礦渣地聚合物固化海相軟土試驗(yàn)研究

周恒宇，王修山，熊志奇

（1.浙江理工大學(xué) 建筑工程學(xué)院，浙江 杭州310018；2.中國(guó)聯(lián)合工程有限公司，浙江 杭州310052）

0 引言

隨著長(zhǎng)江三角洲的快速發(fā)展，人們對(duì)住房和基礎(chǔ)設(shè)施的需求日益增多，但該地區(qū)存在大量海相軟土，由此形成的地基含水率高、透水性差、壓縮性大、承載力弱，給工程建設(shè)帶來(lái)了極大挑戰(zhàn)，因此必須對(duì)其進(jìn)行固化改良[1-2]。目前，國(guó)內(nèi)外常用的固化劑是水泥和石灰，但它們?cè)谏a(chǎn)過(guò)程中會(huì)消耗不可再生資源，并排放大量粉塵和CO2，可持續(xù)發(fā)展理念促使人們開(kāi)始尋求代替水泥的環(huán)保膠凝材料[3]。

堿激發(fā)材料也稱地聚合物，是由堿激發(fā)劑和硅鋁質(zhì)原料反應(yīng)生成的無(wú)機(jī)膠凝材料，由于其原料多為礦渣、粉煤灰、煤矸石、鋼渣、電石渣等固體廢棄物，并能極大減少CO2排放，因此是一種綠色環(huán)保材料[4]。粒化高爐礦渣（GGBS）是由冶煉生鐵產(chǎn)生的熔融物經(jīng)淬冷處理后所得，主要成分為SiO2、Al2O3和CaO，是目前使用最廣泛的地聚合物前驅(qū)體。王宇軒等[5]研究了激發(fā)劑組成對(duì)礦渣水泥砂漿物理力學(xué)性能的影響。丁崧等[6]通過(guò)赤泥-礦渣地聚合物制備透水混凝土，并對(duì)其力學(xué)特性、透水性和重金屬吸附性進(jìn)行了研究。Albitar等[7]研究了礦渣地聚合物混凝土的耐久性，結(jié)果表明，地聚合物混凝土的耐久性優(yōu)于普通混凝土。Hoy等[8]使用礦渣基地聚合物穩(wěn)固再生瀝青混合料（RAP），并對(duì)其強(qiáng)度發(fā)展和微觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行了研究。目前，礦渣地聚合物在凈漿和混凝土領(lǐng)域已得到廣泛應(yīng)用，但在軟土地基穩(wěn)固中的研究較少。

基于此，本文利用礦渣地聚合物穩(wěn)固杭州海相軟土，通過(guò)無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)分析各因素對(duì)固化土強(qiáng)度的影響規(guī)律，并通過(guò)SEM掃描電鏡試驗(yàn)和XRD衍射試驗(yàn)分析固化土的微觀形貌和礦物組成，為礦渣地聚合物在巖土工程中的應(yīng)用提供參考。

1 試驗(yàn)

1.1 原材料

（1）土樣：取自杭州市拱墅區(qū)某工地基坑，為淤泥質(zhì)軟黏土，外觀呈黑灰色流塑態(tài)，其基本物理性能見(jiàn)表1。

表1 土體的基本物理性能

（2）礦渣：河南某礦產(chǎn)品加工廠提供的S95級(jí)?；郀t礦渣，比表面積420 m2/kg，其主要化學(xué)成分見(jiàn)表2。

表2 礦渣的主要化學(xué)成分 %

（3）堿激發(fā)劑：由Na2SiO3和NaOH溶液組成，其中Na2SiO3由桐鄉(xiāng)恒立化工有限公司生產(chǎn)，主要成分為28%SiO2、14%Na2O和58%H2O；NaOH由上海埃彼化學(xué)試劑有限公司提供，純度為97%。

1.2 試驗(yàn)方案

本試驗(yàn)中，設(shè)置m（Na2SiO3）∶m（NaOH）分別為0∶100、25∶75、50∶50、75∶25、100∶0，堿固比（堿激發(fā)劑與礦渣質(zhì)量比）分別為0.5、1.0、1.5、2.0，礦渣摻量（按占干土質(zhì)量計(jì)）分別為10%、15%、20%、25%、30%，NaOH濃度分別為3、6、9、12、15 mol/L，養(yǎng)護(hù)齡期分別為3、7、14、28、60、90、180 d。為分析各因素對(duì)礦渣地聚合物固化土固化效果的影響，以m（Na2SiO3）∶m（NaOH）=25∶75、堿固比為1.0、NaOH濃度為12 mol/L、礦渣摻量為25%、養(yǎng)護(hù)齡期為28 d為基準(zhǔn)試驗(yàn)，并在基準(zhǔn)試驗(yàn)基礎(chǔ)上改變單一影響因素，研究其對(duì)固化土力學(xué)性能的影響。

1.3 試驗(yàn)過(guò)程

1.3.1 試樣制備和養(yǎng)護(hù)

將取回的土樣置于105℃的烘箱中烘干12 h，然后把干土碾碎過(guò)2 mm圓孔篩，按照試驗(yàn)方案稱取相應(yīng)質(zhì)量的干土和礦渣，用小型攪拌機(jī)攪拌5 min，然后加入配制好的堿激發(fā)劑和蒸餾水（占干土質(zhì)量的50%）繼續(xù)攪拌10 min，得到均勻混合物。將配制好的漿體分5次填入50 mm×100 mm的圓柱型模具中，每填入一層放于振動(dòng)臺(tái)上振動(dòng)2 min以排除氣泡。用保鮮膜將填制完的試樣密封并放入標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)箱[溫度（20±2）℃，相對(duì)濕度（95±2）%]，養(yǎng)護(hù)48 h后脫模，然后繼續(xù)標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)至設(shè)計(jì)齡期。

1.3.2 試驗(yàn)方法

根據(jù)試驗(yàn)方案配制試樣，養(yǎng)護(hù)到規(guī)定齡期后進(jìn)行無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度測(cè)試，試驗(yàn)所用儀器為CMT4304型微機(jī)控制電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)，軸向速率為0.1 mm/min，每組3個(gè)試樣，取平均值作為固化土的強(qiáng)度。無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)束后，從壓裂的試樣中選取固化土碎塊用于SEM和XRD分析。SEM試驗(yàn)使用GeminiSEM500場(chǎng)發(fā)射掃描電子顯微鏡，由于試樣不具有導(dǎo)電性，表面容易電荷聚集出現(xiàn)放電現(xiàn)象影響試驗(yàn)效果，在進(jìn)行掃描電鏡試驗(yàn)之前，試樣先通過(guò)JFC-1600型離子濺射儀進(jìn)行噴金處理。X射線衍射試驗(yàn)使用ARL XTRA型X射線粉末衍射儀，試驗(yàn)前需將試樣碾碎成固體粉末。

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)

2.1.1 Na2SiO3與NaOH質(zhì)量比對(duì)固化土無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度的影響（見(jiàn)表3）

表3 Na2SiO3與NaOH質(zhì)量比對(duì)固化土無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度的影響

由表3可見(jiàn)，隨著m（Na2SiO3）∶m（NaOH）增大，固化土的抗壓強(qiáng)度先提高后降低，當(dāng)m（Na2SiO3）∶m（NaOH）=25∶75時(shí)達(dá)到峰值。在堿激發(fā)反應(yīng)中，NaOH主要起到溶解前驅(qū)體的作用，而Na2SiO3起到增黏和提供活性原料的作用[9]。m（Na2SiO3）∶m（NaOH）的增大使參與反應(yīng)的活性SiO44-增多，有助于更多凝膠產(chǎn)物生成，進(jìn)而使土體強(qiáng)度提高。但m（Na2SiO3）∶m（NaOH）過(guò)大會(huì)使反應(yīng)體系中OH-含量減少，導(dǎo)致堿激發(fā)強(qiáng)度減弱，難以有效溶解礦渣中玻璃體，從而使固化土強(qiáng)度下降。此外，過(guò)多的Na2SiO3含量會(huì)使SiO44-單聚體減少，多聚體增加，并導(dǎo)致—Si—O—活化點(diǎn)數(shù)量變少，不利于聚合反應(yīng)進(jìn)行[10]。

2.1.2 堿固比對(duì)固化土無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度的影響（見(jiàn)表4）

表4 堿固比對(duì)固化土無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度的影響

由表4可見(jiàn)，隨著堿固比的增大，固化土的抗壓強(qiáng)度先提高后降低，在堿固比為1.0時(shí)達(dá)到峰值。堿固比增大意味著反應(yīng)體系中OH-和游離的SiO44-含量增多，前者促進(jìn)了礦渣中玻璃體的解離，后者為反應(yīng)體系提供了活性原料，從而使凝膠產(chǎn)物增多，土體強(qiáng)度提高。但過(guò)多的堿激發(fā)劑會(huì)使早期反應(yīng)加劇，迅速生成的凝膠將尚未反應(yīng)的礦渣顆粒包裹，從而導(dǎo)致反應(yīng)不完全。并且強(qiáng)堿環(huán)境還會(huì)導(dǎo)致反應(yīng)體系中的Ca2+以Ca（OH）2結(jié)晶形式析出并沉淀，不利于礦渣的溶解和反應(yīng)。

2.1.3 NaOH濃度對(duì)固化土無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度的影響（見(jiàn)表5）

表5 NaOH濃度對(duì)固化土無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度的影響

由表5可見(jiàn)，隨NaOH濃度的增大，固化土的抗壓強(qiáng)度先提高后降低，當(dāng)NaOH濃度為12 mol/L時(shí)達(dá)到最大。增大NaOH濃度能促進(jìn)礦渣中玻璃體的溶解，有利于更多水化凝膠產(chǎn)物生成，從而提高土體的強(qiáng)度。但過(guò)量的OH-會(huì)與反應(yīng)體系中游離的Ca2+反應(yīng)生成Ca（OH）2沉淀，導(dǎo)致凝膠產(chǎn)物數(shù)量減少。另外，土顆粒表面富含的Na+、K+等陽(yáng)離子易被Ca2+代替，減少擴(kuò)散雙電層厚度，使黏土顆粒凝聚力更強(qiáng)，但過(guò)量的Na+會(huì)抑制離子置換反應(yīng)，并破壞土體結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致土體強(qiáng)度降低。

2.1.4 礦渣摻量對(duì)固化土無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度的影響（見(jiàn)表6）

表6 礦渣摻量對(duì)固化土無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度的影響

由表6可見(jiàn)，隨礦渣摻量的增加，固化土的抗壓強(qiáng)度逐漸提高，這是因?yàn)閰⑴c反應(yīng)的無(wú)定形玻璃體含量增多，通過(guò)堿激發(fā)作用生成了更多水化凝膠產(chǎn)物，凝膠通過(guò)膠結(jié)和填充作用使土體結(jié)構(gòu)更加密實(shí)。此外，固化土的抗壓強(qiáng)度增長(zhǎng)呈分段區(qū)域性，當(dāng)?shù)V渣摻量由10%增加到20%時(shí)，固化土的抗壓強(qiáng)度增長(zhǎng)緩慢，為惰性區(qū)域；當(dāng)?shù)V渣摻量由20%增加到25%時(shí)，抗壓強(qiáng)度開(kāi)始明顯提高，為活性區(qū)域；當(dāng)?shù)V渣摻量大于25%時(shí)，抗壓增長(zhǎng)趨于緩慢，為惰性區(qū)域。因此，考慮經(jīng)濟(jì)性和固化效果，最佳礦渣摻量建議為25%。

2.1.5 養(yǎng)護(hù)齡期對(duì)固化土無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度的影響（見(jiàn)表7）

表7 養(yǎng)護(hù)齡期對(duì)固化土無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度的影響

由表7可見(jiàn)，固化土早期抗壓強(qiáng)度增長(zhǎng)迅速，3、7、14 d抗壓強(qiáng)度分別為934、3157、4931 kPa；隨后固化土抗壓強(qiáng)度增長(zhǎng)開(kāi)始趨于緩慢，28、60、90 d抗壓強(qiáng)度分別為5865、6386、6588 kPa；當(dāng)養(yǎng)護(hù)齡期延長(zhǎng)到180 d時(shí)，固化土的抗壓強(qiáng)度降至5662 kPa。礦渣地聚合物固化土早期強(qiáng)度增長(zhǎng)迅速的原因是由于礦渣中的玻璃體在堿激發(fā)作用下溶解，Ca—O鍵比Si—O鍵和Al—O鍵更易斷裂，因此溶解速度更快，游離的Ca2+提供了額外的成核位點(diǎn)，促進(jìn)Si和Al參與反應(yīng)并生成C-（A）-S-H凝膠，從而加快了早期反應(yīng)。但隨著反應(yīng)進(jìn)行，礦渣耗盡，水化反應(yīng)開(kāi)始變得緩慢，因此強(qiáng)度增長(zhǎng)不再明顯，而固化土180 d抗壓強(qiáng)度下降的原因是由于C-（A）-S-H凝膠后期易失水導(dǎo)致體積收縮，從而產(chǎn)生收縮裂縫，導(dǎo)致土體強(qiáng)度降低。

2.2 SEM分析

原狀土和按基準(zhǔn)試驗(yàn)配比制備的礦渣地聚合物固化土的SEM照片如圖1所示。

圖1 原狀土和礦渣地聚合物固化土的SEM照片

由圖1可見(jiàn)，原狀土主要以層狀結(jié)構(gòu)為主，同時(shí)還有不規(guī)則的塊狀顆粒體，土顆粒無(wú)序排列且相對(duì)松散，顆粒間孔隙較大。在經(jīng)過(guò)礦渣地聚合物固化處理后可以看到生成了大量簇狀C-（A）-S-H凝膠產(chǎn)物，土體表面被完全覆蓋，凝膠產(chǎn)物將土顆粒緊密黏結(jié)成一個(gè)整體，顆粒間隙被有效填充，土體結(jié)構(gòu)變得更加致密，宏觀表現(xiàn)為固化土強(qiáng)度明顯提高。

2.3 X射線衍射分析

原狀土和礦渣地聚合物固化土的XRD圖譜見(jiàn)圖2。

圖2 原狀土和礦渣地聚合物固化土的XRD圖譜

由圖2可見(jiàn)，原狀土的礦物組成比較復(fù)雜，主要包括石英、白云母、高嶺石、鈉長(zhǎng)石、鉀長(zhǎng)石和綠泥石，與原狀土相比，礦渣地聚合物固化土的峰形基本沒(méi)有變化，表明沒(méi)有新礦物生成，但與石英、白云母和高嶺石相關(guān)的峰值強(qiáng)度降低，這是因?yàn)轲ね令w粒的內(nèi)聚力增加，形成的絮凝結(jié)構(gòu)降低了入射線的反射，并且黏土中部分礦物也參與了火山灰反應(yīng)[11]。此外，水化產(chǎn)物C－（A）－S－H凝膠為無(wú)定形物質(zhì)，所以沒(méi)有明顯特征峰，但在2θ為28°～30°和34°～35°范圍內(nèi)可觀察到有代表凝膠相的彌散峰生成。

3 結(jié)論

（1）隨著m（Na2SiO3）∶m（NaOH）、堿固比和NaOH濃度的增加，固化土的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度先提高后降低；隨著礦渣摻量增加，固化土的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度逐漸提高，并且呈分段區(qū)域性變化。

（2）礦渣地聚合物固化土的最佳配合比為：m（Na2SiO3）∶m（NaOH）=25∶75，堿固比為1，NaOH濃度為12 mol/L，礦渣摻量為25%。

（3）礦渣地聚合物固化土的早期抗壓強(qiáng)度增長(zhǎng)迅速，后期抗壓強(qiáng)度增長(zhǎng)緩慢，180 d時(shí)固化土抗壓強(qiáng)度出現(xiàn)衰減。

（4）礦渣地聚合物固化土中沒(méi)有新礦物生成，水化產(chǎn)物C－（A）－S－H凝膠通過(guò)膠結(jié)和填充作用使土體結(jié)構(gòu)更密實(shí)，從而提高土體的強(qiáng)度。