電石渣激發(fā)鋼渣-礦渣固化淤泥質(zhì)土的試驗(yàn)研究

王旭影，喬京生，趙建業(yè)，蔡田明，梁晨達(dá)

(1.唐山學(xué)院土木工程學(xué)院，唐山 063000；2.河北省地礦局第五地質(zhì)大隊(duì)，唐山 063000)

0 引 言

隨著沿海城市和港口的發(fā)展，軟土地基上的工程建設(shè)越來越普遍，而軟土具有強(qiáng)度低、含水量高、壓縮性高的物理力學(xué)性質(zhì)，需要對其進(jìn)行固化處理[1-2]。工程上常用水泥作為固化劑[3-4]，但水泥生產(chǎn)需要耗費(fèi)大量能源，且排放大量CO2，對環(huán)境造成污染，不利于節(jié)能減排。國內(nèi)外學(xué)者開展了大量的研究[5-8]，嘗試將鋼渣、礦渣等工業(yè)廢渣資源化利用，將其作為原材料，開發(fā)出低碳、低能耗的軟土固化劑。

鋼渣和礦渣是常見的兩種工業(yè)廢渣，隨著工業(yè)規(guī)模的不斷擴(kuò)大，這兩種廢渣產(chǎn)量逐年增加，給環(huán)境帶來沉重的負(fù)擔(dān)。鋼渣、礦渣與水泥熟料具有相似的礦物成分，具有潛在的水化活性。但是，由于鋼渣和礦渣本身的水化速度非常慢，早期強(qiáng)度很低，需要選用合適的激發(fā)劑對其進(jìn)行活化處理。而電石渣是由工業(yè)生產(chǎn)聚氯乙烯、乙炔氣等產(chǎn)品過程中產(chǎn)生，主要成分是Ca(OH)2，可以作為堿性激發(fā)劑[9-10]。

學(xué)者們針對鋼渣或礦渣及其激發(fā)劑在固化軟土方面的研究頗多。吳燕開等[11]采用硅灰改良鋼渣水泥土，研究發(fā)現(xiàn)，摻入硅灰對固化軟土強(qiáng)度有明顯提高。吳燕開等[12]將燒堿作為鋼渣粉的激發(fā)劑，摻入燒堿之后，在其激發(fā)作用下，鋼渣粉的固化效果良好，且可使固化軟土早強(qiáng)。陳金洪等[13]研究發(fā)現(xiàn)，相同摻加量的MgO-礦渣粉固化軟土的強(qiáng)度大于水泥土，滲透系數(shù)和含水率均低于水泥土。張大捷等[14]以礦渣為主要原料，摻加水泥熟料、高溫石膏和活性激發(fā)劑，制成礦渣膠凝材料，用于固化軟土，發(fā)現(xiàn)礦渣膠凝材料效果遠(yuǎn)好于水泥、石灰。梁仕華等[15]利用礦渣與水泥混合固化劑，對廣州南沙軟土進(jìn)行加固，發(fā)現(xiàn)礦渣占比越高，固化軟土的后期強(qiáng)度增長越快。總體上，研究主要集中在鋼渣或礦渣單獨(dú)作為軟土固化劑主原料方面，缺乏鋼渣和礦渣互摻作為固化劑的研究，而電石渣能否作為鋼渣和礦渣互摻的激發(fā)劑更是亟待試驗(yàn)驗(yàn)證。

本文嘗試以鋼渣粉和礦渣粉作為基礎(chǔ)材料，電石渣粉作為激發(fā)劑，用于淤泥質(zhì)土加固。通過無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)，分析固化淤泥質(zhì)土的強(qiáng)度特性和應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系，并與不摻加電石渣粉的鋼渣-礦渣固化淤泥質(zhì)土和單摻水泥的水泥土進(jìn)行比較分析。同時(shí)通過X射線衍射(XRD)和掃描電鏡(SEM)測試，分析電石渣-鋼渣-礦渣的固化機(jī)理，以期為鋼渣、礦渣在軟土固化方面的應(yīng)用提供一定參考。

1 實(shí) 驗(yàn)

1.1 原材料

試驗(yàn)用土為唐山市黑沿子渤海灣海積淤泥質(zhì)土，埋深約3.5 m，含水量高，呈流塑狀態(tài)，強(qiáng)度低，壓縮性高。開展常規(guī)室內(nèi)土工試驗(yàn)，測定該淤泥質(zhì)土的物理力學(xué)參數(shù)指標(biāo)，如表1所示。

表1 唐山市黑沿子渤海灣海積淤泥質(zhì)土的物理力學(xué)參數(shù)Table 1 Physical and mechanical parameters of muddy soil in the Bohai bay in Heiyanzi, Tangshan City

試驗(yàn)用鋼渣粉來源于河鋼集團(tuán)唐鋼公司，由Harsco公司(唐山)加工處理而成。鋼渣粉呈黑色粉末狀，成分較為復(fù)雜，主要包括硅酸二鈣(C2S)、硅酸三鈣(C3S)，以及不參與水化反應(yīng)的RO相(MgO、FeO、MnO)等(如圖1所示)。礦渣粉是由煉鐵高爐礦渣經(jīng)水淬成粒粉磨而成，型號為S95級，呈灰白色粉末狀。XRD譜呈寬緩的峰包(如圖2所示)，呈現(xiàn)玻璃態(tài)[16]，主要物相為鈣鋁黃長石(C2AS)和C2S。電石渣粉是電石水解獲取乙炔氣后產(chǎn)生的廢渣[17]，顆粒十分細(xì)微，主要成分是Ca(OH)2。試驗(yàn)用電石渣粉呈灰白色粉末狀，Ca(OH)2的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為86.2%。礦渣粉和電石渣粉均購于榮昌環(huán)保材料超市。鋼渣和礦渣的化學(xué)組成見表2。

圖1 鋼渣的XRD譜Fig.1 XRD pattern of steel slag

圖2 礦渣的XRD譜Fig.2 XRD pattern of ground granulated blast-furnace slag

表2 鋼渣和礦渣的主要化學(xué)成分Table 2 Main chemical composition of steel slag and ground granulated blast-furnace slag

1.2 試塊制備

試塊制備參考《建筑砂漿基本性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》(JGJ/T 70—2009)[18]。將淤泥質(zhì)土用烘箱烘干，粉磨，過2 mm直徑標(biāo)準(zhǔn)篩，封裝待用。按照已設(shè)定的試驗(yàn)配比稱取適量干土、鋼渣粉、礦渣粉和電石渣粉，充分混合，取液限含水量(50%)的水，攪拌均勻。選用規(guī)格為70.7 mm×70.7 mm×70.7 mm的三聯(lián)試模，在振動臺上分三層振實(shí)成型，各層接觸面刮毛。用塑料薄膜覆蓋，貼上標(biāo)簽，24 h后脫模。將試塊放入標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)箱養(yǎng)護(hù)，為防止水滴在試塊上，表面覆蓋塑料薄膜，養(yǎng)護(hù)溫度為(20±2)℃，相對濕度≥95%。

1.3 試驗(yàn)方案

首先通過無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)進(jìn)行初步篩選，鋼渣粉和礦渣粉的總質(zhì)量摻量為20%(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，下同)，m(鋼渣粉) ∶m(礦渣粉)=1 ∶1，在此基礎(chǔ)上，電石渣粉作為激發(fā)劑額外摻入。電石渣粉摻量設(shè)置為1%、2%、3%、4%、5%、6%、7%、8%、9%和10%，齡期為14 d，初步優(yōu)選出電石渣粉的最優(yōu)摻量。然后將最優(yōu)摻量電石渣-鋼渣-礦渣固化淤泥質(zhì)土、鋼渣-礦渣固化淤泥質(zhì)土和水泥土進(jìn)行強(qiáng)度對比試驗(yàn)，齡期為7 d、14 d、28 d。對比試驗(yàn)結(jié)束后，選取合適試塊，進(jìn)行XRD和SEM測試。試驗(yàn)方案詳見表3。

表3 試驗(yàn)方案Table 3 Experimental scheme

無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)采用電子萬能試驗(yàn)機(jī)，型號為WDW-100D，加載速率為1 mm/min。強(qiáng)度試驗(yàn)完成后，選取合適小試塊進(jìn)行磨粉處理，進(jìn)行XRD測試，X射線衍射儀型號為Smartlab SE，掃描范圍為10°～70°。取非破裂新鮮面，烘干，抽真空，噴金，使用SEM觀察微觀形貌，場發(fā)射掃描電子顯微鏡型號為JSM-7900F。

2 結(jié)果與討論

2.1 無側(cè)限抗壓強(qiáng)度

2.1.1 電石渣摻量對鋼渣-礦渣固化淤泥質(zhì)土強(qiáng)度的影響

圖3為電石渣-鋼渣-礦渣固化淤泥質(zhì)土無側(cè)限抗壓強(qiáng)度隨電石渣摻量增加的變化規(guī)律。鋼渣粉和礦渣粉摻量均為10%，養(yǎng)護(hù)齡期為14 d，電石渣粉額外摻入。隨著電石渣粉摻量的增加，固化淤泥質(zhì)土強(qiáng)度先增大后減小。當(dāng)電石渣粉摻量為6%時(shí)，固化淤泥質(zhì)土強(qiáng)度達(dá)到最大(1 413.76 kPa)。電石渣粉摻量從0%增加到6%，固化淤泥質(zhì)土強(qiáng)度快速提升，從143.83 kPa提升到1 413.76 kPa，提升近9倍。摻量超過6%時(shí)，強(qiáng)度緩慢降低。電石渣粉以一定比例摻入，能夠顯著提高鋼渣-礦渣固化淤泥質(zhì)土的強(qiáng)度，最優(yōu)的摻量為6%。

2.1.2 齡期對固化淤泥質(zhì)土強(qiáng)度的影響

圖4為6%(最優(yōu)摻量)電石渣-鋼渣-礦渣固化淤泥質(zhì)土、鋼渣-礦渣固化淤泥質(zhì)土和水泥土的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度隨養(yǎng)護(hù)齡期的變化規(guī)律。鋼渣-礦渣固化淤泥質(zhì)土強(qiáng)度隨齡期基本無變化，且強(qiáng)度較低，28 d強(qiáng)度僅為157.48 kPa。水泥土強(qiáng)度隨齡期增加顯著增長，28 d強(qiáng)度達(dá)到2 073.66 kPa。6%電石渣-鋼渣-礦渣固化淤泥質(zhì)土，強(qiáng)度隨齡期增加顯著增長；從7 d到14 d，強(qiáng)度增長了62.45%，14 d到28 d，強(qiáng)度增長了47.17%；在7 d就取得了較大的強(qiáng)度，且在7 d到14 d強(qiáng)度快速增長，14 d到28 d繼續(xù)增長；28 d 6%電石渣-鋼渣-礦渣固化淤泥質(zhì)土強(qiáng)度達(dá)到2 080.69 kPa，比28 d鋼渣-礦渣固化淤泥質(zhì)土強(qiáng)度(157.48 kPa)增大12倍，與28 d水泥土強(qiáng)度(2 073.66 kPa)相當(dāng)。電石渣粉以最優(yōu)摻量6%摻入，對固化淤泥質(zhì)土初期強(qiáng)度的提升起關(guān)鍵作用，6%電石渣-鋼渣-礦渣與水泥具有相當(dāng)?shù)墓袒Ч?/p>

圖3 電石渣-鋼渣-礦渣固化淤泥質(zhì)土無側(cè)限抗壓強(qiáng)度隨 電石渣摻量的變化(14 d)Fig.3 Unconfined compressive strength of CCS-SS-GGBS solidified muddy soil changes with the content of calcium carbide slag (14 d)

圖4 固化淤泥質(zhì)土無側(cè)限抗壓強(qiáng)度隨齡期的變化Fig.4 Unconfined compressive strength of solidified muddy soil changes with ages

2.1.3 固化淤泥質(zhì)土的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系

圖5 28 d固化淤泥質(zhì)土的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系Fig.5 Stress-strain relationship of 28 d solidified muddy soil

圖5為6%電石渣-鋼渣-礦渣固化淤泥質(zhì)土、鋼渣-礦渣固化淤泥質(zhì)土和水泥土的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線。圖6為28 d固化淤泥質(zhì)土的破壞形態(tài)，鋼渣-礦渣固化淤泥質(zhì)土的變形破壞特征表現(xiàn)為塑性破壞，有明顯變形，裂縫發(fā)育(如圖6(b)所示)。6%電石渣-鋼渣-礦渣固化淤泥質(zhì)土和水泥土的應(yīng)力-應(yīng)變曲線可以劃分為彈性階段、塑性階段、破壞階段和殘余強(qiáng)度階段4個(gè)階段，變形破壞均表現(xiàn)為脆性破壞，具有較為明顯的破壞面，6%電石渣-鋼渣-礦渣固化淤泥質(zhì)土的破壞程度比水泥土小(如圖6(a)、(c)所示)。6%電石渣-鋼渣-礦渣固化淤泥質(zhì)的土應(yīng)力-應(yīng)變曲線與水泥土相比，破壞應(yīng)變更大一些，且曲線達(dá)到峰值之后，緩慢進(jìn)入殘余強(qiáng)度階段，而水泥土曲線達(dá)到峰值之后，出現(xiàn)急劇下降趨勢，這說明電石渣-鋼渣-礦渣固化淤泥質(zhì)土具有較好的延性，可以在一定程度上避免水泥土的脆性破壞。

2.2 XRD分析

圖7為不同齡期下6%電石渣-鋼渣-礦渣固化淤泥質(zhì)土的XRD譜。C2S和C3S的水化產(chǎn)物為C-S-H凝膠、氫氧化鈣(CH)和一些低鈣類硅酸鹽。C-S-H屬于非晶態(tài)，在XRD譜中無法識別其特征峰。但是隨著齡期的增長，2θ為28°(C3S)和32°(C2S)的衍射峰強(qiáng)度明顯減弱，說明鋼渣和礦渣一直在發(fā)生水化反應(yīng)。而鋼渣中的RO相隨齡期基本無變化，RO為惰性化合物[19]，不參與水化反應(yīng)。

圖6 28 d固化淤泥質(zhì)土的破壞形態(tài)Fig.6 Failure characteristics of 28 d solidified muddy soil

圖7 6%電石渣-鋼渣-礦渣固化淤泥質(zhì)土的XRD譜Fig.7 XRD patterns of 6%CCS-SS-GGBS solidified muddy soil

摻入的電石渣與鋼渣礦渣內(nèi)水化形成的CH共同作用，在初期使整個(gè)環(huán)境堿度迅速提高。在堿性環(huán)境下，鋼渣-礦渣中原有的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)被破壞，玻璃體更容易解聚，加速鈣離子與硅氧四面體反應(yīng)生成C-S-H凝膠。同時(shí)活性的SiO2可以與CH直接發(fā)生火山灰反應(yīng)，形成C-S-H凝膠。隨著齡期增長，CH晶體峰也在逐漸降低，說明CH在被消耗。大量的鈣離子還會導(dǎo)致過飽和結(jié)晶，破壞鋼渣和礦渣中礦物表面的雙電層，從而激發(fā)鋼渣和礦渣的水化活性。電石渣有效激發(fā)鋼渣和礦渣的水化活性，在宏觀上則表現(xiàn)為固化淤泥質(zhì)土逐漸硬化，無側(cè)限抗壓強(qiáng)度大幅提升。另外，大量的鈣離子容易與淤泥質(zhì)土中的黏土顆粒擴(kuò)散層中的鈉離子、鉀離子發(fā)生離子交換和團(tuán)粒化作用，由于鈣離子半徑較小，雙電層中的擴(kuò)散層厚度小，結(jié)合水較少，土顆粒間的黏聚力增大，容易黏結(jié)形成較大的顆粒團(tuán)，固化淤泥質(zhì)土強(qiáng)度也隨之提高。

2.3 SEM分析

圖8為不同齡期下6%電石渣-鋼渣-礦渣固化淤泥質(zhì)土的SEM照片。在圖8(c)的基礎(chǔ)上放大到20 000倍為圖8(d)，圖中無定形、團(tuán)絮狀物質(zhì)為水化產(chǎn)物C-S-H凝膠。在同樣放大倍數(shù)下(圖8(a)、(b)、(c))，28 d電石渣-鋼渣-礦渣固化淤泥質(zhì)土的水化產(chǎn)物明顯增多，C-S-H凝膠大量充填于顆粒孔隙中，包裹在顆粒表面，形成較大的顆粒團(tuán)簇；28 d的固化淤泥質(zhì)土顆粒間孔徑明顯變小，微觀結(jié)構(gòu)明顯更致密。隨著齡期增長，包裹在顆粒表面的團(tuán)絮狀物質(zhì)越來越多，且充填效果越來越好，提高了顆粒間的膠結(jié)能力，固化淤泥質(zhì)土強(qiáng)度得以提升。

圖8 6%電石渣-鋼渣-礦渣固化淤泥質(zhì)土的SEM照片F(xiàn)ig.8 SEM images of 6%CCS-SS-GGBS solidified muddy soil

3 結(jié) 論

(1)隨著電石渣粉摻量的增加，電石渣-鋼渣-礦渣固化淤泥質(zhì)土無側(cè)限抗壓強(qiáng)度先增大后減小。電石渣粉最優(yōu)的摻量為6%，對固化淤泥質(zhì)土初期強(qiáng)度的提升起關(guān)鍵作用。

(2)28 d 6%電石渣-鋼渣-礦渣固化淤泥質(zhì)土的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度與同齡期水泥土相當(dāng)，且具有較好的延性，可以在一定程度上避免脆性破壞。

(3)電石渣與鋼渣礦渣內(nèi)水化形成的CH共同作用，提供堿性環(huán)境和大量鈣離子，有效激發(fā)鋼渣和礦渣的水化活性，C-S-H凝膠大量生成，充填于顆粒孔隙中，包裹在顆粒表面，使得固化淤泥質(zhì)土無側(cè)限抗壓強(qiáng)度大幅提升。同時(shí)大量的鈣離子與黏土顆粒擴(kuò)散層中的鈉離子、鉀離子發(fā)生離子交換和團(tuán)?；饔?，使土顆粒間的黏聚力增大，形成較大的顆粒團(tuán)，固化淤泥質(zhì)土強(qiáng)度也隨之提高。