赤泥-鋼渣粉-水泥固化流態(tài)土性能試驗研究

王聰聰,劉茂青,宋紅旗,庚利民,杜紅秀

(1.太原理工大學土木工程學院,太原 030024;2.山西六建集團有限公司,太原 030024)

0 引 言

流態(tài)固化土是在土中加入與土樣特性相適應的固化劑、必要的外加劑,然后和水拌和均勻,形成具有工作性能,且經(jīng)養(yǎng)護后固化為具有一定強度、水穩(wěn)定性和耐久性的新型綠色工程材料[1]。相較于傳統(tǒng)的混凝土材料,流態(tài)固化土具有低成本、綠色環(huán)保、施工工序少和周期較短等特點。因此,流態(tài)固化土在填筑工程、道路工程、工業(yè)廢物處理等方面具有廣闊的應用前景[2]。

流態(tài)固化土主要以水泥為固化劑對土顆粒進行固化[3],并對土界面有良好的活化作用,但單摻水泥會增加施工成本。赤泥和鋼渣粉是難以資源化利用的工業(yè)固廢[4-5],其中赤泥的硅鋁酸鹽含量較高,而鋼渣粉和水泥成分較為相似,均以硅酸鹽為主,因此赤泥和鋼渣粉均屬于火山灰質(zhì)材料,具有一定的膠凝性和水硬性。利用工業(yè)固廢赤泥和鋼渣粉作為輔助膠凝材料代替部分水泥不僅可以降低施工成本,還可以通過堿活化效應、填充效應和火山灰效應改善流態(tài)固化土的工作性能、力學性能和耐久性[6-8]。鋼渣粉的活性遠低于水泥,而赤泥呈強堿性,可以促進鋼渣粉中硅鋁質(zhì)活性成分溶解,從而提高鋼渣粉的活性[9],赤泥、鋼渣粉和水泥復合固化流態(tài)土可以做到“優(yōu)勢互補”“梯度水化”和“協(xié)調(diào)作用”,使流態(tài)固化土體系水化效率和水化程度更高,節(jié)約水泥資源,充分發(fā)揮其效能[10-12]。因此,開展赤泥和鋼渣粉對流態(tài)固化土固化效果的研究,將工業(yè)固廢轉(zhuǎn)變?yōu)楦吒郊又档墓袒瘎?不僅可以帶來巨大的工程和經(jīng)濟價值,還符合國家“雙碳”目標的要求。

本文以坍落度、凝結硬化時間和抗壓強度為指標表征流態(tài)固化土的工作性能和力學性能,通過電化學阻抗譜及電化學參數(shù)分析流態(tài)固化土的電化學特征,反映流態(tài)固化土內(nèi)部結構和宏觀力學性能隨赤泥-鋼渣粉摻量變化的規(guī)律,探究電化學阻抗譜技術運用于流態(tài)土固化效果無損測試的可行性,同時對流態(tài)固化土進行XRD和SEM測試,揭示赤泥和鋼渣粉固化流態(tài)土的作用機理。

1 實 驗

1.1 原材料

土樣采自太原瀟河新城施工現(xiàn)場,物理性能指標和主要化學成分分別如表1、表2所示。水泥采用P·O 42.5型普通硅酸鹽水泥,滿足《通用硅酸鹽水泥》(GB 175—2007)規(guī)定,主要化學成分如表2所示。赤泥取自山西呂梁某鋁廠,顏色呈紅褐色,顆粒較細,主要化學成分如表2所示,XRD譜如圖1所示。鋼渣粉由鋼廠排放的鋼渣粉磨而成,主要化學成分和性能指標分別如表2、表3所示,鋼渣粉XRD譜如圖2所示。拌和用水采用普通自來水。采用無水硫酸鈉作為早強劑,無水硫酸鈉為分析純,符合國家標準《化學試劑 無水硫酸鈉》(GB/T 9853—2008)。

圖2 鋼渣粉的XRD譜Fig.2 XRD pattern of steel slag powder

表1 土樣基本物理性能指標Table 1 Basic physical properties of soil sample

表2 土樣、水泥、赤泥、鋼渣粉的化學成分Table 2 Chemical composition of soil sample, cement, red mud and steel slag power

表3 鋼渣粉性能指標Table 3 Performance index of steel slag power

1.2 配合比設計

試驗配合比以《水泥土配合比設計規(guī)程》(JGJ/T 233—2011)中規(guī)定方法為依據(jù),其中赤泥和鋼渣粉的摻量符合《礦物摻合料應用技術規(guī)范》(GB/T 51003—2014)規(guī)定。確定固化劑總摻量為土樣質(zhì)量的20%,其中水泥為固化劑質(zhì)量的50%,制備6組赤泥摻量分別為固化劑質(zhì)量0%、10%、20%、30%、40%、50%的流態(tài)固化土試件,水土比取0.5,具體配合比設計如表4所示。

表4 流態(tài)固化土配合比Table 4 Mixture ratio of fluidized solidified soil

1.3 試件制備

土樣破碎后,篩選出粒徑小于0.5 mm的土粒烘干至恒重。根據(jù)配合比將土樣和固化劑加入攪拌機中攪拌均勻后加入3/4的拌合水繼續(xù)攪拌60 s,然后加入剩余1/4的拌合水攪拌60 s即可出料。出料后及時測定流態(tài)固化土的坍落度,然后分層裝入70.7 mm×70.7 mm×70.7 mm的模具中振搗成型。試樣在成型后24 h脫模,將成型后的試塊在(20±1) ℃、相對濕度95%以上的標準養(yǎng)護條件下養(yǎng)護至相應齡期進行試驗。

1.4 試驗方案

工作性能測試:工作性能包括流動性和凝結硬化時間,以坍落度作為流動性指標,測量工具為標準坍落度筒,采用標準水泥凈漿稠度測定儀測定流態(tài)固化土的初凝時間和終凝時間。

抗壓強度測試:根據(jù)《水泥膠砂強度檢驗方法(ISO法)》(GB/T 17671—2021),確定試件的尺寸為70.7 mm×70.7 mm×70.7 mm,測試儀器使用萬能試驗機(型號SHT4605)。

電化學阻抗譜測試:試件尺寸為70.7 mm×70.7 mm×70.7 mm,儀器選用電化學工作站(型號CS310H),頻率響應范圍為10 μHz～1 MHz,交流信號幅值為1～2 500 mV,選擇試驗測試頻率范圍為1 Hz～1 MHz。

微觀結構測試:儀器使用布魯克D8 Advance型X射線衍射儀和TESCAN LYRA3型掃描電子顯微鏡。X射線衍射儀的衍射角2θ掃描范圍設定為5°～85°,掃描速度設定為5 (°)/min;掃描電子顯微鏡放大倍率為1～100萬倍連續(xù)放大,掃描速度為每像素點20 ns～10 ms連續(xù)調(diào)節(jié),本試驗使用加速電壓為20 kV。

2 結果與討論

2.1 工作性能分析

流態(tài)固化土坍落度隨赤泥-鋼渣粉摻量變化的柱狀圖如圖3所示,坍落度變化率如圖4所示。由圖3、圖4可知,坍落度隨赤泥摻量的增大呈先增大后減小的趨勢。當赤泥摻量為10%時,流態(tài)固化土的坍落度達到最大值,為203.0 mm,RS01的坍落度變化率為1.5%,RS02的坍落度小于對照組,繼續(xù)增大赤泥摻量,坍落度開始大幅度減小,CR05的坍落度與對照組CS05相比減小了41.5%。赤泥顆粒呈橢圓或球狀,且粒徑較小,當赤泥摻量較少時可以增強流態(tài)固化土的流動性能,因此RS01的坍落度略有增大。隨著赤泥摻量的增大,赤泥呈強堿性可以促進鋼渣粉和水泥水化,且吸水性強,易于團聚的特性發(fā)揮主要作用[13],使流態(tài)固化土坍落度逐漸減小。

圖3 赤泥-鋼渣粉摻量對坍落度的影響Fig.3 Effect of red mud-steel slag powder content on slump

圖4 流態(tài)固化土的坍落度變化率Fig.4 Change rate of slump of fluidized solidified soil

流態(tài)固化土凝結硬化時間隨赤泥-鋼渣粉摻量的變化曲線如圖5所示,凝結時間變化率如圖6所示。由圖5、圖6可知,初凝時間和終凝時間均隨赤泥摻量的增大逐漸減小,初凝時間為250～285 min,CR05的初凝時間較對照組CS05減小了12.3%,各配比流態(tài)固化土的初凝時間均超過45 min,滿足填筑工程的要求,當赤泥摻量小于20%時,初凝時間減小幅度逐漸增大,赤泥摻量超過20%后,初凝時間變化幅度呈逐漸降低的趨勢。終凝時間為419～456 min,CR05的終凝時間較對照組CS05減小了8.1%。通過改變赤泥-鋼渣粉的摻量可以對凝結硬化時間進行調(diào)控,鋼渣粉具有活性較低、需水量少、水化速度慢的特點[14],會使凝結硬化時間增長,而赤泥的強堿性可以對鋼渣粉和水泥起到一定的激發(fā)作用,提高鋼渣粉的活性,促進鋼渣粉和水泥的進一步水化[15],因此隨著赤泥摻量增大,鋼渣粉摻量相對減少,凝結硬化時間縮短。

圖5 赤泥-鋼渣粉摻量對凝結時間的影響Fig.5 Effect of red mud-steel slag powder content on setting time

圖6 流態(tài)固化土的凝結時間變化率Fig.6 Change rate of setting time of fluidized solidified soil

對流態(tài)固化土的坍落度和凝結時間變化率進行曲線擬合,可得出固化劑總摻量為20%、水土比0.5的條件下,流態(tài)固化土坍落度、初凝時間和終凝時間的變化率隨赤泥-鋼渣粉摻量變化的方程,分別如式(1)～(3)所示,方程相關系數(shù)均大于0.95,表明方程可靠性較好。

y1=1.91-0.048x-0.02x2R2=0.955 0

(1)

y2=0.38-0.33x+0.002x2R2=0.988 5

(2)

y3=0.17-0.15x-0.000 4x2R2=0.993 7

(3)

式中:y1、y2、y3分別為固化劑總摻量20%、水土比0.5的條件下,流態(tài)固化土的坍落度、初凝時間和終凝時間的變化率,%;x為赤泥摻量,%;R2為相關系數(shù)。

2.2 抗壓強度分析

流態(tài)固化土抗壓強度隨赤泥-鋼渣粉摻量變化的曲線如圖7所示。由圖7可知,隨著赤泥摻量的增大,7、14和28 d養(yǎng)護齡期的流態(tài)固化土抗壓強度均呈先增大再減小的趨勢,不同養(yǎng)護齡期抗壓強度峰值對應不同的赤泥-鋼渣粉摻量,當赤泥-鋼渣粉摻量不變時,流態(tài)固化土抗壓強度隨著養(yǎng)護齡期增加逐漸增大。7 d養(yǎng)護齡期時,RS04的抗壓強度達到最大值,為2.27 MPa,與CS05相比,增長了12.9%。14 d養(yǎng)護齡期時,RS03的抗壓強度達到最大值,為4.04 MPa,較CS05增長了25.9%。28 d養(yǎng)護齡期時,當赤泥、鋼渣粉和水泥的質(zhì)量比為2∶3∶5時,抗壓強度達到最大值,為4.67 MPa,較CS05增長了10.9%。各養(yǎng)護齡期復摻赤泥-鋼渣粉流態(tài)固化土的抗壓強度均大于單摻赤泥或單摻鋼渣粉的抗壓強度,表明復摻赤泥-鋼渣粉可以有效提升流態(tài)固化土的抗壓強度,赤泥和鋼渣粉存在協(xié)同作用。在固化劑總摻量為20%條件下,28 d養(yǎng)護齡期時,赤泥、鋼渣粉和水泥的最優(yōu)質(zhì)量比為2∶3∶5。

圖7 抗壓強度隨赤泥-鋼渣粉摻量變化曲線Fig.7 Curves of compressive strength with change of red mud-steel slag powder content

對流態(tài)固化土不同養(yǎng)護齡期的抗壓強度隨赤泥-鋼渣粉摻量變化的曲線進行擬合分析,得到固化劑總摻量20%條件下,不同養(yǎng)護齡期的流態(tài)固化土抗壓強度隨赤泥-鋼渣粉摻量變化的方程,擬合曲線如圖8所示,擬合結果如表5所示,相關系數(shù)R2均大于0.95,表明擬合結果可信度高,與試驗結果接近。

圖8 抗壓強度隨赤泥-鋼渣粉摻量變化擬合曲線Fig.8 Curves of compressive strength fitting with change of red mud-steel slag powder content

表5 不同齡期時流態(tài)固化土的抗壓強度擬合結果Table 5 Fitting results of flexural strength of fluidized solidified soil at different ages

2.3 電化學阻抗譜分析

不同赤泥-鋼渣粉摻量下流態(tài)固化土的Nyquist圖和Bode圖分別如圖9、圖10所示,由Nyquist圖可知,不同赤泥-鋼渣粉摻量下固化土的電化學阻抗譜高頻區(qū)容抗弧為扁平狀,其半徑隨赤泥摻量的增大呈先增大后減小的趨勢,赤泥、鋼渣粉和水泥的質(zhì)量比為2∶3∶5時,半徑最大。容抗弧半徑與固化土內(nèi)部密實程度呈正相關,半徑越大,流態(tài)固化土內(nèi)部結構越密實,表明赤泥、鋼渣粉和水泥的質(zhì)量比為2∶3∶5時固化土內(nèi)部最密實,與抗壓強度的變化規(guī)律一致。

圖9 流態(tài)固化土Nyquist圖Fig.9 Nyquist diagram of fluidized solidified soil

圖10 流態(tài)固化土Bode圖Fig.10 Bode diagram of fluidized solidified soil

由Bode圖可知,流態(tài)固化土的阻抗模值和相位角峰值均隨赤泥摻量的增大呈先增大后減小的趨勢,RS02的阻抗模值和相位角峰值最大。而阻抗模值和相位角峰值均與流態(tài)固化土內(nèi)部致密程度呈正相關,表明赤泥、鋼渣粉和水泥的最優(yōu)質(zhì)量比為2∶3∶5,Bode圖與Nyquist圖得出一致的結論。

為進一步探究不同赤泥-鋼渣粉摻量對流態(tài)固化土電化學阻抗特征的影響,建立合適的流態(tài)固化土基本等效電路模型進行擬合,考慮到流態(tài)固化土的內(nèi)部結構復雜,為避免彌散效應[16],以常相位角元件Q代替Randles等效電路模型中的電容元件C,采用準Randles等效電路模型Re[Q(RctW)],可用圖11表示?；镜刃щ娐纺Ｐ椭蠷e表示體系內(nèi)部孔溶液的電阻,與流態(tài)固化土孔隙率及孔溶液離子濃度有關[17];Q表示凝膠中的雙電層電容,Rct為其相應電荷轉(zhuǎn)移電阻;W為擴散阻抗系數(shù),反映了孔溶液中離子在流態(tài)固化土多孔體系中擴散的阻力。

圖11 基本等效電路模型Fig.11 Basic equivalent circuit model

通過ZView軟件擬合得到等效電路各電路元件數(shù)值,分析了赤泥-鋼渣粉摻量與電路元件數(shù)值的關系。等效電路擬合參數(shù)如表6所示,其中n為彌散系數(shù),表征電子在電流方向的彌散速率[18],n越接近1,則Q越接近理想電容;若n越小,表明Q越接近純電阻。擬合誤差均不超過10%,認為建立的流態(tài)固化土等效電路是合理的。

表6 不同赤泥-鋼渣粉摻量下流態(tài)固化土等效電路擬合參數(shù)Table 6 Equivalent circuit fitting parameters of fluidized solidified soil with different red mud-steel slag powder content

Re與流態(tài)固化土的孔隙率及孔溶液的離子濃度呈負相關關系,認為標準養(yǎng)護28 d后流態(tài)固化土內(nèi)部化學反應基本完成,此時其孔溶液的離子濃度基本達到穩(wěn)定狀態(tài),因此Re主要由流態(tài)固化土的孔隙率決定。由表6可知,Re隨赤泥摻量的增大呈先增大后減小的趨勢,表明孔隙率隨赤泥摻量增大先減小后增大,當赤泥、鋼渣粉和水泥的質(zhì)量比為2∶3∶5時,Re達到最大值。n的取值為0.97～0.99,接近1,表明Q接近理想電容,Q反映了流態(tài)固化土體系中凝膠雙電層電容儲備電荷的能力強弱,Y值的大小與體系的孔隙率呈負相關關系[19],RS02的Y值達到最大值,表明此時凝膠雙電層電容儲備電荷的能力最強,流態(tài)固化土體系孔隙率最小。Rct隨赤泥摻量的增大呈先增大后減小的趨勢,表明流態(tài)固化土中凝膠的電化學特征發(fā)生改變,RS02凝膠中自由電荷轉(zhuǎn)移的阻力最大,其內(nèi)部的致密程度最高。W隨赤泥摻量增大先增大后減小,RS02的擴散阻抗系數(shù)達到最大值,為1.69×105S·s0.5·cm-2,表明赤泥、鋼渣粉和水泥的質(zhì)量比為2∶3∶5時,流態(tài)固化土的孔溶液離子擴散阻力最大,體系最密實。

在最優(yōu)配合比條件下,赤泥為鋼渣粉和水泥水化提供適宜的堿性環(huán)境促進其水化進程,同時激發(fā)鋼渣粉產(chǎn)生更多的活性物質(zhì)參與反應,為體系提供足夠的Ca2+,使流態(tài)固化土體系生成大量水化硅酸鈣凝膠,Y達到最大值。赤泥的摻入還可以提供生成鈣礬石需要的物質(zhì)和堿性環(huán)境,因此體系產(chǎn)生更多的鈣礬石填充孔隙,內(nèi)部結構更加密實,鋼渣粉和水泥水化的同時也會促進赤泥水化生成膠凝物質(zhì),進一步填充了流態(tài)固化土內(nèi)部孔隙,Re達到最大值。隨著赤泥摻量的增大,鋼渣粉摻量相對減少,因此參與水化的硅酸二鈣(C2S)、硅酸三鈣(C3S)等物質(zhì)減少,造成流態(tài)固化土體系生成的水化硅酸鈣凝膠減少,同時未參與反應的赤泥增多,對土體結構產(chǎn)生不利影響,使流態(tài)固化土孔隙增多,Re和Y均開始減小。不同赤泥-鋼渣粉摻量下流態(tài)固化土的Re值和Y值由大到小依次為RS02、RS03、RS01、RS04、CS05、CR05,與流態(tài)固化土28 d抗壓強度隨赤泥-鋼渣粉摻量變化的規(guī)律一致,表明流態(tài)固化土的電化學參數(shù)與抗壓強度存在正相關關系,電化學阻抗譜技術用于流態(tài)土固化效果的無損測試具有可行性。

2.4 微觀結構分析

流態(tài)固化土XRD檢測結果如圖12所示。由圖12可知,各配比流態(tài)固化土均含有SiO2、CaCO3、方解石((Mg0.03Ca0.97)CO3)、鈉長石(NaAlSi3O8)、Ca(OH)2、鈣礬石(AFt)和水化鋁酸鈣(Al2O3(CaO)3·6(H2O))。不同赤泥-鋼渣粉摻量下流態(tài)固化土的衍射峰相同,表明赤泥-鋼渣粉摻量的變化未改變流態(tài)固化土水化產(chǎn)物類型。隨著赤泥摻量的增大,SiO2和Ca(OH)2的衍射峰呈先降低后升高的趨勢,流態(tài)固化土體系的活性SiO2參與水化反應生成了水化硅酸鈣凝膠等物質(zhì),導致其衍射峰強度降低,赤泥和鋼渣粉通過火山灰反應消耗Ca(OH)2,同時生成膠凝物質(zhì)密實土體。當赤泥、鋼渣粉和水泥的質(zhì)量比為2∶3∶5時,SiO2和Ca(OH)2的消耗量最大,表明此赤泥-鋼渣粉摻量下流態(tài)固化土體系產(chǎn)生的膠凝物質(zhì)最多,內(nèi)部結構致密程度最高,與抗壓強度、電化學阻抗譜及其參數(shù)得出的規(guī)律一致。

圖12 流態(tài)固化土的XRD譜Fig.12 XRD spectra of fluidized solidified soil

最優(yōu)配比RS02的SEM照片如圖13所示。由SEM照片可知,分散的土顆粒被水化硅酸鈣(C-S-H)凝膠黏結和包裹起來,形成結構較為穩(wěn)定的整體。土顆粒之間除了C-S-H凝膠的膠結作用外,還有大量片狀的氫氧化鈣晶體(CH)和針棒狀的鈣礬石,起到黏結土顆粒和填充固化土孔隙的作用。赤泥在促進水泥和鋼渣粉中的硅酸二鈣(C2S)、硅酸三鈣(C3S)等物質(zhì)發(fā)生水化反應的同時[20],還可以創(chuàng)造堿性的環(huán)境,促使土樣和鋼渣粉中的硅酸鹽晶體結構分解形成可溶性的氧化硅和氧化鋁,進一步和體系中的Ca2+反應生成C-S-H凝膠及鈣礬石[21],這些水化產(chǎn)物提高了流態(tài)固化土的強度。

圖13 RS02的SEM照片F(xiàn)ig.13 SEM images of RS02

3 結 論

通過對不同赤泥-鋼渣粉摻量下流態(tài)固化土的工作性能、抗壓強度、電化學阻抗譜、微觀結構進行系列測試和分析,得出以下主要結論:

1)流態(tài)固化土坍落度隨赤泥摻量的增大呈先增大后減小的趨勢,當赤泥摻量為10%(質(zhì)量分數(shù))時,坍落度達到最大值,為203.0 mm,凝結硬化時間隨赤泥摻量的增大逐漸減小,初、終凝時間分別為250～285 min、419～456 min,滿足填筑工程要求,改變赤泥-鋼渣粉摻量可以調(diào)控流態(tài)固化土的工作性能。

2)流態(tài)固化土抗壓強度隨赤泥摻量增大呈先增大后減小的趨勢,當赤泥摻量為20%(質(zhì)量分數(shù))時,28 d齡期的抗壓強度達到最大值,為4.67 MPa,復摻赤泥-鋼渣粉可以有效提升流態(tài)固化土的抗壓強度,赤泥和鋼渣粉存在協(xié)同作用。

3)隨著赤泥摻量的增大,流態(tài)固化土體系的容抗弧半徑、阻抗模值和相位角峰值、孔溶液電阻Re和凝膠中雙電層電容Q均呈先增大后減小的趨勢,當赤泥、鋼渣粉和水泥的質(zhì)量比為2∶3∶5時均達到最大值,電化學阻抗譜及其等效電路擬合結果與抗壓強度變化規(guī)律一致,表明電化學阻抗譜技術用于流態(tài)土固化效果的無損測試具有可行性。

4)赤泥-鋼渣粉-水泥復合固化流態(tài)土的作用機理為體系水化反應生成的C-S-H凝膠將土顆粒黏結成整體,同時鈣礬石起到填充孔隙的作用,使流態(tài)固化土內(nèi)部結構更加致密,復摻赤泥和鋼渣粉時,C-S-H凝膠的生成量最大。