堿礦渣膠凝材料的固砂特性及抗硫酸鹽侵蝕性能

王國軍(山東鼎安檢測(cè)技術(shù)有限公司，山東 濟(jì)南 250000)

0 引言

交通運(yùn)輸網(wǎng)絡(luò)是經(jīng)濟(jì)發(fā)展的動(dòng)脈，俗語“要想富先修路”就是對(duì)交通運(yùn)輸業(yè)在經(jīng)濟(jì)發(fā)展中的重要性的確切描述，古人也有兵馬未動(dòng)糧草先行，如果不能控制和建設(shè)良好的交通要道，就不能對(duì)各種經(jīng)濟(jì)項(xiàng)目進(jìn)行建設(shè)。在新的道路建設(shè)過程中，自然狀態(tài)下的路基常常因?yàn)樘盍纤缮⒌仍蛟斐煞€(wěn)定性和強(qiáng)度較差，需要對(duì)其進(jìn)行改良加固，常用的加固方法有排水固結(jié)、碾壓密實(shí)、土壤替換和化學(xué)固結(jié)等方法，并且在對(duì)老路進(jìn)行維修的過程中，也常常需要對(duì)路面不均勻沉降帶來的開裂進(jìn)行路基加固，化學(xué)固結(jié)法是常用的方法。但是由于環(huán)境污染和能源浪費(fèi)等原因需要探討和研究新的路基加固方法。

1 堿礦渣凝膠材料的固砂特性和優(yōu)勢(shì)

常用的路基加固化學(xué)加固方法為水泥注漿，但是生產(chǎn)水泥需要消耗大量的煤炭資源，不僅不利于煤炭的清潔高效利用，而且排放大量二氧化碳導(dǎo)致溫室效應(yīng)，浪費(fèi)資源污染環(huán)境。并且傳統(tǒng)的水泥固化劑效率低下不穩(wěn)定，容易遭受硫酸鹽腐蝕從而膨脹、開裂。?；郀t礦渣(GGBS)是一種活性玻璃體結(jié)構(gòu)材料，并且具有潛在活性。在堿性物質(zhì)作用下可以激發(fā)活性獲得水硬性。因此在實(shí)際路基固化過程中可以使用價(jià)格更為低廉的礦渣替代部分水泥，并且使用工業(yè)氧化鎂和氧化鈣對(duì)其進(jìn)行激發(fā)不僅可以做到廢棄物循環(huán)利用、降低工程成本而且可以減少環(huán)境污染。因此，本文以水泥固化劑(PC)作為對(duì)照組，氧化鎂進(jìn)行活性激發(fā)的?；郀t礦渣(MgO-GGBS)和氧化鈣進(jìn)行活性激發(fā)的粒化高爐礦渣(CaO-GGBS)作為實(shí)驗(yàn)組，分析其物理力學(xué)特性和在硫酸鹽腐蝕作用下的質(zhì)量損失率和無側(cè)限抗壓強(qiáng)度。

2 實(shí)驗(yàn)

2.1 實(shí)驗(yàn)材料

本文對(duì)細(xì)砂進(jìn)行固結(jié)，細(xì)度模數(shù)為1.68且含水率為6.25%，水泥為礦渣硅酸鹽水泥，粒狀高爐礦渣為首鋼集團(tuán)生產(chǎn)，氧化鎂和氧化鈣均為工業(yè)生產(chǎn)，配置硫酸鹽溶液的硫酸鈉為化學(xué)純。通過X射線熒光光譜分析分別對(duì)水泥、礦渣、氧化鎂和氧化鈣化學(xué)組成進(jìn)行分析。

2.2 不同路基固化劑實(shí)驗(yàn)材料制備

2.2.1 配比設(shè)計(jì)和試樣制備

根據(jù)大量文獻(xiàn)查閱以及調(diào)研，確定?；V渣和堿性激發(fā)劑質(zhì)量配比為9:1時(shí)可以最大化激發(fā)其潛在活性，其具體配比如表1所示。因?yàn)閷?shí)驗(yàn)分析主要針對(duì)其無側(cè)限抗壓強(qiáng)度和抗腐蝕性，因此試驗(yàn)樣品需要兩種。首先將砂漿分為三層依次裝入Φ40mm×80mm的PVC模具，并且每層振蕩1min排除試樣中氣泡，成型后進(jìn)行封頂覆蓋置于室溫下進(jìn)行1d養(yǎng)護(hù)后拆除模具，再次在養(yǎng)護(hù)室進(jìn)行3d、7d和28d養(yǎng)護(hù)進(jìn)而進(jìn)行無側(cè)限抗壓強(qiáng)度測(cè)定。同時(shí)將剩余樣品進(jìn)行28d養(yǎng)護(hù)使用5%硫酸鈉溶液進(jìn)行浸泡，每30d更換一次溶液。

表1 固化劑的配比數(shù)據(jù)

2.2.2 試驗(yàn)測(cè)試方法

試驗(yàn)測(cè)試主要是測(cè)定其流動(dòng)性、無側(cè)限抗壓強(qiáng)度、pH值測(cè)試和質(zhì)量變化率。必要的話會(huì)采用XRD、SEM和LF-NMR等儀器分析方法從微觀上對(duì)其結(jié)構(gòu)變化進(jìn)行觀察，從而探討堿性激發(fā)劑在提高固化劑效果方面的具體作用機(jī)理。

3 結(jié)果分析

3.1 固結(jié)砂的固結(jié)特性

3.1.1 流動(dòng)性

PC、GGBS-MgO組和GGBS-CaO組的流動(dòng)度分別為118mm、145mm和150mm，與PC組相比，GGBS-MgO組和GGBS-CaO組的流動(dòng)度分別提高了23%和27%。

3.1.2 無側(cè)限抗壓強(qiáng)度

不同結(jié)砂樣品在3d、7d和28d養(yǎng)護(hù)期的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度，發(fā)現(xiàn)隨著養(yǎng)護(hù)齡期天數(shù)的增加，不同種類結(jié)砂樣品無線側(cè)抗壓強(qiáng)度均增加，并且隨著養(yǎng)護(hù)齡期的增長(zhǎng)多抗壓強(qiáng)度增加越多。對(duì)于相同的養(yǎng)護(hù)齡期，氧化鈣堿性激發(fā)的粒化高爐礦渣呈現(xiàn)最較好的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度，相比于PC組在養(yǎng)護(hù)齡期分別為3d、7d和28d時(shí)抗壓強(qiáng)度分別增加了270.9%、263.6%和101.2%，氧化鎂作為堿性激發(fā)劑時(shí)的?；郀t礦渣也呈現(xiàn)了較好的抗壓強(qiáng)度，雖然在養(yǎng)護(hù)齡期為3d時(shí)抗壓強(qiáng)度最小，但是隨著養(yǎng)護(hù)齡期時(shí)間的增加相比于PC組分別在7d和28d養(yǎng)護(hù)齡期時(shí)抗壓強(qiáng)度分別增加了52.5%和42.2%，說明工業(yè)MgO和CaO作為堿性激發(fā)劑具有很好的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度。

3.1.3 pH值測(cè)量

通過養(yǎng)護(hù)齡期分別為3d、7d和28d時(shí)不同試驗(yàn)樣品pH值，可以看出PC組pH值沒有什么變化，并且主要集中在12.6～12.7附近，這是因?yàn)樗嗨纬傻母邏A性氫氧化鈣溶液達(dá)到飽和而導(dǎo)致的，而GGBS-MgO組和GGBS-GaO組pH值先增加后減小。

3.2 試驗(yàn)樣品抗硫酸鹽腐蝕性分析

3.2.1 外觀分析

對(duì)照組和實(shí)驗(yàn)組固結(jié)砂分別在5%硫酸鈉溶液中浸泡150d，PC組在浸泡150d后試樣上下端出現(xiàn)非常明顯的裂紋，而實(shí)驗(yàn)組試樣經(jīng)過150d的硫酸鈉溶液浸泡后仍沒有出現(xiàn)裂紋，表面非常光滑。這說明工業(yè)化的氧化鎂和氧化鈣作為堿性激發(fā)劑，?；郀t礦渣呈現(xiàn)很好的抗腐蝕性能。

3.2.2 無側(cè)限抗壓強(qiáng)度分析

當(dāng)樣品在5%硫酸鈉溶液中進(jìn)行浸泡不同齡期的的結(jié)砂劑時(shí)，對(duì)其進(jìn)行無側(cè)限抗壓強(qiáng)度分析，PC組在侵蝕5周后無側(cè)限抗壓強(qiáng)度從3.97MPa增加到4.93MPa，強(qiáng)度提高了24.1%，此后隨著侵蝕齡期的延長(zhǎng)，其抗壓強(qiáng)度快速下降，侵蝕150d后抗壓強(qiáng)度降低了97%，但是當(dāng)用5%硫酸鈉溶液對(duì)GGBS-MgO組和GGBS-CaO組進(jìn)行侵蝕時(shí)，其抗壓強(qiáng)度隨著侵蝕時(shí)間的增加而增加，當(dāng)侵蝕時(shí)間為150d時(shí)，其強(qiáng)度分別從提高了45%和19%?？傮w而言使用工業(yè)堿性激發(fā)劑的粒化高爐礦渣具有更好的耐腐蝕強(qiáng)度，原因可能是工業(yè)堿性激發(fā)劑中的氧化鈣和氧化鎂等活性組分與硫酸根進(jìn)行結(jié)合從而具有很好的抗硫酸鹽侵蝕性能，并且具有更加致密的構(gòu)造從而提高了無側(cè)限抗壓強(qiáng)度。

3.2.3 質(zhì)量變化

使用5%硫酸鈉溶液對(duì)不同種類固結(jié)砂進(jìn)行不同時(shí)間侵蝕得到的質(zhì)量變化率，固結(jié)砂經(jīng)過侵蝕后主要以表現(xiàn)為外觀破裂并未出現(xiàn)脫落，所以質(zhì)量并未減少。因此三種類型的固結(jié)砂經(jīng)過硫酸鈉溶液侵蝕后質(zhì)量均出現(xiàn)增加，但是結(jié)果卻差異很大，對(duì)于PC組而言，經(jīng)過硫酸鈉溶液侵蝕質(zhì)量明顯增加，侵蝕60d后增重將近6%，隨后隨著侵蝕質(zhì)量持續(xù)增加，這可能是因?yàn)樵嚇釉陂_裂狀態(tài)下硫酸根離子更容易進(jìn)入試樣內(nèi)部進(jìn)行結(jié)合，與水泥水化產(chǎn)物氫氧化鈣形成石膏以及鈣礬石，并且隨著此類物質(zhì)的繼續(xù)生成，試樣產(chǎn)生更多的裂紋從而吸收更多水分導(dǎo)致試樣質(zhì)量明顯增長(zhǎng)。實(shí)驗(yàn)組的GGBS-MgO和GGBS-CaO經(jīng)過硫酸鈉溶液侵蝕60d質(zhì)量基本保持不變，這是因?yàn)樵嚇又袥]有產(chǎn)生氫氧化鈣，從而不會(huì)產(chǎn)生膨脹性產(chǎn)物和裂紋，也不會(huì)產(chǎn)生因?yàn)槲畬?dǎo)致的質(zhì)量增加。

4 機(jī)理探究

各組固結(jié)砂在使用5%硫酸鈉溶液經(jīng)過150d侵蝕后其XRD譜圖，侵蝕150d后與未侵蝕試樣相比，PC組氫氧化鈣衍射峰消失，并且生成水滑石衍射峰，石膏和鈣礬石衍射峰也比較明顯，這可能是水泥化產(chǎn)物如氧化鈣與硫酸根反應(yīng)生成石膏和鈣礬石。而對(duì)于使用工業(yè)堿性激劑的試樣，在硫酸鈉溶液下出現(xiàn)明顯的類水滑石衍射峰和強(qiáng)度較弱的鈣礬石衍射峰，未見石膏衍射峰，這主要是其可以形成水滑石一種層狀雙氫氧化物，碳酸根具有陰離子交換功能可以對(duì)硫酸根進(jìn)行吸附和置換從而阻止其進(jìn)一步與礦渣中的堿性金屬發(fā)生反應(yīng)從而提高了抗壓強(qiáng)度和耐腐蝕性[1]。

5 結(jié)語

本次試驗(yàn)主要是對(duì)堿礦渣膠凝材料的固砂特性及抗硫酸鹽侵蝕性能進(jìn)行了研究，相較于傳統(tǒng)水泥固化劑，使用工業(yè)氧化鎂和氧化鈣作為?；郀t礦渣激發(fā)劑制成的堿礦渣膠凝材料不僅可以做到廢物循環(huán)利用，降低生產(chǎn)成本，而且可以減少二氧化碳排放、保護(hù)環(huán)境，最重要的是可以表現(xiàn)出更好的抗壓強(qiáng)度和耐腐蝕性。本文首先對(duì)堿礦渣凝膠材料的固砂特性和優(yōu)勢(shì)進(jìn)行了說明，然后對(duì)實(shí)驗(yàn)材料制備和實(shí)驗(yàn)方法進(jìn)行了說明，主要是制取兩種試驗(yàn)樣品分別用來進(jìn)行抗壓強(qiáng)度和耐腐蝕性分析，接下來對(duì)試驗(yàn)樣品組成進(jìn)行了X射線熒光光譜分析和試樣配比進(jìn)行了說明。其次經(jīng)過試樣的流動(dòng)性、pH值和無限側(cè)抗壓強(qiáng)度分析表明工業(yè)堿性激發(fā)劑和?；郀t礦渣擁有更好的流動(dòng)性和抗壓強(qiáng)度，通過5%硫酸鈉溶液侵蝕分析，實(shí)驗(yàn)組也是隨著侵蝕時(shí)間的增加抗壓強(qiáng)度增加、質(zhì)量增長(zhǎng)率較小，最后通過硫酸鈉溶液侵蝕試樣XRD譜圖進(jìn)行了物相分析對(duì)其變化機(jī)理進(jìn)行了研究。