多源固廢基土體固化劑研發(fā)及固化機理研究

鹿轅LU Yuan；林彥軍LIN Yan-jun；范偉FAN Wei；趙洋ZHAO Yang

（①山東大學巖土與結(jié)構(gòu)工程研究中心，濟南 250061；②山東省路橋集團有限公司，濟南 250013）

0 引言

近年來，工業(yè)生產(chǎn)的固體廢棄物占用了大量土地資源，并存在環(huán)境污染的風險。數(shù)據(jù)顯示，2022 年全國一般工業(yè)固體廢棄物產(chǎn)生量高達41.1 億噸，而處置量僅為8.9億噸，綜合利用量也僅有23.7 億噸，固體廢棄物的綜合利用率僅達57.7%[1]，大宗固廢綜合利用率低。因此，固體廢棄物的綜合利用已成為可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略中不可或缺的一環(huán)。工業(yè)固體廢棄物作為水泥替代品是其再利用的重要途徑，不僅可以固體廢棄物本身潛在的膠凝特性，還能減少水泥用量，降低成本和碳排放，可以帶來顯著的經(jīng)濟和環(huán)保效益。

國內(nèi)外學者針對工業(yè)固體廢棄物中具有潛在膠凝活性的礦渣和粉煤灰等硅酸鹽固廢材料開展了相關(guān)研究[2-4]。He 等[5]使用粒化高爐礦渣、堿渣與電石渣協(xié)同固化疏浚土，得到了礦渣摻量對固化土強度的影響。王東星[6]將使用活性MgO 激發(fā)粉煤灰固化淤泥，發(fā)現(xiàn)活性MgO 激發(fā)粉煤灰后固化淤泥具有良好的耐久性。目前硅酸鹽固廢材料常與NaOH、Na2SiO3溶液或水泥混合使用[7-9]。Sasui 等[10]發(fā)現(xiàn)用NaOH+Na2SiO3堿激發(fā)C 級粉煤灰和高爐礦渣混合物的強度優(yōu)于NaOH 單獨激發(fā)。Furlan 等[11]研究了粉煤灰聯(lián)合水泥固化黏土的強度及微觀結(jié)構(gòu)，發(fā)現(xiàn)摻入粉煤灰能改善水泥土的強度和延性。王子帥等[12]利用高爐礦渣、粉煤灰、硅灰等工業(yè)廢渣和水泥固化淤泥土，揭示了固化土的力學性能、微觀結(jié)構(gòu)和化學反應機制。

目前，對于工業(yè)中硅酸鹽固廢材料再利用的研究大多只加入水泥、Na2SiO3和MgO 等堿激發(fā)劑，堿激發(fā)所需的OH-僅由水泥水化或強堿水溶液提供，在水泥協(xié)同堿激發(fā)劑、硫酸鹽固廢材料和硅酸鹽固廢材料提高土體性能和強度增強機理的研究較少。

為此，本文選擇水泥、堿激發(fā)劑、硅酸鹽固廢材料和硫酸鹽固廢材料協(xié)同固化土體。通過正交試驗，制備了多源固廢基土體固化劑（MSSA）。通過無側(cè)限抗壓強度試驗、水穩(wěn)性試驗研究了固化劑固化粉土和黏土的力學性質(zhì)與水穩(wěn)性。通過SEM 試驗、XRD 試驗，揭示了多源固廢基土體固化劑在兩種土中水化產(chǎn)物。利用PCAS 軟件獲得微觀結(jié)構(gòu)特征指標，最終得到了MSSA 加固土體的作用機理。

1 試驗材料與試驗方法

1.1 試驗材料

本研究所用粉土取自山東某高速公路挖方棄土。試驗用土按照《土工試驗方法標準》（GB/T 50123-2019）獲得其物理指標。粉土液限為26.1%、塑限為16.8%，塑性指數(shù)Ip=9.3，土樣為粉土。試驗使用的黏土液限42.12%，塑限指數(shù)22.36%，塑性指數(shù)Ip=19.76，屬于低液限黏土。固化劑原材料采用P.O42.5 普通硅酸鹽水泥、硅酸鹽固廢材料、堿激發(fā)劑和硫酸鹽固廢材料。

1.2 試樣制備養(yǎng)護流程

試樣制備過程如下：①用天平稱量不同比例的水泥、堿激發(fā)劑、硅酸鹽固廢材料、硫酸鹽固廢材料與試驗用土并混合均勻；②將拌合用水倒入混合土料后使用攪拌機攪拌；③用鏟子檢查流態(tài)土內(nèi)部是否存在硬塊，流態(tài)固化土坍落度控制在200±20mm；④采用70.1mm×70.1mm×70.1mm 的立方體模具制樣，裝樣前在模具內(nèi)壁均勻涂抹脫模膏，將攪拌均勻的流態(tài)固化土分3～4 次注入模具中，邊注入邊振搗，保證土樣密實，充分振搗，避免在土樣中留下氣泡產(chǎn)生空隙；⑤在溫度20±2℃，相對濕度95%的養(yǎng)護箱中進行標準養(yǎng)護。

1.3 試驗方案

本試驗以6%為基準水泥摻量，對堿激發(fā)劑、硅酸鹽固廢材料和硫酸鹽固廢材料進行3 因素3 水平的正交試驗設(shè)計。試驗對照組為正交試驗組對應同水泥摻量的水泥土。其中的摻入比計算方式為摻入料/干土。本文共制備18組試驗試塊，每組6 個平行試塊。通過開展無側(cè)限抗壓強度試驗，水穩(wěn)性試驗，電鏡掃描試驗和X 射線衍射試驗，利用PCAS 軟件[13]處理電鏡掃描圖片，得到固化土微觀結(jié)構(gòu)特征指標。無側(cè)限抗壓強度試驗和水穩(wěn)性試驗分別按照《水泥土配合比設(shè)計規(guī)程》（JGJT 233-2011）與《土壤固化外加劑》（CJT486-2015）中的規(guī)定進行測試。正交試驗方案見表1。

表1 正交試驗設(shè)計

2 試驗結(jié)果及分析

2.1 正交試驗結(jié)果

圖1 為正交試驗與水泥土對照組的無側(cè)限抗壓強度與水穩(wěn)性系數(shù)對比圖。

圖1 正交試驗與對照組試驗數(shù)據(jù)對比圖

由圖1 可知，正交實驗各組試塊的7d 無側(cè)限抗壓強度均高于同摻量的水泥土，水穩(wěn)性系數(shù)與水泥土基本一致。所有的正交試驗組的水穩(wěn)性系數(shù)均能滿足規(guī)范要求。正交試驗的第3 個試驗組試塊強度最高，7d 無側(cè)限抗壓強度為1.07MPa，是水泥土強度的1.54 倍。經(jīng)計算，成本比水泥低12.78%。所以水泥∶堿激發(fā)劑∶硅酸鹽固廢材料∶硫酸鹽固廢材料=6∶1∶3∶2 為MSSA 中各組分的最優(yōu)配比。

2.2 固化土性能隨齡期和摻量的變化

圖2 是在養(yǎng)護齡期為28d 時，不同MSSA 摻量下，固化粉土和黏土的無側(cè)限抗壓強度與水穩(wěn)性變化圖。

圖2 固化土強度與水穩(wěn)性變化圖

由圖2 可知，固化黏土的強度高于固化粉土。MSSA摻量為8%的固化土強度均低于1.0MPa，當MSSA 摻量為12%時，固化粉土和固化黏土的28d 強度分別為2.18MPa和2.45MPa。固化粉土的水穩(wěn)性優(yōu)于固化黏土。MSSA 摻量為8%的固化黏土的7d 齡期水穩(wěn)性系數(shù)低于80%。當MSSA 摻量為12%時，固化粉土和固化黏土的28d 的水穩(wěn)性系數(shù)分別為94.97%和90.29%。

2.3 微觀試驗結(jié)果

圖3 與圖4 分別為物相分析結(jié)果和帶有PCAS 分析數(shù)據(jù)的固化土微觀結(jié)構(gòu)圖。

圖3 固化土XRD 衍射圖

圖4 固化土微觀結(jié)構(gòu)圖

由圖3 可知，固化土中n（Ca）/n（Si）＜1.5 的Ⅰ型C-SH（Ca3Si2O6（OH2）·2H2O）和n（Ca）/n（Si）＞1.5 的Ⅱ型C-SH（Ca6（Si2O7）（SiO4）（OH）2、Ca2SiO4·H2O）。是主要的水化產(chǎn)物，鈣礬石（Ca6Al2（SO4）3（OH）12·26H2O）、水滑石（Mg4Al2（OH）12CO3·3H2O）和硬柱石（CaAl2（Si2O7）（OH）2（H2O））等是次要水化產(chǎn)物。

由圖4 可知，養(yǎng)護齡期為28 天時，MSSA 摻量為12%的固化土的微觀結(jié)構(gòu)圖中出現(xiàn)了比8%摻量固化土更明顯水化硅（鋁）酸鈣（C-（A）-S-H）和鈣礬石晶體（Ettringite），并包裹土體顆粒。固化土的概率熵隨MSSA 摻量和養(yǎng)護齡期的增加而降低，面積概率分布指數(shù)隨MSSA 摻量和養(yǎng)護齡期的增加而增加。這說明MSSA 固化土顆粒間的孔隙逐漸被C-（A）-S-H 和鈣礬石等水化產(chǎn)物填充，土顆粒間的粘接增多，土體結(jié)構(gòu)中的大孔隙減少小孔隙增多，土體結(jié)構(gòu)單元中小孔隙分布均勻，有序性提高，孔隙密度增加，微觀結(jié)構(gòu)的完整性提高。

MSSA 固化黏土中的柱狀晶體明顯少于固化粉土，但附著在土體顆粒上的塊狀或無定形膠凝產(chǎn)物多于固化粉土。結(jié)合固化黏土和粉土的無側(cè)限抗壓強度與水穩(wěn)性可知，MSSA 固化土的強度來源于固化土水化產(chǎn)生的C-（A）-S-H 凝膠，土顆粒被水化生成的C-（A）-S-H 包裹，連接，形成團聚體，土顆粒間膠結(jié)性能得以提高。固化土的水穩(wěn)性來源于固化土中的柱狀晶體，顆粒間的剩余孔隙逐漸被柱狀晶體填充，逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)樾】紫丁烧咴诤暧^上分別表現(xiàn)為固化土試塊強度提高與水穩(wěn)性的提升。

3 結(jié)論

本文采用正交試驗得到了多源固廢材料基土體固化劑各組分的最優(yōu)配比。開展了宏觀和微觀試驗分析固化劑固化粉土和黏土的時力學性能、耐久性、微觀結(jié)構(gòu)和水化產(chǎn)物。利用PCAS 軟件分析電鏡掃描圖片，得到了固化土中概率熵和面積概率分布指數(shù)，最終獲得了MSSA 固化的機理。具體結(jié)論如下：

①通過正交試驗，得到MSSA 的最優(yōu)配比為∶水泥∶堿激發(fā)劑∶硅酸鹽固廢材料∶硫酸鹽固廢材料=6∶1∶3∶2，固化粉土與固化黏土的28d 無側(cè)限抗壓強度分別為2.18MPa 和2.45MPa。固化粉土的無側(cè)限抗壓強度低于固化黏土，水穩(wěn)性系數(shù)高于固化黏土。

②MSSA 主要生成的水化產(chǎn)物為Ⅰ型C-S-H 和Ⅱ型C-S-H，同時還生成C-A-H、鈣礬石、水滑石和硬柱石等水化產(chǎn)物。28d 齡期的固化粉土和固化黏土電鏡掃描圖片中均出現(xiàn)了柱狀和包裹土體顆粒的膠凝產(chǎn)物，增加了土顆粒之間的膠結(jié)力，填充了土顆粒之間的孔隙。微觀結(jié)構(gòu)特征指標定量描述了MSSA 固化土的孔隙由大變小。

③MSSA 水化產(chǎn)物中包裹土體顆粒的C-（A）-S-H 作為土體顆粒間的骨架為固化土提供強度。顆?？紫吨械乃?、硬柱石、鈣礬石等晶體填充孔隙，改善土體內(nèi)部的孔隙結(jié)構(gòu)，為固化土提供水穩(wěn)性。MSSA 可以消納大宗工業(yè)固體廢棄物，減少水泥用量，進而降低二氧化碳排放量，復合國家雙碳政策，且價格低廉，具有顯著的經(jīng)濟和環(huán)保效益。