使用水泥、赤泥與鋼渣綜合處治軟土的試驗研究

駱峻偉

(南京市江北新區(qū)公共工程建設中心，南京 211899)

赤泥是氧化鋁工業(yè)生產(chǎn)排放的高堿性固體廢棄物，我國每年因工業(yè)煉鋁排放的赤泥多達數(shù)百萬噸。赤泥通常被就地堆存或以泥漿形式排入海洋，不僅占用了大量土地，也對生態(tài)環(huán)境造成了嚴重的威脅。赤泥的主要化學成分包括SiO2、Na2O、Fe2O3、CaO、Al2O3等，因含有強堿性廢水而具有高堿性。燒結法赤泥中含有約5%的堿，拜耳法赤泥的堿含量則高達10%以上，pH值為12～13[1]。赤泥中一般含有少量As、Cr、Cd、V、Mo等重金屬離子，在酸性條件下重金屬離子會溶出，對生態(tài)環(huán)境造成破壞，而赤泥基固化劑具有穩(wěn)定重金屬離子的作用[2]。

鋼渣是煉鋼產(chǎn)生的固體廢棄物，主要化學成分包括SiO2、CaO、Al2O3等，具有潛在的膠凝特性[3]。鋼渣在堿性環(huán)境下被激發(fā)活性并與偏高嶺土反應可形成—O—Si—O—Al—O—無機聚合物網(wǎng)絡結構膠凝材料，即地聚合物[4]。在這類反應中，偏高嶺土的主要作用是提供活性鋁酸鹽成分(Al2O3· 2SiO2)。在堿性環(huán)境下，鋼渣中的硅氧四面體[SiO4]4-反應生成H3SiO4-，[AlO4]的網(wǎng)絡結構解聚，生成H3SiO4-和H3AlO42-，生成物與Ca2+和Na+反應生成沸石類水化物，增強了水泥石的網(wǎng)絡結構，提升了其強度與水穩(wěn)性[5-6]。

鋼渣的激發(fā)劑包括石灰、石膏、氫氧化物、堿金屬的硅酸鹽等。赤泥不僅含有大量強堿性化學物質(zhì)，還含有一定量的活性鋁酸鹽成分，不僅提供了激發(fā)鋼渣所需要的pH環(huán)境，還提供了生成地聚物所需要的化學成分[7]。

盡管鋼渣-赤泥激發(fā)體系在水泥工業(yè)中已經(jīng)有應用[8-10]，但是由于天然地層成分復雜，該激發(fā)體系用于地基處理的效果尚不明了。有學者發(fā)現(xiàn)，采用水泥激發(fā)鋼渣活性也具有良好的效果[11]，而將水泥應用于地基加固已有成熟的經(jīng)驗[12-14]。因此，本文提出一種以水泥、赤泥的堿性激發(fā)鋼渣活性，利用赤泥含有活性鋁酸鹽、鋼渣含有活性硅酸鹽、水泥含有活性鋁酸鹽和硅酸鹽的特性，將兩種廢棄物特性互補形成的復合膠凝材料用于軟土加固的方法，并通過無側限抗壓強度試驗、壓汞試驗和XRD試驗探究了經(jīng)不同材料配比的固化劑固化后的軟土的力學性能和微觀孔隙分布情況，揭示了固化劑的加固原理。

1 試驗方案

1.1 試驗材料

試驗用土為高液限黏土，其天然含水率為50.2%，塑性圖如圖1所示，試驗用土基本物理性質(zhì)指標如表1所示。試驗用水泥為普通硅酸鹽水泥(P.O. 42.5)。鋼渣取自安徽省馬鞍山市某鋼廠，為使用濕式磁選法進行預處理的二次鋼渣，其中含有具備膠凝活性的γ-Ca2SiO4、β-Ca2SiO4和Ca3SiO5。赤泥取自山東省某鋁業(yè)公司，是拜耳法煉鋁產(chǎn)生的尾渣，含有具備膠凝活性的鋁酸鹽成分。鋼渣和赤泥的化學組成及質(zhì)量百分比如表2所示。

圖1 塑性圖

表1 試驗用土基本物理性質(zhì)指標

表2 鋼渣和赤泥的化學組成及質(zhì)量百分比 (%)

1.2 試驗方法

1.2.1 水泥土試樣的制備

在水泥土攪拌樁的現(xiàn)場施工中，水泥的摻量一般為12%～20%[4]。本文擬將所述材料在工程應用中代替水泥漿液作為固化劑，為對比固化材料的效果，復合固化劑摻量取為20%，復合固化劑配比如表3所示(試樣編號中，C表示水泥，S表示鋼渣，RM表示赤泥，下同)。試驗用土含水率取50%。

表3 復合固化劑配比 (%)

首先將試驗用土在60 ℃恒溫烘箱中烘干 48 h，再攆散并用粉土機粉碎，過2 mm土工篩。制樣時，先把固體(干土、赤泥、鋼渣、水泥)放入容器中，用攪拌機充分攪勻，再加入蒸餾水，繼續(xù)攪拌至均勻。將配置好的混合物分層倒入高為100 mm、內(nèi)徑為46 mm的PVC(聚氯乙烯)圓柱管中，每層振搗密實且振出氣泡。每個試樣制作3個平行樣。養(yǎng)護室溫度為20±2 ℃，濕度為95%。養(yǎng)護24 h后脫模并把試樣裝入自封袋，然后放入養(yǎng)護室養(yǎng)護至相應齡期(7～28 d)。

1.2.2 無側限抗壓強度試驗

取出養(yǎng)護至齡期的試樣，脫模并削平上下表面，然后進行無側限抗壓強度試驗。試驗采用南京土壤儀器廠生產(chǎn)的CBR-2承載比試驗儀，加載速度為1 mm/min，出現(xiàn)峰值后停止試驗。

1.2.3 壓汞試驗

采用壓汞法測量土體孔隙大小及分布。從無側限抗壓強度試驗得到的試樣中選取典型碎塊，在液氮中進行冷凍，然后把樣品放入冷阱溫度為 -80 ℃ 的凍干機中，保持24 h不間斷抽真空。最后取出樣品，密封保存待測。壓汞試驗采用美國麥克儀器公司生產(chǎn)的Autopore IV 9500型全自動壓汞儀。

假設土體中的孔隙為圓柱形，則孔隙直徑d與施加壓力p的關系[15]為

(1)

式中，θ為汞與土顆粒的接觸角，取為130°;τ為汞的表面張力，取為0.485 N/m。壓汞試驗施加的壓力范圍為10.5～206.8 MPa，對應測試孔隙直徑為0.006～119 μm。

1.2.4 XRD試驗

試驗采用EMPYREAN型X射線衍射儀，掃描范圍2θ為5°～100°，掃描速率為5°/min。

2 復合膠凝材料固化土強度特征

復合膠凝材料固化土7 d無側限抗壓強度如圖2 所示，復合膠凝材料固化土28 d無側限抗壓強度如圖3所示。從圖2和圖3中可以看出，當復合固化劑中的水泥摻量為0時，固化土強度最低，這是由于此時固化劑的膠凝性能完全由赤泥或鋼渣提供，而赤泥和鋼渣中具有活性的膠凝物質(zhì)比較少，且沒有適合的pH環(huán)境激發(fā)其活性。

圖2 復合膠凝材料固化土7 d無側限抗壓強度

圖3 復合膠凝材料固化土28 d無側限抗壓強度

固化土的無側限抗壓強度基本遵循隨固化劑中水泥摻量增加而增加的規(guī)律，強度的增量主要來自兩個方面：隨著水泥摻量的增加，來自水泥的活性硅酸鈣和鋁酸鈣含量增加，增加了水泥的水化產(chǎn)物；隨著水泥含量的增加，水泥水化過程中產(chǎn)生的堿性環(huán)境激發(fā)了鋼渣和赤泥中的硅酸鈣、鋁酸鈣的水化活性，這部分反應產(chǎn)物也提高了固化土的強度。值得關注的是，固化土的無側限抗壓強度并不是隨固化劑中水泥摻量的增加而單調(diào)提升。當水泥摻量為75%時，C75S25RM0試樣和C75S0RM25試樣的無側限抗壓強度均比水泥摻量為50%的C50S15RM35試樣和C50S25RM25試樣低，這充分說明了水泥水化并不是固化土強度的唯一來源，赤泥、鋼渣的反應產(chǎn)物也提供了一部分強度，且由赤泥、鋼渣水化膠凝提供的強度比25%的水泥增量提供的強度大。這可能是由于赤泥、鋼渣中的活性鋁酸鹽和硅酸鹽成分在水泥水化以及赤泥自身的堿性條件下，生成了地聚物材料，從而提高了固化土的強度。C50S25RM25試樣比C50S15RM35試樣強度高，這是由于鋼渣中活性鋁酸鈣含量較少，固化劑中鋁酸鈣成分除水泥外主要由赤泥提供，赤泥含量的提升相當于改善了活性成分的配比，且提高了反應材料的pH值，因此產(chǎn)生了更好的加固效果。

當固化劑為純水泥時，固化土無側限抗壓強度最高，這說明利用鋼渣和赤泥提供活性膠凝物質(zhì)的方法具有一定局限性。但是，當固化劑中水泥摻量為50%，赤泥、鋼渣各占25%時，固化土的7 d無側限抗壓強度已經(jīng)達到水泥固化土的89.1%，28 d無側限抗壓強度也達到1.03 MPa，為水泥固化土的88.8%，已經(jīng)基本達到實際工程中固化軟土所需的強度。

3 壓汞試驗結果及分析

為進一步研究不同配比固化劑加固效果產(chǎn)生差異的原因，選取3種配比(C50S15RM35、C50S25RM25和C100S0RM0)28 d齡期的典型試樣，通過壓汞試驗測量試樣中不同直徑的孔隙分布，從微觀層面揭示強度差異的原因。

Horpibulsuk[16]基于簇理論將水泥土的孔隙分為三類：孔隙直徑d>10 μm的氣泡；孔隙直徑d在0.01～10 μm范圍內(nèi)的聚合體間的孔隙；孔隙直徑d<0.01 μm的聚合體內(nèi)部孔隙。為方便說明，本文在沿用上述孔隙分類標準的基礎上，將聚合體間孔隙細分，新的劃分標準如下：d≥10 μm為大孔隙、1 μm≤d<10 μm為中孔隙、0.1 μm≤d<1 μm為小孔隙、0.01 μm≤d<0.1 μm為微孔隙，d<0.01 μm 為超微孔隙。

三個試樣的累計進汞曲線如圖4所示，從圖4可以看出，C50S15RM35試樣、C50S25RM25試樣和C100S0RM0試樣的累計進汞量分別為0.281 mL/g、0.271 mL/g和0.304 mL/g，說明C100S0RM0試樣中孔隙總體積最大，而C50S25RM25試樣中孔隙總體積最小。

圖4 三個試樣的累計進汞曲線

28 d齡期試樣歸一化孔隙體積分布如圖5所示。從圖5可以看出，C50S25RM25試樣中，超微孔隙的含量比另兩個試樣略高，這是由于水化過程中赤泥和鋼渣中的活性鋁酸鈣、硅酸鈣成分在堿性環(huán)境下形成了網(wǎng)狀地聚合物，填充了固化土中的孔隙。鋼渣、赤泥配比的變化實質(zhì)上是活性硅酸鈣、鋁酸鈣配比(即硅鋁比[17])以及混合物pH值的變化。對比C50S25RM25和C50S15RM35兩組試樣的孔隙分布可以發(fā)現(xiàn)，當鋼渣、赤泥比例為1∶1時，微孔隙、超微孔隙占比明顯增加，而小孔隙占比降低。這表明，水泥激發(fā)鋼渣-赤泥復合固化劑對固化土主要影響在小孔隙、微孔隙和超微孔隙的體積分布上。C50S25RM25試樣中，小孔隙相比C50S15RM35試樣更少，而微孔隙和超微孔隙的歸一化體積含量多了9.4%，這是由于土體中產(chǎn)生了更多填充效果更好的地聚物材料，提高了固化土的強度。

圖5 28 d齡期試樣歸一化孔隙體積分布

C100S0RM0試樣中，大孔隙、中孔隙的含量最少，總占比為8.5%。C50S15RM35試樣和C50S25RM25試樣的大孔隙、中孔隙總占比相當。累計進汞體積無法直接與宏觀強度建立定量關系，盡管C100S0RM0試樣的孔隙總體積最大，但是大孔隙、中孔隙的相對含量對試樣的整體強度具有決定性的影響，大孔隙、中孔隙相對含量少的C100S0RM0試樣的強度比另兩個試樣的強度都高。

盡管C50S25RM25固化劑的效果不如C100S0RM0純水泥固化劑的效果好，但是從微觀角度看，將50%水泥替換成25%鋼渣和25%赤泥，同樣使得土體中的大孔隙、中孔隙減少，小孔隙、微孔隙、超微孔隙增加，有效地減少了軟土內(nèi)部的孔隙，宏觀上固化土的28 d無側限抗壓強度也達到了純水泥固化劑作用后的固化軟土的88.8%，已經(jīng)具備一定實用價值。

4 XRD衍射試驗及水化產(chǎn)物分析

三種試樣水化28 d后的XRD譜圖如圖6所示。從圖6(a)中可以看出，C100S0RM0試樣水化反應28 d后主峰為碳酸鈣、氫氧化鈣、水化硅酸鈣及少量的硅酸二鈣、鋁酸三鈣、鈣礬石。從圖6(b)、圖6(c)中可以看出，C50S15RM35、C50S25RM25試樣在28 d水化反應后出現(xiàn)了兩個新的特征峰：赤鐵礦和二氧化硅。由于赤泥在固化劑中提供了活性鋁成分，引入赤泥后的固化劑的水化產(chǎn)物中，鋁酸三鈣特征峰強度顯著增加，而其他水化產(chǎn)物的特征峰則各有增減。其中C50S25RM25水化產(chǎn)物特征峰強度顯著高于C100S0RM0、C50S15RM35，說明C50S25RM25水化產(chǎn)物最多，水化反應進行得最為徹底，這與壓汞試驗所得出的結論是一致的。由于赤泥在固化劑中主要起提供堿性和活性鋁的作用，其本身的水化活性不高，故固化劑中赤泥的摻量應控制在合理范圍內(nèi)。

(a) C100S0RM0試樣水化28 d后的XRD譜圖

(b) C50S25RM25試樣水化28 d后的XRD譜圖

(c) C50S15RM35試樣水化28 d后的XRD譜圖圖6 三種試樣水化28 d的XRD譜圖1：碳酸鈣(CaCO3)；2：氫氧化鈣[Ca(OH)2]；3：水化硅酸鈣(C—S—H)；4：硅酸二鈣(2CaO·SiO2)；5：鋁酸三鈣(3CaO·Al2O3)；6：鈣礬石(3CaO·Al2O3·3CaSO4·3H2O)；7：赤鐵礦(Fe2O3)；8：二氧化硅(SiO2)

5 經(jīng)濟性分析

本文提出的復合固化劑由水泥、赤泥和鋼渣組成。其中，赤泥和鋼渣是冶金工業(yè)中大量產(chǎn)生的固體廢棄物。近年來隨著固體廢棄物利用研究的發(fā)展，鋼渣逐漸變廢為寶，從需要處治的廢棄物變?yōu)橛杏玫馁Y源，價格有所提高。根據(jù)2021年建筑材料市場價繪制的不同固化劑每延米漿噴樁物料成本如圖7所示(按直徑0.5 m，固化劑摻量20%計算)。

圖7 不同固化劑每延米漿噴樁物料成本

從圖7可以看出，采用赤泥和鋼渣代替水泥會使?jié){噴樁的物料成本下降。結合圖3的試驗結果可以得出，當赤泥和鋼渣的摻量均為25%時，C50S25RM25試樣的強度達到純水泥固化劑作用后的固化軟土的88.8%，而成本為純水泥固化劑的72.7%，具有明顯的性價比優(yōu)勢。

6 結論

(1) 研究表明，采用水泥和赤泥可以激發(fā)鋼渣的膠凝特性，在水泥、鋼渣和赤泥摻量比為50∶25∶25時，采用該復合固化劑處理的軟土的28 d無側限抗壓強度可以達到水泥固化土的88.8%，具有一定的實用價值。

(2) 壓汞試驗結果表明，C50S25RM25試樣比C50S15RM35試樣的結構更加致密，這是因為鋼渣和赤泥比例的優(yōu)化促進了水化產(chǎn)物的生成，更有效地填充了土體中的孔隙，增加了小孔隙、微孔隙和超微孔隙的比例，提高了固化土的強度。

(3) 通過XRD譜圖可以得出，向固化劑材料中加入赤泥后，水化反應產(chǎn)物中鋁酸鈣的含量顯著增加，且C50S25RM25試樣的水化反應相比其他試樣更為徹底，可知合理摻量的赤泥可以明顯提高水化反應的程度。

(4) 將本文提出的復合固化劑用于軟土加固中，不僅能高效地解決固體廢棄物堆放的問題，還能一定程度上取代傳統(tǒng)的水泥加固材料、減少水泥工業(yè)的能源消耗和碳排放，具有良好的經(jīng)濟效益和環(huán)境效益。