李曉麗，趙曉澤，申向東

（內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)水利與土木建筑工程學(xué)院，呼和浩特 010018）

0 引 言

砒砂巖是一種松散巖層，集中分布于黃土高原北部晉陜蒙接壤地區(qū)，砒砂巖為陸相碎屑巖系，由于其上覆巖層厚度小、壓力低，造成其成巖程度低、砂粒間膠結(jié)程度差、結(jié)構(gòu)強(qiáng)度低，遇水成泥、遇風(fēng)成砂，極易發(fā)生水土流失，給地區(qū)生態(tài)環(huán)境造成巨大的破壞。

多年來(lái)，砒砂巖的基礎(chǔ)研究工作從砒砂巖區(qū)侵蝕機(jī)理探究到工程治理等[1-3]方面持續(xù)深入，對(duì)該地區(qū)的生態(tài)環(huán)境恢復(fù)起到了至關(guān)重要的作用。然而，不僅要加強(qiáng)砒砂巖侵蝕治理，還可將砒砂巖作為潛在資源加以利用，例如開(kāi)發(fā)砒砂巖水泥土，將其作為道路鋪設(shè)、田間排水或輸水工程材料，使其廣泛用于路基基層、渠道襯砌、土壩護(hù)坡等，將廢棄松散砒砂巖大量利用于實(shí)際工程，也是實(shí)現(xiàn)高效地治理砒砂巖區(qū)水土流失的有效手段[4-6]。目前針對(duì)砒砂巖的水蝕潰散、吸水膨脹等特點(diǎn)[7]，鄔尚贇等[8-9]研究了不同水泥摻量的砒砂巖水泥土力學(xué)性能及耐久性；董晶亮等[10]通過(guò)堿激發(fā)法并摻入適量的礦粉，將砒砂巖轉(zhuǎn)變成力學(xué)性能較好的改性礦粉/砒砂巖復(fù)合材料，為松散砒砂巖的工程應(yīng)用提供理論支撐。

水泥作為膠凝材料，在生產(chǎn)過(guò)程中耗能高污染嚴(yán)重，而地聚合物材料因生產(chǎn)能耗低、二氧化碳排放量少，具有優(yōu)良的機(jī)械性能[11]，有取代普通水泥的可能和可利用礦物廢物作為原料的特點(diǎn)。地聚合物是以天然礦物、固體廢棄物以及人工硅鋁化合物等為原料，通過(guò)強(qiáng)堿作用和晶格重構(gòu)等聚合作用而形成的，以無(wú)機(jī)硅氧四面體和鋁氧八面體為主要成分，同時(shí)在空間上具有三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的新型膠凝材料[12]。自Davidovits[13]利用堿激發(fā)硅鋁酸鹽技術(shù)研制出第一批無(wú)機(jī)防火材料替代有機(jī)聚合物樹(shù)脂以來(lái)，地聚合物材料已經(jīng)廣泛應(yīng)用于混凝土道路、地下溝槽及住宅樓等工程項(xiàng)目。

在中國(guó)晉陜蒙地區(qū)分布著大量的煤系高嶺土，其中以內(nèi)蒙古準(zhǔn)格爾煤田的資源較多。偏高嶺土基地質(zhì)聚合物應(yīng)用最為廣泛。國(guó)內(nèi)外學(xué)者研究表明，偏高嶺土可顯著提高水泥土力學(xué)強(qiáng)度及抗?jié)B性能，且當(dāng)摻量為3%時(shí)水泥土性能較優(yōu)[14-16]。Nailia等[17-18]探究了堿激發(fā)偏高嶺土主要的產(chǎn)物、生成過(guò)程以及堿激發(fā)偏高嶺土中凝膠物質(zhì)向沸石晶體轉(zhuǎn)化的過(guò)程及機(jī)理。彭暉等[19-21]對(duì)不同堿激發(fā)條件對(duì)地聚合物的影響機(jī)制及影響效果進(jìn)行深入解析。以上研究均表明，采用堿激發(fā)方法有助于提高偏高嶺土基地聚合物的力學(xué)性能。

目前采用水泥固化砒砂巖已有較多的研究成果[8-9,22]，但合理利用低碳環(huán)保地聚物材料固化砒砂巖研究較少，并缺乏機(jī)理性深入分析。本文以砒砂巖為主體，利用鄂爾多斯準(zhǔn)格爾地區(qū)偏高嶺土，借助堿激發(fā)手段以提高砒砂巖地聚物水泥復(fù)合土力學(xué)性能。探究了不同溫度及不同堿當(dāng)量對(duì)其力學(xué)性能影響，并對(duì)其反應(yīng)生成物及反應(yīng)機(jī)理進(jìn)行深入分析，確定堿激發(fā)砒砂巖地聚物水泥復(fù)合土的最優(yōu)配比，以期為其在實(shí)際工程中的應(yīng)用提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)原材料

本試驗(yàn)所用砒砂巖為內(nèi)蒙古鄂爾多斯地區(qū)紅色砒砂巖，根據(jù)X-射線衍射（XRD）圖譜計(jì)算其礦物組成主要為石英及斜長(zhǎng)石，占比達(dá)90%以上，其余礦物為蒙脫石、云母等物質(zhì)。將所取土樣敲碎碾壓自然風(fēng)干后過(guò)2.36 mm孔篩備用。偏高嶺土選用內(nèi)蒙古超牌煅燒偏高嶺土有限公司生產(chǎn)的1 250目（粒徑10μm）高活性偏高嶺土，呈白色粉末狀，主要化學(xué)成分為Al2O3和SiO2，其含量達(dá)95%以上。XRD分析如圖1，圖中僅有明顯的石英（SiO2）相和少量的Ti0.72O2相，以及在15°～30°之間出現(xiàn)明顯的饅頭峰，表明偏高嶺土中主要為無(wú)定形態(tài)的物相。

1.2 試驗(yàn)方案

本試驗(yàn)水泥摻量為12%（選用冀東P·O42.5普通硅酸鹽水泥），偏高嶺土摻量為3%，堿激發(fā)劑選用模數(shù)為1.2的Na2SiO3。堿當(dāng)量（堿的含量，以Na2O占凝膠質(zhì)量分?jǐn)?shù)計(jì)）過(guò)低時(shí)不足以激發(fā)地聚物活性，而過(guò)高時(shí)易使材料發(fā)生泛堿現(xiàn)象，影響結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，且在拌和過(guò)程中易導(dǎo)致原料粘稠，拌合不均勻，經(jīng)拌和試驗(yàn)得知堿當(dāng)量一般不應(yīng)超過(guò)3%。為進(jìn)一步對(duì)比堿對(duì)砒砂巖地聚物水泥復(fù)合土的作用機(jī)理，設(shè)置堿當(dāng)量（以Na2O占膠凝材料質(zhì)量分?jǐn)?shù)計(jì)）分別為0、0.5%、1.0%、1.5%、2.0%和2.5%。依據(jù)《公路工程無(wú)機(jī)結(jié)合料穩(wěn)定材料試驗(yàn)規(guī)程》（JTG E51—2009），采用北京中科路建儀器設(shè)備有限公司生產(chǎn)的DZY-2型數(shù)控多功能電動(dòng)擊實(shí)儀對(duì)水泥摻量12%、偏高嶺土摻量3%砒砂巖地聚物水泥復(fù)合土進(jìn)行擊實(shí)，來(lái)確定其最優(yōu)含水率和最大干密度。根據(jù)擊實(shí)試驗(yàn)得到最大干密度的變化范圍為1.857～1.903 g/cm3，試驗(yàn)取1.88 g/cm3；最優(yōu)含水率的變化范圍為13.10%～13.74%，試驗(yàn)取13.42%。具體試驗(yàn)方案及配比如表1所示。

表1 試驗(yàn)方案及材料配比Table 1 Experimental scheme and material ratio

將試驗(yàn)原料按指定配比裝入攪拌機(jī)充分?jǐn)嚢杈鶆?，后將攪拌后原料裝入鋼模中通過(guò)壓力成型制成φ50 mm×50 mm試塊。分別置于滄州路達(dá)建筑儀器制造公司生產(chǎn)的YH-90B型標(biāo)準(zhǔn)恒溫恒濕養(yǎng)護(hù)箱和上海滬升試驗(yàn)儀器廠生產(chǎn)的H/GDWJS-100型高低溫交變濕熱試驗(yàn)箱中進(jìn)行堿激發(fā)，相對(duì)濕度為95%。地聚物的堿激發(fā)效果在高溫條件下會(huì)有快速的提升[23]，但過(guò)高的溫度會(huì)導(dǎo)致施工成本的增加，結(jié)合目前技術(shù)手段，綜合分析堿激發(fā)機(jī)理，將激發(fā)溫度分別設(shè)置為室溫（20 ℃）、60、80和100 ℃，激發(fā)時(shí)間為12 h，后移至標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)箱養(yǎng)護(hù)3、7、28和60 d。

1.3 試驗(yàn)方法

采用WDW-100M型萬(wàn)能材料試驗(yàn)機(jī)分別對(duì)3、7、28和60 d齡期試樣進(jìn)行無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)，測(cè)定其抗壓強(qiáng)度，加載速率采用2 mm/min，每組選擇3個(gè)平行試塊。除強(qiáng)度外，利用壓汞儀測(cè)試砒砂巖地聚物水泥復(fù)合土孔隙結(jié)構(gòu)時(shí)變特征。利用X射線衍射對(duì)不同試塊衍射峰強(qiáng)度進(jìn)行對(duì)比，分析不同試塊晶體物質(zhì)的組成及相對(duì)含量。利用傅里葉變換紅外光譜對(duì)反應(yīng)后產(chǎn)物進(jìn)行原子結(jié)構(gòu)分析，根據(jù)不同試塊的紅外光譜吸收峰揭示其化學(xué)反應(yīng)機(jī)理。同時(shí)結(jié)合掃描電鏡進(jìn)一步觀測(cè)其化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)物及微觀結(jié)構(gòu)變化。

壓汞試驗(yàn)選用美國(guó)MICROMERITICS公司生產(chǎn)的AutoPoreIV9500全自動(dòng)壓汞儀；XRD測(cè)試采用日本理學(xué)Ultima IV組合型多功能水平X射線衍射儀；掃描電鏡采用美國(guó)FEI公司Quanta 250 FEG型場(chǎng)發(fā)射掃描電鏡；紅外光譜采用美國(guó)Thermo fisher Nicolet iS5 型傅立葉變換紅外光譜儀。

2 結(jié)果與分析

2.1 宏觀力學(xué)特性

2.1.1 堿當(dāng)量對(duì)砒砂巖地聚物水泥復(fù)合土強(qiáng)度的影響

圖2 為不同齡期的砒砂巖地聚物水泥復(fù)合土試塊強(qiáng)度隨堿當(dāng)量變化的關(guān)系。在早期（圖2a），隨著堿當(dāng)量增加，試塊強(qiáng)度總體呈現(xiàn)增長(zhǎng)趨勢(shì)，但增長(zhǎng)速率不大，齡期達(dá)到7 d后，強(qiáng)度總體呈現(xiàn)先增大后減小趨勢(shì)，多數(shù)情況在堿當(dāng)量為2%時(shí)試塊強(qiáng)度達(dá)到最大。同時(shí)隨著齡期的增加，堿當(dāng)量對(duì)砒砂巖地聚物水泥復(fù)合土強(qiáng)度影響作用增強(qiáng)，試塊強(qiáng)度增長(zhǎng)速度加快。綜合圖2各齡期的強(qiáng)度可見(jiàn)，在激發(fā)溫度80 ℃、堿當(dāng)量2%時(shí)試塊強(qiáng)度出現(xiàn)明顯增強(qiáng)，此時(shí)強(qiáng)度為8.23 MPa。以28 d齡期砒砂巖地聚物水泥復(fù)合土為例，相對(duì)于未摻入堿的試塊，20、60、80、100 ℃堿激發(fā)條件2%的堿當(dāng)量試塊強(qiáng)度分別提升18.21%、14.03%、32.95%、11.97%。

2.1.2 激發(fā)溫度對(duì)砒砂巖地聚物水泥復(fù)合土強(qiáng)度的影響

圖3 為不同齡期砒砂巖地聚物水泥復(fù)合土試塊在不同堿當(dāng)量條件下抗壓強(qiáng)度隨堿激發(fā)溫度變化關(guān)系，從圖中可以看出，堿激發(fā)溫度能夠明顯改變?cè)噳K的抗壓強(qiáng)度。在試塊早期（圖3a、b），當(dāng)堿激發(fā)溫度小于80 ℃時(shí)，隨著溫度升高，試塊強(qiáng)度不斷增大，當(dāng)堿激發(fā)溫度超過(guò)80 ℃以后，試塊強(qiáng)度增長(zhǎng)緩慢甚至出現(xiàn)下降。隨著齡期的增長(zhǎng)（圖3c、d），不同堿當(dāng)量砒砂巖地聚物水泥復(fù)合土試塊強(qiáng)度隨溫度變化趨勢(shì)出現(xiàn)不同，當(dāng)堿摻量大于2%時(shí)，其強(qiáng)度增長(zhǎng)速率在80 ℃最大，當(dāng)堿激發(fā)溫度超過(guò)80 ℃以后，其強(qiáng)度增長(zhǎng)趨于緩慢甚至下降。但當(dāng)堿摻量小于2%時(shí)，其強(qiáng)度隨溫度升高總體呈現(xiàn)不斷增長(zhǎng)趨勢(shì)，當(dāng)堿激發(fā)溫度超過(guò)80 ℃以后，其強(qiáng)度仍然呈現(xiàn)較大的增長(zhǎng)趨勢(shì)，預(yù)測(cè)隨著溫度繼續(xù)增大，其強(qiáng)度最終將趨近于80 ℃堿當(dāng)量為2%時(shí)的值，但升高溫度必然造成施工成本大幅度增長(zhǎng)，因此認(rèn)為80 ℃為堿激發(fā)最佳溫度。

2.2 微觀機(jī)理分析

為進(jìn)一步探究堿激發(fā)對(duì)砒砂巖地聚物復(fù)合土強(qiáng)度的影響，揭示其反應(yīng)機(jī)理及結(jié)構(gòu)響應(yīng)，以28 d齡期不同堿激發(fā)條件的砒砂巖地聚物水泥復(fù)合土為例，進(jìn)行微觀機(jī)理分析。

2.2.1 基于X射線衍射的物相分析

圖4 為80℃激發(fā)溫度下?lián)饺?%堿當(dāng)量W8A4組與沒(méi)有摻堿試塊W8A0組的XRD圖譜，由圖可見(jiàn)，摻堿的砒砂巖地聚物水泥復(fù)合土水化產(chǎn)物較不摻堿的出現(xiàn)明顯差異。不摻堿的樣品中可明顯檢測(cè)到砒砂巖中蒙脫石（2θ= 6°）、鈉長(zhǎng)石、高嶺石、白云母、鉀長(zhǎng)石衍射峰。摻入堿后蒙脫石及部分鉀長(zhǎng)石衍射峰消失、高嶺石衍射峰減弱，并伴隨著鉀A型沸石、羥基鈣霞石衍射峰的產(chǎn)生。這表明堿的摻入可使得砒砂巖中鉀長(zhǎng)石、蒙脫石和石英部分發(fā)生反應(yīng)，將鉀長(zhǎng)石中K+以及鈉長(zhǎng)石中Na+溶出，在堿環(huán)境水熱反應(yīng)條件下，Na+、AlO2-、SiO32-與OH-共同作用生成羥基鈣霞石（1.06Na2O·Al2O3·1.60Si O2·1.60H2O）。這是因?yàn)槊擅撌筒糠质⒃趬A的作用下發(fā)生溶蝕[24]，大量的SiO32-和AlO22-被溶出，形成了硅鋁酸鹽凝膠。而偏高嶺土中含有大量的活性SiO2和Al2O3，在堿環(huán)境中，無(wú)定形硅鋁酸鹽凝膠以及偏高嶺土中Si-O-Si和Al-O-Al共價(jià)鍵發(fā)生斷裂，溶解的單硅酸根和鋁酸根發(fā)生聚合反應(yīng)生成硅鋁酸鹽三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，其中含有SiO4和AlO4四面體，它們通過(guò)共享氧離子連接在一起，而金屬陽(yáng)離子被包含在結(jié)構(gòu)中用來(lái)平衡電荷。由于K+比Na+具有更小的離子半徑，因此更容易進(jìn)入鋁氧四面體平衡電價(jià)，所以體系中游離的K+與水化硅鋁酸鹽更能促進(jìn)礦物聚合反應(yīng)的發(fā)生，最終聚合生成鉀A型沸石，其結(jié)構(gòu)晶格重組如圖5所示。因砒砂巖中蒙脫石具有較強(qiáng)的吸水膨脹力，劣化砒砂巖地聚物水泥復(fù)合土強(qiáng)度及耐久性，而沸石具有吸附性強(qiáng)、熱穩(wěn)定好、強(qiáng)度高等特點(diǎn)，可將體系中毛細(xì)孔游離的金屬陽(yáng)離子進(jìn)行吸附固化。因此堿的加入可以使砒砂巖地聚物復(fù)合土強(qiáng)度以及耐久性得到提升。

進(jìn)一步分析激發(fā)溫度對(duì)砒砂巖地聚物水泥復(fù)合土生成物的影響，由圖6可知，不同激發(fā)溫度下砒砂巖地聚物水泥復(fù)合土主要生成物質(zhì)基本一致。但隨著激發(fā)溫度的升高，在2θ=7.2°附近鉀A型沸石（Zeolite-A）的衍射峰逐漸增強(qiáng)。在常溫（20 ℃）激發(fā)條件下，偏高嶺土與堿的化學(xué)反應(yīng)非常緩慢，堿激發(fā)偏高嶺土的主要水化產(chǎn)物為無(wú)定型的鋁硅酸鹽凝膠，Yi等[25]將這種水化產(chǎn)物稱為“沸石前驅(qū)體（Zeolite Precursor）”，認(rèn)為沸石是這種水化產(chǎn)物演化的最終形態(tài)。水熱反應(yīng)條件促進(jìn)了鋁硅酸鹽凝膠向晶體轉(zhuǎn)換的過(guò)程，并通過(guò)一系列縮聚反應(yīng)最終形成沸石，無(wú)定型的鋁硅酸鹽凝膠以及鉀A型沸石為堿激發(fā)偏高嶺土主要產(chǎn)物。溫度升高會(huì)加快鋁硅酸鹽凝膠的形成，當(dāng)溫度超過(guò)80 ℃后，溫度繼續(xù)升高又促進(jìn)鋁硅酸鹽凝膠向沸石晶體轉(zhuǎn)化。

2.2.2 砒砂巖地聚物水泥復(fù)合土FTIR分析

圖7 為28 d齡期不同堿激發(fā)條件下砒砂巖地聚物水泥復(fù)合土試塊紅外光譜圖，表2為不同試塊主要吸收峰位置及信息。由表2知，80 ℃堿激發(fā)溫度下，不同堿當(dāng)量砒砂巖地聚物水泥復(fù)合土主要在1、2、3、4、6、7號(hào)位置吸收峰出現(xiàn)明顯差異。隨堿當(dāng)量的增加，1、2號(hào)吸收峰譜帶位置逐漸向左偏移，說(shuō)明SiO2聚合度逐漸減小，這是由于堿的摻入使得砒砂巖中部分SiO2發(fā)生溶解，Si-O鍵發(fā)生溶蝕，大量的SiO32-被溶出，生成了硅酸鹽凝膠產(chǎn)物。3、4、6、7號(hào)位置為N-A-S-H凝膠的典型吸收峰，在沒(méi)有堿摻入時(shí)，未檢測(cè)到吸收峰，隨著堿的摻入，出現(xiàn)明顯吸收峰，這說(shuō)明堿環(huán)境促進(jìn)了N-A-S-H凝膠的生成，生成的N-A-S-H凝膠內(nèi)硅氧四面體以3個(gè)共享氧橋的方式存在。

表2 不同試塊主要吸收峰位置及信息Table 2 Location and information of main absorption peaks of different test blocks

在堿當(dāng)量為2%時(shí)，不同堿激發(fā)溫度下的砒砂巖地聚物水泥復(fù)合土主要在2、3號(hào)位置吸收峰出現(xiàn)明顯差異，2號(hào)吸收峰為Si-O平面外彎曲振動(dòng)引起的，隨堿激發(fā)溫度的升高，吸收峰位置先向左移動(dòng)后向右移動(dòng)，W8A4組試塊吸收峰位置最左，SiO2聚合度最低，說(shuō)明80℃堿激發(fā)條件下體系SiO2溶解度最大。3號(hào)附近吸收峰是Si-O-Al變形振動(dòng)導(dǎo)致的，體系中的Al取代了SiO4四面體中的Si原子，導(dǎo)致吸收峰譜帶向低頻率移動(dòng)，隨溫度的升高，吸收峰譜帶位置呈現(xiàn)先左移后右移現(xiàn)象，W8A4組試塊紅外吸收峰譜帶出現(xiàn)在最低頻，說(shuō)明80 ℃堿激發(fā)條件下體系中Si-O-Al含量最多，N-A-S-H凝膠生成量最大。

2.2.3 基于場(chǎng)發(fā)射掃描電鏡的微觀結(jié)構(gòu)分析

圖8 為28 d齡期不同激發(fā)條件地聚物水泥復(fù)合土試塊放大5 000倍后的掃描電鏡圖。在堿當(dāng)量為2%條件下，當(dāng)試塊處于常溫激發(fā)時(shí)，水泥水化反應(yīng)緩慢，在圖像上能觀測(cè)到部分未水化的水泥顆粒（圖8a），而試塊處于相對(duì)高溫激發(fā)時(shí)，其表面可明顯觀測(cè)到水泥水化生成的蜂窩網(wǎng)狀C-S-H凝膠、鉀A型沸石等物質(zhì)。當(dāng)激發(fā)溫度為60 ℃時(shí)（圖8b），沸石晶體呈現(xiàn)細(xì)長(zhǎng)枝狀，且互相分散交叉，結(jié)晶度較差，在XRD中僅見(jiàn)微弱衍射峰。當(dāng)堿激發(fā)溫度繼續(xù)升高（圖8c、d），沸石晶體逐漸聚合為簇狀團(tuán)體，且由結(jié)晶度較差的枝狀演化為結(jié)晶度較好的細(xì)長(zhǎng)棱柱體，且在XRD中也發(fā)現(xiàn)其衍射峰變得更強(qiáng)。這說(shuō)明在高溫堿激發(fā)條件下，高堿度環(huán)境促進(jìn)了砒砂巖地聚物水泥復(fù)合土中沸石的生成，且溫度越高，生成沸石結(jié)晶度越好。

在堿激發(fā)溫度為80 ℃條件下，試塊未摻入堿時(shí)（圖 8e），試塊結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)疏松片狀，且存在較大的孔隙，無(wú)晶體存在。堿當(dāng)量為2%時(shí)（圖8c），有明顯簇狀團(tuán)體沸石晶體生成，且基底結(jié)構(gòu)致密。

2.3 基于全自動(dòng)壓汞的孔結(jié)構(gòu)分析

2.3.1 激發(fā)溫度對(duì)孔結(jié)構(gòu)的影響

水泥基材料的強(qiáng)度和耐久性與密實(shí)度有密切的關(guān)系，而孔隙率和孔結(jié)構(gòu)特征是影響水泥基材料密實(shí)度的重要因素[26]。為進(jìn)一步研究堿激發(fā)條件對(duì)砒砂巖地聚物水泥復(fù)合土內(nèi)部孔隙結(jié)構(gòu)的影響，選取28 d齡期不同條件下的樣品進(jìn)行壓汞試驗(yàn)分析，不同堿激發(fā)溫度下砒砂巖地聚物水泥復(fù)合土孔結(jié)構(gòu)微分分布曲線如圖9所示。

由圖9可知，在10～100 nm孔徑之間，砒砂巖地聚物水泥復(fù)合土孔結(jié)構(gòu)微分分布曲線出現(xiàn)第一個(gè)峰且為最高峰，W8A4和W10A4組峰值明顯高于其他兩個(gè)峰，說(shuō)明在此孔徑段內(nèi)孔隙占比較大。在1 000～5 000 nm孔徑之間出現(xiàn)第二個(gè)峰，此階段W8A4組面積最小，即在此孔徑段內(nèi)W8A4孔隙占比均小于其他組。在5 000～50 000 nm孔徑之間出現(xiàn)第三個(gè)峰且為次高峰，此階段W8A4組僅呈現(xiàn)出微弱峰值，而其他組呈現(xiàn)明顯的高峰，且W2A4組峰值區(qū)間變寬，峰面積最大，這表明在此孔徑區(qū)間，W2A4組孔隙占比最大而W8A4組孔隙占比最小。

根據(jù)孔結(jié)構(gòu)分布計(jì)算得出孔徑結(jié)構(gòu)分布見(jiàn)表3。Fred等[27]根據(jù)聚類孔隙理論將地聚物水泥復(fù)合土中的孔分為4類，分別為內(nèi)部聚合孔隙（孔徑小于10 nm）、小孔隙（10～100 nm）、大孔隙（>100～1 000 nm）以及夾帶孔隙（>1 000 nm）。其中內(nèi)部聚合孔隙主要分布在凝膠體系中。由表3可知，高激發(fā)溫度砒砂巖地聚物水泥復(fù)合土內(nèi)部孔隙率均低于常溫堿激發(fā)試塊孔隙率1個(gè)百分點(diǎn)以上，而且表現(xiàn)出大孔減小、內(nèi)部聚合孔隙增多趨勢(shì)，高溫堿激發(fā)條件下100 nm以下的小孔隙占比常溫堿激發(fā)高5個(gè)百分點(diǎn)以上。且在80 ℃時(shí)，砒砂巖地聚物水泥復(fù)合土內(nèi)部孔隙率最低，僅為23.47%，內(nèi)部聚合孔隙占比達(dá)到11.67%，相對(duì)其他組增加了2個(gè)百分點(diǎn)以上，為各組試塊中最大。這表明隨著溫度的升高，偏高嶺土火山灰效應(yīng)逐漸被激發(fā)，生成了大量的N-A-S-H凝膠，生成的膠凝物質(zhì)包裹了砒砂巖顆粒之間的孔隙，使得結(jié)構(gòu)更加致密，從而增加了砒砂巖地聚物水泥復(fù)合土的強(qiáng)度。但當(dāng)溫度超過(guò)80℃以后，一方面膠凝物質(zhì)包裹了部分土顆粒，影響了水化反應(yīng)的繼續(xù)進(jìn)行，另一方面部分膠凝物質(zhì)逐漸轉(zhuǎn)化為沸石晶體，粘結(jié)作用減弱，從而導(dǎo)致強(qiáng)度有所下降。

表3 不同堿激發(fā)溫度砒砂巖地聚物水泥復(fù)合土孔徑結(jié)構(gòu)分布Table 3 Pore structure distribution of Pisha Sandstone geopolymer cement composite soil under different alkali excitation temperatures

2.3.2 堿當(dāng)量對(duì)孔結(jié)構(gòu)的影響

圖10 為堿激發(fā)溫度為80 ℃時(shí)，不同堿當(dāng)量下砒砂巖地聚物水泥復(fù)合土孔結(jié)構(gòu)微分分布曲線，由圖10可知，在10～100 nm孔徑之間，砒砂巖地聚物水泥復(fù)合土孔結(jié)構(gòu)微分分布曲線出現(xiàn)第一個(gè)峰且為最高峰，其中W8A4峰值最高，且相對(duì)于其他兩組，峰值出現(xiàn)向左移動(dòng)趨勢(shì)，這表明W8A4組小孔隙占比高于其他兩組。在1 000～5 000 nm孔徑之間出現(xiàn)第二個(gè)峰，在此孔徑范圍內(nèi)，3組試樣曲線趨勢(shì)基本一致，僅W8A5組峰面積明顯大于其他組。在5 000～50 000 nm孔徑之間出現(xiàn)第三個(gè)峰且為次高峰，此階段W8A0組和W8A5組曲線變化趨勢(shì)基本一致，但W8A4組沒(méi)有出現(xiàn)較大的峰，峰面積遠(yuǎn)小于其他兩組，這說(shuō)明在此孔徑段內(nèi)，W8A4組孔隙占比明顯低于其他組。

同理計(jì)算4類孔徑結(jié)構(gòu)分布見(jiàn)表4。W8A4組總孔隙率為23.47%，較W8A0組W8A5組孔隙率分別降低了3.28個(gè)百分點(diǎn)和4.48個(gè)百分點(diǎn)，且小于10 nm內(nèi)部聚合孔隙占比較W8A0組及W8A5組分別高4.35個(gè)百分點(diǎn)和 2.22個(gè)百分點(diǎn)，大于1 000 nm大孔占比較W8A0組及W8A5組分別低5.85個(gè)百分點(diǎn)和4.73個(gè)百分點(diǎn)。這表明隨著堿的摻入，較高的堿濃度促使砒砂巖中部分SiO2以及具有膨脹性的蒙脫石等物質(zhì)被溶解，體系中硅離子和鋁離子增多導(dǎo)致水化硅鋁酸鹽產(chǎn)物增多，N-A-S-H膠凝聚合度增大，包裹了土顆粒，使其結(jié)構(gòu)更密實(shí)。但隨著堿量的繼續(xù)加大，試塊孔隙率加大，強(qiáng)度降低，這是由于體系中較高的堿以及硅酸根離子濃度影響了體系中硅鋁原料的溶解度，使得堿激發(fā)反應(yīng)進(jìn)程未充分進(jìn)行。

表4 不同堿當(dāng)量砒砂巖地聚物水泥復(fù)合土孔徑結(jié)構(gòu)分布Table 4 Pore structure distribution of Pisha Sandstone geopolymer cement composite soil under different alkali equivalent

3 討 論

本文僅選用了液體硅酸鈉作為堿激發(fā)劑，而目前利用堿激發(fā)制備地聚合物材料時(shí)，還可用苛性堿和堿性鹽來(lái)作為堿激發(fā)劑[23]。不同的堿激發(fā)劑其適用范圍及優(yōu)缺點(diǎn)也各不相同：苛性堿具有強(qiáng)腐蝕性，易使材料發(fā)生泛堿；弱酸鹽生產(chǎn)過(guò)程碳排放小，但由于其堿度低導(dǎo)致適用范圍很?。环枪杷猁}的強(qiáng)酸鹽用作堿激發(fā)劑時(shí)，通常需要添加一定的熟料才可以產(chǎn)生足夠的強(qiáng)度；而硅酸鹽因生產(chǎn)成本低、適用范圍廣、激發(fā)效果好等特點(diǎn)被廣泛應(yīng)用[28-29]。大量試驗(yàn)還表明，采用鈉水玻璃為堿激發(fā)劑，當(dāng)模數(shù)在1.2左右時(shí)其效果最佳[14,30]。試驗(yàn)證明鈉水玻璃激發(fā)砒砂巖地聚物水泥復(fù)合土也取得較好效果，而其他類型堿激發(fā)劑對(duì)砒砂巖地聚物水泥復(fù)合土的適用性及激發(fā)效果，還可繼續(xù)進(jìn)行深入探究。

7 d齡期堿激發(fā)砒砂巖地聚物水泥復(fù)合土無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度即可達(dá)到6.39 MPa。依據(jù)《公路瀝青路面設(shè)計(jì)規(guī)范》（JTG D50—2017），可達(dá)到高速公路、一級(jí)公路結(jié)構(gòu)層的強(qiáng)度設(shè)計(jì)要求。在常溫堿激發(fā)條件下7 d齡期無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度即可達(dá)到4.28 MPa，也滿足二級(jí)及二級(jí)以下公路結(jié)構(gòu)層的設(shè)計(jì)強(qiáng)度。由此可見(jiàn)通過(guò)堿激發(fā)制備砒砂巖地聚物水泥復(fù)合土，為實(shí)現(xiàn)大量松散砒砂巖的工程利用提供了有效的途徑。將砒砂巖地聚物水泥復(fù)合土應(yīng)用于公路路基基層時(shí)，由于內(nèi)蒙古鄂爾多斯地區(qū)夏季地表溫度可達(dá)40 ℃，通常將路基覆膜養(yǎng)護(hù)，其內(nèi)部溫度可高達(dá)60 ℃左右，另外水泥水化反應(yīng)初期會(huì)放出大量熱量，其中心溫度可達(dá)到堿激發(fā)條件，強(qiáng)度可得到有效提升，大大縮短了施工工期。

4 結(jié) 論

1）堿激發(fā)溫度及堿當(dāng)量對(duì)偏高嶺土砒砂巖地聚物水泥復(fù)合土有著很大的影響。提高堿激發(fā)溫度可提高砒砂巖地聚物水泥復(fù)合土強(qiáng)度，隨著堿摻量的增加，其強(qiáng)度增長(zhǎng)速率先增加后趨于緩慢，從經(jīng)濟(jì)性和強(qiáng)度方面綜合考慮，確定堿激發(fā)溫度為80 ℃、堿當(dāng)量為2%時(shí)砒砂巖地聚物水泥復(fù)合土配比達(dá)到最優(yōu)。

2）隨堿摻量的增大及堿激發(fā)溫度的升高，砒砂巖中的蒙脫石和部分石英以及偏高嶺土在堿作用下發(fā)生溶蝕，溶解的單硅酸根和鋁酸根發(fā)生聚合反應(yīng)生成硅鋁酸鹽三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，同體系中游離的K+發(fā)生聚合反應(yīng)生成鉀A型沸石，且堿激發(fā)溫度越高越易促進(jìn)沸石晶體的生成。

3）砒砂巖地聚物水泥復(fù)合土中N-A-S-H凝膠的生成量，隨堿激發(fā)溫度及堿當(dāng)量的增加均呈現(xiàn)先增大后減小趨勢(shì)，一定范圍內(nèi)堿激發(fā)溫度升高可加快化學(xué)反應(yīng)進(jìn)行，但溫度過(guò)高會(huì)導(dǎo)致凝膠向晶體相轉(zhuǎn)化，當(dāng)堿激發(fā)溫度為80 ℃、堿當(dāng)量為2%時(shí)，復(fù)合土中生成N-A-S-H凝膠產(chǎn)物最多。

4）凝膠的生成量增加改變了砒砂巖地聚物水泥復(fù)合土的孔隙率以及內(nèi)部<10 nm孔徑占比，使得體系中顆粒粘結(jié)作用增強(qiáng)，從而使其強(qiáng)度得到提升，堿激發(fā)溫度為80 ℃、堿當(dāng)量為2%的條件下，砒砂巖地聚物水泥復(fù)合土孔隙率為23.47%，相對(duì)其他組最低，小于10 nm孔徑占比相對(duì)于其他組增加了2個(gè)百分點(diǎn)以上，明顯增大。