新型水泥土搅拌桩胶凝材料固化地基土性能研究

Study on Performance of New Cement-soil Mixing Pile Cementitious Material Curing Foundation Soil

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.

Abstract

This study investigated the mechanical properties of foundation soil solidified with geopolymer binder materials， replacing traditional cement in cement-soil mixing piles. The experiment used sodium silicate to activate montmorillonite， slag fly ash， and carbide slag to form a geopolymer binder for soil solidification. The unconfined compressive strength of the solidified foundation soil was tested for various proportions， along with strength variations of two groups of specimens after immersion in HCl solution （pH=5） and 5% Na₂SO₄ solution for 7， 14 and 28 days. X-ray diffraction （XRD） and scanning electron microscope （SEM） were used for composition and microstructure analysis. The results indicated that， compared to using slag alone， the addition of a small amount of fly ash enhanced the compressive strength of geopolymer-solidified soil. Incorporating 5% montmorillonite participated in the geopolymer reaction， adsorbed moisture， and filled pores， thereby increasing the strength of the geopolymer-solidified soil. However， excessive montmorillonite content adversely affected the mixture due to its water-absorbing and expanding properties. Using a sodium silicate modulus of 0.8， with a dosage of 12%， 5% montmorillonite， and a slag-to-fly ash ratio of 9∶1， the geopolymer-solidified soil achieved a compressive strength of 3.44 MPa after 28 days of standard curing. After 28 days of immersion in HCl solution， the strength was decreased by 26.2%， and after 28 days in NA₂SO₄ solution， it was decreased by 17.4%. The compressive strength of the geopolymer-solidified soil was 2.73 times that of cement-solidified soil， demonstrating excellent resistance to acid and sulfate attack.

Graphical abstract

关键词

水泥土搅拌桩 / 地聚物 / 耐酸性 / 耐硫酸盐

Key words

cement-soil mixing pile / geopolymer / acid resistance / sulfate resistance

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命^［1-3］. 此外，水泥土搅拌桩所用水泥也是一种高耗能、高碳排放的材料^［4］. 大量使用水泥对环境产生不利影响. 因此，研发低碳且抗腐蚀的新型胶凝材料，将有利于水泥土搅拌桩的推广和应用.

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构^［5］.与普通硅酸盐水泥相比，地聚物胶凝材料机械性能优越、收缩性低^［5-6］.在抗酸和抗硫酸盐侵蚀的方面，Kwasny等^［3］比较了高岭土基地聚物砂浆与普通水泥砂浆在硫酸钠、硫酸镁、盐酸、硫酸溶液中的表现，发现前者抗酸性和抗硫酸盐侵蚀能力更强，且酸降解层的渗透性较低. Elyamany等^［7］使用粉煤灰、矿渣、硅灰制备的聚物砂浆亦获得类似结果，其中50%粉煤灰、35%矿渣和15%硅灰的混合物在抗硫酸镁侵蚀方面表现最佳.Sukmak等^［8］发现黏土-粉煤灰地聚物比黏土-水泥具有更优的抗硫酸盐侵蚀性能，在硫酸盐溶液中浸泡28 d强度高出1.2倍. 陈珊玲等^［9］使用碱激发矿渣粉煤灰固化软土在硫酸钠溶液中浸泡60 d后强度降低10.5%，而水泥固化软土降低46.3%. 因此，使用地聚物胶凝材料代替水泥作为水泥土搅拌桩的胶结材料，既可减少碳排放，又能抵抗地下水侵蚀，具有环保和经济双重效益.

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所示，土样呈棕褐色. 将土样晾晒、烘干并砸碎后过2 mm筛，根据《公路土工试验规程》（JTG 3430—2020）^［10］进行测定土的塑限（ω_P）、液限（ω_L）、最大干密度（maximum dry density，MDD）D_MDD、最优含水率（optimum moisture content，OMC）C_OMC、粒径分布，测试结果如表1、图2所示. 根据上述规范的判定方法，本试验所用土样属于低液限黏土.由图2土的颗粒级配曲线可知，土壤的中值粒径D₅₀为14.84 μm，曲率系数C_C为1.25，不均匀系数C_U为7.10，大于5，级配良好.

图3为土的XRD图谱，土壤中主要矿物有石英（SiO₂）、绿泥石［（Mg，Al，Fe）₆（Si，Al）₄O₁₀（OH）₈］、高岭石［Al₂Si₂O₅（OH）₄］，另外还含有少量的白云母［KAl₃Si₃O₁₀（OH）₂］、钠长石（NaAlSi₃O₈）和方解石（CaCO₃）.

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. 图4为3种地聚物材料的XRD图谱，其中电石渣的主要成分为氢氧化钙；矿渣的主要矿物成分为石英（SiO₂）、三氧化二铝（Al₂O₃），密度为2.9 g/cm³；粉煤灰为F类Ⅱ级粉煤灰，其密度为2.25 g/cm³，主要矿物成分为石英（SiO₂）、三氧化二铝（Al₂O₃）、莫来石（Al_2.35Si_0.64O_4.82）.

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）^［11］，首先根据质量配比分别称量地聚物前驱体、碱激发剂、自来水和土，然后将土倒入卧式砂浆搅拌机内待用，将前驱体固体倒入立式砂浆搅拌机内进行预混合，加入称量的水并均匀搅拌3 min，再倒入碱激发剂均匀搅拌5 min，最后将制备好的地聚物浆液倒入盛有土的卧式砂浆搅拌机中均匀搅拌10 min，得到最终固化土浆液. 将固化土浆液分3次装入 70.7 mm×70.7 mm × 70.7 mm三联模中，每次装料后振捣密实，最后一次振捣结束后抹面覆膜，48 h后脱模，置于标准环境［（20±0.5）℃，相对湿度≥95%］内养护，试件龄期分别为3 d、7 d、14 d、28 d时取出测试.

HCl、H₂SO₄为试验常用酸溶液，为排除SO₄^2-对试验结果的影响，酸溶液采用HCl溶液. 多数地下水pH值为5~7，本研究将HCl溶液pH值确定为5，属于较为严苛的酸性环境. 本研究硫酸盐溶液溶质Na₂SO₄及其质量分数5%参考文献［1］确定，多数地下水硫酸盐质量浓度低于1 000 mg/L，因此质量分数为5%的Na₂SO₄溶液属于极端环境. 本研究采用上述两种较为严苛的试验环境的目的在于加速固化土试样的侵蚀，缩短试验周期.

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表2所示，其中对照组水泥固化土的水泥掺量为干土质量的20%，水灰比为0.6.地聚物前驱体的成分为电石渣10%+矿渣和粉煤灰85%+蒙脱石5%时，其质量为干土质量的 20%，水胶比为0.6，碱激发剂掺量是碱激发剂质量与地聚物前驱体的质量之比. 电石渣掺量固定为前驱体的10%，其作用为补充地聚物胶凝材料的钙含量，提供部分碱性激发体系内硅铝组分的活性，减少钠水玻璃的用量，从而降低成本. 矿渣粉煤灰总掺量固定为前驱体的85%.

2 UCS结果分析

2.1 地聚物固化土的UCS

图5为地聚物固化土随碱激发剂钠水玻璃掺量和模数变化的无侧限抗压强度（unconfined compressive strength，UCS）结果. 从图5（a）（b）整体来看，在碱激发剂作用下，地聚物固化土的抗压强度始终优于水泥固化土，标准养护28 d后抗压强度最高为3.44 MPa，而水泥固化土只有1.26 MPa，地聚物固化土抗压强度是水泥固化土的2.73倍，机械性能优异.

图5（a）表明，在钠水玻璃掺量8%~14%变化范围内，地聚物固化土的抗压强度随碱激发剂掺量增加先增大后减小，在钠水玻璃掺量为12%时抗压强度达到最大，掺量增加到14%时，地聚物固化土的 3 d抗压强度有所增加，但随着养护龄期的增长，其抗压强度反而逐渐低于钠水玻璃掺量为12%时的抗压强度，标准养护28 d的抗压强度由3.44 MPa减小为3.07 MPa，降低了10.8%.

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度^［12］. 但碱激发剂掺量过多时，钠水玻璃带来的阳离子Na⁺过多，影响地聚物胶凝材料中的Ca²⁺与土壤颗粒表面Na⁺、K⁺进行离子交换反应，不利于地聚物固化土强度的形成^［13］.

图5（b）可以看出，在钠水玻璃模数0.6~1.2变化范围内，地聚物固化土的抗压强度随碱激发剂模数的降低先增大后减小，在钠水玻璃模数为0.8时抗压强度达到最大，在钠水玻璃模数继续降低为0.6时，地聚物固化土的抗压强度不增反降，且降低幅度较大，标准养护28 d的抗压强度由3.44 MPa，减小为2.50 MPa，降低了27.3%. 其原理与碱激发剂掺量变化时的反应原理相似. 随钠水玻璃模数降低，激发剂的碱性是逐渐增强的. 在模数为0.8~1.2的范围内，地聚物胶凝材料与土壤颗粒在激发剂的活化下能很好地发生地聚反应，生成C―S―H和C―A―S―H凝胶，强化地聚物固化土的机械性能^［12］. 但钠水玻璃模数过低时，反应体系内的碱性过强，既带来了过多的Na⁺影响土壤颗粒表面的离子交换反应，又会导致初始反应过快，生成的凝胶等覆盖在反应物表面，影响反应进行，阻碍强度的进一步发展^［13］. 以上结果表明，钠水玻璃模数为0.8，掺量为前驱体的12%时激发效果最好，得到的地聚物固化土机械性能最优.

图6为地聚物固化土随矿渣粉煤灰比例变化的UCS结果. 从图中可以看出，不同矿渣粉煤灰比例下，地聚物固化土的抗压强度仍始终高于水泥固化土. 此外，随矿渣比例增大、粉煤灰比例减小，地聚物固化土的抗压强度逐渐增加，但粉煤灰比例减小为零时，抗压强度并没有继续增大，在标准养护14 d、28 d后反而出现了减小的情况.

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度^［14］. 对比矿渣粉煤灰比例为9∶1和10∶0的两条曲线，在反应初期（标准养护3 d、7 d），由于矿渣掺量较高，反应活性较强，生成的C—S—H、C—A—S—H凝胶产物对地聚物固化土强度贡献较大；而粉煤灰掺量较低，N—A—S—H凝胶的生成反应不明显，对强度贡献较小. 此时单纯使用矿渣的N10工况地聚物固化土强度更高. 但随着养护龄期的增长，粉煤灰对固化土强度增长的促进作用逐渐凸显^［15］. 因此N10工况地聚物固化土标准养护14 d、28 d的抗压强度较N3工况低.

图7为地聚物固化土随蒙脱石掺量变化的UCS结果. 从图中可以看出，不同蒙脱石掺量下，地聚物固化土的抗压强度仍然始终高于水泥固化土. 加入5%蒙脱石的地聚物固化土抗压强度大幅提高，标准养护3d后抗压强度由0.61 MPa增加到0.97 MPa，提高了59.0%；标准养护28 d后抗压强度由2.13 MPa增加到3.44 MPa，提高了61.5%. 但在此基础上再增加5%的蒙脱石后，地聚物固化土的抗压强度反而 降低，标准养护3 d后抗压强度由0.97 MPa减小为0.83 MPa，降低了14.4%；标准养护28 d后抗压强度由3.44 MPa减小为3 MPa，降低了12.8%.

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，有助于加速早期反应^［16-17］. 此外，蒙脱石微米级的粒径和层状的晶体结构，使其可以填充地聚物固化土内部结构孔隙、吸附多余水分，使地聚物固化土更加致密. 但正是由于蒙脱石强大的吸附能力，在蒙脱石掺量过多时，整个体系内大量自由水被吸附，这一方面使反应体系缺少足够的水分参与反应、进行离子运输，另一方面导致地聚物与土混合后浆液的流动性不强，影响振捣密实，从而影响地聚物固化土的整体强度. 因此，蒙脱石的掺量不宜过高.

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结果如图8所示. 对照组水泥固化土在HCl溶液中浸泡 7 d后抗压强度为0.79 MPa，降低37.3%，随着浸泡时间的延长，水泥固化土的抗压强度不断降低，浸泡14 d后抗压强度为0.57 MPa，降低54.8%，而浸泡 28 d后抗压强度为0.25 MPa，降低80.2%. 水泥固化土浸泡在HCl溶液中时，溶液中的水会通过毛细吸附作用进入水泥固化土内部，使得内部参与反应的SiO₄^4-、AlO₄^5-与OH^-等被稀释甚至流失到外部溶液中，导致反应物浓度及碱性降低，不利于水化反应的持续发展. 此外，外部溶液的H⁺随着水分渗入水泥固化土内部，会中和内部反应体系中的OH^-，进一步导致碱性的损失. 更严重的是水泥固化土内部的 Ca（OH）₂、AFt、C—S—H、C—A—S—H等含钙相会被酸性溶液溶解，最终导致孔隙变大，构建强度框架的凝胶被破坏，水泥固化土抗压强度降低^［3］.

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.

图8（c）显示，相比于复掺矿渣粉煤灰的地聚物固化土，单纯使用矿渣的N10工况地聚物固化土在HCl溶液中浸泡的抗压强度劣化更为明显，仅浸泡 7 d抗压强度就由3.0 MPa减小到1.95 MPa，降低35%，这是由于矿渣地聚物早期强度提升明显，但后期强度增长缓慢，而粉煤灰地聚物早期强度发展不充分，但后期强度增长较快. 在复合使用时互补效应明显，因此复掺矿渣粉煤灰的地聚物固化土的耐酸性会更好一些.

从图8（d）可以看出，相比于N3工况，N12工况地聚物固化土的耐酸性并没有因为多加5%的蒙脱石更强，过多的蒙脱石使地聚物固化土在成型时浆体的流动性变差，导致地聚物固化土内部孔隙增多，抗压强度较低，受酸溶液侵蚀严重.

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结果如图9所示. 对照组水泥固化土在Na₂SO₄溶液中浸泡7 d后强度为1.37 MPa，增长了8.7%，但随着浸泡时间的延长，水泥固化土的抗压强度降低，浸泡14 d后强度为1.21 MPa，相比于未浸泡时降低4.0%，浸泡28 d后强度为1.04 MPa，相比于未浸泡时降低17.5%. 水泥固化土浸泡在Na₂SO₄溶液中初期强度出现增长是因为外部溶液中的SO₄^2-渗入水泥固化土内部后与C—S—H和Ca（OH）₂反应生成具有膨胀性AFt晶体，可以填充结构孔隙，提高水泥固化土强度^［14］. 但随着SO₄^2-持续渗入，AFt晶体进一步生成，其产生的膨胀应力又会导致水泥土内部出现微裂缝，影响土体强度. 另外，Na₂SO₄溶液中的水渗入使得水泥固化土内部的SiO₄^4-、AlO₄^5-与OH^-等被稀释，流失到外部溶液中，导致反应物浓度及碱性降低.

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，SO₄^2-渗入后与C—S—H和Ca（OH）₂反应生成AFt晶体，其膨胀应力会提前影响土体强度.

从图9（d）可以看出，N12工况地聚物固化土也没有出现强度增长，甚至在浸泡14~28 d时强度劣化明显，这是因为蒙脱石掺量过多，溶液中大量的SO₄^2-被吸附，生成了过多的AFt晶体，另外蒙脱石自身也会吸水膨胀，双重因素下内部结构膨胀应力过大，最终导致N12工况地聚物固化土强度降低.

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为未使用地聚物处理的原状土与N3工况地聚物固化土标准养护7 d、14 d、28 d时的XRD对比图，其中2θ范围为10°~80°. 由图10中可以看出，使用N3工况地聚物配比处理后的土体，其内部主要矿物为石英（SiO₂），其他含量较高的矿物还有绿泥石［（Mg，Al，Fe）₆（Si，Al）₄O₁₀（OH）₈］和高岭石［Al₂Si₂O₅（OH）₄］，以及少量白云母［KAl₃Si₃O₁₀（OH）₂］、钠长石（NaAlSi₃O₈）和方解石（CaCO₃）. 这与原状土的矿物成分基本一致.

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Ca²⁺、SiO₄^4-、AlO₄^5-等被溶出，共同发生地聚反应无定形C—S—H凝胶和C—A—S—H凝胶，增加地聚物固化土的强度.

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

图11为未使用地聚物处理的原状土与N3工况地聚物固化土标准养护7 d、14 d、28 d时的SEM图像对比，放大倍数为2 000倍.

如图11（a）所示，未经处理的原状土结构松散，自然堆积内部裂缝和孔隙较多，矿物颗粒分布明显，没有提供抗压强度的胶结骨架. 而从图11（b）可以看出，N3工况地聚物固化土标准养护7 d后，虽然内部孔隙依然较多，但可以观察到絮状C—S—H、 C—A—S—H凝胶以及针棒状的AFt晶体，此时土体经地聚物胶凝材料处理后具有了一定强度.图11（c）中N3工况地聚物固化土标准养护14 d后基本看不到未反应的地聚物颗粒，凝胶已经成片胶结在一起，孔隙较少，地聚物固化土内部结构较为密实. 视野中图11（d）中N3工况地聚物固化土标准养护28 d后结构更加致密，孔隙更少，凝胶骨架已完全形成，具有良好抗压强度. 这与N3工况地聚物固化土在耐酸性试验和耐硫酸盐试验中的优越表现一致.

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H⁺或SO₄^2-浓度较低，水泥土搅拌桩的失效周期漫长. 因此，在评价这种新型水泥土搅拌桩的耐腐蚀性时，需对比地聚物固化土和水泥固化土的试验表现. 本研究N3工况地聚物固化土的耐酸和耐硫酸盐性能远优于水泥固化土，有利于新型水泥土搅拌桩在酸性或含硫酸盐地下水环境的工程应用.

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基金资助

国家自然科学基金资助项目(52178206)

National Natural Science