0 引言

西南地区山坡表层广泛分布土石混合体，通常情况下其整体松散破碎，物质结构杂乱，具有强度不高、欠固结、透水性强等特点^[1]，当其被作为路基填料使用时，组成的路基边坡在降雨、地震和工程扰动等因素的影响，极易发生失稳破坏，为保证临近工程构筑物安全稳定，有必要对其进行加固处治。实际工程中除采用锚索框架梁、抗滑桩等支护形式外，注浆加固也是一种常用方法，然而传统注浆材料往往成本较高或环境影响大，因此有必要在现有研究基础上探讨更为经济、低碳、环保的固化方法。

地聚物因具备良好的力学性能与稳定性，且能减少CO₂排放，被认为是水泥的潜在替代品受到了国内外学者的广泛关注^[2-4]。近年来，夏琳玲，吴俊和伍浩良^[5-7]采用宏观力学试验和微观结构试验等手段，对地聚物固化软土、淤泥质黏土和污染土等多种土体开展了一系列研究。林天干^[8]发现地聚物可有效提高土体的抗压强度，减少孔隙，改善土体结构；易耀林，杨达^[9-10]通过试验发现地聚物对土体的固化效果不仅因原料不同产生较大差异，还受碱激发剂种类、固化剂配比等因素的影响；罗小博、朱莹莹^[11-12]对土体采用地聚物-水泥的固化方案，相比水泥单独作用，不仅能提高固化效果，亦能降低工程造价。综上可知，地聚物作为一种新型绿色胶凝材料已被广泛应用于土体加固领域，并取得了不错效果。然而，国内外学者主要集中于研究地聚物改良软土和淤泥质黏土，对于用以加固土石混合体的研究较少，尤其是对不同地聚物组合影响下土石混合体的抗压强度、微观结构和固化机理研究明显偏少，亟需加强。

因此，本研究针对4种地聚物固化土石混合体开展试验研究，分析不同水胶比、砂胶比、碱激发剂模数、碱激发剂掺量、矿渣取代率影响下固化土的抗压强度变化规律，通过正交试验得到4组地聚物的材料最优配比，开展含水率试验研究固化土含水率随龄期的变化规律，利用电镜扫描(SEM)试验和X射线衍射(XRD)试验揭示地聚物固化土石混合体的微观结构变化与化学反应过程，以期为相关工程提供有效参考依据。

1 试验材料与方法 1.1 试验土样物理特性

本研究采用长沙市某工程土石混合体的重塑样进行试验，其颗粒级配曲线如图 1所示，基本物理参数如表 1所示。重塑样含石率为40%，粒径为0~20 mm，C_u=19.27，C_c=1.48，含水率为13%，最大干密度为2.02 g/cm³，上述参数与现有土石混合体研究相匹配^[13]。

1.2 固化剂材料

试验采用S95矿渣微粉(SL)、Ⅰ级粉煤灰(FA)，1 250目煅烧偏高岭土粉(MK)，其组成成分如表 2所示。水泥为P.O42.5水泥，碱激发剂为初始模数2.61的液体硅酸钠水玻璃，并采用纯度为99%的片状氢氧化钠进行模数调节，河砂粒径为0~1 mm。

1.3 试验方案

根据已有研究^[14]，试验固化剂基准掺量为20%(固化剂与固化土的质量比)，试样养护龄期分别为3，7 d和14 d，影响因素和水平如表 3所示。采取偏高岭土-矿渣(MS)、粉煤灰-矿渣(FS)、偏高岭土-矿渣-水泥(MSC)和粉煤灰-矿渣-水泥(FSC)4组不同的固化方案开展试验，MSC和FSC固定水泥掺量为8%，地聚物掺量为12%。Ⅰ组为单因素试验，主要研究地聚物配合比对土石混合体固化效果的影响规律。Ⅱ组为三因素三水平的正交试验，固定水胶比0.4，砂胶比0.3，分别研究碱激发剂模数及其掺量、矿渣取代率对固化效果的影响规律。碱激发剂模数分别为1.2，1.5和1.8，碱激发剂掺量(碱激发剂与胶凝材料的质量比)分别为20%，25%和30%，矿渣取代率(矿渣与胶凝材料的质量比)分别为40%，50%和60%。

为便于阐述，每种配比采用代号表示，具体如表 3所示，例如，Ⅰ-1(A₁B₃C₂D₂E₁)表示水胶比0.4，砂胶比0.3，碱激发剂模数1.5，碱激发剂掺量25%和矿渣取代率60%的固化土，其余类似，试验方案如表 4所示。

1.4 试样制备

按设计配合比将土石混合体和固化剂倒入搅拌机，干搅2 min后加水搅拌15 min，搅拌均匀后制备150 mm×150 mm×150 mm的立方体试样，控制压实度为88%，静置一天后脱模，用保鲜模将试样包裹密封，放入标准养护箱中养护至所需龄期, 养护温度(20±2)℃，相对湿度95%以上。

1.5 试验方法 1.5.1 无侧限抗压强度(UCS)试验

试验采用的微型电子万能试验机最大荷载为100 kN，位移速率为1%(1.5 mm/min)，应变达到15%时停止试验，试验数据取3个平行试样的平均值。

1.5.2 含水率测定试验

含水率采用烘干法进行测定，取试样中间剖面，将其分为L1，L2，L3这3层，按“十”字形在4个方向距中心15，45，75 mm共12个点取样(图 2)，按土工试验方法测得各试样含水率，每层含水率为该层4个取样点含水率的平均值，每组试验取2个平行样。

1.5.3 微观结构分析试验

微观结构主要通过扫描电镜试验和X射线衍射试验进行测定，其中SEM试验仪器采用德国蔡司Evo MA25，放大倍数为1 000倍，XRD试验采用含水率测定试验后的试样，扫描速度为1°/min，扫描范围10°~80°。

2 试验结果与分析 2.1 无侧限抗压强度 2.1.1 单因素试验结果

4种固化土UCS值随水胶比的变化规律如图 3所示。MS和FS固化土的UCS值随水胶比的增加而减小；对于养护龄期14 d的固化土，当水胶比从0.4增加到0.5时，MS，FS，FSC固化土的UCS值分别降至58.13，45.95，1 943.16 kPa，分别降低了14%，36%，19%；MSC固化土的UCS值增加到2 303.41 kPa，提高了18%。综上可知，MS，FS和FSC这3种固化土UCS值与水胶比呈负相关，与包惠明^[15]的研究结果一致，而MSC固化土的UCS值与水胶比呈正相关，其原因可能是偏高岭土吸水性较强，致使固化土水含量降低。相关研究^[16]表明水胶比较低时，固化剂流动性差，不能充分溶解MSC固化土中的硅铝原材料，样品表面孔隙多，从而导致其抗压强度不高。

4种固化土UCS值随砂胶比的变化规律如图 4所示，可知4种固化土的UCS值总体上与砂胶比呈正相关，其原因为聚合反应生成的凝胶与砂颗粒胶结在一起形成凝胶胶体，可提高固化土的力学性能^[15]。对于养护龄期14 d的固化土，当砂胶比为0.3时，4种固化土的UCS值最大。相比于砂胶比0.1时的固化土，MS，FS，MSC和FSC这4种固化土的强度分别提高6%，53%，44%和51%。

碱激发剂模数对4种固化土UCS值的影响规律如图 5所示，可知MS固化土的UCS值与碱激发剂模数呈正相关，其余3种固化土的UCS值随着碱激发剂模数的增加整体呈先增加后减小的规律。其原因为：随碱激发剂模数增大，参与反应的硅铝质原料比例增大，可有效提高固化土的UCS值，但当碱激发剂模数过高时，固化土的碱性较弱，会阻碍硅铝质原料的溶解，从而影响固化土的UCS值^[17-18]，由于偏高岭土粉对pH值变化敏感度较低，导致MS固化土的最优碱激发剂模数较大。对于养护龄期14 d的固化土，MS固化土碱激发剂模数最优值为1.8，UCS最大值为69.92 kPa；FS，MSC和FSC的碱激发剂模数最优值均为1.5，其固化土的UCS最大值分别为71.33，1 950.23 kPa和2 398.38 kPa。

4种固化土UCS值随碱激发剂掺量的变化规律如图 6所示。由图可知，MS固化土的UCS值与碱激发剂掺量呈负相关，FS固化土的UCS值与碱激发剂掺量成正相关，MSC和FSC固化土的UCS值随碱激发剂掺量的增加呈现出先增加后减小的规律。其原因可能是碱激发剂掺量增加，相应的SiO₂和Na₂O浓度增加，提高了反应物的含量，有利于反应进行^[19]，然而，过量的碱激发剂溶液会阻碍硅铝质原料进一步聚合，导致固化土强度降低^[20]。对于养护龄期14 d的固化土，MS固化土碱激发剂掺量最优值为20%，UCS最大值为69.97 kPa；FS固化土碱激发剂掺量最优值为30%，UCS最大值为90.67 kPa；MSC和FSC固化土的碱激发剂掺量最优值均为25%，其UCS最大值分别为1 950.23 kPa和2 398.38 kPa。

矿渣取代率对4种固化土UCS值的影响规律如图 7所示。由图可知：4种固化土的UCS值与矿渣取代率整体上呈正相关，原因为粉煤灰和偏高岭土属于高铝低钙材料，随矿渣含量的增加，CaO含量增加，反应初期生成的水化硅酸钙凝胶强度较高，同时矿渣颗粒更细，可作为细填料填充孔隙，使结构更致密^[21-22]。对于养护龄期14 d的固化土，当矿渣取代率从40%增加到60%时，MS，FS，MSC，FSC这4种固化土的UCS值分别增加到67.93，71.33，1 950.23，2 398.38 kPa，分别提高了55%，32%，13%，51%。

试验结果表明，MSC和FSC固化土的UCS值远大于MS和FS固化土，究其原因为掺入水泥后，一方面水泥发生水化反应生成胶结物对土石混合体进行固化；另一方面，偏高岭土和粉煤灰作为高活性火山灰材料，其内部活性分子会与水泥水化反应生成的氢氧化钙发生二次反应，生成了更多的C-S-H和N-A-S-H胶凝产物填充在固化土孔隙之间，使其结构变得更加充实，从而进一步提升了固化土的抗压强度。

2.1.2 正交试验结果

4种固化土正交试验的抗压强度极差分析结果如表 5~8所示。极差值R越大，说明该因素影响程度越高。同一个因素，k/K值越大，固化效果越好。由表 5可知：MS固化土7 d和14 d龄期的UCS值影响因素主次顺序为：矿渣取代率、碱激发剂模数、碱激发剂掺量，碱激发剂模数、碱激发剂掺量和矿渣取代率的最优水平分别为C₃，D₂和E₁，故MS固化剂最优配合比为C₃D₂E₁，即Ⅱ-7。

由表 6可知，FS固化土7 d和14 d龄期的UCS值影响因素主次顺序为：矿渣取代率、碱激发剂模数、碱激发剂掺量，碱激发剂模数、碱激发剂掺量和矿渣取代率最优水平分别为C₂，D₃和E₁，故FS固化剂最优配合比为C₂D₃E₁，即Ⅱ-4。

由表 7可知：MSC固化土7 d和14 d龄期的UCS值影响因素主次顺序为：矿渣取代率、碱激发剂掺量、碱激发剂模数，碱激发剂模数、碱激发剂掺量和矿渣取代率最优水平分别为C₁，D₁和E₁，故MSC固化剂最优配合比为C₁D₁E₁，即Ⅱ-1。

由表 8可知：FSC固化土7 d和14 d龄期的UCS值影响因素主次顺序为：矿渣取代率、碱激发剂模数、碱激发剂掺量，碱激发剂模数、碱激发剂掺量和矿渣取代率最优水平分别为C₃，D₂和E₁，故FSC固化剂最优配合比为C₃D₂E₁，即Ⅱ-7。

4种固化剂的最优配比及材料价格如表 9所示。可知4种固化剂材料和水泥价格由高到低依次为：MS、MSC、水泥、FS、FSC。MS固化土和FS固化土的强度较低难以满足工程实际需求，不予考虑。FSC固化剂的价格为317.64元/t，为MSC固化剂价格的63.94%，水泥价格的86.03%。FSC固化土14 d的UCS值为2 493.41 kPa，是MSC固化土对应龄期UCS值的1.07倍，是水泥土对应龄期的1.82倍。由此可知，粉煤灰基地聚物比偏高岭土基地聚物和水泥更经济，地聚物-水泥体系对土石混合体固化效果更好。综上，在水泥中掺入一定量粉煤灰基地聚物可大幅减少工程造价，兼顾经济和强度的前提下，FSC固化剂是最优选择。

2.2 含水率测定试验

4种固化土不同位置的含水率随养护龄期的变化规律如图 8所示。土石混合体中的液态水通过水化反应转化为固态水化产物，且试样用保鲜膜密封可以有效减小水分蒸发带来的试验误差，所以固化土含水率的变化可以表示水化反应程度^[9]。从图 8可以看出随着龄期增加，固化剂的水化反应越来越充分，且反应集中在前中期，这也是导致试样养护时间由7 d增加至14 d，固化土UCS值提升幅度不大的原因。固化土内层含水率最高，中间层含水率次之，外层含水率最低，表明固化剂反应具有不均匀性，但养护时间为14 d时，固化土内、中、外层含水率相差不大，导致的强度不均匀性在可控范围内；掺加了水泥的固化土含水率远低于同龄期未掺加水泥的固化土，这说明其水化反应更剧烈。

2.3 扫描电镜试验(SEM)

扫描电镜下4种固化剂最优配比下固化土3 d和14 d两个龄期的微观结构如图 9所示。在养护龄期为3 d时，固化土中生成了少量水化硅酸钙(C-S-H)、水化硅铝酸钠(N-A-S-H)，试样的整体结构较松散，内部存在大量空隙，强度低的MS固化土和FS固化土中还存在大量未反应完全的棱角分明矿渣微粉(SL)和粉煤灰(FA)球形颗粒(图 9(a)和图 9(b))。养护龄期为14 d时，MS固化土和FS固化土依旧存在大量未参与反应的残余原料(图 9(a)和图 9(b))，说明MS和FS两种固化剂对土石混合体的固化效果不明显，这也是其固化土抗压强度相对较低的原因。MSC固化土和FSC固化土在碱激发剂的作用下矿渣、粉煤灰和偏高岭土粉被进一步激活，水化反应持续进行，生成了大量C-S-H和N-A-S-H胶结产物，SEM照片中未反应完全的残余原料大大减少。从图 9(c)和图 9(d)中可以看出生成的C-S-H和N-A-S-H胶结产物使试样整体性变好，颗粒连接紧密，结构密实度提升，整体抗压性能得到极大提升，根据无侧限抗压强度试验结果，养护时间为14 d时，MSC和FSC固化土的UCS值分别为同龄期MS和FS固化土的25.70~35.66倍。

2.4 X射线衍射试验

固化前土石混合体及养护龄期为7 d时固化土XRD图谱如图 10所示。将4种固化剂最优配比下固化土与原土石混合体的XRD图谱进行对比，可以看出相较于固化前土石混合体，固化土晶相明显增多，MS固化土和FS固化土有少量新的钙钒石峰出现，固化前土石混合体中的部分黏土矿物峰有所减弱，说明这些物质参与了水化反应，但胶凝体生成量少，宏观上表现为固化土强度低。MSC固化土和FSC固化土XRD图谱存在无定型连续弥散峰包，根据文献[23]对地聚物XRD图谱的研究，其为C-S-H和N-A-S-H等水化产物，同时通过SEM图片可以在MSC固化土和FSC固化土中发现C-S-H与N-A-S-H等胶结体，说明在碱激发剂的作用下，偏高岭土、粉煤灰、矿渣和水泥的水化反应生成这些产物。

3 结论

(1) MSC固化土UCS值与水胶比呈正相关，其他3种固化土UCS值与水胶比呈负相关。4种固化土UCS值与砂胶比呈正相关。MS固化土UCS值与碱激发剂模数呈正相关，其他3种固化土的UCS值随碱激发剂模数的增大先增大后减小。MS固化土UCS值与碱激发剂掺量呈负相关，FS固化土UCS值与碱激发剂掺量呈正相关，MSC，FSC固化土UCS值随碱激发剂掺量的增大先增大后减小，4种固化土UCS值与矿渣取代率呈正相关。

(2) 影响MS，FS和FSC固化土UCS值因素主次顺序为：矿渣取代率、碱激发剂模数、碱激发剂掺量。影响MSC固化土UCS值因素主次顺序为：矿渣取代率、碱激发剂掺量、碱激发剂模数；在兼顾强度和经济的条件下，FSC固化剂是最优选择，其最优配合比为碱激发剂模数1.8，矿渣取代率60%，碱激发剂掺量25%。

(3) 固化土水化反应存在不均匀性，试样外层水化反应最充分，中层次之，内层最差。固化土水化反应集中在0~7 d，7~14 d反应速率较低，随着龄期增加，固化土中生成的C-S-H和N-A-S-H胶结物充填在土颗粒孔隙之间，形成致密的空间网格结构，起到胶结和加筋的作用。