所提高;冻融循环5次以后,试样内部骨架颗粒间的联结被破坏,抗压强度降低并在冻融10次以后下降幅度减小. 10次冻融循环以后当温度为20、40、60℃时,抗压强度的损失率分别是12.5%、6.7%、16.5%;15次冻融循环以后强度损失率为21.3%、15.2%、25.7%,冻融作用后强度衰减在θ=40℃时最小.
图 3 不同改性温度水玻璃固化盐渍土冻融循环后 无侧限抗压强度Figure 3. Strength of saline soil samples solidified with sodium silicate in different modified temperatures after freeze-thaw cycle4 X衍射分析
本次试验采用日本理学D/MAX-2400型X射线衍射分析仪,粉末样品,Cu靶,对20、40、60℃改性水玻璃、石灰、粉煤灰固化盐渍土试样进行XRD分析,以研究不同温度改性水玻璃固化盐渍土样的化学成分和物相特征. 如图4所示,固化后土样主要矿物组成包括石英、无水芒硝、石盐、白云石、方解石. 固化土样的衍射谱图中存在密集低矮的非晶体物相的衍射峰群,因为水玻璃与矿物反应生成非晶质的凝胶,加强了胶结作用. 不同的改性温度并没有使土样中的矿物成分发生变化,但随着温度的升高,部分矿物衍射强度增大:白云石(CaMg[CO3]2)衍射强度增强,无水芒硝的衍射峰在40℃时最低,60℃时最高.
CaMg[CO3]2含量增多,表明改性温度越高,水玻璃碱激发粉煤灰生成的具有凝胶性能的水合硅酸钙凝胶越少;盐渍土中的碱土金属易溶盐与水玻璃反应生成的水合硅酸钙凝胶的减少,导致改性土强度的降低. 40℃时无水芒硝(Na2SO4)衍射峰最弱,硫酸钠的溶解度随外界温度的变化而改变,因此,当温度下降时,除了水结冰体积会膨胀,硫酸钠吸收10个水分子而变成Na2SO4·10H2O晶体,体积变为原来的3.1倍,使土颗粒发生错动而引起强度下降. 因此,在改性温度为40℃,S
图 4 不同改性温度固化盐渍土的X衍射谱图Figure 4. X-ray spectra of saline soil solidified with sodium silicate in different modified temperatures5 微观结构分析
试验采用JSM-5600LV型低真空扫描电子显微镜. 图5为20~40℃加热改性20°Bé水玻璃、石灰、粉煤灰固化后盐渍土试样以及冻融循环后试样的SEM图像. 温度改性水玻璃固化盐渍土试样的微观结构有以下特征:硅酸凝胶包覆在盐渍土颗粒表面,部分凝胶填充在孔隙中;与碱性激发剂反应不完全的结构完整的粉煤灰球体还存在. 改性温度为20℃时,直径小于10μm的颗粒出现一种团聚效应,小颗粒团聚并包裹在大颗粒周围组成一个整体,见图5(a),强化了颗粒之间的胶结能力;随着温度的升高,团聚体结构由玻璃相胶结结构取代. 通过统计SEM图像利用ImageJ软件二值化后的黑色像素个数与总像素个数之比得到土样的表观孔隙率[13],当改性温度为20、40、60℃时,表观大孔隙率为46.22%、39.03%、28.94%,表观小孔隙率为9.53%、10.77%、13.89%. 试样水胶比(水质量/胶凝材料质量)大于0.4,硬化浆体中小孔隙的增多使试样在受压前期出现压密阶段并出现微裂缝,随后随着微裂缝的蔓延导致抗压强度的下降[14]. 15次冻融循环后的固化盐渍土试样中颗粒排列方式发生变化,骨架颗粒以架空结构为主;盐渍土颗粒表面吸附物减少,部分试样矿物颗粒的微观结构发生破坏. 吸附在颗粒表面和填充在孔隙中的凝胶减少,孔隙结构变松散,孔隙间的连通性较好.
图 5 不同固化温度下20°Bé水玻璃固化盐渍土冻融循环后试样的SEM图像Figure 5. SEM photograph of saline soil samples solidified with 20°Bé sodium silicate in different temperatures modified after freeze-thaw cycles6 结论
1) 随着改性水玻璃温度的升高,固化盐渍土样的强度降低;应力应变曲线变缓,破坏应变增大,塑性变形表现明显.
2) 冻融初期,试样的强度有所提高;冻融循环5次以后,试样的抗压强度逐渐降低并在10次以后下降幅度减小;经过冻融循环试验后的试样强度的衰减在40℃时最小.
3) 由X衍射谱图看出,不同温度下改性水玻璃碱激发粉煤灰固化盐渍土产物中没有新晶体衍射峰出现,但随着温度的提高,白云石的衍射强度增强,水合硅酸钙凝胶减少;无水芒硝的衍射强度在改性温度为40℃时最低,S
4) SEM 图像显示,改性温度为20℃时,直径小于10μm的颗粒出现一种团聚效应,强化了颗粒之间的胶结力;随着温度的升高,团聚体由玻璃体取代;硅酸凝胶包覆在盐渍土颗粒表面,部分凝胶填充在孔隙中. 冻融循环后的土样,部分试样矿物颗粒的微观结构发生破坏,孔隙连通性加强,导致土样强度降低.
The authors have declared that no competing interests exist. -
图 1 固化土抗压强度和改性水玻璃温度的关系
Figure 1. Relationships between com pressive strength of solidified soil and sodium silicate density
图 2 不同改性温度固化盐渍土的单轴应力-应变曲线
Figure 2. Stress-strain curve of saline soil solidified by sodium silicate modified under different temperature
图 3 不同改性温度水玻璃固化盐渍土冻融循环后 无侧限抗压强度
Figure 3. Strength of saline soil samples solidified with sodium silicate in different modified temperatures after freeze-thaw cycle
图 4 不同改性温度固化盐渍土的X衍射谱图
Figure 4. X-ray spectra of saline soil solidified with sodium silicate in different modified temperatures
图 5 不同固化温度下20°Bé水玻璃固化盐渍土冻融循环后试样的SEM图像
Figure 5. SEM photograph of saline soil samples solidified with 20°Bé sodium silicate in different temperatures modified after freeze-thaw cycles
表 1 土中离子组成状况
Table 1. State of ion composition in soil
项目 盐渍土 7%石灰+14%粉煤灰+20°Bé水玻璃 C 68 64 阴离子质量分数/ HC 414 2838 (mg·kg-1) S 25840 8213 Cl- 25413 28419 阳离子质量分数/ Ca2+ 4077 1597 (mg·kg-1) Mg2+ 4968 1110 Na++K+ 15732 19519 
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