堿激發(fā)鋼渣粉淤泥固化土性能研究

舒本安，楊騰宇，李永鈴，任彥飛，鄭禮尚，陳劍剛

（佛山市交通科技有限公司，廣東 佛山 528000）

0 引言

佛山市位于珠江三角洲平原，分布有較多飽和松散砂土、粘性土、淤泥質(zhì)土等，通常采用水泥攪拌樁進行軟基加固處理。但是水泥用于軟土特別是淤泥質(zhì)土中，由于淤泥質(zhì)軟土孔隙比大、變形大、含水量高等特點，水泥在淤泥土中水化物不穩(wěn)定，固化土強度低等導(dǎo)致成樁效果差[1-2]。工程上通常采用增大水泥用量的方式提高成樁質(zhì)量，明顯增加了工程造價，且水泥生產(chǎn)屬于高污染高排放行業(yè)，每生產(chǎn)1 t 普通硅酸鹽水泥，約排放1 tCO2、0.75 kgSO2、30 kg 粉塵，水泥的大量消耗會顯著加重環(huán)境污染[3-4]。因此，采用固體廢棄物替代水泥研發(fā)新型綠色高性能軟土固化材料近些年受到了廣泛關(guān)注[5-7]。

鋼鐵尾渣是煉鋼過程中的副產(chǎn)品，2019 年我國因煉鋼產(chǎn)生的鋼渣超過30 億t[8]，我國鋼渣的利用率低于20%，因此大量鋼渣的堆放造成了嚴重的土地占用、環(huán)境污染與資源浪費，提高鋼渣資源化利用效率迫在眉睫[9-10]。

鄧永鋒等[11-13]研究了鋼渣粉替代水泥，以氧化鈣等作為激發(fā)劑，復(fù)合偏高嶺土等的新型固化劑對軟土性能的影響，研究發(fā)現(xiàn)，激發(fā)劑及偏高嶺土的合理摻入可以有效提高鋼渣固化土的無側(cè)限抗壓強度。郭小亮等[14]研究了氫氧化鈉激發(fā)鋼渣粉及偏高嶺土的固化材料對黏土固化效果的影響，結(jié)果表明，偏高嶺土和氫氧化鈉的復(fù)合摻入顯著提高了對黏土的固化效果。馮興國等[15]研究發(fā)現(xiàn)，鋼渣粉在固化土中由于發(fā)生了火山灰反應(yīng)生成了硅酸鈣，填充土顆粒孔隙，從而達到提高固化土強度的效果。

本文研究了水泥及鋼渣粉摻量對固化土抗壓強度的影響規(guī)律，在此基礎(chǔ)上研究了不同激發(fā)材料及其復(fù)合對鋼渣粉固化土抗壓強度影響，并從微觀上進行了分析，為高有機質(zhì)含量的淤泥土的固化提供了新的思路，為提高鋼渣的固廢資源化利用，淤泥質(zhì)土固化領(lǐng)域環(huán)境友好和資源節(jié)約的工程建設(shè)提供了借鑒和參考。

1 試 驗

1.1 原材料

（1）淤泥質(zhì)土：由地質(zhì)勘探隊在地下15 m 左右的位置取芯得到（如圖1 所示），對現(xiàn)場淤泥質(zhì)土芯樣進行了土工物理力學(xué)性能試驗，得到淤泥質(zhì)土的土工參數(shù)如表1 所示。

圖1 淤泥質(zhì)土

表1 淤泥質(zhì)土的基本性能

（2）膠凝材料：海螺牌P·O42.5R 水泥，廣東清新生產(chǎn)。

（3）堿激發(fā)材料：工業(yè)級氫氧化鈉、碳酸鈉，均購自廣州德洛化工有限公司。

（4）鋼渣粉：廣東省韶關(guān)市某鋼鐵廠，鋼渣粉的顆粒分布如圖2 所示，大部分顆粒粒徑分布在20 μm 左右，90%的顆粒粒徑小于32 μm，28 d 活性指數(shù)為90.5%。鋼渣粉中CaO 含量最高，達到38.19%；SiO2次之，為23.64%，F(xiàn)e2O3、Al2O3、MgO 含量分別為12.17%、10.97%、7.96%。

圖2 鋼渣粉的粒徑分布

1.2 試驗方法

（1）固化土成型、養(yǎng)護及抗壓強度測試

參考JGJ/T 233—2011《水泥土配合比設(shè)計規(guī)程》進行測試：將稱取好的固化劑原材料加入攪拌鍋中，加入一定質(zhì)量水和淤泥質(zhì)土，先慢攪2 min，再快攪3 min，之后倒入70.7 mm×70.7 mm×70.7 mm 的三聯(lián)模中，振搗2 min，覆蓋保鮮膜，放在（20±5）℃的環(huán)境溫度中靜置48 h 后脫模，將試塊放入標準養(yǎng)護箱中繼續(xù)養(yǎng)護至規(guī)定齡期得到測試用固化土。測試固化土的抗壓抗壓強度時，力的加載速率設(shè)置為80 N/s。

（2）微觀測試

對養(yǎng)護28 d 后不同激發(fā)劑固化土開展SEM 測試分析，SEM 測試在TESCAN MIRA4 型掃描電鏡上開展，測試前對樣品噴金處理。

2 結(jié)果與討論

2.1 鋼渣粉的影響

淤泥固化土抗壓強度隨水泥摻量（占淤泥土質(zhì)量百分比）的變化如表2 所示。

表2 水泥摻量對淤泥固化土抗壓強度的影響

由表2 可知，當水泥摻量低于10%時，固化土基本不具備抗壓強度，并且很難脫模。當水泥摻量達到10%時，固化土抗壓強度迅速提高，7、28 d 抗壓強度分別為0.41、0.58 MPa。隨著水泥摻量的繼續(xù)增加，固化土的抗壓強度逐漸提高。當水泥摻量達到25%時，固化土的7、28 d 抗壓強度分別達到0.71、0.95 MPa。結(jié)果表明，水泥摻量較低時，由于水化物有限以及有機質(zhì)等影響，導(dǎo)致淤泥固化效果較差；但當水泥摻量足夠時，水泥固化淤泥可以具備較好的固化效果，但是會顯著增加攪拌樁等的工程造價以及水泥生產(chǎn)導(dǎo)致的環(huán)境污染，因此過多的增加水泥用量是不可取的。

選定水泥10%，鋼渣粉摻量（占淤泥土質(zhì)量百分比）對淤泥固化土抗壓強度的影響如表3 所示。

表3 鋼渣粉摻量對淤泥固化土抗壓強度的影響

由表3 可知，當鋼渣粉摻量小于10%時，鋼渣粉的摻入對固化土7 d 抗壓強度影響不大，28 d 抗壓強度輕微提高。繼續(xù)增大鋼渣粉摻量，固化土7 d 抗壓強度降低明顯，但28 d 抗壓強度逐漸提高。20%摻量時淤泥固化土7 d 抗壓強度降低至0.22 MPa，28 d 抗壓強度提高至0.85 MPa。結(jié)果可能是鋼渣粉的摻入削弱了水泥顆粒和水的接觸，同時阻礙了水泥顆粒之間水化交聯(lián)，在摻量較小時（＜10%），該影響較小，水泥的水化占主導(dǎo)，所以7 d 抗壓強度影響不大；但是繼續(xù)增大鋼渣粉摻量，該影響將逐漸占主導(dǎo)，且鋼渣粉前期水化較慢，二者導(dǎo)致了固化土7 d 抗壓強度明顯降低。隨著養(yǎng)護齡期的延長，鋼渣粉水化程度逐漸提高，所以28 d 齡期固化土抗壓強度呈逐漸提高的趨勢。

綜合表2 和表3 的實驗結(jié)果，可確定水泥摻量10%、鋼渣粉摻量10%的復(fù)合（水泥、鋼渣粉分別占淤泥土質(zhì)量百分比，后續(xù)研究均以此比例膠凝材料為準）作為新型固化劑的膠凝材料，此時對固化土力學(xué)性能影響小，同時可大幅度減少水泥用量。

2.2 堿激發(fā)材料的影響

堿激發(fā)劑氫氧化鈉的摻入（占淤泥土質(zhì)量百分比）對固化土抗壓強度的影響如表4 所示。

表4 氫氧化鈉摻量對淤泥固化土抗壓強度的影響

由表4 可知，在氫氧化鈉摻量小于5%時對固化土抗壓強度貢獻不大。當摻量超過5%時，固化土抗壓強度迅速提高，10%摻量時固化土的7、28 d 抗壓強度分別為0.86、1.14 MPa。繼續(xù)增大摻量，固化土抗壓強度繼續(xù)提高，當摻量達到20%時，固化土7、28 d 抗壓強度分別為1.10、1.33 MPa，增長趨勢逐漸減小。主要原因可能是當氫氧化鈉摻量合適時可以激發(fā)鋼渣粉的火山灰活性，提升水化程度，但是繼續(xù)增大摻量，氫氧化鈉將溶解鋼渣粉中的玻璃體，破壞了鋼渣粉的顆粒結(jié)構(gòu)，從而造成新的孔洞，因此固化土抗壓強度的提高趨勢逐漸減小。

碳酸鈉作為一種弱堿對淤泥固化土抗壓強度的影響如表5 所示（占淤泥土質(zhì)量百分比）。

表5 碳酸鈉摻量對淤泥固化土抗壓強度的影響

由表5 可知，同氫氧化鈉類似，在摻量小于5%時，碳酸鈉的摻入對淤泥固化土抗壓強度的提升貢獻較小。當摻量超過5%時，淤泥固化土的抗壓強度迅速提高，當摻量達到10%時，淤泥固化土的7、28 d 抗壓強度分別為0.79、1.09 MPa。繼續(xù)增加碳酸鈉摻量，固化土的抗壓強度繼續(xù)提高。當摻量達到20%，淤泥固化土的7、28 d 抗壓強度分別為1.20、1.67 MPa。

綜合考慮表4 和表5 可知，當氫氧化鈉和碳酸鈉超過5%的摻量時對淤泥固化土的抗壓強度提高明顯。為此研究了碳酸鈉和氫氧化鈉復(fù)合對淤泥固化土抗壓強度的影響，結(jié)果如表6 所示。

表6 氫氧化鈉和碳酸鈉復(fù)合摻量對淤泥固化土抗壓強度的影響

由表6 可知，相比單獨摻加，氫氧化鈉和碳酸鈉復(fù)合明顯提高了淤泥固化土的抗壓強度。10%氫氧化鈉和10%碳酸鈉復(fù)合淤泥固化土7、28 d 抗壓強度分別為1.46、2.37 MPa，相較單獨摻加20%氫氧化鈉，固化土7、28 d 抗壓強度分別提高了33%、78%；相較單獨摻加20%碳酸鈉，固化土7、28 d 抗壓強度分別提高了22%、42%。并且固化土抗壓強度提高明顯，沒有呈現(xiàn)降低趨勢。

2.3 SEM 分析

為了分析不同堿激發(fā)材料（占淤泥土質(zhì)量百分比）對淤泥固化土微觀結(jié)構(gòu)的影響，開展了SEM 測試。復(fù)合激發(fā)淤泥固化土的SEM 形貌如圖3 所示（膠凝材料總量占淤泥土質(zhì)量20%，其中包含10%水泥和10%鋼渣粉）。

分析圖3（a）可知，20%水泥的摻入使固化土微觀表面粗糙不平，出現(xiàn)更多大的凸起松散顆粒，存在較多孔隙；當5%氫氧化鈉和5%碳酸鈉復(fù)合摻入后[如圖3（b）]，固化土微觀表面更密實，但仍然有較多凸出的松散顆粒；當10%氫氧化鈉和10%碳酸鈉復(fù)合摻入后[如圖3（c）]，固化土微觀表面進一步密實，整體性較強，表面凸出的松散顆粒較少。局部放大后分析圖3（d）可知，20%水泥的摻入固化土生成了薄片狀的水化硅鋁酸鈣，以及針柱狀的鈣礬石，表面分布少量的硅酸鈣凝膠。同時存在較多孔洞和大的裂紋，主要原因是隨著水泥摻量的增加，膠凝材料收縮特性逐漸增大，逐漸出現(xiàn)收縮裂紋。因此盡管增加水泥摻量可以提高固化土抗壓強度，但是有一個閾值。當5%氫氧化鈉和5%碳酸鈉復(fù)合摻入后[如圖3（e）]，固化土生成了薄片狀的水化硅鋁酸鈣，同時表面分布有更多數(shù)量的硅酸鈣，同時孔洞的數(shù)量和體積明顯減小，沒有出現(xiàn)明顯的裂紋，固化土密實性進一步提高。當10%氫氧化鈉和10%碳酸鈉復(fù)合摻入后[如圖3（f）]，固化土微觀表面可觀察到少量薄片狀水化硅鋁酸鈣，以及覆蓋了大面積的硅酸鈣凝膠，硅酸鈣凝膠將土顆粒、水化物等連接成一個整體，整體密實性明顯得到進一步提高，因此該配比固化土表現(xiàn)出了最好的力學(xué)性能。

圖3 不同激發(fā)劑作用下固化土的微觀形貌照片

3 結(jié)論

（1）水泥摻量較小時（＜10%）對固化土抗壓強度提高較小，繼續(xù)增加水泥摻量，固化土抗壓強度逐漸提高。鋼渣粉摻量較小時（＜10%）對固化土抗壓強度影響較小，繼續(xù)增大摻量，固化土7 d 抗壓強度降低明顯，28 d 抗壓強度逐漸提高。

（2）氫氧化鈉和碳酸鈉對固化土抗壓強度影響類似，在摻量較小時（＜5%）對激發(fā)效果不明顯，繼續(xù)增加摻量，固化土抗壓強度迅速提高，之后提高趨勢逐漸減小，摻量＞10%時，氫氧化鈉組抗壓強度提高趨勢明顯小于碳酸鈉組。氫氧化鈉和碳酸鈉復(fù)合摻入對固化土性能提升優(yōu)于單一材料激發(fā)，10%氫氧化鈉和10%碳酸鈉復(fù)合組28 d 抗壓強度達到2.37 MPa，相較20%氫氧化鈉組、20%碳酸鈉組分別提高了78%、42%。

（3）純水泥固化土需要增大摻量才能有較好的固化效果，微觀結(jié)構(gòu)水化產(chǎn)物顆粒較大，硅酸鈣膠凝材料較少，孔洞較多，且增大摻量會導(dǎo)致微觀結(jié)構(gòu)由于膠凝材料的收縮產(chǎn)生大的裂紋，因此水泥摻量存在閾值。氫氧化鈉和碳酸鈉復(fù)合激發(fā)鋼渣粉基固化劑，隨著摻量增大，硅酸鈣膠凝材料數(shù)量逐漸增多，并將薄片狀水化硅鋁酸鈣、土顆粒等組分連接成一個整體，微觀結(jié)構(gòu)的整體性及密實性逐漸提高，從而固化土抗壓強度提高明顯。