关于在不同固化温度条件下处理的地质聚合物稳定土的物理、力学和微观结构特性的实验研究

《Journal of Environmental Chemical Engineering》：Experimental study on the physical, mechanical, and microstructural properties of geopolymer-stabilized soils exposed to different curing temperature conditions

地质聚合物稳定土壤在低温固化下的性能及机制研究，通过宏观力学与微观结构分析，发现低温（-10℃）显著降低抗压强度（降幅达68.4%）、抑制聚合反应速率，导致pH和电导率升高，孔隙结构向大/中孔占比增加，表面硬度及波速却升高，为寒冷地区应用提供理论依据。

　　

作者：Jun Bi、Yuxuan Pan、Ruiqiang Bai、Qiyong Zhang、Xiao Jiang、Song Xu、Zhenyu Liu

南京工业大学交通工程学院，中国南京 211816

摘要：

地质聚合物是一类新型的无机聚合物材料，用于稳定土壤，对减少温室气体排放和节约能源具有重要意义。随着寒冷地区工程建设的增加，使用地质聚合物稳定的土壤往往需要在低温下进行施工和固化。然而，地质聚合物稳定土壤在零下温度下的稳定机制仍不清楚。本研究通过宏观和微观表征测试，全面研究了不同固化温度（20°C和-10°C）下地质聚合物稳定土壤的物理、力学和微观结构特性。由于冰的形成，在-10°C下固化的试样表现出比在20°C下固化的试样更高的波速和表面硬度。零下温度降低了地质聚合物化速率，导致试样的pH值和电导率增加。此外，在零下温度下固化的试样表现出更高的破坏应变和更好的延展性，而地质聚合物稳定土壤的无约束抗压强度、劈裂抗拉强度和剪切强度显著下降。含有20%粉煤灰的试样在-10°C下固化28天后的抗压强度为1.041 MPa，比在20°C下固化的3.295 MPa低68.4%。零下温度显著抑制了地质聚合物化过程，减少了凝胶产物的形成，并增加了大孔和中孔的比例，同时减少了微孔的比例。本研究为地质聚合物稳定土壤在寒冷地区的应用提供了初步证据。

引言

在中国，冻土广泛分布，季节性冻土区和永久冻土区分别占土地面积的53.5%和22.4%[1]、[2]。寒冷和冻融（F-T）环境极大地影响了土壤的岩土工程性质，降低了工程项目的服役性能[3]、[4]、[5]、[6]、[7]。为了提高土壤的强度，人们向土壤中添加了水泥，因为水泥具有高强度、低成本和施工方便等优点[8]、[9]、[10]、[11]。然而，水泥生产过程会排放大量温室气体，并消耗大量能源。例如，每年水泥生产会产生约40亿吨二氧化碳，占全球排放量的10%[12]、[13]。生产1吨普通波特兰水泥需要消耗5.6吉焦的能量，并产生约1吨二氧化碳[14]。这与环境保护和可持续发展的原则相矛盾。因此，迫切需要开发环保的土壤稳定材料。

近年来，学者们采用了一些新型添加剂来改善土壤在冻融循环中的性能。例如，Luo等人[15]使用相变材料（PCMs）来稳定黄土。结果表明，PCMs显著减轻了冻融循环对黄土强度的不利影响。此外，PCMs还可以利用其相变潜热来抵消外部温度，从而提高黄土的热稳定性。Sadiq等人[16]利用化学诱导的防水性来提高土壤的冻融耐受性。通过抑制水分迁移和抑制冰晶形成，这种方法减少了土壤的冻胀。结果表明，经过硅烷处理的路基土壤的冻胀减少了57%到80%。Chen等人[17]使用纳米MgO改性黄土，发现添加2.5%的纳米MgO后，冻融前后的最大剪切模量分别提高了75.26%和184.9%。结果表明，纳米MgO的吸水作用将自由水转化为结合水，从而显著提高了黄土的动态性能和冻融耐受性。然而，这些材料的成本仍然相对较高。

地质聚合物是水泥的一种环保替代品，对减少温室气体排放和节约能源具有重要意义[18]、[19]、[20]。与水泥相比，地质聚合物所需的能量仅为水泥的1/6到1/4[21]。用地质聚合物代替水泥作为土壤粘合剂可以减少60-80%的二氧化碳排放，并且几乎不产生其他有毒气体[22]、[23]、[24]。此外，地质聚合物还具有优异的化学侵蚀抗性和高温抗性[25]、[26]。因此，地质聚合物是一类通过天然或人工铝硅酸盐材料在碱性环境中的解聚和缩聚反应合成的新型无机聚合物材料[27]、[28]。地质聚合物可以由多种铝硅酸盐原料合成，包括粉煤灰（FA）、火山灰、高炉矿渣和偏高岭土。这些材料具有三维网络结构，表现出优异的机械强度和卓越的耐久性。Alsafi等人[29]使用基于FA的地质聚合物固化石膏质土壤，减轻了其坍塌性。他们的研究结果表明，FA地质聚合物粘合剂比波特兰水泥创造了更坚固的稳定基质。Ghadir等人[30]发现，用火山灰基地质聚合物稳定的粘土的无约束抗压强度（UCS）比水泥处理的样品提高了200%。Du等人[31]使用基于粒化高炉矿渣（GGBS）的地质聚合物进行粘土稳定。结果表明，地质聚合物稳定土壤的抗压强度是水泥稳定土壤的2-3.5倍，具有更大的吸水能力和更好的渗透性。Luo等人[32]证明，基于偏高岭土的地质聚合物显著提高了土壤的抗压强度，与石灰和普通波特兰水泥（OPC）稳定的土壤相比，杨氏模量和破坏应变也有显著改善。总之，地质聚合物提高了土壤的强度、物理性质和水力性能。然而，大多数这些研究仅限于常温固化条件，地质聚合物稳定土壤在低温固化条件下的力学响应和微观机制仍不清楚。

一些先前的研究已经在常温或高温固化条件下研究了地质聚合物和地质聚合物稳定土壤的强度和微观结构[33]、[34]、[35]。然而，关于地质聚合物稳定土壤在低温或零下温度固化条件下的性能研究仍然有限。固化温度对化学反应有深远影响，在零下温度下反应速率显著降低，直接或间接参与反应的液态水量也减少[36]、[37]、[38]、[39]、[40]、[41]。Lu等人[42]发现，在零下固化温度下混凝土的水化反应受到严重抑制，导致纤维增强混凝土的抗压强度显著降低。Ma等人[43]发现，零下固化温度导致水泥粘土的强度下降。Zhu等人[44]发现，碱激活的GGBS在低温下在强度发展方面具有显著优势。碱激活的GGBS在最佳活化剂含量下可以有效提高低温下解冻永久冻土的强度。可以看出，目前的研究主要集中在混凝土和水泥稳定土壤上。因此，上述发现可能不适用于在零下固化条件下的基于FA的地质聚合物稳定土壤。地质聚合物在零下温度下稳定土壤的有效性仍有待探索。根据Raoult定律[46]，增加溶液的离子浓度会降低其冰点。基于此，Zhang等人[47]报告称，随着NaOH摩尔浓度的增加，碱激活矿渣浆液的冰点降低，表明在零下温度下碱激活系统中反应和强度发展仍可进行。因此，研究碱激活地质聚合物稳定土壤在零下固化条件下的稳定性能是有意义的。

本研究采用碱激活的基于FA的地质聚合物来稳定土壤。准备了五种不同FA含量的试样（即0%、5%、10%、15%和20%），并在两种固化温度（20°C和-10°C）下分别固化3天、7天、14天和28天。现有研究仍缺乏将无损物理技术（如表面硬度和波速）与微观结构分析相结合的综合方法，以阐明零下固化条件下强度演变机制。因此，进行了一系列多尺度测试，以研究固化温度对地质聚合物稳定土壤物理性质和强度的影响。通过X射线衍射（XRD）、热重分析（TGA）和汞侵入孔隙度法（MIP）研究了地质聚合物稳定土壤的微观结构行为。最终揭示了固化温度对地质聚合物稳定土壤的影响机制。

部分内容摘录

土壤

土壤采集自中国兰州。从现场运输后，将其破碎并在户外干燥。通过2毫米筛子筛选后，干燥后储存在密封桶中。土壤颗粒呈黄褐色，土壤的基本性质如表1所示。通过筛分分析和比重计分析得到的粒径分布曲线如图1所示。图2展示了放大200倍的土壤SEM图像。

表面硬度

图4显示了不同温度下固化过程中的表面硬度。FA含量越高，样品的表面硬度越大。在固化过程中，样品的表面硬度在不同温度的早期阶段迅速上升，随后缓慢增加或保持稳定。在-10°C下固化的样品在第一天就表现出较高的表面硬度。例如，未经FA处理并在20°C下固化一天的样品表面硬度为51 HA，而在-10°C下固化一天的样品表面硬度为74 HA。

相关性分析

相关性分析是一种使用特定统计指标定量评估变量之间相关程度的方法[73]。为了研究FA含量、固化条件和孔隙特性对地质聚合物稳定土壤力学性能的影响，使用Spearman方法对这些指标进行了相关性分析。相关系数Rs用于分类相关性。图22显示了Rs值。

总结与结论

本研究通过一系列实验室测试，研究了不同固化温度下基于FA的地质聚合物稳定土壤的物理性质和力学强度，并使用微观结构测试研究了零下固化对反应产物和孔隙特性的影响。零下固化导致样品的表面硬度和波速增加，同时pH值和电导率也升高。固化温度的降低抑制了地质聚合物化反应。

CRediT作者贡献声明

Zhenyu Liu： 数据可视化。Xiao Jiang： 数据可视化。Song Xu： 数据可视化。Ruiqiang Bai： 文章撰写 – 审稿与编辑、概念化、资金获取、调查。Qiyong Zhang： 文章撰写 – 审稿与编辑。Jun Bi： 文章撰写 – 审稿与编辑、初稿撰写、资金获取、概念化。Yuxuan Pan： 文章撰写 – 初稿撰写、数据可视化、方法论。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的竞争性财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。

致谢

本研究得到了中国国家自然科学基金（项目编号42102306）、中国国家自然科学基金重点计划（项目编号42330704）、中国铁路集团有限公司科学技术研发计划（项目编号 Academy of Scientific Research 2023-Major-01）、甘肃省科学技术计划（项目编号25JRRA486）和中国科学院战略性先导科技专项（项目编号