礦渣-水玻璃固化黃土的特性研究

王松，郭慶，徐立新，甄凱軍，許鑫

（蘭州交通大學 材料科學與工程學院，甘肅 蘭州 730070）

0 引言

黃土是一種在干燥氣候條件下形成的黃褐色風沙沉積物，其礦物成分有石英、長石和云母，化學成分主要有SiO2、Al2O3、CaO，還有少量的K2O、MgO和Fe2O3[1-2]。雖然黃土在我國擁有豐厚資源，但黃土的利用率較低，其大孔隙弱膠結及架空結構致使黃土濕陷性大、濕化強度低，水和地震等動態(tài)載荷容易破壞黃土結構，造成山體滑坡、地基塌陷等一系列地質(zhì)災害[3-4]。礦渣是高爐冶煉后的固體廢棄物，常年堆砌造成對空氣、土壤、水系等污染和危害。其中主要成分也為CaO、SiO2、Al2O3，它是在高溫熔融狀態(tài)下流出經(jīng)水淬冷卻得到，所以其活性大。在堿激發(fā)劑作用下，易發(fā)生解離、縮聚反應，形成一種以—Si—O—Al—O—空間網(wǎng)狀結構的地質(zhì)聚合物，是一種環(huán)保型凝膠材料[5-8]。

目前對黃土的傳統(tǒng)固化方式大多為植樹造林，在公路邊坡及隧道等易發(fā)生自然災害區(qū)域，多采用澆筑水泥砂漿進行防護。但由于水泥價格相對昂貴，且制備過程中能耗高并伴有大量CO2排放[9-10]。因此，急需一種成本低、來源廣、制備過程無污染且性能符合要求的有效固化黃土方法。

田威[11]使用石英粉對抗疏力固化劑來固化黃土，改善了黃土的強度和剛度，但固化后的黃土脆性增大。牛鵬堯等[12]利用聚丙烯酸鈉混合劑對黃土進行固化，僅是提高了黃土的耐水性，但其抗壓強度不高。張豫川[13]利用脫硫石膏、粉煤灰和水泥來固化黃土，在節(jié)能環(huán)保上有重大意義，但因粉煤灰活性較低，固化后的強度最高僅達到7.39 MPa。張發(fā)文[14]以礦渣、石灰等對污泥進行了固化，經(jīng)固化后的污泥強度較高，可用于部分建筑材料使用。何俊等[15]使用堿渣-礦渣固化高含水率淤泥，其膠結作用使淤泥強度提高，滿足一般填土工程要求。吳俊等[16]利用礦渣-粉煤灰固化淤泥質(zhì)黏土，大大降低了使用水泥固化黏土的高能耗、高成本問題。可見礦渣的膠結固化特性有廣泛的利用價值，利用其膠結特性，可對黃土進行固化研究。

本文以黃土為基體材料，摻入工業(yè)礦渣，使用水玻璃作為堿激發(fā)劑，并添加十二烷基磺酸鈉使之形成均勻穩(wěn)定的分散體系，以制備新型綠色礦渣-水玻璃固化黃土材料。探究了礦渣摻量、水玻璃摻量及模數(shù)對固化黃土材料綜合性能的影響。利用堿激發(fā)礦渣固化黃土能促進廢物利用，變渣為寶，可用于邊坡防護，路基填料等，對減少水土流失，保護生態(tài)環(huán)境有重要意義。

1 實驗

1.1 原料及儀器設備

黃土：甘肅蘭州，按照ASTM標準方法測試其基本物理性質(zhì)，密度為2.71 g/cm3，液限為34.58%，塑限為16.59%，0.075～0.005 mm粒徑占76.68%，最優(yōu)含水率為15.8%；礦渣：甘肅福順通建材有限公司，密度為3.0 g/cm3，平均粒度為16.3μm；水玻璃：分析純，蘭州富明化工有限公司，模數(shù)為3.25，波美度39.5°Bé，SiO2含量為27.54%，Na2O含量為8.52%；氫氧化鈉：分析純，天津市北辰方正試劑廠；十二烷基磺酸鈉：分析純，天津市凱通化學試劑有限公司。黃土及礦渣的主要化學成分見表1。

表1 黃土及礦渣的主要化學成分 %

試驗儀器主要有：電子天平（HX502T500/0.1 g）；混凝土振動臺（ZDT-1000）；增力電動攪拌機（DJ1C）；萬能試驗機（AG-IS）；掃描電子顯微鏡（日本島津SSX-550）；X射線衍射儀（XRD-7000）。

1.2 材料的制備及測試方法

制備流程如圖1所示。首先將原黃土風干，粉碎，振動，再用50目篩子過篩，得到測試黃土。其次將NaOH加入水玻璃溶液中，調(diào)制出模數(shù)（m）為1.2～2.2的水玻璃溶液。準備500 mL燒杯，按不同質(zhì)量百分比將礦渣摻入黃土中并分別置于玻璃容器中得到固體混合粉料（礦渣摻量分別為總固體含量的20%、30%、40%、50%），在混合粉料中摻入不同模數(shù)的水玻璃溶液，其摻量分別為固體混合粉料質(zhì)量的25%、30%、35%、40%。加入完成后用增力攪拌機攪拌15 min，攪拌時加入0.4%十二烷基磺酸鈉，最后得到均勻凝膠體。將凝膠體注入模具中并在振動臺上振動5 min進行夯實，排氣。最后靜置，待膠體凝固后脫模取出，在室溫（25℃）下分別養(yǎng)護3、7、14、28 d。

對固化后樣品分別進行掃描電鏡分析，并按GB/T 50266—2013《工程巖體試驗方法標準》進行吸水率、軟化系數(shù)和抗壓強度等測試，軟化系數(shù)為試樣飽和單軸抗壓強度平均值與試樣烘干單軸抗壓強度平均值的比值。

2 結果與分析

2.1 水玻璃摻量對固化黃土材料性能的影響

不同水玻璃摻量（模數(shù)均為1.8）固化黃土材料的表面形貌如圖2所示。

由圖2可見，在水玻璃摻量為35%時，材料表面整體較為光滑，孔洞較少。當水玻璃摻量過高或者過低時，材料表面都出現(xiàn)許多大大小小的孔洞，直徑為2～3 mm，大孔洞的存在會嚴重影響材料的力學性能及綜合穩(wěn)定性。

不同水玻璃摻量（模數(shù)均為1.8）對固化黃土28 d抗壓強度的影響如表2所示。

表2 水玻璃摻量對固化黃土28 d抗壓強度的影響

由表2可以看出，隨水玻璃摻量的增加，養(yǎng)護28 d后固化黃土的抗壓強度先提高后降低。水玻璃的主要作用是破壞體系中硅氧網(wǎng)絡結構，使其參與基材水化反應，從而提高強度[17]。有研究表明[15]，隨水玻璃摻量增加，凝膠體系中堿度增大，加快了礦渣中玻璃態(tài)硅氧網(wǎng)絡結構解離，加速水化反應，生成了相應的水化產(chǎn)物，使其強度逐漸提高。但隨著水玻璃摻量的繼續(xù)增大，抗壓強度表現(xiàn)出降低的趨勢，這是因為過高的水玻璃摻量加速了礦渣的溶解和解聚與縮聚反應，從而抑制了礦渣的水化作用，凝膠體系減少，影響了礦渣對黃土的固化。

2.2 水玻璃模數(shù)及礦渣摻量對固化黃土抗壓強度的影響

水玻璃模數(shù)是激發(fā)礦渣潛在活性的重要因素。圖3為水玻璃摻量為35%時，水玻璃模數(shù)及礦渣摻量對固化黃土28 d抗壓強度的影響。

由圖3可見，固化黃土的28 d抗壓強度隨水玻璃模數(shù)的增加呈先提高后降低的趨勢，在模數(shù)為1.8時達到最大值。這是由于，在水玻璃模數(shù)較小時，水玻璃溶液中的Na2O的濃度較高，SiO2的濃度相對較低且水玻璃提供的[SiO4]4-離子較少，且礦渣玻璃相中富硅相離解[SiO4]4-速度慢、濃度低，這使得原來的雙重激發(fā)效果變成一種[18]，所以水玻璃模數(shù)較低時堿激發(fā)效果差，其固化膠結黃土的能力弱，綜合穩(wěn)定性差。但隨著水玻璃模數(shù)的增大，溶液中SiO2濃度增大，堿激發(fā)逐漸增強，顆粒表面出現(xiàn)了大量的Al3+，Si4+，Ca2+，相互參與反應生成了凝膠產(chǎn)物——水化硅酸鈣（C-S-H）和水化鋁酸鈣（C-A-H），凝膠產(chǎn)物包裹充填于土體顆粒間，改善了孔徑分布與孔隙結構[19-21]，使得材料結構更加致密，抗壓強度逐漸提高。而當水玻璃模數(shù)大于1.8時，抗壓強度逐漸降低，這是因為水玻璃溶液中的Na2O濃度小，解離得到的OH-離子濃度逐漸降低，硅酸根陰離子聚合度增大，體系中黏度增大，反應變得困難，使得水化產(chǎn)物難以形成，抗壓強度降低。

當水玻璃模數(shù)一定時，固化黃土的28 d抗壓強度隨礦渣摻量的增加而增加。在水玻璃模數(shù)為1.8，礦渣摻量分別為30%、40%、50%時，固化黃土的28 d抗壓強度分別為14.90、21.52、29.95 MPa，較礦渣摻量為20%的（10.50 MPa）分別提高了41.9%、105.0%、185.2%。可以看出，隨礦渣摻量的增加，固化黃土抗壓強度增加越快，這是因為礦渣摻量的增加，導致生成的水化產(chǎn)物數(shù)量也增多，且礦渣本身強度遠大于黃土，所以隨礦渣摻量的增加，固化黃土的抗壓強度增幅較大。

2.3 養(yǎng)護時間對固化黃土的抗壓強度影響

圖4為在室溫（25℃）下，水玻璃摻量為35%、礦渣摻量為50%時，不同水玻璃模數(shù)下養(yǎng)護3、7、14、28 d時的無側限抗壓強度。

由圖4可見，固化黃土的抗壓強度隨養(yǎng)護時間的延長而逐漸提高。以水玻璃模數(shù)為1.8為例，第一階段（養(yǎng)護時間由3 d延長至7 d）抗壓強度提高了10.7 MPa，提升較為明顯；在第二階段（養(yǎng)護時間由7 d延長至14 d）抗壓強度提高了4.7 MPa，提升效果不如第一階段顯著；第三階段（養(yǎng)護時間由14 d延長至28 d）抗壓強度僅提高1.7 MPa，說明在養(yǎng)護14 d后固化黃土的抗壓強度已接近峰值，不再發(fā)生明顯變化。早期強度提升快，是由于礦渣受堿激發(fā)后，活性增強，水化反應速度加快，使得凝膠體系增加，并在較早時間段內(nèi)完成水化反應。所以表現(xiàn)出早期強度發(fā)展較快，后期強度發(fā)展慢。

2.4 固化黃土的吸水性及軟化系數(shù)

材料的吸水率與耐久性有著密切的聯(lián)系，若材料的吸水率過高，隨著溫度、濕度、氣候等變化，會導致材料的含水量在較大范圍內(nèi)波動，從而加快材料的腐蝕風化作用，影響材料的強度和穩(wěn)定性。純黃土由于其大孔隙弱膠結及架空結構，導致其吸水率較高，在水中易崩解破壞，而經(jīng)過固化后，其吸水率降低，在水中有較強的抵抗破壞能力，表現(xiàn)出較強的耐水性。

表3為水玻璃模數(shù)為1.8，摻量為35%時，礦渣摻量對固化黃土吸水率及軟化系數(shù)的影響。

表3 礦渣摻量對固化黃土吸水率及軟化系數(shù)的影響

由表3可見，固化黃土的吸水率隨礦渣摻量的增加呈明顯降低趨勢，而軟化系數(shù)隨礦渣摻量的增加呈明顯增大趨勢。在礦渣摻量為20%時，其吸水率較高（14.0%），軟化系數(shù)較低（0.58）。隨礦渣摻量從20%分別增加到30%、40%、50%，吸水率分別降低了27.1%、42.1%、48.6%，軟化系數(shù)分別提高了24.1%、48.3%、62.1%。軟化系數(shù)是反映材料在潮濕環(huán)境中抵抗破壞的能力。GB/T 8239—2014中規(guī)定，軟化系數(shù)大于0.85為耐水材料。所以礦渣摻量大于40%時，有利于提高黃土材料的耐水性及綜合穩(wěn)定性。

2.5 微觀形貌分析

圖5為水玻璃摻量為35%，礦渣摻量為50%時，不同水玻璃模數(shù)固化黃土的掃描電鏡照片。

從圖5（a）可見，土體中含有許多不規(guī)則未水化的礦渣顆粒分布在土體各個空隙中，且大多孔隙為架空孔隙。從圖5（b）可看出未水化的顆粒逐漸發(fā)生轉(zhuǎn)變，生成凝膠吸附在骨架顆粒周圍，增強了顆粒間的膠結作用。架空孔隙逐漸向粒間空隙轉(zhuǎn)變，強度逐漸提高。隨著水玻璃模數(shù)增大，土體中凝膠物質(zhì)生成的數(shù)量增多，孔隙以粒間孔隙為主[見圖5（c）]。從圖5（d）可見，當水玻璃模數(shù)為1.8時，凝膠物質(zhì)數(shù)量達到最大值，凝膠包裹在骨架顆粒周圍，并占據(jù)剩余未填滿的空隙，形成一種致密的三維空間網(wǎng)絡結構，使強度達到最高。當水玻璃模數(shù)繼續(xù)增大時，堿激發(fā)劑堿性逐漸變小，水玻璃黏度增大影響了礦渣的溶解及縮聚反應，影響了凝膠的產(chǎn)生，導致固化黃土出現(xiàn)了明顯的孔隙及裂紋[見圖5（e）、圖5（f）]，致使強度逐漸降低。

3 結論

（1）在水玻璃摻量為35%時，材料整體成型性較好，缺陷較少。其抗壓強度隨水玻璃模數(shù)的增大呈先提高后降低的趨勢，隨礦渣摻量的增加而提高。當水玻璃模數(shù)為1.8時，礦渣受堿激發(fā)效果最好。

（2）礦渣固化黃土機理為，堿激發(fā)礦渣生成的水化產(chǎn)物填充于黃土骨架中，相互膠結形成空間網(wǎng)絡結構，改善了黃土顆粒內(nèi)部結構及孔隙分布，致使黃土材料結構致密，強度提高，吸水率降低，耐水性增強。

（3）當水玻璃模數(shù)為1.8、摻量為35%，礦渣摻量為50%，固化黃土材料的28 d抗壓強度達29.95 MPa，吸水率為7.2%，軟化系數(shù)達0.94，可滿足邊坡防護等實際工程應用。