廢渣基土壤固化劑與不同土質(zhì)的適應(yīng)性研究

孟建偉，華蘇東，姚曉

（南京工業(yè)大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，江蘇 南京 210009）

廢渣基土壤固化劑與不同土質(zhì)的適應(yīng)性研究

孟建偉，華蘇東，姚曉

（南京工業(yè)大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，江蘇 南京 210009）

試驗(yàn)采用自主研制的工業(yè)廢渣基土壤固化劑PS，與水泥-石灰無機(jī)固化劑分別對(duì)不同地區(qū)的黏性土、鹽堿土、砂質(zhì)土、粉質(zhì)土等4種代表性土壤進(jìn)行了固化試驗(yàn)。考察了固化土的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度、水穩(wěn)性能、抗凍性能。結(jié)果表明：PS固化土的各項(xiàng)性能都明顯優(yōu)于水泥-石灰穩(wěn)定土，固化黏性土的28 d抗壓強(qiáng)度高達(dá)4.3 MPa；對(duì)于鹽堿土和砂質(zhì)土的水凍穩(wěn)定性改善效果更為優(yōu)異，對(duì)各種土壤具有廣泛的適應(yīng)性。采用XRD和SEM對(duì)PS固化土試樣進(jìn)行表征，結(jié)果表明，PS固化劑與土壤反應(yīng)生成的水化硅酸鈣、鈣礬石的等結(jié)晶狀產(chǎn)物填充了空隙，起到穩(wěn)定土壤的作用。

土壤固化劑；無側(cè)限抗壓強(qiáng)度；土質(zhì)；適應(yīng)性

0 引言

工業(yè)廢渣是排放量最大的固體廢棄物，由于工業(yè)廢渣的物性特點(diǎn)，不能被自然降解，也不能用焚燒的辦法來處理，占用了大量土地。更為嚴(yán)重的是，工業(yè)廢渣露天長時(shí)間堆放，經(jīng)日曬雨淋，可溶性有害元素將流入地表或地下水，污染水域，且這種污染持續(xù)的時(shí)間可達(dá)幾十年之久，由此造成了沉重的社會(huì)經(jīng)濟(jì)和環(huán)境負(fù)擔(dān)[1]。利用工業(yè)廢渣為原料配制土壤固化劑，用于填筑路基、改良土質(zhì)，既能無害化處理廢棄的工業(yè)廢渣，又能降低工程施工的材料成本，符合綠色環(huán)保的資源化利用趨勢。

土壤固化劑是一種由多種無機(jī)、有機(jī)材料合成的用以改變土壤結(jié)構(gòu)、固化各類土壤的新型環(huán)保節(jié)能工程材料[2]。20世紀(jì)90年代起，我國開始引進(jìn)和研制土壤固化劑，主要應(yīng)用于地基處理、道路工程及高速公路邊坡防護(hù)等領(lǐng)域[3]。良好的土壤固化劑對(duì)土壤的固化效果是顯著的，主要體現(xiàn)在固化土的抗壓強(qiáng)度和抗水抗凍穩(wěn)定性[4]，這是檢驗(yàn)固化劑固化效果的重要性能指標(biāo)。但是，不同地區(qū)的土壤性質(zhì)并不是完全相同的，隨著土質(zhì)的變化，土壤固化的效果會(huì)產(chǎn)生明顯的差異，而且由于固化劑性質(zhì)和固化機(jī)理的不同，一般固化劑很難適應(yīng)多種不同性質(zhì)土壤的固化[5-6]。因此，土壤固化劑的廣泛適用性也是一種極為重要的特性?；诖四康?，本文以礦渣、粉煤灰、磷石膏等工業(yè)廢渣為原料，研制了一種廣譜型的復(fù)合土壤固化劑PS。選用4種不同地區(qū)的土壤，與目前路基工程中應(yīng)用較為廣泛的水泥-石灰穩(wěn)定土（SS）作為對(duì)比試驗(yàn)，評(píng)價(jià)PS固化劑在同等條件下，對(duì)不同土質(zhì)固化土的路用強(qiáng)度和耐久性的影響，并通過XRD和SEM探討固化土微觀結(jié)構(gòu)變化的內(nèi)部機(jī)理。

1 原材料和試驗(yàn)方法

1.1 原材料

為了表征固化劑對(duì)不同土壤的適應(yīng)性，試驗(yàn)選取了我國4個(gè)地區(qū)具有代表性的土壤進(jìn)行固化試驗(yàn)，土壤的主要物理性質(zhì)見表1。試驗(yàn)采用2種土壤固化材料，分別為自制的PS土壤固化劑和水泥-石灰固化劑。PS土壤固化劑為試驗(yàn)室自主研制的廢渣基土壤固化劑，主要成分包括礦渣、鎳渣、粉煤灰、磷石膏、增強(qiáng)劑、穩(wěn)定劑等，主要化學(xué)成分見表2。水泥-石灰固化劑以二者按1∶1的質(zhì)量比配成，在本次實(shí)驗(yàn)中作為PS土壤固化劑的對(duì)照樣。試驗(yàn)中固化劑的摻量均設(shè)定為占土樣質(zhì)量的8%。

表1 4種不同地區(qū)土壤的物理性質(zhì)

表2 固化材料的主要化學(xué)成分 %

1.2 試樣制備和養(yǎng)護(hù)

按照J(rèn)TG E51—2009《公路工程無機(jī)結(jié)合料穩(wěn)定材料試驗(yàn)規(guī)程》細(xì)粒土試樣制作的要求，制作5 cm×5 cm的圓柱形試件。將土壤的含水率分別調(diào)至14%、16%、18%、20%、22%，對(duì)4種土樣進(jìn)行擊實(shí)試驗(yàn)，得出最大干密度和最佳含水率，作為固化土樣制備的依據(jù)，擊實(shí)實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表3。采用壓實(shí)成型方法制備試件，試件成型在萬能試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行，保持5 min壓實(shí)后利用千斤頂脫出試件。試件制備好后立即用塑料薄膜封裝，放入標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室[溫度為（20±2）℃，濕度為95%以上]養(yǎng)護(hù)至規(guī)定齡期，備用待測。

表3 4種土樣的擊實(shí)試驗(yàn)結(jié)果

1.3 試驗(yàn)方法

（1）無側(cè)限抗壓試驗(yàn)

根據(jù)JTG E51—2009的測試方法，將養(yǎng)護(hù)后的試樣置于壓力試驗(yàn)機(jī)加壓臺(tái)上，以1 mm/min的加載速率均勻加壓至試樣破壞，記錄破壞荷載，即為試樣的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度。

（2）浸水抗壓試驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)采用簡易方法測試固化土樣的水穩(wěn)定度：將標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)7 d后的固化土試樣置于20℃水中，浸水1～4 d后同時(shí)取出，測試無側(cè)限抗壓強(qiáng)度。水穩(wěn)定度按式（1）計(jì)算：

式中：kw——試樣的水穩(wěn)定度，%；

wc'——試樣標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)7 d后浸水1～4 d抗壓強(qiáng)度，MPa；

wc——試樣標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)7 d的抗壓強(qiáng)度，MPa。

（3）凍融循環(huán)試驗(yàn)

為了檢驗(yàn)固化土試樣的抗凍性能，本試驗(yàn)采用了28 d齡期的凍融循環(huán)試驗(yàn)，凍融周期為3～9個(gè)循環(huán)。先將標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)28 d的固化土試樣分2組凍融試件置于-18℃的低溫箱中冷凍16 h，凍融結(jié)束后，取出試件量高、稱重，然后立即放入20℃的水槽中進(jìn)行融化，融化時(shí)間為8 h。融化完畢，取出試件擦干后量高、稱重，此即為1個(gè)凍融循環(huán)。分別測試凍融后試樣和28 d標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)試樣的抗壓強(qiáng)度，按式（2）計(jì)算凍融穩(wěn)定度：

式中：kr——試樣的凍融穩(wěn)定度，%；

rc'——試樣凍融循環(huán)后的抗壓強(qiáng)度，MPa；rc——試樣標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)28 d的抗壓強(qiáng)度，MPa。

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 固化土抗壓強(qiáng)度評(píng)價(jià)（見圖1）

由圖1可以看出，在相同齡期和固化劑摻量下，固化土樣的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度：固化黏性土>固化鹽堿土>固化砂質(zhì)土>固化粉質(zhì)土，這是由土壤本身的性質(zhì)決定的。隨著養(yǎng)護(hù)齡期的延長，4種土樣的固化強(qiáng)度有著不同程度的提高。對(duì)于4種PS固化土，3～7 d齡期，固化黏性土的強(qiáng)度增長最快，7 d強(qiáng)度達(dá)到3 MPa；其次為固化鹽堿土，強(qiáng)度同樣有較大程度的增長；固化砂質(zhì)土和粉質(zhì)土的強(qiáng)度增長稍慢。7～14 d齡期，固化砂質(zhì)土和粉質(zhì)土的強(qiáng)度增長均有所放緩。14～28 d齡期，固化砂質(zhì)土和固化鹽堿土的抗壓強(qiáng)度保持較快的增長速度，而固化黏性土的強(qiáng)度增長有所放緩，固化粉質(zhì)土的強(qiáng)度增長依然以較慢的速度進(jìn)行，強(qiáng)度始終低于2 MPa。

圖1 不同齡期下固化土的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度

對(duì)2種固化土進(jìn)行對(duì)比，PS固化土抗壓強(qiáng)度都在1.5 MPa以上，黏性土的28 d強(qiáng)度更是高達(dá)4.3 MPa，每種土樣的抗壓強(qiáng)度都要高于水泥-石灰固化土。而且從圖1可以看出，14～28 d齡期，PS固化土的強(qiáng)度增長率大于在7～14 d齡期，說明其中后期也保持著較好的強(qiáng)度增長，而水泥-石灰固化土與之相反，強(qiáng)度增長率變小，后期強(qiáng)度增長緩慢。這些都表明PS固化劑針對(duì)強(qiáng)度的固化效果較好，優(yōu)于水泥-石灰固化劑。

2.2 固化土水穩(wěn)定性評(píng)價(jià)（見表4）

表4 不同浸水齡期固化土試樣的水穩(wěn)定度

由于土壤性質(zhì)的不同，固化劑對(duì)土壤的水穩(wěn)性能也有著不同程度的改善?？傮w上來看，水穩(wěn)性能：固化粉質(zhì)土>固化黏性土>固化砂質(zhì)土>固化鹽堿土。其中固化粉質(zhì)土樣浸水1 d后抗壓強(qiáng)度受影響較小，這是由于固化劑將粉質(zhì)土固結(jié)，形成致密的結(jié)構(gòu)，有效阻擋了水分的滲入；而黏性土固化結(jié)構(gòu)同樣致密，但土質(zhì)本身吸水性較強(qiáng)，水分從表面滲入內(nèi)部，所以次于粉質(zhì)土；砂質(zhì)土固化結(jié)構(gòu)不是很致密，留下許多孔隙，水分易于滲入固化土內(nèi)部，水穩(wěn)性能較差；而固化鹽堿土水穩(wěn)性能最差，這主要是鹽堿土中存在大量鹽分，浸水后極易溶解，造成固化土整體結(jié)構(gòu)的崩塌[7]。因此，土壤的顆粒結(jié)構(gòu)和吸水與溶解能力，是影響固化土水穩(wěn)性能的2個(gè)重要因素。

隨著浸水齡期延長，4種土樣固化土的水穩(wěn)定度不斷下降，而且浸水3 d以后水穩(wěn)定度降低更為明顯。PS固化劑固化的4種土樣中，固化鹽堿土水穩(wěn)定度降低最為顯著，浸水3 d后鹽堿土中的鹽分大量溶解于水中，使結(jié)構(gòu)潰散而失去強(qiáng)度；固化粉質(zhì)土的水穩(wěn)定性最好，隨著浸水齡期的延長，水穩(wěn)定度降低很少，浸水4 d后仍有60.5%的水穩(wěn)定度；固化砂質(zhì)土前期水穩(wěn)定度較好，因其較大的空隙率，浸水后期水穩(wěn)定度降低較快，直至浸水4 d后只有5.4%的水穩(wěn)定度；固化黏性土水穩(wěn)定度的降低較為平均，浸水4 d后仍能保持39.8%的水穩(wěn)定度，與其致密的結(jié)構(gòu)密不可分。

同樣的試驗(yàn)條件下，水泥-石灰固化的4種土樣水穩(wěn)系數(shù)都要低于PS固化土，尤其對(duì)于鹽堿土和砂質(zhì)土水穩(wěn)定性的效果很差，浸水1 d水穩(wěn)定度只有23.4%和47.3%，數(shù)值降低更為明顯，浸水3 d和4 d后已分別失去結(jié)構(gòu)強(qiáng)度?？梢姡琍S固化劑針對(duì)4種土樣的水穩(wěn)定性增強(qiáng)效果很好，明顯優(yōu)于水泥-石灰固化劑。

2.3 固化土抗凍性能評(píng)價(jià)（見表5）

表5 不同循環(huán)次數(shù)的固化土試樣的凍融穩(wěn)定度

經(jīng)凍融循環(huán)后固化土強(qiáng)度的下降，主要是因?yàn)樗譂B入固化土內(nèi)部，低溫凍結(jié)，常溫溶解，體積發(fā)生變化，慢慢瓦解固化土的結(jié)構(gòu)而造成的。由表5可以看出，固化土的抗凍性能和水穩(wěn)性能存在相似的影響規(guī)律，抗凍性能：固化粉質(zhì)土>固化黏性土>固化砂質(zhì)土>固化鹽堿土。

隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加，固化土試樣的凍融穩(wěn)定度逐漸下降，直至循環(huán)9次，部分試樣出現(xiàn)表面剝落和潰散的現(xiàn)象。4種PS固化劑固化處理后的土樣中，固化粉質(zhì)土循環(huán)9次后凍融穩(wěn)定度依然高達(dá)62.5%，抗凍性能很好；固化鹽堿土循環(huán)5次以后凍融穩(wěn)定度降為9.8%，基本已喪失結(jié)構(gòu)強(qiáng)度；固化砂質(zhì)土的凍融穩(wěn)定度同樣降低較快，循環(huán)7次后凍融穩(wěn)定度只有15.4%，之后試樣潰散強(qiáng)度已無法測得；固化黏性土的凍融穩(wěn)定度降低較為平穩(wěn)，循環(huán)3次時(shí)的凍融穩(wěn)定度為63.8%，循環(huán)9次后依然保持35.0%的穩(wěn)定度。

從表5來看，2種固化劑針對(duì)土壤抗凍性能的改善也有著較為顯著的差異。經(jīng)過PS固化劑固化處理后的4種土樣凍融循環(huán)后凍融穩(wěn)定度均高于水泥-石灰固化土樣，固化黏性土和粉質(zhì)土相差不大，固化鹽堿土和砂質(zhì)土則差距較為明顯。循環(huán)5次后，水泥-石灰固化鹽堿土已潰散而無法測試，而固化砂質(zhì)土凍融穩(wěn)定度只有16.1%，遠(yuǎn)低于PS固化土樣。這些結(jié)果表明，PS固化劑針對(duì)4種土樣抗凍性能的改善效果更為優(yōu)異。

3 固化土的微觀分析

3.1 固化土的XRD分析

圖2為PS固化土養(yǎng)護(hù)28 d后的X射線衍射圖譜，其固化劑摻量為8%。

圖2 PS固化土28 d的XRD圖譜

從圖2可以看出，4種不同土質(zhì)的PS固化土的圖譜較為相似，主晶相為石英和斜方鈣沸石。從衍射峰還可以檢測出少量的石膏、氫氧化鈣、水化硅酸鈣和鈣礬石晶體，其中石膏、氫氧化鈣是由固化劑引入，而水化硅酸鈣和鈣礬石則是固化劑與土壤反應(yīng)生成物。其中，SO42-不僅起到促進(jìn)水泥水化的作用，還能夠激發(fā)固化劑中礦渣、粉煤灰、磷石膏等活性摻合料的活性，提高早期強(qiáng)度和后期強(qiáng)度；OH-將加速活性礦物質(zhì)的溶解，并形成水化硅酸鈣和水化鋁酸鈣。此外，還與土壤中的鋁相反應(yīng)，生成鈣礬石，這些反應(yīng)生成的結(jié)晶體使得材料的體積增加，填充土團(tuán)粒間的空隙，并連結(jié)土壤顆粒形成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，使固化土變得致密[8]，有效增強(qiáng)土壤強(qiáng)度和穩(wěn)定性。

3.2 固化土的SEM分析

PS固化土成型28 d后的掃描電鏡照片見圖3。

從圖3可以看出，各種性質(zhì)的固化土的顆粒大小不一，但表面都覆蓋著一層凝膠，并且顆粒間隙中長著一些針狀體結(jié)晶。這些結(jié)晶主要成分是水化硅酸鈣、水化鋁酸鈣和鈣礬石，是固化劑中礦物質(zhì)水化產(chǎn)物以及固化劑與土壤之間的反應(yīng)產(chǎn)物，連結(jié)著土壤顆粒形成致密的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，起到增強(qiáng)固化土結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和穩(wěn)定性的作用。結(jié)果表明，PS固化劑對(duì)各種性質(zhì)的土壤都起到了固化穩(wěn)定的作用，具有良好的適應(yīng)性。

4 結(jié)論

（1）在相同齡期內(nèi)，固化土抗壓強(qiáng)度：黏性土>鹽堿土>砂質(zhì)土>粉質(zhì)土；隨著養(yǎng)護(hù)齡期的延長，4種固化土的強(qiáng)度有著不同程度的提高；土壤性質(zhì)和固化材料的不同，導(dǎo)致固化土強(qiáng)度的增長速率也表現(xiàn)不同。固化土的抗凍性能和水穩(wěn)定性存在著相似的影響規(guī)律：粉質(zhì)土>黏性土>砂質(zhì)土>鹽堿土。

（2）PS固化土抗壓強(qiáng)度都在1.5 MPa以上，黏性土的28 d強(qiáng)度高達(dá)4.3 MPa，每種土樣的抗壓強(qiáng)度都要高于水泥-石灰穩(wěn)定土，PS固化劑針對(duì)強(qiáng)度的固化效果更好。

（3）同樣的試驗(yàn)條件下，水泥-石灰固化的4種土樣水穩(wěn)定度均低于PS固化土，尤其對(duì)于鹽堿土和砂質(zhì)土水穩(wěn)定性的效果很差，浸水1 d水穩(wěn)定度只有23.4%和47.3%。經(jīng)過PS固化劑固化處理后的4種土樣循環(huán)后凍融穩(wěn)定度均高于水泥-石灰固化土樣，固化黏性土和粉質(zhì)土相差不大，固化鹽堿土和砂質(zhì)土則差距較為明顯。

（4）PS固化劑與土壤反應(yīng)生成水化硅酸鈣、鈣礬石的等結(jié)晶狀產(chǎn)物，有效地填充土團(tuán)粒間的空隙，并連接土壤顆粒形成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，使固化土變得致密，起到穩(wěn)定土壤的作用。

（5）廢渣基土壤固化劑PS對(duì)黏性土、鹽堿土、砂質(zhì)土、粉質(zhì)土4種不同性質(zhì)土壤具有廣泛的適應(yīng)性，能夠應(yīng)用于多種復(fù)雜的現(xiàn)場施工環(huán)境。

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Research on the adaptation to different soils with waste residue-based soil solidification agent

MENG Jianwei，HUA Sudong，YAO Xiao
（College of Materials Science and Engineering，Nanjing Tech University，Nanjing 210009）

Solidification test of four representative soils from different regions of China，including clay，saline soil，sand and silt，were carried with self-made industrial waste residue-based stabilizer PS，which compared with inorganic cement-lime solidification.The unconfined compression strength，water stability and anti-frost property of solidified soil were analyzed.Results showed that various properties of PS solidified soil were obviously better than that of cement-lime solidified soil，which the compressive strengths at 28 d of clay are above 4.3 MPa.Solidified soil PS has extensive adaptability for a variety of soils with a better improved effect for saline soil and sand.The results from the scanning electron microscopy（SEM）and X-ray diffraction（XRD）tests showed that tobermorite and ettringite crystals are generated which fill the interspace and stabilize the soil.

soil solidification agent，unconfined compression strength，soil property，adaptability

TU442

A

1001-702X（2016）08-0077-04

高性能土木工程材料國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開放基金資助項(xiàng)目（2015CEM011）

2016-03-14

孟建偉，男，1990年生，江蘇無錫人，碩士研究生，主要研

究固廢處理和土壤固化材料。