摘 要:为解决传统固化剂——水泥的能耗高和环境污染大等问题，本研究采用MgO?粒化高炉矿渣（GGBS）碳化加固粉质黏土，采用剑麻纤维改善固化土的抗裂性，探讨了纤维掺量和纤维长度对碳化改良土物理和力学性质的影响。结果表明：在相同纤维长度下，随纤维掺量增加，MgO?GGBS碳化固化土样的体积增长率、含水率和内摩擦角增加，而黏聚力先增加后减小，无侧限抗压强度先增大后减小最终趋于稳定，黏聚力和强度的峰值出现在0.4％纤维掺量处。在相同纤维掺量下，随纤维长度增大，MgO?GGBS碳化固化土样的体积增长率先减小后增大，在长度10mm时达到最小；含水率几乎不变；强度先增加后趋于稳定，在长度５～10mm时提升显著；破坏应变增加，但几乎不受纤维掺量影响；碳化含纤维土样的黏聚力与内摩擦角先增加后减小，并在长度10mm时达到最大。基于试验结果，提出了剑麻纤维改良MgO?GGBS碳化土加固的机理概念图，揭示了碳化土体基于纤维交织作用、固定作用和填充作用的改良机制。用MgO?GGBS?剑麻纤维等低碳材料代替水泥能显著提高碳化固化粉质黏土体的处理效果和抗裂性能。研究成果将对促进工业固废GGBS和农业废弃纤维在加固软弱地基土中的应用提供理论指导，对岩土工程“双碳”目标实现具有重要意义。
关键词:活性MgO；GGBS；剑麻纤维；无侧限抗压强度；直剪强度
随着我国交通强国战略的持续推进,铁路?公路等交通设施的路基边坡?地基不可避免地建设在软土地区。软弱地基土具有含水率高?抗剪强度低?易不均匀沉降等特点,且广泛分布在东部沿海沿江地区[1]。为满足工程服役需要,工程建设前需对软基进行加固处理,且固化材料多以水泥为主[2],但水泥加固法的养护时间长?环境效益差?脆性大?易开裂[3]。在此背景下,各种新型固化方式如微生物固化和MgO碳化被应用[4]。
自Harrison[5]提出新型MgO水泥以来,MgO水泥因其优良的力学性能与环境效益而吸引了研究者的广泛关注。Vandeperre等[6]开展了MgO水泥的碳化研究,发现MgO水泥碳化后的强度是普通水泥样强度的2~3倍。近年来,MgO?CO2碳化技术被证明是一种可用于软土地基处理的低碳加固技术[3,7]。刘松玉等[7]研究发现,向软土中掺活性MgO并经碳化后生成系列镁式碳酸盐,使固化土的孔隙率降低?强度提高。王亮等[8]研究发现,MgO碳化土具有与水泥固化土相近的抗渗性能,证明碳化土具有良好应用前景。已有研究还将MgO?CO2碳化技术用于现场处理试验,显示出良好的碳化处理效果[9-10]。但是,MgO大多是菱镁矿煅烧,且原材料主要来自东北地区,特殊的地域性和高运输成本限制了MgO?CO2碳化技术的规模化推广。粒化高炉矿渣(GGBS)作为一种工业固废,因其造价低和激发后的良好水化特性而得到了广泛研究和应用[11-12]。已有研究表明,活性MgO和GGBS具有良好相容性,其水化产物能显著提高土体强度。薄煜琳等[13]研究发现,MgO?GGBS固化土具有比水泥固化土更好的强度特性;Jin等[14]基于MgO?GGBS净浆体的水化动力学和微观分析,证明活性MgO是一种经济有效的GGBS激发剂。基于MgO的良好GGBS激发和碳化特性,将MgO碳化和碱激发GGBS相结合,不仅能加固软土和吸收CO2,也能降低材料的经济成本。此外,Cai等[15]发现MgO固化土在碳化过程中有裂纹产生,尤其是低活性MgO和细粒土。已有研究表明,纤维加筋土可有效抑制土体开裂和脆性破坏[16],改善土体残余抗拉应变和韧性[17]。相比人工合成纤维,剑麻纤维具有成本低?低碳环保的优点,能有效增强纤维土的剪切强度,具有良好工程性质[18]。
基于上述背景,本研究用MgO?GGBS和剑麻纤维来碳化改良粉质黏土,通过系列物理与力学试验,研究剑麻纤维对MgO?GGBS碳固粉质黏土工程性质的影响。研究成果对工业固废GGBS和农业废弃物剑麻纤维加固改良软土地基和边坡具有指导意义,能促进地基加固技术的绿色低碳发展。
1材料与方法
1.1试验材料
试验所用土样取自江苏省南京市地铁三号线秣周东路站延长段某基坑施工现场,所用土为粉质黏土,其塑限为25.5%，液限为40%,塑性指数为14.5,质量比为2.62,物理化学指标如表1所示。所用活性MgO购自河北镁熙生物有限公司,MgO活性是指MgO参与化学反应的能力,通过碘吸附法测得其活性为100,其主要物理性质见表2。
表1试验土样的物理化学指标
表2MgO的物理性质与活性指标
GGBS来自巩义市龙泽净水材料有限公司,等级为S95级,比表面积1.55m2/g;剑麻纤维购自广西玉林市宝利兴麻绳制品有限公司,为浅黄色的束状丝型,密度为0.96g/cm3,纤维直径为0.3mm,抗拉强度为510MPa,弹性模量为21GPa,断裂伸长率为3%。
1.2 试验方案
本研究试样的初始含水率(w0)为35%(水与干土的质量比),固化剂掺量(CB)为15%(固化剂与干土的质量比)。已有研究表明,MgO(或CaO)与GGBS的比例对固化土强度有很大影响,最佳比为1∶9~2∶8,当比例为5∶5时,试样养护28d后的无侧限抗压强度仍有2~3MPa[19-20]。为确保部分MgO用于碳化反应,按m(MgO)∶m(GGBS)=5∶5混合成固化剂。
根据已有研究,剑麻纤维掺量(质量分数,下同)设为0.1%~0.8%且纤维长度设为5~20mm[21-23]。碳化压力?碳化时间对试样碳化度和均匀性有显著影响,根据Cai等[15]的研究,200kPa压力条件下,粉土?黏土试样基本经12h后完成碳化。因此,本研究固化样的碳化时间设为12h,纤维掺量(CF)设为0.0%,0.2%,0.4%,0.6%,0.8%和1%,纤维长度L设为5,10,15和20mm。采用正交分析法,固设纤维长度为10mm来研究掺量的影响,固设纤维掺量为0.4%来研究长度的影响,具体方案如表3所示。
表3不同条件影响下的试验方案
1.3 试样制备及测试
将天然土放入烘箱,在105℃条件下烘24h,粉碎并过孔径2mm筛。按试样体积、初始密度和试验方案,估算试样各组分的质量,并称取相应的干土、固化剂、水和剑麻纤维。先将干土、固化剂和剑麻纤维混合,首次搅拌过程中将成团纤维手动分散;接下来向含纤维的均混干料中加水,边洒水边搅拌直至均匀混合,形成均混湿料,二次搅拌过程尽可能避免湿料结团。根据试样密度,称取单个试样(包括圆柱样和环刀样)所需的混合料。将称取的混合料分层压入涂有凡士林的圆柱模具和环刀中,待土样全部压入且削整处理后,脱模制得无侧限抗压试样。试样在密封箱中放置12h使试样充分水化,然后将脱模的抗压试样和带环刀直剪试样放入碳化装置中碳化12h,通气压力为200kPa,碳化装置如图1所示。碳化前后,测试样的质量和尺寸,以评定试样吸碳量和体积膨胀。值得注意的是，每一条件下无侧限抗压试样有3个平行样，每个垂直压力下直剪试样有2个平行样。
图1 碳化装置
无侧限抗压试验采用压力试验机WDT?100B，最大加载力为50kN，加载速度为1mm/min。当试样加载到峰值应力后，试样有很大残余应力和残余应变。故设残余应变为15%时停止加载，并拍照记录试样表面开裂。无侧限抗压后，从破坏试样的内外取３个平行样测含水率，取平均值。直剪试验采用ZJ?2型应变直剪仪，垂直压力分别取100,200,300和400kPa。从无侧限抗压试样中选取典型样品用于微观分析，先用液氮快速冷冻样品，后用真空冷冻装置进行抽真空干燥，最后用FEIQuanta200环境扫描电子显微镜进行SEM测试，该设备高压为20kV。
2 结果与分析
2.1 碳化前后土样体积变化
不同纤维含量和长度下含纤维试样碳化后的体积增长率见图２。已有研究表明，碳化会导致试样体积膨胀，碳化度越高，碳化产物生成量越多，体积膨胀越大[3,24]。由图２可知，碳化后试样体积均呈正增长，增长率为3%~5%，且体积增长率随纤维掺量的增加而增加（图2a），说明剑麻纤维增加了土体内CO2的运输通道和试样的碳化程度，促进了CO2的碳化吸收和碳化产物生成。但是，碳化试样的体积增长率随剑麻纤维长度的增加而呈先减小后增大趋势，并在纤维长度为10mm时达到最小（图2b）。其原因可能是：当纤维掺量一定时，增大纤维长度将导致纤维根数的减少[如式(1)]，且试样的进气通道沿纤维分布；当纤维长度为5mm时，短纤维易分割土颗粒，形成大孔隙，使CO2吸收量变多；当纤维长度为15~20mm时，试样中进气通道变长，使土样的碳化深度和CO2吸收量增大；与其他纤维长度条件对比，长度10mm剑麻纤维的缠绕作用能抑制试样碳化过程膨胀。
式中:N为纤维根数;m为纤维总质量,g;l为单根纤维长度,mm;ρ为纤维密度,g/cm3;d为纤维直径,mm。
图2不同条件下碳化样的体积增长率
2.2 碳化前后土样含水率变化
不同纤维掺量和不同纤维长度下固化样碳化前后的含水率见图３。从图３可知，不论纤维掺量和纤维长度如何变化，碳化前固化土样的含水率为26%~27%。但碳化12h后，土样含水率大幅下降至20%~22%，且含水率的下降幅度随纤维掺量的增加而减小，而随纤维长度几乎不变。其原因可能是：①固化剂的水化及碳化反应均需消耗大量水；②有压碳化过程产生高温并释放热，促使水分蒸发排出；③纤维与土粒间的毛细作用会吸收水分，增加纤维掺量将吸收更多水分（图3a）。但是，当纤维掺量一定时，纤维总长度（N×l）及纤维与土颗粒的接触面积不变，纤维吸水量不变，使不同纤维长度下含水率也不变。
图3不同条件下碳化样的含水率
2.3 碳化前后土样无侧限抗压强度变化
不同纤维掺量和纤维长度下碳固试样的无侧限抗压强度见图４，碳化12h后的强度超1.2MPa。由图4a可知，剑麻纤维能显著提高碳化样的无侧限抗压强度，且抗压强度随剑麻纤维掺量增加而先增加后减小至稳定，纤维土强度在最佳纤维掺量0.4%时达最高。随机分布的剑麻纤维在土颗粒和碳化胶结物作用下形成三维网状结构。当土中有局部裂缝时，纤维将通过与土界面承担土中张力，阻止裂缝发展和土体变形，提高无侧限抗压强度。但纤维掺量过大时，很难保证制样过程中纤维均匀分布，纤维可能相互黏附形成团块，纤维与土颗粒接触不足，影响了土骨架形成和其完整性，导致无侧限抗压强度降低[21,25-26]。同时，从碳化样的破坏形式观察出纤维掺量对碳化样力学性能的影响。无剑麻纤维碳化样的裂缝数量少但宽度与深度大，裂缝垂直贯穿整个试样，外侧出现大块脱落。但随纤维掺量增加，裂缝由大裂缝变为微裂缝，裂纹数量变多且裂缝宽度变小、分布更均匀。
从图4b可知，相比长度5mm的纤维，长度大于10mm的纤维对无侧限抗压强度有明显提升，但长度大于10mm的纤维对强度发展影响不大。纤维与土颗粒和胶结物间的摩擦形成锚固作用，摩擦锚固力大小与纤维长度成正比，当土体受压时，纤维抑制试样的裂缝发展。当纤维长度为5mm时，纤维锚固作用较弱，对变形抑制作用较小；当纤维过长(≥15mm)时，纤维可能弯曲并团聚在土样中，影响了试样强度的提高。从破坏形式看出，相比于长度为5mm的纤维，长度≥10mm的纤维使碳化样的裂缝更细密。
图4不同条件下碳化样的无侧限抗压强度
不同纤维掺量和长度下试样的应力?应变曲线见图５。从图５可知，碳化样峰值应力对应的应变分布在3%左右，峰值应力均随纤维掺量提高而先升高后降低最后趋于稳定，碳化样的破坏应变受纤维掺量的影响较小（图5a）。当纤维掺量较低时，试样达峰值应力后迅速下降，表现出脆性破坏特征；随纤维掺量增大，试样达应力峰值后的下降逐渐平缓，表现出塑性破坏特征，且试样的残余应力随纤维掺量提高而提高。由图5b可知，峰值应力及破坏应变和残余应力随纤维长度增加而提高；当纤维长度大于15mm时，峰值应力受纤维长度影响较小。剑麻纤维会提高碳化土抗变形能力，且纤维长度越长，应力峰值后的下降速度越缓，说明增大纤维长度有助于提高碳化土体延性。
图5不同条件下碳化样的应力?应变曲线
2.4 碳化前后土样抗剪强度变化
不同条件下试样的黏聚力与内摩擦角见表４，抗剪强度(S)见图６。结合表４和图６ａ可知，含纤维碳化土试样的黏聚力与内摩擦角均有明显提高，随纤维掺量增加，黏聚力先增加后减小而内摩擦角增加。当纤维掺量为0.4%时，黏聚力为437.35kPa，较无纤维土提高了1.46倍，内摩擦角增加到40.56°；而当纤维掺量大于0.4%时，内摩擦角的增加量变小，说明增加纤维掺量减弱了试样筋／土界面的强化作用。
从表４和图６ｂ可知，随剑麻纤维长度增加，碳化土的黏聚力与内摩擦角先增加后减小，并在纤维长度为10mm时达最大。在水平剪切力作用下，锚固作用弱的短纤维更易从土中滑动，而长纤维更易在试样中弯曲或弯折分布，剪切强度难以提高。
表4不同试验条件下试样的黏聚力和内摩擦角
图6不同条件下碳化样的抗剪强度
3纤维改良机理
不同纤维掺量和纤维长度下碳化土样的抗剪强度不同放大倍数下掺有0.2%纤维碳化试样的SEM照片见图７，改良土中纤维通道和纤维交织形式已清晰可见。在图７ａ中，纤维贯入土体且其周边存有孔隙，孔隙宽度远大于土粒孔隙，且孔隙沿纤维长度分布，可作为水分和气体的交换通道；纤维内的孔隙可促使水气运输，故纤维自身和其周围孔隙为水气运移提供了传输通道，促使水气沿纤维周围渗透，大大提高了试样整体碳化度。由图７ｂ可见：剑麻纤维在试样内随机分布，纤维间存在搭接情况，且胶结产物附着于纤维表面并将纤维固定连接，形成三维纤维网状结构；纤维网将单根纤维的受力分布传至其余纤维，使整个试样共同受力；若继续增加纤维掺量，其作用会更显著。
图7 0.2%纤维掺量碳化试样SEM照片
无纤维和含0.4%纤维条件下MgO?GGBS碳化土的SEM微观照片见图８。从图８ａ可知，无纤维碳化土中有大量棒状和丝状碳化产物，碳化产物主要为棒状三水碳镁石（MgCO3·3H2O,nesquehonite）和丝状球碳镁石（Mg5(CO3)4(O—H)2·5H2O,dypingite)／碳酸镁石(Mg5(CO3)4(OH)2·4H2O,hydromagnesite)。这些碳化产物结构致密，能胶结土颗粒，提高土体强度。由图8b?c观察到，含纤维碳固土中也存有碳化产物，碳化产物附着在水化产物表面，胶结了土颗粒并填充水化产物与纤维间的小孔隙。除碳化产物外还存有水化物C—S—H,C—S—H主要分布在纤维与土颗粒间的孔隙，促进了孔隙填充与颗粒胶结。纤维在土体中形成进气通道，易于CO2进入与MgO碳化，故在纤维表面生成碳化产物，一定程度上提高纤维表面的粗糙程度，约束了纤维在土中滑移。C—S—H与碳化产物协同提高了纤维土试样的筋／土界面强度。相比无纤维的碳固试样，碳化产物除胶结土颗粒外，还促进了纤维与土颗粒的相互胶结，使土体强度提高。
图8碳化土样的SEM照片
基于上述研究结果，提出了剑麻纤维改良MgO?GGBS碳化土的加筋机理概念图（图９）。剑麻纤维在碳化土中起到交织作用、固定作用和填充作用，具体如下：①交织作用。剑麻纤维在土中随机分布，纤维间存在无数交织点，在土体中形成稳定三维网结构。当含纤维碳化土发生形变时，剑麻纤维拉伸并通过交织点处的摩擦力带动其他纤维。此外，碳化产物大大提高了纤维表面粗糙度和交织点处拉应力，提高了碳化土强度（图９ａ）。②固定作用。剑麻纤维与土颗粒间存在摩擦力，在发生形变时，摩擦力将剑麻纤维所受的拉应力传给土颗粒；碳化产物和C—S—H胶结土颗粒并填充与纤维间的孔隙，实现纤维与土颗粒的固定连接。C—S—H与碳化产物协同提高了单根纤维的抗拉能力，使含纤维碳化土强度提高（图９ｂ）。③填充作用。碳化前土颗粒较松散，颗粒间孔隙大，碳化养护后的碳化产物与C—S—H填充土颗粒间孔隙、胶结土颗粒形成团聚体，降低了土颗粒间的孔隙率，提高了试样密度和整体强度。
图9剑麻纤维改良碳化土示意图
4 结论
开展了不同剑麻纤维掺量及纤维长度影响下MgO?GGBS碳化纤维土的物理和力学性质的试验研究，主要得出以下结论：
１）碳化后试样体积均呈正增长，增长率大致分布在3%~5%；体积增长率随纤维掺量增加而增加；随纤维长度增加而先减小后增大，并在纤维长度10mm时达到最小。
２）碳化后试样含水率大幅下降，含水率随纤维掺量的增加而增加，但几乎不受纤维长度的影响。
３）随纤维掺量增加，试样无侧限抗压强度先增大后减小，在0.4%掺量时达到峰值；随纤维长度增加，无侧限抗压强度提升且在长度大于10mm时较为稳定，碳化样的破坏应增加，但几乎不受纤维掺量影响。
４）随纤维掺量增加，碳化土的黏聚力先增加后减小，在0.4%掺量时达到峰值，而内摩擦角增大；碳化土的黏聚力与内摩擦角随纤维长度增大而先增加后减小，在纤维长度10mm时达最大。
５）基于微观分析，揭示了剑麻纤维在碳化土样中以交织作用、固定作用和填充作用形式存在，提出了剑麻纤维加筋碳化土样的改良机理图。
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文章摘自:剑麻纤维改良MgO-GGBS碳化粉质黏土物理力学性质与微观机制,蔡光华,李纪,王俊阁,邱金伟,张志华,夏威夷,陆海军,[J]林业工程学报,2024,9(5):161-168,DOI:10.13360/j.issn.2096-1359.202310003。
