工業(yè)廢渣復合固化黃土強度特性及影響因素研究

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(1.蘭州大學 西部災(zāi)害與環(huán)境力學教育部重點實驗室，蘭州 730000； 2.蘭州大學 土木工程與力學學院，蘭州 730000)

1 研究背景

在我國，由于火力發(fā)電基礎(chǔ)規(guī)模大，作為燃煤電廠的兩大工業(yè)廢渣的粉煤灰和脫硫石膏產(chǎn)量在未來一段時間內(nèi)仍將保持世界首位。拓展粉煤灰脫硫石膏的利用途徑[1-4]和如何有效激發(fā)粉煤灰的活性[5-7]是近年來的研究熱點。水泥土攪拌樁是一種常用土體加固方法，用于基坑圍護及止水帷幕和建(構(gòu))筑物的地基土加固，具有適用范圍廣、施工速度快、機械化程度高等優(yōu)點。將粉煤灰和脫硫石膏用于水泥土攪拌樁施工能有效提高其利用率，具有明顯的經(jīng)濟效益和環(huán)保效益。

激發(fā)粉煤灰活性常采用堿激發(fā)劑、硫酸鹽激發(fā)劑和氯鹽激發(fā)劑等，都對粉煤灰有一定的激發(fā)效果，且激發(fā)劑的復合使用效果更好[8]。目前已有部分學者對粉煤灰-脫硫石膏二元凝膠體系和粉煤灰-脫硫石膏-水泥三元凝膠體系開展了相關(guān)研究[9-12]，但將其以較高摻入比運用于攪拌樁施工進行土體固化和如何有效激發(fā)其在固化土中的水化活性的相關(guān)研究還比較有限。

本文以粉煤灰-脫硫石膏-水泥三元凝膠體系為基礎(chǔ)，采用Ca(OH)2和NaOH作為粉煤灰活性激發(fā)劑組成復合黃土固化劑(Composite Loess Firming Agent，CLFA)，確定各組分的最優(yōu)摻入比，研究復合固化黃土(Composite Solidified Loess，CSL)的強度特性、影響因素和添加早強劑的可行性，分析復合固化黃土內(nèi)在反應(yīng)機理和微觀結(jié)構(gòu)，以期為粉煤灰和脫硫石膏在攪拌樁固化黃土中的實際應(yīng)用提供參考。

2 試驗概況

2.1 原材料

試驗用黃土取自蘭州大學榆中校區(qū)翠英山一處山體斷面。粉煤灰和脫硫石膏是蘭州某電廠煙氣過濾產(chǎn)物。粉煤灰按照《用于水泥和混凝土中的粉煤灰》(GB/T1596—2005)檢測屬于二級F類粉煤灰，脫硫石膏經(jīng)研磨和煅燒工藝處理，形成CaSO4·1/2H2O占比70%以上的脫硫石膏粉。水泥采用甘肅祁連山水泥集團股份有限公司生產(chǎn)的42.5普通硅酸鹽水泥。Ca(OH)2、NaOH、三乙醇胺、CaCl2和Na2SiO3(其溶液稱為水玻璃)為市售化學試劑，試驗用水為自來水。黃土的主要性能指標見表1，粉煤灰成分指標見表2。

表1 黃土的主要性能指標Table 1 Main performance indicators of loess

表2 粉煤灰主要成分及指標Table 2 Main components and performanceindicators of fly ash

2.2 試驗方法與儀器

試樣制備時采用尺寸為70.7 mm×70.7 mm×70.7 mm的立方體砂漿試模。首先按設(shè)計試驗方案配合比稱量黃土、水泥、脫硫石膏后拌和3 min，再將化學試劑溶于稱量好的水中并均勻倒入干料中，攪拌5 min后裝模，裝模過程采用錘擊法分3層制樣，最終控制每塊試樣制成時的質(zhì)量為(650±10) g，拆模后在室內(nèi)自然放置至相應(yīng)齡期時進行試驗，室內(nèi)溫度(20±5)℃。

無側(cè)限抗壓強度試驗使用中國科學院武漢巖土力學研究所研制的RMT-301巖石與混凝土力學試驗系統(tǒng)，X射線衍射(XRD)試驗使用荷蘭PANalytical分析儀器公司的X’Pert PRO X射線衍射儀，掃描電鏡(SEM)試驗使用日本株式會社日立制作所的SU-1500型掃描電子顯微鏡。

2.3 試驗設(shè)計與內(nèi)容

本試驗分為2部分。第1部分通過設(shè)計正交試驗以無側(cè)限抗壓強度為標準確定CLFA 4個組分的最優(yōu)摻入比，并判斷不同摻入比對CSL強度的影響程度。設(shè)定12%水泥摻入比、12%黃土含水率和0.4水灰比為試驗標準條件(下同)。各摻料的摻入比aw和水灰比μ計算公式分別為：

(1)

以粉煤灰為正交試驗第1因素，脫硫石膏為第2因素,為突出大摻量，兩者選取的摻入比水平最高均為12%。Ca(OH)2作為第3因素；為彌補Ca(OH)2摻入時堿度不足，以NaOH作為第4因素，促進粉煤灰中的Si-O和Al-O斷裂[8]，加快水化反應(yīng)進行。按正交試驗方案制作試樣，相應(yīng)齡期進行無側(cè)限抗壓強度試驗，通過方差分析得到各因素對強度的影響程度并確定最優(yōu)摻入比。

第2部分試驗以各因素的最優(yōu)摻入比作為CLFA摻入比，設(shè)計試驗方案與不同水泥摻量的水泥黃土(Cement Loess，CL)強度進行比較分析，并研究黃土含水率、水灰比和早強劑對CSL強度的影響。為貼近工程中水泥土攪拌樁有粉噴和漿噴2種施工方法的實際情況，分別研究水灰比為0時不同黃土含水率以及黃土含水率為12%時不同水灰比對CSL強度的影響。

表3 正交試驗方案和無側(cè)限抗壓強度Table 3 Orthogonal experiment schemes and unconfined compressive strength

3 復合固化劑最優(yōu)摻入比選擇

3.1 正交試驗方案與無側(cè)限抗壓強度結(jié)果

按照五因素四水平正交表設(shè)計正交試驗，設(shè)計正交表時加入誤差列作為因素之一供方差分析和評估試驗過程中強度誤差使用，無側(cè)限抗壓強度結(jié)果見表3。

3.2 正交試驗無側(cè)限抗壓強度結(jié)果分析

正交試驗的無側(cè)限抗壓強度結(jié)果分析方法采用極差分析法和方差分析法2種。在極差分析中，kij是第i個因素的j水平的4個無側(cè)限抗壓強度之和的平均值，通過kij的大小可以確定第i個因素的最優(yōu)摻入比。方差分析中通過比較4個因素的F值大小即能定量判斷它們對無側(cè)限抗壓強度結(jié)果的影響程度。在影響顯著性檢驗時，若Fi>F0.01(3,3)，則判定i因素對強度影響特別顯著，記為“***”；F0.05(3,3)

采用極差分析和方差分析分別對無側(cè)限抗壓強度結(jié)果進行處理和顯著性判定，結(jié)果見表4。表4中誤差的極差和方差與4個因素相比均較小，說明試驗誤差較小。

從F值和顯著性判定來看，7 d齡期時各方案的強度結(jié)果差別較小，4個因素對CSL的無側(cè)限抗壓強度影響程度均為一般，這是由于標準條件有12%水泥摻入，其快速水化反應(yīng)是CSL前7 d強度增長的主要來源；7 d時脫硫石膏的F值基本與粉煤灰相當，是因為脫硫石膏主要成分為CaSO4·1/2H2O，遇水后發(fā)生水化反應(yīng)，對強度增長有一定促進作用。28 d時，粉煤灰的影響程度特別顯著，說明7～28 d內(nèi)粉煤灰發(fā)生了明顯的水化反應(yīng)，使粉煤灰摻入比不同試樣的強度產(chǎn)生了明顯差距；Ca(OH)2影響程度顯著，脫硫石膏和NaOH影響程度一般，說明這3個因素對粉煤灰活性都具有一定的激發(fā)效果，其中以Ca(OH)2更為明顯。60 d和90 d時粉煤灰對強度影響均特別顯著，并且其F值不斷增加，說明粉煤灰對CSL強度提高作用在中后期更為明顯?？傮w來看，隨粉煤灰摻入比的提高，各齡期CSL強度增加明顯，兩者基本符合線性關(guān)系,證明了粉煤灰摻入后的增強效果。就kij值而言，粉煤灰第4水平最高，脫硫石膏第3水平較高，Ca(OH)2第2、第3水平較高，NaOH第3水平較高。根據(jù)kij值并綜合考慮提高廢料利用率和成本控制，選擇最優(yōu)摻入比為粉煤灰摻量為12%，脫硫石膏摻量為9%，Ca(OH)2摻量為2%，NaOH摻量為0.8%。

表4 無側(cè)限抗壓強度的方差和極差分析Table 4 Variance and range analysis of unconfined compressive strength

表5 第2部分試驗方案和無側(cè)限抗壓強度Table 5 Schemes of the second part of test and unconfined compressive strength

注：12%CL，17%CL，22%CL分別指水泥摻量為12%，17%，22%的水泥黃土

4 復合固化黃土強度影響因素研究

4.1 試驗方案和無側(cè)限抗壓強度結(jié)果

第2部分試驗方案和無側(cè)限抗壓強度見表5，方案1為標準條件下的標準組方案，與方案2—方案4對比以分析CSL與不同水泥摻入比的CL的強度關(guān)系；與方案8、方案9對比以分析水灰比變化對強度的影響；與方案10—方案12對比以分析水泥土常用早強劑三乙醇胺，CaCl2和水玻璃對CSL強度的影響。方案5—方案7可以體現(xiàn)黃土含水率對強度的影響。最后選取具有代表性的固化黃土進行XRD試驗分析水化產(chǎn)物，使用SEM觀察微觀結(jié)構(gòu)。

按水灰比為0時黃土含水率梯度上升和黃土含水率為12時水灰比梯度上升規(guī)律，制作的CSL試樣含水率是上升的，可以研究CSL含水率的大小對CSL強度的影響。

4.2 無側(cè)限抗壓強度結(jié)果分析

需要進行比較分析的方案所得的無側(cè)限抗壓強度結(jié)果如圖1所示。

圖1 不同方案無側(cè)限抗壓強度隨齡期增長的變化曲線Fig.1 Curves of unconfined compression strengthincreasing with age in different schemes

對比分析CSL和CL各齡期的強度(圖1(a))可以看出，CSL的7 d強度介于12%CL和17%CL之間，這是由于粉煤灰相比水泥而言，其早期水化反應(yīng)仍然有限，所以早期強度提高幅度?。籆SL在28 d時強度增長明顯，與17%CL基本相當，說明7～28 d水泥的水化反應(yīng)相對7 d前有所放緩，而粉煤灰在激發(fā)劑作用下發(fā)生了明顯的水化反應(yīng)，對強度增長的貢獻相比7 d更加明顯；60～90 d內(nèi)CSL的強度增長仍較為明顯，最終達到6.853 MPa，介于17%CL的5.823 MPa和22%CL的7.394 MPa之間。CL的強度隨水泥摻入比的增加而增加，且具有較好的線性關(guān)系，經(jīng)過擬合計算CSL的90 d強度與20%CL強度相當，說明CLFA對水泥有較好的代替效果。從折線斜率來看，CLFA的中后齡期強度相比CL有更大幅度的提高，強度增長具有更好的可持續(xù)性。

由圖1(b)可以看出：CSL含水率即黃土含水率和水灰比對CSL強度有明顯影響，CSL含水率過低(0水灰比低黃土含水率)或過高(高水灰比12%黃土含水率)都會降低其強度。17%黃土含水率方案(CSL含水率12%)強度低是因為含水率低導致水化反應(yīng)不完全，0.6水灰比方案(CSL含水率27%)在制樣過程中因CSL含水率過高導致表面出現(xiàn)輕微液化，內(nèi)部由于孔隙水產(chǎn)生許多細微空隙，對強度產(chǎn)生不利影響。方案1和7(CSL含水率分別為21%和19%)的強度基本相同，且均高于其他方案。因此采用粉噴法時CLFA適用于加固含水率較高的黃土，若黃土含水率較低應(yīng)采用漿噴法并選擇適宜的水灰比，保證CSL含水率在20%左右(最優(yōu)含水率)方能較好發(fā)揮CLFA的固化效果。

圖1(c)展現(xiàn)了不同早強劑對CSL的強度影響。摻入三乙醇胺對CSL 7 d強度的提高明顯，相比不摻早強劑(方案1)提高了33.4%，相比水玻璃(方案12)則提高了21.4%。水玻璃早強效果不及三乙醇胺的原因是由于NaOH的摻入使固化土的液相中Na+濃度較高，限制了Na2SiO3的水解，因此其增加水化硅酸鈣生成的效果被減弱。三乙醇胺的增強效果隨水化反應(yīng)的進行有所減弱，在28 d時強度低于水玻璃，是因為三乙醇胺早強機理在于對水泥和粉煤灰顆粒的乳化作用和促進水化產(chǎn)物擴散的作用，是促進水化產(chǎn)物生成；而水玻璃早強機理在于提供水化反應(yīng)所需要的SiO32-，是增加水化產(chǎn)物生成[13-14]，因此增強效果的可持續(xù)性強于三乙醇胺。CaCl2早強劑方案的所有試樣在拆模后的24 h內(nèi)出現(xiàn)嚴重龜裂，表面裂縫寬度從1 mm到5 mm不等，深度可達5 mm，強度結(jié)果證明CaCl2不可作為CSL的早強劑使用。

圖2 XRD試驗衍射圖譜Fig.2 XRD test diffraction patterns

4.3 XRD試驗結(jié)果分析與SEM微觀結(jié)構(gòu)分析

為從水化反應(yīng)生成物和微觀結(jié)構(gòu)2個角度說明固化土的固化原理和強度規(guī)律，選擇部分具有代表性的方案進行XRD試驗，并使用掃描電子顯微鏡觀察微觀結(jié)構(gòu)以進行系統(tǒng)分析比較。XRD衍射圖譜如圖2所示，CSL和CL的衍射圖譜中作為黃土主要成分的SiO2的衍射峰值最高。從衍射峰來看，CSL在摻入脫硫石膏的條件下鈣礬石生成量較多，其強度同時來源于水化硅酸鈣和鈣礬石，在水化硅酸鈣峰值與17%CL基本相同的情況下強度仍高于17%CS，說明鈣礬石的生成對CSL強度提高有明顯貢獻。17%CL和22% CL的鈣礬石衍射峰值均不明顯，說明其強度主要來源于水化硅酸鈣。三乙醇胺不影響水化產(chǎn)物的早強作用決定了摻入三乙醇胺的CSL試樣的鈣礬石和水化硅酸鈣峰值均較高，而摻水玻璃CSL的水化硅酸鈣衍射峰值基本與22%水泥黃土相同，印證了硅酸鈉增加水化硅酸鈣生成的作用。17%黃土含水率CSL與標準條件CSL相比，其鈣礬石和水化硅酸鈣峰值均較低，表明水化反應(yīng)程度低，因此強度有限。

圖3為SEM微觀結(jié)構(gòu)。從14 d標準組CSL和17%CL的圖片可以看出，黃土顆粒表面和顆粒之間的空隙有明顯的水化硅酸鈣生成，2 000倍圖片顯示CSL前齡期在脫硫石膏的作用下還有明顯的針棒狀鈣礬石晶體生成。對比14 d和60 d齡期圖片可以看出，17%CL隨齡期增長微觀結(jié)構(gòu)變化明顯，水化硅酸鈣大面積覆蓋土粒表面并填充孔隙，使孔隙明顯減少，CSL隨齡期增長微觀結(jié)構(gòu)更加致密。從60 d齡期25倍圖片可以看出，0.6水灰比CSL由于孔隙水存在產(chǎn)生一些貫通圖片的裂縫，這些裂縫寬度大，水化產(chǎn)物無法彌補和粘結(jié)，是其強度偏低的主要原因。

XRD和SEM試驗結(jié)果從水化產(chǎn)物和微觀結(jié)構(gòu)2個角度證明了CLFA用于固化黃土的可行性，并展現(xiàn)了CSL和CL的固化機理的相同與不同之處，所得結(jié)論與無側(cè)限抗壓強度結(jié)果具有統(tǒng)一性。

圖3 SEM微觀結(jié)構(gòu)Fig.3 Microstructure pictures captured by SEM

5 結(jié) 論

(1)正交試驗表明，CLFA中的粉煤灰組分水化反應(yīng)具有緩慢而持久的特點，其隨齡期增長對CSL強度影響顯著程度不斷增加，隨粉煤灰摻入比的提高強度不斷增長，CLFA的其他組分對CSL的強度也具有一定影響，其中以Ca(OH)2的影響更為顯著，體現(xiàn)出了對粉煤灰的活性激發(fā)效果。CLFA在試驗設(shè)定的標準條件下的最優(yōu)摻入比為粉煤灰摻量12%，脫硫石膏摻量9%，Ca(OH)2摻量2%，NaOH摻量0.8%。

(2)CSL的最優(yōu)含水率在20%左右，其各齡期強度均為最高。因此采用粉噴法時CLFA適用于加固含水率較高的黃土，若含水率較低應(yīng)采用漿噴法并選擇適宜的水灰比；三乙醇胺和水玻璃可以用作CSL的早強劑提高早期強度，對后期強度無不利影響，但CaCl2會導致試塊表面龜裂，不可用于該CSL。

(3)CSL的無側(cè)限抗壓強度90 d時達到6.85 MPa，相當于20%摻入比的CL，體現(xiàn)出了CLFA對水泥的代替效果。CSL中后齡期強度增長率比CL高，強度發(fā)展可持續(xù)性好。

(4)XRD試驗表明，CSL水化反應(yīng)生成物和強度來源主要是鈣礬石和水化硅酸鈣2種，鈣礬石的生成對CSL強度提高作用明顯；CSL含水率低的試樣的水化反應(yīng)生成物較少，說明含水量低導致水化反應(yīng)不充分是強度低的主要原因。三乙醇胺的摻入能加快鈣礬石和水化硅酸鈣的生成，而水玻璃的摻入主要是增加水化硅酸鈣生成。

(5)SEM圖片表明，隨齡期增長，CSL和CL的微觀結(jié)構(gòu)更加致密，孔隙減少，可以觀察到有XRD試驗中檢測到的水化反應(yīng)生成物生成，從微觀角度證明了CLFA對黃土的固化效果;CSL初始含水率過高時內(nèi)部的細微裂縫是導致強度低的原因。

(6)粉煤灰-脫硫石膏-水泥三元凝膠配體系配合Ca(OH)2和NaOH作為活性激發(fā)劑組成工業(yè)廢渣復合黃土固化劑，室內(nèi)試驗證明對黃土有較好的固化效果，將其用于工程實際有一定可行性。