摘要
本文采用地聚物胶凝材料代替传统水泥土搅拌桩中的水泥，研究了其固化地基土的力学性能. 试验通过钠水玻璃激发蒙脱石、矿渣、粉煤灰、电石渣形成胶凝材料对地基土进行固化，测试不同配比下固化地基土的无侧限抗压强度，以及两组试件分别在pH=5的HCl溶液、质量分数5%的Na₂SO₄溶液中浸泡7 d、14 d、28 d的强度变化，并采用X射线衍射（XRD）和扫描电镜（SEM）进行成分与微观结构分析. 结果表明，相比于单纯使用矿渣，加入少量粉煤灰后，地聚物固化土的抗压强度更高；加入5%的蒙脱石可以参与地聚反应，吸附水分，填充孔隙，增加地聚物固化土的强度，但蒙脱石掺量过多会因其吸水膨胀的特性而产生不利影响；使用钠水玻璃模数0.8，掺量12%，蒙脱石掺量5%，矿渣粉煤灰比例9∶1的地聚物固化土，标准养护 28 d后抗压强度为3.44 MPa，在HCl溶液中浸泡28 d后强度降低26.2%，在Na2SO4溶液中浸泡28 d后强度降低17.4%，其抗压强度是水泥固化土的2.73倍，且耐酸和耐硫酸盐性能优异.
传统水泥土搅拌桩是以水泥作为胶结材料，常用于边坡或地基加固，具有较高的经济性和适用性. 然而实际工程中，一些区域的地下水环境可能会对水泥土搅拌桩产生侵蚀，例如酸性的地下水会导致水泥土搅拌桩的碱性损失及含钙相溶解；地下水中的硫酸盐则会引发外部硫酸根离子与氢氧化钙或铝硅酸盐等矿物质发生化学反应，形成具有膨胀特性的钙矾石或石膏，进而导致桩体内部含钙凝胶和晶体逐渐溶解，膨胀性产物破坏桩体结构，缩短水泥土搅拌桩使用寿
地质聚合物胶凝材料是利用粉煤灰、矿渣等工业废弃物制成，具有较高的耐腐蚀性、环保性和低碳性，其所含二氧化硅和氧化铝等在碱激发剂的作用下缩聚成稳定的三维网状结
然而，目前研究多采用单一地聚物原料，缺乏多元材料互补反应，且针对地聚物固化土壤后的耐酸、耐硫酸盐侵蚀的研究较少，对地聚物胶凝材料在水泥土搅拌桩中的应用指导不足. 本研究选用蒙脱石、矿渣、粉煤灰、电石渣作为前驱体，以钠水玻璃作为碱激发剂，制备地聚物胶凝材料固化地基土，测试 配比及养护龄期对地聚物固化土无侧限抗压强度（unconfined compression strength，UCS）的影响，观察两组试件分别在pH=5的HCl溶液、质量分数为5%的Na₂SO₄溶液中浸泡7 d、14 d、28 d时的强度变化，并结合X射线衍射（XRD）和扫描电镜（SEM）进行成分与微观结构分析.
1 试验设计
1.1 试验材料
本研究采用的地基土取自江西省新余市丘陵地带某工程的场地，如
图1 试验土样
Fig.1 Test soil sample
| ωP/% | ωL/% | Ip | DMDD/（g∙c | COMC/% |
|---|---|---|---|---|
| 23.62 | 33.77 | 10.15 | 1.69 | 20.47 |
注： 塑性指数Ip=ωL-ωP.
图2 土的颗粒级配曲线
Fig.2 Particle size distribution curve of soil
图3 土的XRD图谱
Fig.3 XRD pattern of soil
试验所用蒙脱石粒径为1~10 μm，纯度在90%以上.钠水玻璃初始模数为3.39，氢氧化钠纯度98%以上. 对照组水泥采用P·O 42.5级普通硅酸盐水泥.
（a） 矿渣
（b） 粉煤灰
（c） 电石渣
图4 地聚物材料的XRD图谱
Fig.4 XRD pattern of geopolymer materials
1.2 试验方案
由于开采位置的不同，土样含水率不均匀，考虑到地基经历长期自然固结过程，土体密度较大，而最大干密度所对应的含水率为最优含水率，为消除含水率差异对固化结果造成的影响，将土样烘干并砸碎后过2 mm筛，加水至最优含水率20.47%，并搅拌均匀.
根据《水泥土配合比设计规程》（JGJ/T 233—2011
HCl、H2SO4为试验常用酸溶液，为排除SO
将标准养护28 d的试件分成两组，其中一组放入pH=5的HCl溶液中，另一组放入质量分数为5%的Na₂SO₄溶液中，浸泡7 d、14 d、28 d后取出测试.测试设备为微机控制万能试验机，压缩速率为1 mm/min，测试试件的UCS.
地聚物固化土的配合比设计如
| 工况 | 碱激发剂掺量/% | 碱激发剂模数 | 矿渣粉煤灰掺量% | 矿渣粉煤灰比例 | 蒙脱石 掺量% |
|---|---|---|---|---|---|
| N0 | 对照组：水泥固化土 | ||||
| N1 | 8 | 0.8 | 85 | 9∶1 | 5 |
| N2 | 10 | 0.8 | 85 | 9∶1 | 5 |
| N3 | 12 | 0.8 | 85 | 9∶1 | 5 |
| N4 | 14 | 0.8 | 85 | 9∶1 | 5 |
| N5 | 12 | 0.6 | 85 | 9∶1 | 5 |
| N6 | 12 | 1.0 | 85 | 9∶1 | 5 |
| N7 | 12 | 1.2 | 85 | 9∶1 | 5 |
| N8 | 12 | 0.8 | 85 | 7∶3 | 5 |
| N9 | 12 | 0.8 | 85 | 8∶2 | 5 |
| N10 | 12 | 0.8 | 85 | 10∶0 | 5 |
| N11 | 12 | 0.8 | 85 | 9∶1 | 0 |
| N12 | 12 | 0.8 | 85 | 9∶1 | 10 |
2 UCS结果分析
2.1 地聚物固化土的UCS
（a） 碱激发剂掺量不同
（b） 碱激发剂模数不同
图5 不同碱激发剂下地聚物固化土的UCS
Fig.5 UCS of geopolymer-solidified soil with different
alkali activators
这是因为在碱激发剂掺量低于12%的适量范围内，地聚物胶凝材料与土壤颗粒中的硅铝组分被活化，加速反应生成水化硅酸钙（C―S―H）凝胶、水化硅铝酸钙（C―A―S―H）凝胶和钙矾石（AFt）晶体，这些产物可以填充地聚物固化土内部孔隙，胶结土壤颗粒，增加地聚物固化土的整体机械强
图6 不同矿渣粉煤灰比例下地聚物固化土的UCS
Fig.6 UCS of geopolymer-solidified soil with different slag to fly ash ratios
这是因为在粉煤灰比例较高时，与高钙含量的矿渣相比，低钙含量的粉煤灰会在碱激发剂作用下率先发生Si—O键、Al—O键的断裂，经过地聚反应生成更加稳定的水化硅铝酸钠（N—A—S—H）凝胶，这会阻碍粉煤灰与矿渣发生二次反应，影响地聚物固化土的抗压强
图7 不同蒙脱石掺量下地聚物固化土的UCS
Fig.7 UCS of geopolymer-solidified soil with different montmorillonite content
这是因为蒙脱石是一种辅助胶凝材料，在碱激发剂作用以及其他胶凝材料反应热环境下，蒙脱石可以提高C—S—H凝胶中硅氧四面体的聚合度，有助于加速早期反
2.2 地聚物固化土的耐腐蚀性
不同配合比下地聚物固化土标准养护28 d后在pH=5的HCl溶液中浸泡7 d、14 d、28 d的UCS结果如
（a） 不同碱激发剂掺量
（b） 不同碱激发剂模数
（c） 不同矿渣粉煤灰比例
（d） 不同蒙脱石掺量
图8 地聚物固化土的耐酸性
Fig.8 Acid resistance of geopolymer-solidified soil
观察其他地聚物固化土的强度变化曲线，总体来讲，28 d龄期时抗压强度更高的地聚物固化土在HCl溶液中浸泡后的强度也更高. 抗压强度最高的N3工况地聚物固化土，其配合比为钠水玻璃掺量12%；模数0.8；矿渣粉煤灰配比9∶1；蒙脱石掺量5%，浸泡在HCl溶液中7 d后强度为3.08 MPa，降低10.5%，浸泡14 d后强度为2.78 MPa，降低19.2%，而浸泡28 d后强度为2.54 MPa，降低26.2%. 地聚物固化土的耐酸表现远优于水泥固化土，一方面是因为地聚物固化土强度更高，内部结构更为密实，外部溶液不易渗透，从而受酸性溶液的影响较小；另一方面地聚物固化土本身是由钠水玻璃活化后反应，其体系内碱性较强，对酸碱中和反应有一定的抵御作用. 此外，在材料方面，蒙脱石具有吸附作用，其吸水膨胀后可以填充地聚物固化土内部孔隙，一定程度上减少反应离子随水分流失到外部溶液中的情况，利于地聚物固化土的强度保持.
从
不同配合比下地聚物固化土标准养护28 d后在5%的Na2SO4溶液中浸泡7 d、14 d、28 d的UCS结果如
（a） 不同碱激发剂掺量
（b） 不同碱激发剂模数
（c） 不同矿渣粉煤灰比例
（d） 不同蒙脱石掺量
图9 地聚物固化土的耐硫酸盐性
Fig.9 Sulfate resistance of geopolymer-solidified soil
观察其他地聚物固化土的强度变化曲线，同样，28 d龄期时抗压强度更高的地聚物固化土在Na2SO4溶液中浸泡后的强度也更高，这是因为强度越高的地聚物固化土内部往往越密实，更能抵抗外部溶液的侵蚀. 多数配合比下地聚物固化土在Na2SO4溶液中浸泡后出现强度轻微增长又逐渐降低的现象，强度增长与降低的原因与水泥固化土一致. 但抗压强度最高的N3工况地聚物固化土，浸泡在Na2SO4溶液中后，其强度并没有出现轻微增长阶段，浸泡7 d后强度为3.34 MPa，相比于未浸泡时降低2.9%，浸泡14 d后强度为3.06 MPa，相比于未浸泡时降低11.0%，而浸泡28 d后强度为2.84 MPa，相比于未浸泡时降低17.4%. 究其原因在于其未浸泡时抗压强度已经很高，内部结构密实，SO
从
除N12工况外，其他各工况地聚物固化土在Na2SO4溶液中浸泡后的强度均高于在HCl溶液中浸泡后的强度，说明酸性溶液对地聚物固化土的侵蚀性更强，而地聚物固化土的耐硫酸盐性能更好.
3 成分与微观分析
3.1 XRD分析
图10 地聚物固化土的XRD图谱
Fig.10 XRD pattern of geopolymer-solidified soil
观察4条曲线各矿物的衍射峰高度可知，主要矿物石英（SiO2）的峰值高度明显降低，其他矿物绿泥石［（Mg，Al，Fe）6（Si，Al）4O10（OH）8］和高岭石［Al2Si2O5（OH）4］的峰值高度也有所降低，白云母［KAl3Si3O10（OH）2］、钠长石（NaAlSi3O8）和方解石（CaCO3）由于原状土内含量较少峰值高度变化微弱. 矿物衍射峰高度的变化说明地聚物胶凝材料与土反应生成了新物质. 在钠水玻璃的激发下，地聚物胶凝材料矿渣、粉煤灰、电石渣、蒙脱石，和土中的C
随着标准养护龄期的增长，主要矿物衍射峰高度不断降低，地聚反应持续进行，最终N3工况地聚物固化土的整体力学性能得到了提高.
3.2 SEM分析
（a） 原状土
（b） N3标准养护7 d
（c） N3标准养护14 d
（d） N3标准养护28 d
图11 地聚物固化土的SEM图像
Fig.11 SEM of geopolymer-solidified soil
如
4 结 论
本文通过研究蒙脱石、矿渣、粉煤灰、电石渣复合地聚物胶凝材料在钠水玻璃的激发下固化地基土，测试不同配比地聚物固化土的抗压强度，观察固化土试件分别在pH=5的HCl溶液、质量分数为5%的Na₂SO₄溶液中浸泡7 d、14 d、28 d的强度变化，并结合XRD和SEM进行成分与微观结构分析，得到以下主要结论：
1）相比于单纯使用矿渣，加入少量粉煤灰后，地聚物固化土的抗压强度更高，多元前驱体材料复合使用可以为地聚反应提供多条路径，使得地聚物固化土整体性能更好.
2）5%的蒙脱石可以参与并加速地聚反应，吸附水分，填充孔隙，增加地聚物固化土的强度. 但蒙脱石掺量过多时，反而由于其吸水膨胀的特性而对地聚物固化土强度产生不利影响，进而影响耐酸和耐硫酸盐性能.
3）地聚物固化土的抗压强度在耐酸和耐硫酸盐侵蚀中起重要作用. 一般情况下，地聚物固化土的抗压强度越高，耐酸和耐硫酸盐性能越好.
4）在各工况的研究中，N3工况地聚物固化土的抗压强度最高，耐酸和耐硫酸盐性能优异，其标准养护28 d后抗压强度为3.44 MPa；在HCl溶液中浸泡28 d后强度降低26.2%；在Na2SO4溶液中浸泡28 d后强度降低17.4%.
5）本研究使用的溶液浓度较高，固化土强度会加速劣化，而在实际工程应用中，地下水的
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