本文是一篇土木工程论文，本文的研究旨在探究不同液固比的煤矸石-电石渣地聚物砂浆以及掺入地聚物胶凝材料的固化土在固定浓度的硫酸钠、硫酸、硫酸镁、氯化钠溶液中全浸泡状态下的外观形态变化、质量损失、强度发展规律、微观机理以及固化土的力学特性。
第1章 绪论
1.1 研究背景及意义
近年来，随着国家推行“一带一路”和广东省的“十四五规划”以及2035年远景目标战略的实施，大量基础建设项目如地铁隧道、高速公路和跨海大桥等正在如火如荼地进行。粤港澳大湾区作为中国经济的重要支柱，拥有丰富的自然资源和人口，是一个充满活力的区域。该区域交通便利，拥有多个重要港口、国际航空枢纽和发达的交通运输体系。然而，这些工程的地基将直接建在软土上。为了提高软土的强度并减少地基不均匀沉降的不利影响，常采用深层搅拌桩法，将普通硅酸盐水泥加入软土中进行强制搅拌，形成复合地基。然而，这些结构长期暴露在海洋环境中，不仅受到海水的冲刷、干湿循环和冻融作用的影响，还受到来自工业废水、地下水和盐渍土中的化学侵蚀，如硫酸盐、氯化物和镁盐等，这将对水泥造成不同程度的破坏，最终导致地基基础、结构的安全性和稳定性受到影响。此外，汽车尾气排放和水泥工业生产对环境造成了恶劣影响，导致酸雨的形成，雨水中含有大量的化学腐蚀性物质，如硫酸。硫酸中的硫酸根离子和氢离子会与水泥砂浆发生化学反应，导致膨胀、开裂、剥落和强度损失，使基础承载力降低，同时也会带来一定的安全隐患[1]。
化学侵蚀效应伴随着循环使用的次数增加而变得更为显著。建造于上个世纪的混凝土建筑结构，包括桥梁和沿海公路等基础设施，已经出现了大量耐久性问题，尤其是钢筋腐蚀问题，影响了混凝土结构的完整性。据报道，上个世纪八十年代末，就有超过120,000座桥梁在使用不到20年就遭到严重的破坏，造成了每年超过700亿美元的直接损失[2]。我国西部地区存在大量盐渍土区域，包括陕西、甘肃、青海、宁夏、蒙古、新疆六省地区。这些地区的大部分桥梁、公路等基础设施都会遭受到盐离子攻击而丧失工作效力[3]。
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1.2 国内外研究现状
1.2.1 地聚物胶凝材料的耐化学腐蚀性研究
缺乏长期耐久性研究是制约地聚物材料在建筑业实际应用中的最大障碍[15]。为了增加地聚物在实际应用中的可靠性，需要对其在实际环境中的耐久性进行深入研究。地质聚合物是一种非晶态铝硅酸盐材料，由交联的氧化铝(AlO4-1)和二氧化硅(SiO4-1)四面体形成聚硅酸盐，在盐溶液中将会与化学离子发生离子交换反应。同时，地聚物、水泥砂浆在严重盐碱或海洋环境中的耐久性取决于多种因素，如PH值、完全或部分浸泡以及埋藏条件等。Akharev [16]报告说，地质聚合物在硫酸盐溶液中暴露时表现出的稳定性、耐久性取决于试样制备中使用的激激发剂溶液类型、硫酸盐溶液阳离子的浓度和类型等，地聚物胶凝体系中的Na+、Ca2+等阳性离子对于硅铝四面体电荷平衡至关重要，溶液中的碱性阳离子的迁移于试样的垂直裂缝有关，而垂直裂缝的生成是强度损失的重要原因。此外，还跟原材料的化学材料、地聚物胶凝体系根据组分（CaO-SiO2-Al2O3）的不同主要分为两种类型[17]，即高钙粘结剂体系和低钙结合剂体系，而这两种不同的体系在盐溶液中被侵蚀的反应机理也有不同的区别。目前，地聚物胶凝材料引起的侵蚀主要包括以下几种类型：
（1）一般硫酸盐侵蚀
在国外，对硫酸盐侵蚀水泥砂浆、混凝土结构的研究已经有较早的历史。在上个世纪，已经指出硫酸根离子是最复杂、最具破坏性的混凝土化学物质。在1991年，Cohen 和 Mather[18]提出需要一个科学规范的方法来进行对硫酸盐侵蚀的相关研究。他们首次开发出更加可靠的实验机制，并且逐渐转向从材料科学的角度上分析硫酸盐侵蚀的整个过程。并且，在此期间扫描电子显微镜成为分析抗硫酸盐侵蚀的一个研究工具，用来研究硫酸盐侵蚀的机制[19]。腐蚀反应通常发生在富含硫酸盐的环境中，硫酸盐的扩散通过孔隙进入试样内部后，与水泥中的火山灰反应产物发生离子交换反应。根据硫酸根离子溶液浓度的不同，主要分为两种侵蚀类型：钙矾石（3CaO·Al2O3·CaSO4·32H2O）侵蚀和石膏（CaS O4·2H2O）侵蚀。
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第2章 实验内容与方案
2.1 实验材料
2.1.1 煤矸石、电石渣和水泥
实验分别使用来自河北石家庄某公司和江苏南京共创防腐保温有限公司提供的煤矸石、电石渣原材料进行地聚物砂浆的制备。同时，使用淮南海螺水泥有限责任公司生产的普通硅酸盐水泥42.5标号水泥。在进行试样制备之前，将三种原材料放入105ºC的烘箱中烘干24小时，以去除多余的水分，然后将其筛分至0.075mm的细度。它们的外观形态如图 2-1所示，其中电石渣呈现为灰白色，煤矸石呈褐灰色，水泥为黑灰色。
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根据相关规范[62]，进行 X 射线荧光光谱实验（XRF），可以获取电石渣、煤矸石和水泥三种原材料的化学成分和组成，具体数据如表 2-1所示。煤矸石富含二氧化硅和氧化铝等成分，电石渣中则含有大量的氧化钙，为地聚物胶凝材料提供丰富的钙离子，这些钙离子能有效提高水化反应的激发效率。而水泥含有较为丰富的氧化铝、氧化钙以及二氧化硅等物质。
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2.2 试验内容
2.2.1 煤矸石-电石渣二元体系地聚物砂浆试样的制备
（1）制备地聚物胶凝材料试样：
基于本课题的研究基础上，考虑试样制备的绿色环保、聚合反应程度、经济性等。本实验采用最优材料配比[63]，氢氧化钠与水玻璃的质量之比为1:1、地聚物原材料（粉煤灰、电石渣）与碱激发溶液之比为0.45、0.5、0.55、0.6。其中，电石渣含量CCR为30%，电石渣含量公式如式 2-1所示。
将制备好的激发剂与煤矸石、电石渣粉末混合，并通过搅拌机搅拌1分钟，使材料均匀混合。然后将材料分三次倒入40mm×40mm×40mm的立方体膜具中，每倒入一层砂浆放在振动台上振动60秒，以消除试样中的气泡。随后将煤矸石-电石渣地聚物砂浆试块放在标准养护箱中养护24小时，温度为20±2ºC，湿度为95±3%。养护24小时结束后，脱膜取出试样，继续养护28天[64]。
（2）制备水泥砂浆材料：
将蒸馏水和纯水泥按照0.5水灰比的比例在搅拌机中搅拌1分钟，使试样均匀混合。然后将混合均匀的砂浆材料分三次倒入40mm×40mm×40mm的立方体膜具中，每倒入一层材料将膜具放在振动台上振动60秒，以消除试样中的气泡。在水泥砂浆试块表面覆盖一层聚乙烯薄膜，然后将试样放入标准养护箱中养护24小时。养护结束后，脱膜取出试样，继续放在养护箱中养护28天。
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第3章 煤矸石-电石渣地聚物砂浆盐溶液下的耐腐蚀性分析 ........... 19
3.1 引言 .................................... 19
3.2 硫酸钠溶液度侵蚀试验分析 ............................. 19
第4章 微观实验分析 .......................................... 37
4.1 引言 ............................................. 37
4.2 X射线粉末衍射(XRD) ..................... 37
第5章 地聚物胶凝材料固化土的耐化学腐蚀性研究 ........................ 54
5.1 引言 .................................... 54
5.2 地聚物胶凝材料固化软土的盐溶液全浸泡及力学实验步骤 .... 54
第5章 地聚物胶凝材料固化土的耐化学腐蚀性研究
5.2 地聚物胶凝材料固化软土的盐溶液全浸泡及力学实验步骤
地聚物胶凝材料固化软土的耐腐蚀性实验分析，基于地聚物胶凝材料浸泡在盐溶液中的外观形态变化、强度发展规律所展开。具体实验过程如下所示：
○1 烘干淤泥土：将从南沙取来的淤泥质土先通过击实仪捣碎，然后放入60°C的烘箱中烘干24小时，过2毫米筛后存入密封袋中。 ○2 配制碱性激发溶液：先称取一定质量的固体片状NaO H，溶于蒸馏水中，制得8摩尔每升的NaO H溶液。置于室温中静置24小时，冷却至室温后，将称取好的水玻璃倒入氢氧化钠溶液中，搅拌均匀。
○3 土的混合：先将煤矸石-电石渣粉末与干土混合搅拌，然后依次加入碱性激发溶液和自由水，再次搅拌均匀形成固化土。
○4 装样：将软土混合物分三次快速转移到38毫米×76毫米的三瓣膜中，在每一层土填入模具时，通过快速震荡以消除固化土之间的空气。
○5 养护：将膜具放入标准养护箱中养护。养护箱的温度为(20±2)°C，湿度为(95±3)%。养护24小时后脱模，并放入养护箱中继续养护28天，以使固化土水化反应完全。
○6 固化土浸泡侵蚀实验：在固化土养护28天后，将试样从养护箱中取出，放入充满硫酸、氯化钠、硫酸钠、硫酸镁溶液的自封袋中，使试样处于全浸泡状态，到达浸泡日期后取出。
○7 试样抽水饱和：本实验采用抽真空饱和法。将制备好的试样装进三瓣膜，然后放入密闭缸中，利用真空泵连续抽真空两小时，然后注入蒸馏水，水面的高度略高于试样高度时关闭注水阀，静置12小时以上。
○8 固结不排水剪切实验：将抽水饱和后的试样取出，通过成膜筒套上乳胶膜进行装样，在装样后在压力室进行反压饱和、固结，最后在不排水状态下进行三轴剪切试验，其中加载速度为0.076mm/min (0.1%/min)，试验仪器如图 5-1所示。
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第6章 总结与展望
6.1 结论总结
本文的研究旨在探究不同液固比的煤矸石-电石渣地聚物砂浆以及掺入地聚物胶凝材料的固化土在固定浓度的硫酸钠、硫酸、硫酸镁、氯化钠溶液中全浸泡状态下的外观形态变化、质量损失、强度发展规律、微观机理以及固化土的力学特性。研究结果表明：
（1）不同类型的盐溶液会对抗压强度产生不同的影响。对于浸泡在5w%硫酸钠和3.5w%氯化钠溶液中的不同液固比的GSG试样，12个月后，从外观上看变化不明显，而且抗压强度都有所增加。但是，对于浸泡在5w%硫酸镁溶液和5w%硫酸溶液中的GSG试样，侵蚀作用比较明显。其中，浸泡在硫酸镁溶液中的GSG试样抗压强度从第1个月开始就急剧下降，第3个月后发生崩解现象，最终丧失强度。在硫酸溶液中浸泡12个月后，试样出现开裂和膨胀，从而完全失去了强度。
（2）为了提高地聚物的耐腐蚀能力，可以采用降低GSG试样的液固比的方法。在盐溶液的浸泡过程中，高液固比的GSG试样会导致内部孔隙增多，从而使溶液中的游离离子更容易进入试样内部，形成更多的腐蚀产物。当这些腐蚀产物积累过多时，它们具有膨胀性，膨胀力会逐渐大于粘结力，试样就会开裂、孔隙增大，导致溶液中的离子进一步进入试样内部，加速试样的劣化。因此，采用降低液固比的方法可以减少试样内部的自由水和孔隙，从而降低腐蚀产物的生成和积累，提高试样的耐腐蚀能力。
参考文献（略）