工業(yè)廢渣協(xié)同水泥固化渠道地基鹽漬土強度及微觀機理研究

丁永發(fā)，李宏波,2,3*，張軒碩，李盛

工業(yè)廢渣協(xié)同水泥固化渠道地基鹽漬土強度及微觀機理研究

丁永發(fā)1，李宏波1,2,3*，張軒碩1，李盛1

（1.寧夏大學土木與水利工程學院，銀川 750021；2.寧夏節(jié)水灌溉與水資源調(diào)控工程技術研究中心，銀川 750021；3.旱區(qū)現(xiàn)代農(nóng)業(yè)水資源高效利用教育部工程研究中心，銀川 750021）

寧夏銀北平原引黃灌溉區(qū)混凝土渠道板易受鹽漬土地基凍脹、腐蝕及溶陷發(fā)生破壞，為解決渠道鹽漬土地基工程病害問題開展固化鹽漬土試驗研究。針對寧夏地區(qū)全鹽量為23%超硫酸鹽漬土，通過正交試驗方法，研究了不同水泥摻量（2%、4%、6%）、粉煤灰摻量（10%、20%、30%）、硅灰摻量（1%、3%、5%）及脫硫石膏摻量（3%、6%、9%）對固化鹽漬土無側限抗壓強度的影響；利用XRD、SEM和EDS探究了較高強度配合比固化鹽漬土的反應產(chǎn)物、微觀結構和固化機理。各因素對抗壓強度影響的主次順序為水泥>硅灰>粉煤灰>脫硫石膏；粉煤灰、硅灰、脫硫石膏協(xié)同水泥固化鹽漬土無側限抗壓強度較未固化鹽漬土有大幅提升，且6%摻量水泥+10%摻量粉煤灰+6%摻量脫硫石膏+5%摻量硅灰固化效果最佳；4種固化劑間的交互協(xié)同作用促進了混合物中的硅氧、鋁氧微晶格溶解，與鹽漬土中Ca2+結合生成C-S-H、C-A-H凝膠以及AFt等物質(zhì)，這些膠凝體相互堆疊構成整體空間骨架結構，增加了固化鹽漬土的抗壓強度；EDS能譜檢測分析SEM微觀圖中典型形貌生成物，驗證了其生成物成分。將10%粉煤灰、5%硅灰、6%脫硫石膏協(xié)同6%水泥用于渠道鹽漬土固化具有可行性，為3種工業(yè)廢渣協(xié)同水泥固化鹽漬土工程應用提供參考。

固化鹽漬土；抗壓強度；微觀結構；固化機理

0 引言

【研究意義】隨著寧夏銀川平原引黃灌溉區(qū)域面積逐漸擴大，銀川平原以北灌溉區(qū)面臨土地鹽漬化。鹽漬土作為渠道的地基土，土中的鹽分易受含水率、溫度的影響遷移聚集至混凝土渠道板，產(chǎn)生鹽-凍脹、溶陷、腐蝕等破壞，對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和水資源高效利用構成直接威脅。實現(xiàn)鹽漬土固化并使之具有良好的強度和耐久性能，是實現(xiàn)渠道地基加固的基礎和前提，對銀川平原鹽漬土地區(qū)渠道加固和修復具有重要意義。

【研究進展】近年來，隨著工業(yè)固廢物渠道利用不斷開拓，國內(nèi)外研究人員對不同改性材料固化鹽漬土開展了許多探索，取得了突出成果。張莎莎等[1]研究發(fā)現(xiàn)粗粒鹽漬土中摻加石灰和火山灰土壤結構性、抗變形能力增強，鹽漲溫度敏感區(qū)間和溶陷率均降低。李宏波等[2-4]通過研究發(fā)現(xiàn)，將不同摻比的水泥、粉煤灰、硅灰和鎂渣作為固化劑，對提高固化硫酸鹽漬土的力學性能、收縮性能、抗凍性能效果明顯。張立力等[5]使用高鎂鎳渣-磷石膏基膠凝材料等工業(yè)固廢物開展現(xiàn)場加固淤泥鹽漬土試驗，對試驗段采樣進行強度、電導率、pH等多項指標檢測分析，結果表明，固化淤泥鹽漬土理化性質(zhì)明顯得到改善。王一名等[6]用混凝土再生微粉分別替代水泥和粉煤灰固化硫酸鹽漬土，研究了其強度特性和固化機理，證實了一定替代率的混凝土再生微粉可以有效提高鹽漬土的強度。呂擎峰等[7-8]開展了水玻璃聯(lián)合水泥、粉煤灰強度特性和水鹽運移相關研究，認為水玻璃有效降低了鹽漬土中的硫酸根離子濃度，抗壓強度隨水玻璃摻量增加呈線性增長，有效抑制了鹽漲。張洋等[9]發(fā)現(xiàn)天然沸石結合有機材料對濱海鹽漬土進行改良，能有效減低Ca2+、Mg2+和SO42-質(zhì)量分數(shù)和全鹽量。Abbasi等[10]將火山灰和粉煤灰用于伊朗粉質(zhì)沙土改良，改良后強度特性優(yōu)化明顯。Cristelo等[11]將強堿作為粉煤灰拌合土激發(fā)劑，分析了硅鋁酸鹽（N-A-S-H）凝膠體對強度的影響?！厩腥朦c】上述研究結果表明，目前利用1～2種固化劑改良弱中鹽漬土的強度及固化機制較為完善，針對臨水設施病害嚴重的超鹽漬土地區(qū)，采用復合固化劑固化超鹽漬土的強度及固化機制研究較少。寧夏地區(qū)每年因工業(yè)生產(chǎn)、火力發(fā)電產(chǎn)生的大量粉煤灰、脫硫石膏、硅灰等工業(yè)固廢物大量露天堆放，不僅占用土地、污染環(huán)境，而且浪費資源。工業(yè)廢渣協(xié)同水泥處理技術應用于渠道地基加固，不僅能提高渠道地基土強度，還能實現(xiàn)工業(yè)固廢物再生利用。

【擬解決的關鍵問題】為此，本文選取粉煤灰、硅灰、脫硫石膏協(xié)同水泥固化渠道鹽漬土，開展了無側限抗壓強度試驗、利用X射線衍射（XRD）、掃描電鏡（SEM）、能譜分析（EDS），研究鹽漬土改良前后礦物成分、微觀結構、元素量，對固化機理進行了深入探討。旨在為寧夏地區(qū)工業(yè)固廢應用于渠道鹽漬土地基加固提供參考。

1 試驗部分

1.1 試驗材料

試驗所用鹽漬土取自寧夏平羅縣前進農(nóng)場渠道地基，經(jīng)過去除雜質(zhì)、晾曬碾壓，用2 mm篩篩分處理，取用篩下土樣。土樣的顆粒級配分布曲線如圖1所示，基本物理指標及離子成分見表1，其中Cl-/SO42-=0.296<0.30，含鹽量大于6%，屬于超硫酸鹽漬土[12]，XRD檢測結果顯示鹽漬土主要礦物成分為石英、斜方鈣沸石、方解石（圖2）。粉煤灰和脫硫石膏取自寧夏銀川市西夏區(qū)熱電廠，硅灰為中通偉業(yè)工程材料有限公司生產(chǎn)，水泥采用賽馬牌P?O 42.5水泥，固化劑主要成分如表2所示。

表1 鹽漬土物理指標與離子組成

圖1 鹽漬土顆粒級配分布曲線 圖2 天然鹽漬土XRD圖譜

表2 固化劑化學成分及其量

1.2 試驗方案及試件制備

研究表明，粉煤灰摻量低，固化效果不明顯，摻量過高影響早期強度。粉煤灰摻加25%固化鹽漬土性能較優(yōu)[2]，為提高工業(yè)利用率，減少水泥熟料使用，水泥經(jīng)濟摻量不大于6%，硅灰摻量宜控制在10%以內(nèi)[3-4]?；诖?，為了較為全面的研究水泥、粉煤灰、硅灰和脫硫石膏混摻對渠道鹽漬土固化后強度特性的影響規(guī)律，采用4因素3水平正交試驗方案，試驗方案見表3所示；由于本試驗水泥、硅灰、脫硫石膏相對粉煤灰摻量小，影響固化鹽漬土最佳含水率與最大干密度的主要影響因素為粉煤灰摻量，故對粉煤灰摻量為0%、10%、20%、30%的鹽漬土進行擊實試驗，擊實試驗結果見表4，粉煤灰摻量變化引起混合土最佳含水率和最大干密度波動較大。

為保證試樣均勻性，將固化劑和鹽漬土放入凈漿攪拌機攪拌5 min，稱量自來水加入噴壺邊噴邊攪拌至均勻，然后用保鮮膜包裹密封24 h至水分散布均勻，試樣模具為高度50 mm、直徑50 mm的鋼模，設計壓實度96%，裝樣時嚴格控制質(zhì)量，分3層裝入并采用雙向靜力壓實法制樣，放置養(yǎng)護箱恒溫恒濕進行標準養(yǎng)護。

無側限抗壓強度采用YAW-300 kN微機控制電子壓力試驗機，加載速率1 mm/min，以每組3個平行試樣強度平均值作為代表性結果；XRD使用日本理學公司生產(chǎn)的Dmax2200/PC X射線粉末衍射儀，射線管功率2.0 kW，掃描范圍：3o～85o；SEM及EDS能譜分析使用德國ZEISS公司生產(chǎn)的EVO 18鎢燈絲掃描電子顯微鏡。

表3 正交試驗方案

注 A、B、C、D分別表示水泥、粉煤灰、硅灰、脫硫石膏摻量百分比。

表4 粉煤灰鹽漬土擊實試驗結果

2 無側限抗壓試驗結果分析

正交試驗結果分析采用極差分析法，表5給出了不同配比固化鹽漬土7、28 d無側限抗壓強度；以各因素k為縱坐標，因素水平為橫坐標繪制極差指標圖如圖3所示。

表5 無側限抗壓強度試驗結果

注 A、B、C、D分別表示水泥、粉煤灰、硅灰、脫硫石膏摻量百分比，下標代表摻量水平。

圖3 極差指標圖

由試驗結果可知，7 d齡期，水泥、粉煤灰、硅灰、脫硫石膏因素對固化鹽漬土無側限抗壓強度的極差分別為2.223、0.673、0.980、0.183，各因素對抗壓強度影響的主次順序為水泥>硅灰>粉煤灰>脫硫石膏，從極差指標圖可以看出水泥取6%（A3）、粉煤灰取10%（B1）、硅灰取5%（C3）、脫硫石膏取6%（D2）固化鹽漬土抗壓強度最大，較優(yōu)配比為A3B1C3D2，同抗壓強度試驗結果一致；28 d齡期，水泥、粉煤灰、硅灰、脫硫石膏因素對固化鹽漬土無側限抗壓強度的極差分別為3.580、0.550、0.963、0.063，各因素對抗壓強度影響的主次順序為水泥>硅灰>粉煤灰>脫硫石膏，從極差指標圖可以看出水泥取6%（A3）、粉煤灰取10%（B1）、硅灰取5%（C3）、脫硫石膏取3%（D2）固化鹽漬土抗壓強度最大，較優(yōu)配比為A3B1C3D1，試驗配合比無此設計組合，與此配合比相近的試驗組合A3B1C3D2抗壓強度達到6.24 MPa。各因素效應極差直觀分析可以看出，同7 d相比，28 d水泥摻量變化對抗壓強度影響更顯著，粉煤灰、硅灰、脫硫石膏隨摻量變化對不同齡期固化鹽漬土抗壓強度影響顯著性變化較小。較優(yōu)配合比方案A3B1C3D27 d和28 d抗壓強度分別達到5.01、6.24 MPa，是未固化鹽漬土強度的15、20倍，均為最大值，A3B3C2D1組合強度增長幅度最大，28 d強度較7 d提高了64.1%。

3 XRD試驗結果分析

對試驗結果較優(yōu)、強度增長明顯的兩組配比（A3B1C3D2、A3B3C2D1）進行XRD分析，對比天然鹽漬土圖2，7 d和28 d養(yǎng)護齡期下的固化鹽漬土均新增水化硅酸鈣CaO·SiO2·H2O（C-S-H）、水化鋁酸鈣CaO?Al2O3?H2O（C-A-H）晶體衍射峰，且28 d養(yǎng)護齡期較7 d SiO2晶體衍射峰值明顯減小，C-S-H、C-A-H衍射強度更高，這是因為固化鹽漬土中的SiO2參與水化反應生成C-S-H、C-A-H。XRD中（2θ=52o）存在Ca(OH)2衍射峰，固化劑中存在部分游離的CaO和Ca(OH)2，CaO與H2O反應生成Ca(OH)2，水泥中的CaO·SiO2水化作用也會產(chǎn)生一定量的Ca(OH)2，28 d衍射峰值較7 d有所減弱，這主要是因為粉煤灰硅灰提供的Ca(OH)2和水泥水化產(chǎn)生的Ca(OH)2逐漸被消耗。圖4（a）、圖4（b）中均存在明顯的AFt衍射峰，28 d衍射峰較7 d明顯加強，由于Ca(OH)2和石膏的存在，粉煤灰和硅灰潛在的水硬性被激發(fā)，礦渣玻璃體結構被解離，水泥中富含CaO，在SO42-的環(huán)境中容易生成AFt，鈣礬石具有膨脹填充孔隙的作用，是后期固化土強度提高的主要原因。圖4（b）（2θ=51o）7、28 d中存在Al2O3晶體相，粉煤灰中Al2O3量高，達到37.92%，大摻量粉煤灰早期活性低、水化反應慢，故未反應的Al2O3量多，是固化鹽漬土早期強度低的主要原因。

圖4 固化鹽漬土XRD

4 固化鹽漬土微觀結構及反應機理分析

4.1 固化鹽漬土微觀結構分析

試驗選取7、28 d抗壓強度較高、強度增長明顯的2組配合比進行微觀結構分析，圖5（a）、圖5（b）分別為不同齡期放大倍數(shù)為2.0 kX、400 X的鹽漬土微觀形貌圖，圖5（c）、圖5（f）分別為固化鹽漬土養(yǎng)護齡期為7、28 d的微觀形貌圖。

從圖5（a）、圖5（b）可以看出，未固化鹽漬土屬于分散結構，鹽漬土結構疏松、孔徑大，土樣主要以大顆粒片狀、細小顆粒團簇狀、鹽結晶3部分組成，顆粒間以點-點、面-面接觸。大量片狀體、細枝狀晶體包裹小顆粒形成凝膠體，附著在大顆粒表面和顆粒間隙中，使顆粒表面難以辨認，這些片狀體、細枝狀是NaSO4、CaSO4與土中其他物質(zhì)結晶形成的。摻加固化劑后，混合土變成絮凝結構，顆粒間以面-邊、面-角接觸為主[13]，固化劑與土中相應成分發(fā)生物理及化學反應，土體中硫酸鹽量減少，鹽分減小使其結構特征凸顯出來（如圖5（c）—圖5（f）），土顆粒表面生成的蜂窩狀C-S-H、C-A-H亂序堆積形成架空結構，將單個土顆粒聯(lián)合成整體，土中還存在柱狀CaSO4晶體。觀察SEM圖可以看出，圖5（c）、圖5（f）較圖5（e）孔隙率小，顆粒結合凝膠物質(zhì)排列更致密，這主要是因為A3B3C2D1較A3B1C3D2粉煤灰摻比高，固化鹽漬土早期強度主要來自水泥水化產(chǎn)生的膠凝物質(zhì)，而粉煤灰摻量大，潛在活性很難激發(fā)出來，固化土中存在未反應的球形粉煤灰、硅灰顆粒，導致A3B1C3D2早期水化的膠凝物質(zhì)少，這與其宏觀強度表現(xiàn)出的規(guī)律一致。方案A3B1C3D2、A3B3C2D1固化鹽漬土28 d抗壓強度較7 d分別增長24.6%、64.1%，粉煤灰中的硅鋁鐵氧化物參與土中化學反應，這種化學反應對強度的增長有積極作用。從28 d SEM圖中能明顯看出，土粒表面生成大量六棱柱狀AFt，其填充于孔隙間，與C-A-H、C-S-H吸附堆疊成整體結構，增強了顆粒體系間的黏結力。

4.2 X射線能譜分析

結合電鏡掃描圖，利用X射線能譜分析（EDS）對固化鹽漬土中不同形貌特征的生成物進行元素分析，進一步確定其化學組成成分。

對配比A3B1C3D2（圖6（a））中的網(wǎng)狀物質(zhì)進行元素分析，網(wǎng)狀結構中Ca和Si原子質(zhì)量占比分別為14.98%和7.88%，n(Ca)/n(Si)=1.90，而與Yu等[14]研究結果C-S-H中鈣硅比介于2.3～2.9之間有偏差，這主要是水泥較固化鹽漬土水化速度快，生成的C-S-H量多，而固化鹽漬土中摻雜粉煤灰、脫硫石膏、硅灰等固化劑，延緩了水化進程，EDS分析會受到未水化的粉煤灰、硅灰顆粒的影響。對圖6（b）中的條狀物進行元素分析，Ca原子質(zhì)量為20.15%，Si原子占8.5%，Al原子占8.36%，n(Ca)/n(Si)/n(Al)≈2∶1∶1，說明此類水化產(chǎn)物為C-A-H或（C-(A)-S-H），可以看出，水化硅酸鈣和水化鋁酸鈣是粉煤灰、硅灰、脫硫石膏協(xié)同水泥固化鹽漬土的早期強度支撐。元素分析結果顯示鹽漬土中含有少量鉀鹽，K2SO4可通過中和酸性的Si-OH基團進入C-S-H層間位置，即K+占據(jù)Si-OH中的H的位置[15]，可能對C-S-H凝膠產(chǎn)生一定影響。

理論研究表明[16]，含有S、Ca、Al的化合物混合在一起，滿足化學計量比時，就有可能生成鈣礬石，同時鈣礬石的形貌、晶體尺寸與環(huán)境及礦物摻合料等多重組分的供給平衡有關，對配比A3B3C2D1齡期28 d中生成的棱柱狀晶體分析（圖6（c）），S原子占2.31%，Al原子占3.72%，n(S)/n(Al)=1.61，結合XRD化合物檢測結果，存在C3A（3CaO·Al2O3），土中含有較多CaSO4·2H2O及硫酸鹽，能夠促進生成更多AFt生成，延緩其向AFm轉化，綜合分析可判定該晶體為AFt。7 d齡期、粉煤灰（FA）摻量30%的固化鹽漬土存在大量表面被侵蝕球形顆粒，由圖6（d）可知，Si、Al、Fe元素量分別為14.66%、14.87%、2.99%，含量相對較高，可判定該球形顆粒為未水化的粉煤灰顆粒，進一步表明過量粉煤灰不利于固化鹽漬土早期強度的提高。

4.3 固化鹽漬土反應機理探討

在鹽漬土中加入水泥、粉煤灰、硅灰及脫硫石膏會產(chǎn)生一系列物理化學反應，主要包括水泥水化物與黏土顆粒產(chǎn)生凝硬反應、離子交換和團?；饔?、火山灰作用等。

1）水泥水化及凝硬反應

鹽漬土具有吸收陰陽離子并使他們具有可交換的狀態(tài)，黏土顆粒表面負電荷比正電荷占優(yōu)勢，所以陽離子比陰離子更容易吸收。水泥及少量粉煤灰水化產(chǎn)生Ca2+、Mg2+會把鹽漬土中的K+、Na+置換出來，這種在堿性介質(zhì)中的離子交換反應，減小了土粒表面吸附Ca2+擴散層，促進土團粒進一步聯(lián)結和凝聚，形成蜂窩狀結構。隨水泥水化深入，鹽漬土中大部分的硅鋁礦物與Ca2+發(fā)生化學反應生成結晶化合物水化硅酸鈣（C-S-H）、水化鋁酸鈣（C-A-H）凝膠體，這兩種凝膠呈纖維網(wǎng)狀和團簇狀，交織包裹在土顆粒表面，提高了鹽漬土強度。28 d XRD中C-S-H、C-A-H峰值升高，SiO2峰值降低，證明了固化鹽漬土中SiO2參與了水化反應。

2）火山灰作用

水泥水化析出的氫氧化鈣Ca(OH)2吸附到硅灰、粉煤灰顆粒表面與其活性成分產(chǎn)生火山灰反應，生成水化硅酸鈣和水化鋁酸鈣等膠凝物質(zhì)，提高了固化鹽漬土強度，反應式如（1）。硅灰和粉煤灰主要活性成分為SiO2、Al2O3及Fe2O3，表面具有Si-O-Al雙層保護膜，其潛在活性很難激發(fā)出來，當存在Ca2+和pH>13.15時活性礦物易析出[1]，反應式如式（2）—式（4）；在Ca2+和Na+作用下促進了-Si-O-Si-和Ca(OH)2的生成。

Ca(OH)2+SiO2+(-1)H2O=CaO·SiO2·H2O

Ca(OH)2+Al2O3+(-1)H2O=CaO·Al2O3·H2O，（1）

-Si-O-Si-+OH-→-Si-O+Si-OH，（2）

-Si-O-+OH-→O-Si-OH，（3）

-Si-O-+Ca2++OH-+-O-Si-OH→-Si-O-Si-+Ca(OH)2。（4）

3）CaSO4·2H2O、AFt及其衍生結晶體生成

反應物中的CaSO4一部分來自脫硫石膏，另一部分來自鹽漬土中SO42-與Ca(OH)2反應生成物，CaSO4同4CaO·Al2O3·13H2O（水化鋁酸鈣）反應生成AFt；離子檢測結果表明鹽漬土中存在一定量的CO32-，CO32-能與CaO、Al2O3、和H2O組合成三鹽型或高鹽型的四元水化物，其化學式為3CaO·Al2O3·3CaCO3·30H2O，其在結構上與鈣礬石大致相同[17]。除了Al2O3，鹽漬土中同樣存在Fe2O3，由Fe2O3替代Al2O3形成部分鐵鈣石，化學式為Ca6Fe2(SO4)3(OH)12。

5 討論

水泥作為傳統(tǒng)固化劑，能較好提高固化鹽漬土強度[18-19]，但水泥生產(chǎn)成本高、能耗大，不利于“雙碳”目標的實現(xiàn)，國內(nèi)諸多研究學者也另辟蹊徑，利用添加纖維、稻殼灰、硅微粉[20-23]等多種改性固化方法研究改良鹽漬土的理化性質(zhì)，取得了豐碩的成果，纖維加筋鹽漬土作為一種傳統(tǒng)物理固化方法，能提高其抗變形能力，但纖維難以保證加筋均勻性[24]；粉煤灰和石灰也是理想的固化鹽漬土材料，隨著研究不斷深入，二灰中添加適宜摻量有機高分子材料其抗凍性能改善明顯[25]；工業(yè)廢渣是一種理想的土壤固化劑，但使用時要充分考慮是否含有對環(huán)境產(chǎn)生污染的成分。隨著鹽漬土改良技術向縱向深發(fā)展，國內(nèi)外研究趨向于運用多源數(shù)據(jù)融合與水鹽運移過程多尺度模擬揭示鹽漬化驅(qū)動機制[26]，進而優(yōu)化改良技術，這為未來鹽漬土治理指明了發(fā)展方向。使用鹽漬土固化劑要因地制宜，變廢為寶，寧夏銀川市每年產(chǎn)生大量粉煤灰、硅灰和脫硫石膏，資源再生利用問題亟待解決；研究多種復合固化劑固化渠道鹽漬土，為提高渠道灌溉水資源利用率、實現(xiàn)變廢為寶奠定基礎。

本文利用3種工業(yè)廢渣協(xié)同水泥固化鹽漬土，6%水泥+10%粉煤灰+5%硅灰+6%脫硫石膏固化鹽漬土，強度較未固化土提高了20倍，微觀結構結合化學反應機理分析表明，固化鹽漬土強度主要來自于C-S-H、C-A-H及AFt等膠凝物質(zhì)，這些膠凝物質(zhì)與土顆粒間粘結、共同構成空間骨架結構、提高了土的抗壓強度；脫硫石膏的加入還能有效抑制離子遷移，從而減小離子遷移對渠道板的腐蝕破壞；固化鹽漬土的抗剪、抗凍、抗?jié)B性能是評價實際服役能力的重要指標，是后續(xù)研究的重點。

6 結論

1）各因素對抗壓強度影響的主次順序為水泥>硅灰>粉煤灰>脫硫石膏，大摻量粉煤灰不利于固化鹽漬土7 d強度提升，但28 d強度增長明顯；硅灰、脫硫石膏摻量適中協(xié)同6%水泥固化鹽漬土7、28 d強度均達到正交配比最大值，鹽漬土固化最優(yōu)摻比為水泥摻量6%、粉煤灰摻量10%、硅灰摻量5%、脫硫石膏摻量6%。

2）XRD試驗結果表明，固化鹽漬土7 d強度主要來自C-S-H、C-A-H、AFt，各因素間的交互作用促進大摻量粉煤灰鹽漬土28 d齡期生成的AFt較7 d齡期有明顯提升，與其無側限抗壓強度變化規(guī)律一致。

3）SEM圖片表明，隨齡期增長，固化鹽漬土較固化前孔隙率降低，土顆粒表面和孔隙間生成了大量膠凝物質(zhì)，這些產(chǎn)物相互膠結，土粒間的排布關系由單顆粒和細小顆粒團簇狀變成空間網(wǎng)狀結構，加強了土粒、鹽分、膠凝物質(zhì)間的相互黏接力。

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Using Mixture of Industrial Waste Residues and Cement to Reinforce Channel Foundation in Salinized Soils

DING Yongfa1, LI Hongbo1,2,3*, ZHANG Xuanshuo1, LI Sheng1

(1. College of Civil and Hydraulic Engineering, Ningxia University, Yinchuan 750021, China; 2. Ningxia Research Center of Technology on Water-saving Irrigation and Water Resources Regulation, Yinchuan 750021, China; 3. Engineering Research Center for Efficient Utilization of Water Resources in Modern Agriculture in Arid Regions, Yinchuan 750021, China)

Concrete channel slabs used in the Yellow River diversion irrigation channels in Yinbei Plain in Ningxia province are susceptible to frost swelling, corrosion and dissolution induced by soil salinity. Different mitigation techniques have been proposed and the purpose of this paper is to investigate the efficacy of reinforcing the channel foundation by mixture of cement and industrial residuals.The salinized soil in the foundation was reinforced by cement mixed with various industrial residuals at different ratios. Overall, there were three cement ratios (weight/weight): 2%, 4% and 6%, each being mixed with fly ash at ratio of 10%, 20% or 30%; silica fume at ratio of 1%, 3% or 5%, and desulfurization gypsum at ratio of 3%, 6% or 9%. For each reinforced specimen, we measured its strength using unconfined compressive test, and then analyzed its XRD, SEM and EDS images.The agents that affected the strength of the reinforced specimens most is ranked in the order of cement>silica ash>fly ash>desulfurization gypsum. The unconfined compressive strength of the reinforced soil was significantly higher than that of untreated soil specimens. Mixing 6% cement with 10% of fly ash, 6% of desulfurization gypsum and 5% of silica fume was optimal. Synergistic interaction between them promoted dissolution of silica and aluminum oxygen micro-lattice. In combination with Ca2+in the soil, they generated C-S-H, C-A-H gels. These gels stacked with each other forming a spatial skeleton structure, increasing compressive strength of the specimen as a result. EDS energy spectrum analysis of morphology of the SEM images proved the composition of the mixture.Reinforcing the salinized soil in channel foundation by mixing it with 10% of fly ash, 5% of silica fume, 6% of desulfurized gypsum and 6% of cement was optimal to solidify the soil.

soil reinforcement; compressive strength; microstructure; salinized; channel foundation

TU411. 7

A

10.13522/j.cnki.ggps.2022053

丁永發(fā), 李宏波, 張軒碩, 等. 工業(yè)廢渣協(xié)同水泥固化渠道地基鹽漬土強度及微觀機理研究[J]. 灌溉排水學報, 2022, 41(6): 113-120.

DING Yongfa, LI Hongbo, ZHANG Xuanshuo, et al. Using Mixture of Industrial Waste Residues and Cement to Reinforce Channel Foundation in Salinized Soils[J]. Journal of Irrigation and Drainage, 2022, 41(6): 113-120.

1672 - 3317（2022）06 - 0113 - 08

2022-01-24

國家自然科學基金項目（52069025）；寧夏高等學校一流學科（水利工程學科）資助項目（NXYLXK2021A03）

丁永發(fā)（1999-），男，寧夏海原人。碩士研究生，主要從事鹽漬土固化研究。E-mail: NXUMrDing@163.com

李宏波（1977-），男，陜西藍田人。副教授，博士研究生，主要從事水工結構及道路材料研究。E-mail: lhbiongo@126.com

責任編輯：趙宇龍