鋼渣基固化劑固化粉質(zhì)黏土耐久性研究

摘要：文章對比研究了鋼渣基固化劑和水泥固化粉質(zhì)黏土的長期性能，探究了干濕循環(huán)作用下固化劑固化土和水泥固化土的性能變化規(guī)律，并分析了微觀作用機理。結(jié)果表明：鋼渣基固化劑具有穩(wěn)定的長期性能，全齡期強度均高于水泥，在養(yǎng)護28～360 d齡期時強度增長率高達72%；鋼渣基固化劑相較水泥具有更優(yōu)異的抗干濕循環(huán)能力，以及干濕循環(huán)破壞后的抗變形能力；微觀表現(xiàn)為固化劑產(chǎn)生了更多的鈣礬石和水化硅酸鈣等水化物，具有更好的膠結(jié)效果，干濕循環(huán)作用對固化劑固化土微觀結(jié)構(gòu)破壞更小。

關(guān)鍵詞：固化劑；鋼渣；軟土；耐久性；干濕循環(huán)

中圖分類號：U416.03

0 引言

在珠三角、長三角等地區(qū)廣泛存在深厚層軟土路基，尤以淤泥質(zhì)土更甚，在進行基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)前需進行土壤固化［1］。當前仍然以水泥作為主要的固化材料，但是軟土的高含水量會削弱水泥的膠結(jié)效果，有機質(zhì)中的腐殖酸會削弱二次水化反應(yīng)和產(chǎn)物［2-3］，使水泥固化軟土存在強度低、發(fā)展慢等問題。工程上通常采用增加水泥摻量的方式以提高水泥固化效果，但是水泥屬于高污染、高碳排放行業(yè)，生產(chǎn)1 t水泥約產(chǎn)生0.7 t二氧化碳［4］，軟基加固工程水泥的大量消耗將顯著增加工程碳排放量。

采用工業(yè)固廢代替水泥應(yīng)用于軟土固化已成為當前的熱門研究。吳燕開等［5］研究發(fā)現(xiàn)鋼渣基固化劑固化土相較水泥固化土具有更優(yōu)異的抗氯鹽侵蝕能力。劉青云等［6］研發(fā)了用于淺層軟土固化的鋼渣基固化劑，主要包含鋼渣和偏高嶺土等組分，經(jīng)試驗段驗證該固化劑性能滿足固化土強度和地基淺層承載力的要求。舒本安等［7］研發(fā)了固廢基土壤固化劑，其以鋼渣作為主要成分，添加了少量的堿激發(fā)劑，該固化劑具有早強和高強特征，7 d無側(cè)限抗壓強度可達1.46 MPa，相較水泥強度提升了263%。盡管當前已研發(fā)出了性能優(yōu)異的固廢基固化劑，但其耐久性仍是行業(yè)內(nèi)關(guān)注的重點問題，尤其是對北方干濕變化大的環(huán)境下耐久性的研究。鑒于此，本文研究了鋼渣基固化劑在干濕循環(huán)作用下力學(xué)性能的變化規(guī)律，并探究微觀作用機理。研究成果可為鋼渣基固化劑在土壤固化相關(guān)工程的應(yīng)用提供指導(dǎo)。

1 原材料與試驗方法

1.1 原材料

1.1.1 軟土特性

本研究采用某工程現(xiàn)場取樣的粉質(zhì)黏土，土工性能如表1所示，試驗用土為粉質(zhì)黏土。

1.1.2 固化材料

水泥采用海螺PO42.5水泥，固化劑采用文獻［8-9］研發(fā)的鋼渣基固化劑。該固化劑各項指標如表2所示。

1.2 試驗方法

1.2.1 固化土成型及強度測試

固化土成型參照《水泥土配合比設(shè)計規(guī)程》（JGJ T 233-2011）進行，攪拌樁設(shè)計要求的固化材料摻量通常為15%～18%，因此本研究的固化材料摻量為17%。無側(cè)限抗壓強度測試在微機控制電子萬能試驗機上進行，設(shè)置加載速率為1 mm/min。

1.2.2 干濕循環(huán)試驗

干濕循環(huán)試驗參照標準《濕潤和干燥壓實土水泥混合物的標準試驗方法》（ASTM D559/D559M-15）進行。固化土試塊標準養(yǎng)護28 d，后進行干濕循環(huán)試驗，“干”環(huán)境為在70 ℃烘箱保持42 h，“濕”環(huán)境為在標準浸水環(huán)境保持5 h，“一干一濕”為一循環(huán)。

1.2.3 微觀形貌測試

制取截面面積小于5 mm×5 mm的固化土薄片，先將薄片在70 ℃烘24 h得到干燥試塊，測試前需對試塊進行噴金處理，測試時放大倍率為5 000倍。

2 結(jié)果與討論

2.1 長期性能

固化土的長期力學(xué)性能隨齡期變化如圖1所示。由圖1可知，水泥固化土和鋼渣基固化劑固化土（下文簡稱固化劑固化土）無側(cè)限抗壓強度（UCS）均隨著齡期的增加而增大，表明固化劑固化土具有穩(wěn)定的長期性能。在整個齡期內(nèi)，固化劑固化土UCS均顯著高于水泥固化土，養(yǎng)護1年時，固化劑固化土強度約為水泥固化土強度的2.5倍，表明該固化劑相較水泥更適用于粉質(zhì)黏土的固化，由于強度富余量大，實際工程中可減少固化劑用量，降低資源消耗。

固化土在不同齡期的強度增長率如圖2所示?？梢园l(fā)現(xiàn)整個區(qū)間段內(nèi)，固化劑固化土強度增長率均高于水泥固化土。在7～28 d的養(yǎng)護齡期，水泥固化土和固化劑固化土增長率均最大，且固化劑固化土的強度增長率比水泥固化土大，提升了30%。28 d養(yǎng)護齡期后兩種固化土強度仍有相當比例的增長，固化劑固化土增長率更大，因此對于攪拌樁等軟土固化工程，適當延長評價齡期（由28～90 d延長到180 d）可以更準確地評價固化土的力學(xué)性能。

2.2 抗干濕循環(huán)性能

固化土強度隨干濕循環(huán)次數(shù)的變化規(guī)律如圖3所示。由圖3可知，水泥固化土和固化劑固化土無側(cè)限抗壓強度均表現(xiàn)出隨循環(huán)次數(shù)的增加而增大，水泥固化土和固化劑固化土強度分別提升到2.7 MPa和1.3 MPa。主要原因是提高溫度可以加速未發(fā)生反應(yīng)的固化材料繼續(xù)發(fā)生反應(yīng)產(chǎn)生膠結(jié)土顆粒。之后繼續(xù)增加干濕次數(shù)，兩種固化土強度均逐漸減小。可以發(fā)現(xiàn)干濕循環(huán)過程中，固化劑固化土的無側(cè)限抗壓強度均高于水泥固化土，表明固化劑較水泥具有更優(yōu)異的抗干濕循環(huán)能力。

不同干濕循環(huán)次數(shù)對固化土UCS增長率的影響如圖4所示。可以發(fā)現(xiàn)由于固化材料繼續(xù)水化膠結(jié)，在0～10次的干濕循環(huán)下，兩種固化土均表現(xiàn)出最高的強度增長率，固化劑固化土強度增長率較水泥固化土高20%。在10～30次的干濕循環(huán)下，水泥固化土強度降低幅度高于固化劑固化土約10%，主要原因是水泥作為軟土固化材料，固化效果弱于固化劑。在0～30次的干濕循環(huán)下，水泥固化土強度增長率低于固化劑固化土約30%，水泥呈負增長，固化劑呈正增長。

在攪拌樁軟基加固工程中，通常以抽芯樣無側(cè)限抗壓強度為0.8 MPa作為合格的評價指標。因此本研究分析了在不同干濕循環(huán)次數(shù)下UCS達到0.8 MPa時水泥固化土和固化劑固化土應(yīng)變的變化規(guī)律，用以評價固化土的抗變形能力，結(jié)果如圖5所示。可以發(fā)現(xiàn)，隨著干濕循環(huán)次數(shù)的增加，兩種固化材料固化土的應(yīng)變均呈現(xiàn)出先減少后增大的規(guī)律。繼續(xù)增加干濕循環(huán)次數(shù)，固化土的應(yīng)變逐漸增大，表明干濕循環(huán)會軟化固化土結(jié)構(gòu)，降低抗變形能力。在干濕循環(huán)10次時，固化劑固化土的應(yīng)變較水泥固化土降低了約30%，表明固化劑固化土相較水泥具有更優(yōu)異的抗變形能力。

2.3 微觀形貌

分別對水泥固化土和固化劑固化土干濕循環(huán)60次后的微觀形貌進行對比測試，如圖6所示。水泥固化土可觀察到少量的針棒狀鈣礬石水化物，膠狀的水化硅酸鈣附著在土顆粒表面并膠結(jié)土顆粒。經(jīng)過干濕循環(huán)60次后，水泥固化土內(nèi)部出現(xiàn)了大量的裂紋，部分裂紋產(chǎn)生于土顆粒和水化物粘結(jié)界面，并由此發(fā)展。這表明粘結(jié)界面為固化土結(jié)構(gòu)的薄弱區(qū)，由溫度和濕度等因素的循環(huán)作用會破壞固化土的界面膠結(jié)，使其產(chǎn)生裂紋，造成土顆粒的剝落，裂紋進一步發(fā)展使整個結(jié)構(gòu)破壞。相較水泥固化土，固化劑固化土微觀結(jié)構(gòu)可觀察到更多的針棒狀鈣礬石和水化硅酸鈣等水化物，可以更好地膠結(jié)土顆粒，因此固化劑固化土相較水泥同條件下表現(xiàn)出更高的力學(xué)性能。經(jīng)過60次干濕循環(huán)后，固化劑固化土內(nèi)部出現(xiàn)了一些孔洞，未發(fā)現(xiàn)有明顯裂紋，這是固化劑固化土與水泥固化土最明顯的區(qū)別。固化劑固化土局部產(chǎn)生了剝落，整體結(jié)構(gòu)未被明顯破壞，因此固化劑固化土相較水泥固化土具有更優(yōu)異的抗干濕循環(huán)性能。

3 結(jié)語

本文研究了鋼渣基固化劑和水泥固化劑固化粉質(zhì)黏土的耐久性，并分析了微觀作用機理，可得到以下結(jié)論：

（1）鋼渣基固化劑具有穩(wěn)定的長期性能，養(yǎng)護1年時，固化劑固化土強度約為水泥固化土強度的2.5倍；固化劑固化土在中后期（28～360 d）強度增長率達到72%，因此對于攪拌樁等軟土固化工程，適當?shù)匮娱L評價齡期（由28～90 d延長到180 d）可以更準確地評價固化劑固化土的力學(xué)性能。

（2）固化土強度隨著干濕循環(huán)次數(shù)增加呈先增大后減小的規(guī)律；固化劑固化土具有更優(yōu)異的抗干濕循環(huán)破壞能力，干濕循環(huán)全過程固化劑固化土強度均高于水泥固化土。

（3）固化劑固化土相較水泥固化土具有更優(yōu)異的抗變形能力，在干濕循環(huán)10次時，固化劑固化土的應(yīng)變較水泥固化土降低了約30%。

（4）干濕循環(huán)60次后，固化劑較水泥產(chǎn)生了更多的鈣礬石和水化硅酸鈣等產(chǎn)物，膠結(jié)性能更優(yōu)，干濕循環(huán)對固化劑固化土微觀結(jié)構(gòu)破壞更小，未產(chǎn)生明顯的裂紋，在宏觀上表現(xiàn)為固化劑固化土具有更優(yōu)異的抗干濕循環(huán)破壞能力和干濕破壞后更優(yōu)異的抗變形能力。

參考文獻

［1］羅 祺.水泥基外摻劑固化南沙有機質(zhì)軟土工程性質(zhì)研究［D］.廣州：廣東工業(yè)大學(xué)，2018.

［2］姜 赟，侯 爵，陳加富，等.脫硫灰-水泥固化淤泥強度特性與固化-抽濾聯(lián)合加固應(yīng)用［J］.東南大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版），2023，53（3）：519-525.

［3］程強強，姚 越，崔胥陽，等.高摻量粉煤灰淤泥固化土無側(cè)限抗壓強度試驗研究［J］.新型建筑材料，2023，50（10）：117-120.

［4］江姍姍，謝澤瓊，俞 波.廣東省水泥行業(yè)二氧化碳排放量預(yù)測和減碳路徑研究［J］.水泥，2023（12）：11-17.

［5］吳燕開，李文艷，郭肖陽，等.鋼渣粉水泥固化淤泥土氯鹽侵蝕下力學(xué)性能及機理研究［J］.青島理工大學(xué)學(xué)報，2023，44（2）：23-34.

［6］劉青云，李華安，孫信譽，等.鋼渣型復(fù)合基材在淺層軟土固化中的應(yīng)用［J］.防災(zāi)減災(zāi)工程學(xué)報，2020，40（5）：811-817，827.

［7］舒本安，楊騰宇，李永鈴，等.堿激發(fā)鋼渣粉淤泥固化土性能研究［J］.新型建筑材料，2022，49（3）：83-86，94.

［8］Shu B，Gong H，Chen S，et al.Case Study of Solid Waste Based Soft Soil Solidifying Materials Applied in Deep Mixing Pile［J］.Buildings，2022，12（8）：1 193.

［9］舒本安，陳偉忠，任彥飛，等.固廢基軟土固化材料的研制及在淺層就地固化工程中的應(yīng)用研究［J］.新型建筑材料，2022，49（11）：121-126.

收稿日期：2024-03-26

作者簡介：唐毓猛（1981—），工程師，主要從事市政工程監(jiān)理咨詢工作。