天津黏土通过粉煤灰基地质聚合物稳定后的三轴力学性能及微观结构

《Soils and Foundations》：Triaxial mechanical properties and microstructure of Tianjin clay stabilized with fly ash-based geopolymer

天津黏土飞灰基地聚物固化机理及力学性能研究。采用三轴试验和扫描电镜（SEM）分析不同飞灰掺量（0.02-0.2）、碱激发剂掺量（0.4-0.8）、养护时间（7-90天）和围压（40-320kPa）对固化土力学性能的影响，发现FA/clay>0.1且AA/FA>0.6时高强度稳定效果显著，N-A-S-H凝胶形成显著增强颗粒间粘结并降低孔隙率。

　　本文探讨了基于粉煤灰的地质聚合物对天津黏土进行稳定处理后，其三轴力学性能和微观机制的变化。研究通过三轴试验和扫描电子显微镜（SEM）分析了不同粉煤灰含量、碱性活化剂含量、养护时间和围压对黏土稳定效果的影响。结果表明，与未稳定黏土相比，经过地质聚合物稳定处理的黏土表现出更陡峭的应力-应变曲线、更高的峰值强度以及显著的应变软化行为。同时，稳定处理后，黏土的内聚力从4.18 kPa显著增加至64.5 kPa，而内摩擦角略有下降，从30.3°降至28.6°。这些变化主要归因于地质聚合物与黏土之间的化学反应，形成了钠铝硅酸盐水合物（N-A-S-H）凝胶，增强了颗粒之间的连接，填充了孔隙并降低了黏土的孔隙率。

研究还发现，黏土的刚度、峰值强度和残余强度随着粉煤灰含量、碱性活化剂含量、养护时间和围压的增加而提高。为了在常温条件下获得高强黏土，需要粉煤灰与黏土的质量比（FA/clay）超过0.1，同时碱性活化剂与粉煤灰的质量比（AA/FA）需超过0.6。三轴试验结果显示，稳定黏土在28天后表现出显著的强度提升，并且具有较高的长期强度。SEM分析进一步揭示了不同粉煤灰含量、碱性活化剂含量和养护时间对黏土微观结构的影响。较高的粉煤灰与黏土质量比、较高的碱性活化剂与粉煤灰质量比或较长的养护时间促进了更显著的地质聚合反应，导致N-A-S-H凝胶的形成增加，从而形成更紧密且更强的颗粒结构。

研究中使用的粉煤灰来自中国河南省的河南新材公司，其主要成分包括二氧化硅（SiO?）和氧化铝（Al?O?），而天津黏土的物理性质也进行了详细描述。三轴试验采用TAS-LF自动三轴系统，通过反压饱和法使试件达到充分饱和状态，并按照不同围压进行固结。试验过程中，轴向位移、轴向应力和超孔隙水压力被自动记录，以评估黏土的力学响应。此外，试验还比较了未稳定黏土和稳定黏土在不同围压下的行为差异，发现未稳定黏土在三轴试验中表现出应变硬化行为，而稳定黏土则显示出更明显的应变软化现象。

SEM图像分析显示，未稳定黏土的微观结构较为松散，颗粒排列不规则，孔隙较大，且缺乏有效的粘结材料。而稳定黏土在不同粉煤灰含量、碱性活化剂含量和养护时间下表现出不同的微观特征。随着粉煤灰含量的增加，N-A-S-H凝胶的形成更加显著，孔隙减少，颗粒之间的粘结增强。对于碱性活化剂含量较高的情况，凝胶的形成更为充分，颗粒之间的连接更加紧密，从而提高了整体的力学性能。同时，随着养护时间的延长，凝胶的形成过程持续推进，进一步改善了黏土的结构和性能。

研究还指出，粉煤灰基地质聚合物在环境友好性、机械性能和化学稳定性方面具有显著优势，相较于传统水泥或石灰稳定方法，其在软土加固领域展现出更大的潜力。然而，尽管粉煤灰基地质聚合物在某些条件下表现出优异的稳定效果，仍有一些未反应的粉煤灰颗粒存在，这表明在常温条件下实现完全稳定仍需进一步优化粉煤灰含量和碱性活化剂比例。此外，研究还强调了养护时间对地质聚合物结构发展的重要性，指出较长的养护时间有助于形成更完善的凝胶网络，从而提高黏土的长期强度和耐久性。

总的来说，本文通过系统的三轴试验和SEM分析，揭示了粉煤灰基地质聚合物稳定天津黏土的力学性能和微观机制。研究结果为地质聚合物在软土加固中的实际应用提供了重要的理论依据和技术支持，同时也为优化材料配比和养护条件提供了参考。未来的研究可以进一步探索其他类型的地质聚合物前驱体，如矿渣、高岭土、赤泥、污泥灰或复合前驱体系，以寻找更高效、经济的稳定方案。此外，随着纳米技术的发展，纳米材料在建筑材料中的应用也日益受到关注，因此有必要进一步研究纳米材料对粉煤灰基地质聚合物性能的影响，包括其流变特性、新鲜状态、强度和流动性等。