高岭土购于石家庄辰星实业有限公司,氧化钙(分析纯)购于天津市致远化学试剂有限公司,偏高岭土(分析纯)购于天津市北辰方正试剂厂,蒸馏水产自西安市东关蒸馏水厂.

高岭土和偏高岭土的颗分曲线如图1所示,其中w_d为试验材料的质量百分数,d为试验材料的颗粒粒径.

图1 颗分曲线
Fig.1 Particle size distribution curves

表1 高岭土的物理指标
Tab.1 Physical parameters of kaolin clay

表2 偏高岭土化学成分(质量分数)
Tab.2 Chemical composition of metakaolin clay

本文所配制的灰土材料,同时控制原料的石灰、偏高岭土和水固比3个因素,分析三者对灰土力学性质的影响.试验以高岭土材料为主要原材料,高岭土质量用m_k表示,偏高岭土含量用m_m表示,石灰含量用m_l表示,偏高岭土和石灰的含量,用其与高岭土的质量比来表示.根据该试验原料配合比的轻型击实试验确定的最大干密度为1.44 g/cm³,对应的最优含水率为27.9%.因此,配制该试验的水固比m_w/m_s分别为0.26、0.28、0.30和0.32.

将试验原料称好后,进行均匀搅拌,放入自封袋中,根据试样调配的水固比分别调至灰土膏浆样,并不断搅拌灰土膏浆养护至3个小时,根据计算称取一定质量的灰土膏浆注入Φ39.1 cm*80 cm的三瓣模中,用制样器制样成型后,放置在干燥器中养护,分别测定试样的3 d、7 d、28 d抗压强度.

为了研究添加偏高岭土的灰土材料的力学特性,分别配置了干密度为1.52 g/cm³、水固比为0.28的不同石灰含量的灰土试件作为对照试验.本试验中石灰含量m_l分别为8%、10%、13%和16%.试验所得不同石灰含量条件下试样在不同龄期时的无侧限抗压强度对比图如图2所示.

图2 不同石灰含量的灰土抗压强度
Fig.2 Compressive strength of lime-soil sample with different lime content

为了研究添加偏高岭土的灰土材料的力学特性,分别配置了相同石灰含量和干密度,不同水固比的灰土试样作为对照试验.分别配置水固比m_w/m_s为0.26、0.28、0.30和0.32,石灰含量m_l为10%的灰土试样,测定试样的3 d、7 d、28 d龄期时的无侧限抗压强度,试验结果如图3所示.

图3 不同水固比的灰土材料抗压强度
Fig.3 Compressive strength of lime-soil sample with different water-solid ratios

根据前文的对比试验可知,灰土材料的强度受石灰的含量m_l和水固比m_w/m_s的影响明显,若向灰土中添加偏高岭土,必然导致最佳石灰含量m_l和水固比m_w/m_ss发生变化,而偏高岭土m_m的含量也必然存在最优含量.

(1)石灰含量对含偏高岭土的灰土强度的影响

根据2.1节的试验结果,可推断出添加了偏高岭土的灰土试样中,石灰含量应在图2曲线的上升区间至其延长线的一定范围内.据此,配置干密度为1.52 g/cm³,水固比m_w/m_s为0.3,偏高岭土m_m含量为8%、10%、13%和石灰含量m_l为8%、10%、13%、16%、20%的灰土试样15组,分别测定各试样在3 d、7 d和28 d龄期时的无侧限抗压强度.用于研究不同偏高岭土含量条件下,试样抗压强度随石灰含量的变化规律,试验结果如图4所示.

图4 不同石灰含量的灰土抗压强度
Fig.4 Compressive strength of lime-soil sample with differentlime content

(2)水固比对含偏高岭土的灰土强度的影响

通过前文研究可知,干密度为1.52 g/cm³,偏高岭土含量m_m为10%,石灰含量ml为13%时,灰土材料的无侧限抗压强度最高,因此本节在此基础上进一步研究水固比(m_w/m_s为0.26、0.28、0.30、0.32和0.34)对含偏高岭土灰土试样无侧限抗压强度的影响,试验结果如图5所示.

由图5可以看出,水固比m_w/m_s对添加了偏高岭土的灰土试样的强度影响较大,与图3的结果相类似,随着水固比m_w/m_s的增加,试样的强度呈先增大后减小的趋势,当水固比为0.3时,试样的抗压强度最大.对比图3的试验结果,添加偏高岭土m_m的试样最高强度所对应的水固比m_w/m_s比未添加偏高岭土的灰土试样略大,初步推断应该是因为灰土中添加了偏高岭土后,试样会发生火山灰反应,所需要的含水量有所增加所致.

图5 不同水固比的灰土抗压强度
Fig.5 Compressive strength of lime-soil sample with different water-solid ratios

本文中软化系数是指试件吸水饱和后的无侧限抗压强度与试件干燥状态下的无侧限抗压强度之比.软化系数越大,表明材料的耐水性越好.本节主要分析水固比m_w/m_s为0.3,石灰含量为13%的灰土试样和相同条件下的添加10%偏高岭土灰土试样在3 d、7 d、28 d龄期的软化系数,试验结果见表3.

表3 灰土材料的软化系数
Tab.3 Softening coefficient of lime soil material

由表3可以看出,无论是常规灰土材料试样还是添加了偏高岭土的试样,其软化系数均随养护龄期的增加而增大.但添加了偏高岭土后,试样的软化系数整体上高于无偏高岭土的情况.特别的,含偏高岭土的灰土试样其软化系数随龄期的变化相对较小,可见偏高岭土可以显著改善灰土材料的软化性能.

灰土试样的含水率变化,在一定程度上可以间接反映试样内部火山灰反应的程度,以水固比m_w/m_s为0.3,石灰含量m_l为13%的灰土试样作为参照试验,分析具有相同干密度、水固比和石灰含量但添加10%偏高岭土的灰土试样的含水率变化规律.以试件成型时的含水率作为初始重量ω₀,然后分别测定不同龄期的常规灰土试样和添加偏高岭土的灰土试样的含水率ω_t,t分别为3 d、7 d、28 d,试样含水率变化规律如图6所示.

由图6可以看出,在干燥器中养护的常规灰土试样和添加10%偏高岭土的灰土试样的含水率,随着龄期的增长总体上呈减小趋势.对比图6中的两条曲线可以看出, 水固比相同的常规灰土试样和添加了偏高岭土的灰土试样的初始含水率略有不同,这是由于偏高岭土的加入使相同条件下石灰含量小于常规灰土试样中所含的石灰量,而石灰遇水产生大量的热量,带走了一部分水分.

对于常规灰土试样,随着龄期的增长,试样的含水率先呈减小趋势,至7 d后灰土试样的含水率几乎不发生变化,这主要是因为试样中的石灰随着龄期的增长逐渐发生反应,吸收了一定数量的水分,而后灰土试样的反应吸水与干燥器中的水分补充达到平衡.添加了偏高岭土的灰土试样其含水率变化呈先减小后增大最后略有减小的趋势,且3 d龄期时的含水量变换斜率明显高于灰土试样的斜率,主要是因为偏高岭土与Ca(OH)₂和水发生化学反应,需要较多的水分参与所致,反应完全后试样又吸收了干燥器中的水分导致式样的含水率有所增加,随着龄期的增长,含水率趋于稳定.

图6 灰土材料的含水率变化曲线
Fig.6 Water content of lime-soil sample

选取在干燥器中养护28 d,石灰含量为13%、水固比为0.3的常规灰土试样和相同条件下添加10%偏高岭土的灰土试样,在其断面喷金,然后采用扫描电镜(SEM)进行观察,结果如图7所示.

图7(a)为养护28 d的常规灰土试样,可以看出,灰土试样内部结构较为致密,高岭土颗粒以单个粉粒和黏胶微碎屑组成的颗粒集组成,颗粒大小不均匀,颗粒间多以面-面接触为主,孔隙多表现为微小的颗粒间空隙.而添加了10%偏高岭土的灰土试样,如图7(b)所示,图像中的颗粒沿着空间3 个方向都有所生长,颗粒间明显受到胶凝黏结物联结而呈现团块状态,与图7(a)相比土中团粒显著增多,因此强度提高.

图7 灰土材料的SEM照片
Fig.7 SEM photographs of lime-soil material