钙基/改性钙基膨润土-地聚合物隔离墙材料 工程特性与干湿循环耐久性研究

论文概要

本文制备了钙基膨润土（CaB）与改性钙基膨润土（mCaB）增强的粉煤灰基地聚合物隔离墙材料，通过宏观性能试验（迷你坍落度、无侧限抗压强度、渗透系数）及室内干湿循环试验，结合SEM、MIP、FTIR、XRD等微观表征手段，系统研究了膨润土类型及掺量对材料基本工程特性与干湿循环耐久性的影响，并揭示了CaB/mCaB改善耐久性的不同作用机制。

知识结构

1. 材料与配比

• 地聚合物：粉煤灰经硅酸钠激发，碱溶液/粉煤灰=0.26。
• 骨料：福建砂（D₁₀=0.17 mm, D₆₀=0.41 mm）。
• 膨润土：
• CaB：蒙脱石含量~90%，自由膨胀指数5.0 mL/2g。
• mCaB：用质量比4%聚丙烯酸钠（PAAS）改性，膨胀指数24.5 mL/2g。
• 膨润土掺量：分别为粉煤灰+砂总质量的3%、6%、9%。
• 工作性控制：通过迷你坍落度试验确定控制含水率（坍落度35 mm对应含水率），确保可施工性。

2. 基本工程特性（28 d养护）

| 特性 | 主要发现 | 设计要求满足情况 | | --- | --- | --- | | 渗透系数k | 随膨润土掺量增加而增大；CaB体系增幅较小（9%掺量时k提高约11倍），mCaB/NaB增幅更大（分别~19倍、~3倍）。 | 所有配比k均<1×10⁻⁸ m/s，满足水泥基隔离墙要求。 | | 无侧限抗压强度UCS | 低掺量（3%）时强度略有提高；高掺量（9%）时强度显著下降：CaB降11.6%，mCaB降89.8%，NaB降98.8%。 | 均能满足≥100 kPa设计要求。 | - 膨润土吸水增加用水量，稀释碱激发剂浓度，抑制地聚合反应；同时膨润土自身承载力弱导致强度下降。 - 二维红外同步光谱显示，Si-O-T（T=Si/Al）基团振动在膨润土掺量变化下出现自相关峰，证实膨润土掺量影响地聚合反应进程。

3. 干湿循环耐久性（选3%掺量试样）

• 渗透系数变化：
• 纯FAGP：1次循环后k升高3个数量级，超过1×10⁻⁸ m/s。
• 3%NaB：第7次循环后k超标。
• 3%mCaB：第10次循环后k超标。
• 3%CaB：10次循环后k仍满足设计要求（<1×10⁻⁸ m/s），耐久性最优。
• UCS变化：随循环次数增加而逐步提高并趋于稳定（地聚合反应在湿-热刺激下持续进行），最终稳定强度：3%CaB~14.5 MPa > 3%NaB~13.8 MPa > 3%mCaB~12.0 MPa。

4. 微观结构与劣化机制

• SEM：循环前结构致密；循环后出现裂纹，mCaB试样中可见膨润土片与基质明显剥离。
• MIP：总孔隙率随循环次数增加；最可几孔径由微米级减小至亚微米级（基质致密化），但连通孔隙增多导致渗透系数升高。
• XRD：CaB晶层间距（d₀₀₁）在循环中保持约1.50 nm不变；mCaB晶层间距从1.420 nm减小至1.369 nm，膨胀指数由24.5降至约20.0 mL/2g，膨胀能力弱化。
• 机制归纳：
• 干燥阶段：膨润土失水收缩，在其周围形成空隙或裂缝。
• 湿润阶段：膨润土重新吸水膨胀，填充空隙，阻止裂缝相互贯通。
• CaB膨胀收缩幅度小，与基质剥离轻，循环后仍能有效填充；mCaB膨胀收缩剧烈，导致基质界面严重剥离形成贯通裂缝，且其膨胀能力随循环下降，削弱阻断效果。

5. 主要结论

1. 膨润土掺入使28 d渗透系数略升、强度略降，但全部配比满足隔离墙设计要求。
2. 3%膨润土可显著提升地聚合物抗干湿循环耐久性，其中3%CaB-地聚合物在10次循环后渗透系数仍达标，优于NaB和mCaB体系。
3. 膨润土通过干时收缩—湿时膨胀的机制阻止裂缝贯通；低膨胀性膨润土（CaB）能更稳定地维持这一机制。

引用信息

• 论文标题：钙基/改性钙基膨润土-地聚合物隔离墙材料 工程特性与干湿循环耐久性研究
• 来源：岩土力学，2026年5月，第47卷第5期，页码1481-1491
• DOI：10.16285/j.rsm.2025.0722
• 作者：牛松荧，邢晨卓，冯世进，谢伟，陈宏信

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