新疆荒漠戈壁分布广泛，在远离城市的偏僻地区，砂石资源匮乏，混凝土工程建设多存在砂石骨料运距远、成本高等问题^[1-3]。研究表明^[4-7]戈壁砾石土具有含水率低、孔隙比适中、抗剪强度高、承载力好等特点，目前国内外研究主要是将戈壁砾石土混合水泥制备路基材料^[8-9]。如用戈壁砾石土混合水泥制备为非结构混凝土，用于地坪、路面或建筑中的非结构部位，可因地制宜，对降低混凝土成本有显著意义。现有研究成果未见使用戈壁砾石土制备非结构混凝土的作用效果，改善戈壁砾石土性能并将其作为混凝土的原材料是实现戈壁混凝土制备及推广应用的关键技术。

目前国内外学者通过加入无机、有机等固化剂的手段对提高土的强度及混凝土性能方面进行了大量研究。例如Bazant^[10]使用水玻璃混合化学改性稻壳灰加固土壤，发现土体强度与使用水泥加固近似，并且能够减少对环境的影响。Pongsivasathit^[11]通过水泥固化沙子、红土和黏土这3种土的28 d强度、断裂模量等均随着水泥掺量的增加而增加。鲍恩财^[12]试验结果表明掺入相变固化剂后戈壁土原有颗粒间弱联结变成薄膜片状或针状胶结联结，抗压强度有较大提高。董龙瑞、杭美艳等^[13-14]选取硫酸钠、硫酸钙、氢氧化钙、硅酸钠和三乙醇胺5种激发剂作为复合激发剂激活风积砂活性，发现胶砂28 d抗压强度较未掺加激发剂的提高了13%，试件结构变得更加致密且延缓胶凝体系放热速率并降低水化热。

现有研究表明，水玻璃、CaCl₂等激发材料可有效固化土体，但关于如何进一步改善土体进而用其制备非结构混凝土的相关研究鲜有报道。为此，本研究以新疆天然戈壁砾石土为研究对象，提出戈壁土混凝土的制备方法并研究其强度、抗裂等性能，并通过傅里叶变换红外光谱(FTIR)，X射线衍射(XRD)，压汞法(MIP)等测试手段分析胶结机理，实现对戈壁砾石土资源的有效利用。

试验用戈壁土取自昌吉市六工镇戈壁滩，其主要化学成分以及物理性质分别如表 1~2所示。水泥采用新疆某水泥厂生产的P ∙ O 42.5R和P ∙ O 42.5普通硅酸盐水泥，主要技术指标见表 3所示。水玻璃购自新疆某公司，模数为1.8，含固量为39.89%，SiO₂含量为25.36%，Na₂O含量为14.53%；CaCl₂选用天津市某化学试剂公司生产的无水氯化钙，CaCl₂含量≥96.0%；细骨料采用连续级配天然砂，细度模数为2.93，表观密度为2 510 kg/m³；减水剂为聚羧酸高性能减水剂，减水率为30%。

新疆荒漠戈壁分布广泛，不同戈壁中土的含量也不相同，为了模拟不同戈壁中土的含量，将戈壁中的土进行筛分，按砂质量的20%，30%掺量与天然砂进行掺配，配制胶砂。配制前先将激发剂与砂、土置于搅拌机中慢速搅拌5 min使其充分混合，然后将混合物放入塑料自封袋中密封保存10 h待用，将处理后的砂、土与水泥混合配制成胶砂试件和圆环约束试件，胶砂比为1∶3，测试其力学及抗裂性能。试验配合比见表 4，共19组配合比，每组3个试件。其中激发剂掺量为其胶凝材料质量百分比。

力学性能：根据GB/T17671—1999 《水泥胶砂强度检验方法》进行，按表 4试验方案将原材料放入水泥胶砂搅拌机，待均匀搅拌后将其装入标准三联模，24 h后拆模，于(20±1)℃的水中进行养护至3，7, 28 d采用YAW-300D全自动水泥试验机测试戈壁土胶砂试件的抗压强度。

抗裂性能：根据CCES 01—2018《混凝土结构耐久性设计与施工指南》进行，采用不同掺量天然戈壁土、P.O42.5和水玻璃与CaCl₂制备圆环净浆试件，在温度(20±0.5)℃，湿度(50±10)%的标准条件下养护至规定龄期后拆模放入恒温恒湿箱中，每隔半小时观察，出现开裂后采用ZBL-F101裂缝宽度观测仪观测圆环试件裂缝长度以及宽度，并记录开裂时间。

FTIR以及XRD测试：取激发剂最佳掺量组固化戈壁土后放置10 h，研磨至80 μm以下，50 ℃烘干至恒重后，采用Thermo Scientific Nicolet iS5型傅里叶变换红外光谱仪(FTIR)对样品进行官能团、化学键检测，KBr压片法，测试范围为4 000~400 cm^-1；帕纳科X’Pert PRO型X射线衍射仪对样品进行矿物成分分析，粉末样品，Cu靶，λ＝0.154 06 nm。

MIP测试：取未加激发剂的基准组与掺加激发剂的对照组28 d胶砂试件，从内部选取出薄片试块，经无水乙醇终止水化1 d后，50 ℃真空烘干至恒重后采用麦克Auto Pore lv 9500型高性能全自动压汞仪(MIP)对样品孔结构进行检测。

(1) 水玻璃对戈壁土胶砂的影响

根据表 4的试验方案，以水玻璃为激发剂时，制备不同掺量戈壁土胶砂试件，测试其3，7，28 d抗压强度。试验结果见图 1。

图 1 单掺水玻璃时戈壁土胶砂试件强度 Fig. 1 Intensities of gobi clay sand specimens when mixed with water glass only

图选项

由图 1可知：与未掺入激发剂的胶砂试件相比，水玻璃的加入明显提高了试件抗压强度，抗压强度随着龄期的增加而增大，且前期增长速率较快。在20%土掺量下，掺入1%~5%水玻璃的胶砂试件3~7 d龄期内强度平均增长率最低为1.3 MPa/d，最高为2.8 MPa/d，7~28 d龄期内强度平均增长率最低为0.1 MPa/d，最高为0.4 MPa/d。30%土掺量时，掺入1%~5%水玻璃的胶砂试件3~7 d龄期内强度平均增长率最低为1.4 MPa/d，最高为2.2 MPa/d，7~28 d龄期内强度平均增长率最低为0.1 MPa/d，最高为0.5 MPa/d。这表明戈壁土胶砂试件在前7 d强度随时间的增长速率大体高于7~28 d，20%，30%掺量的土强度增长速率大体一致。随着水玻璃掺量的增大，胶砂强度呈先增加后减小的变化规律，究其原因主要是由于当随着水玻璃掺入量增大，OH^-浓度逐渐增加，由于OH^-和Ca²⁺的同离子效应导致Ca²⁺浓度降低，减少C-S-H(水化硅酸钙)和C-A-H(水化铝酸钙)等水化产物的生成量，表现为此时胶砂试件抗压强度降低^[14]。水玻璃掺量分别为2%，3%时，掺入20%，30%土的胶砂强度最高，分别为48.6 MPa，46.5 MPa，相比未加水玻璃组(W组、Y组)提高了18.2%和13.7%。

(2) 水玻璃和CaCl₂复合对戈壁土胶砂的影响

将水玻璃和CaCl₂复合后，制备戈壁土胶砂试件，测试3，7，28 d抗压强度，结果见图 2。

图 2 复掺水玻璃与CaCl2时戈壁土胶砂试件强度 Fig. 2 Intensities of gobi clay sand specimens when mixed with water glass and CaCl2

图选项

由图 2发现，与未加激发剂的戈壁土胶砂试件相比，复合激发剂的加入大大提高了试件的强度，效果比单掺更加显著。当戈壁土的含量为20%时，掺入1%CaCl₂+2%水玻璃~3%CaCl₂+2%水玻璃的胶砂试件3~7 d龄期内强度平均增长率最低为1.0 MPa/d，最高为2.7 MPa/d，7~28 d龄期内强度平均增长率最低为0.4 MPa/d，最高为0.6 MPa/d。在30%土掺量下，掺入1%CaCl₂+3%水玻璃~4%CaCl₂+3%水玻璃的胶砂试件3~7 d龄期内强度平均增长率最低为0.2 MPa/d，最高为3.0 MPa/d，7~28 d龄期内强度平均增长率最低为0.7 MPa/d，最高为1.0 MPa/d。随着激发剂掺量的增加，试件抗压强度呈先增加后减小的变化趋势。CaCl₂和水玻璃掺量分别为1%和2%，2%和3%时，土掺量分别为20%，30%的胶砂强度最高，分别为55.9 MPa，63.3 MPa，较未加水玻璃组(W组、Y组)增加了36.0%，54.8%，20%，30%掺量的土强度增长速率前期基本一致，后期30%掺量土胶砂强度增长速率较高。CaCl₂的加入增加体系中Ca²⁺的浓度，增强离子交换作用，并与水泥中铝酸三钙作用生成不溶性的复盐水化氯铝酸钙，提高胶砂试件的抗压强度；水玻璃水解生成的H₂SiO₃可与Ca²⁺反应形成C-A-H凝胶，促进体系的水化反应^[15]。随着Ca²⁺浓度的不断增加，OH^-浓度减少，降低了体系反应活性，导致胶砂抗压强度下降。

选择0.33水胶比，采用20%和30%掺量的天然戈壁土，与P ∙ O 42.5水泥和水玻璃、CaCl₂复合制备圆环净浆试件，进行圆环抗裂试验。试验结果见表 5。

由表 5可知，与未加激发剂的试件相比，在土掺量为20%，激发剂掺量为3%~4%时，圆环试件开裂时间延后6~7 h，裂缝长度缩短9.4%~37.7%，裂缝宽度降低10%。随着掺量提高，水泥净浆抗裂能力下降，当1%CaCl₂和2%水玻璃复合时，圆环抗裂效果最佳，开裂时间为25 h。当土掺量为30%时，圆环试件均不开裂。

(1) 红外光谱分析

为研究水玻璃与CaCl₂对戈壁土微观作用效果，选取最佳掺量组(2%CaCl₂+3%水玻璃)固化戈壁土10 h后进行红外测试，图 3分别是固化前后的红外吸收光谱图。图 3中1 033.21 cm^-1是Si-O-Si的反对称伸缩振动，而固化后的Si-O-Si的反对称伸缩振动移向了1 033.55 cm^-1，说明Si-O-Si部分参加反应。根据文献[16-17]1 033 cm^-1附近吸收峰是不同聚合态硅酸盐综合作用的结果，其整体吸收峰的峰形峰位能可用NBO(自然键轨道理论)计算。由固化前到固化后的过程中，材料的NBO/T值由1.82减小到1.79，说明样品中非桥氧键转化为桥氧键，从而增加了样品中网状结构。3 420.27 cm^-1和1 635.01 cm^-1附近的吸收峰是O-H基团的伸缩振动，对比固化前后可以明显发现O-H基团的吸收峰增强，说明激发剂的加入增加了戈壁土中O-H基团的数量，O-H基团能够增加土粒与胶结材料之间的结合与反应，增加了试件强度与抗裂能力。

图 3 固化前后土的红外光谱图谱 Fig. 3 Infrared spectra of soil before and after consolidation

图选项

(2) 矿物相分析

图 4分别是用2%CaCl₂+3%水玻璃固化戈壁土10 h前后的XRD图。由图 4可知，其主要的衍射峰为石英、钙长石、方解石、钠长石、高岭石，固化后的图谱中出现了高岭石的衍射峰，说明Ca²⁺与钠长石边缘断键处的Na⁺发生离子交换，从而促进了长石的形成，促进水化产物的生成^[18]。掺入激发剂后，一些衍射峰强度下降，因为当激发剂的掺量增加时，过量的激发剂附着在土壤颗粒表面，破坏了土壤颗粒原来的胶结能力^[19-20]，减少水化产物的生成，降低试样强度，与砂浆强度呈现的趋势一致。

图 4 固化前后的土的X射线衍射图谱 Fig. 4 X-ray diffraction spectra of soil before and after consolidation

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(3) 孔结构

图 5和表 6分别为表 4中编号Y(未加激发剂)、H₂(2%CaCl₂+3%水玻璃)的胶砂试件孔结构测试结果。由图 5(a)可知，掺加水玻璃、CaCl₂后胶砂的孔隙率有所下降，H₂组凝胶孔(3~10 nm)和气孔(＞1 000 nm)累计孔隙率曲线位于Y组下方，小毛细孔(10~100 nm)大致一半在其上方，一半在下方，大毛细孔(100~1 000 nm)基本位于Y组上方，总的来说激发剂掺加后胶砂孔隙率下降。这主要是由于水玻璃与CaCl₂在空气中生成的硅胶、硅酸钙凝胶填充孔隙，当水泥水化硬化时，凝胶会在土、砂、水泥颗粒表面紧密结合，使胶砂更密实。

图 5 加入激发剂前后的胶砂试件孔结构曲线 Fig. 5 Pore structure curves of clay sand specimens before and after adding activator

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由图 5(b)可知，H₂组凝胶孔、小毛细孔的特征峰下降，大毛细孔特征峰位于Y组之上，总体来看，激发剂掺加后胶砂各类型孔分布更为均匀。由表 6可知，Y，H₂组孔隙率分别为13.93%，12.99%，在试件中掺加水玻璃、CaCl₂处理后的土、砂，试件孔隙率降低了0.94%，平均孔径和最可几孔径比例降低，试件的无害孔、有害孔和多害孔比例略微增加，而少害孔比例大大减少。相比较基准组(Y组)的平均孔径降低了7.6%，最可几孔径降低了11.0%，无害孔增加了4.7%，少害孔减少了10.6%，经胶结后的戈壁土、砂加入胶砂试件中不仅减少试件内部孔隙，并且使孔隙大小分布均匀，改善了试件内部结构使得试件密实度增加，强度提高。

(1) 无论是单独采用水玻璃还是水玻璃、CaCl₂复合，戈壁土胶砂试件抗压强度均有提高。增加激发剂掺量，胶砂强度呈先增加后减小的趋势，且前期强度平均增长速率高于后期。当土掺量30%时，外掺2%CaCl₂+3%水玻璃的戈壁胶砂抗压强度最高。

(2) 戈壁土经水玻璃、CaCl₂胶结后，改善了圆环试件抗裂性能，开裂时间、长度、宽度性能表现均优于基准组。随着激发剂掺量增加，会对试件抗裂能力有一定影响。当土掺量20%时，外掺1%CaCl₂+2%水玻璃，圆环抗裂效果最佳，开裂时间为25 h。当土掺量30%时，圆环试件均不开裂。

(3) 戈壁土经胶结后，Si-O-Si中非桥氧键转化为桥氧键，网状结构增多，羟基团数量增加，促进土粒与水泥之间的结合与反应。CaCl₂的离子交换作用加速了长石的水解，改善体系的反应活性。水玻璃、CaCl₂通过硅胶和硅酸钙凝胶填充和胶结作用进一步强化了戈壁土、砂，经胶结后的戈壁土、砂作为骨料加入混凝土中不仅能增加试件密实度、减少试件内部孔隙数量并且改善孔隙大小分布，优化其内部结构。

(4) 水玻璃与CaCl₂复合制备的戈壁土胶砂试件28 d抗压强度最高可达63.3 MPa，满足大部分非结构混凝土，特别适合厂区的地坪和混凝土路面等，具有一定的应用前景。