綠色低碳復(fù)合膠凝材料改良路基粉土試驗(yàn)研究

摘 要：【目的】為了提高工業(yè)固廢的利用率，利用工業(yè)固廢處理路基填料。【方法】采用電石渣、鋼渣、磷石膏、鋁尾礦等工業(yè)固廢制備具有水化活性的綠色低碳復(fù)合凝膠材料，并對沿黃流域粉土進(jìn)行改良試驗(yàn)研究?！窘Y(jié)果】研究表明，復(fù)合膠凝材料具有一定的水化活性，與水泥相比，其水化活性較低，但對粉土具有良好的固化效果；其凝結(jié)時(shí)間長對穩(wěn)定土的施工控制有利；在水中長期浸泡，復(fù)合膠凝材料表現(xiàn)出良好的耐水性；在低溫養(yǎng)生環(huán)境下，復(fù)合膠凝材料穩(wěn)定土較水泥土有優(yōu)勢?！窘Y(jié)論】綠色低碳復(fù)合膠凝材料改良路基粉土性能優(yōu)異，具有工程應(yīng)用價(jià)值。

關(guān)鍵詞：工業(yè)固廢；綠色低碳復(fù)合膠凝材料；粉土；水化活性；耐水性；低溫養(yǎng)生

中圖分類號：U414" " "文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A" " " 文章編號：1003-5168（2025）02-0068-04

DOI：10.19968/j.cnki.hnkj.1003-5168.2025.02.013

Abstract： [Purposes] In order to improve the utilization rate of industrial solid wastes， industrial solid wastes were used to treat roadbed filling material. [Methods] Green low-carbon composite cementitious material with hydration activity was prepared by industrial solid wastes such as calcium carbide slag， steel slag， phosphogypsum and" aluminium tailings，and the improvement test of silt along the Yellow River Basin was carried out.[Findings] The results showed that the composite cementitious material had hydration activity， which was lower than that of cement， but it had a good curing effect on silt. Its long setting time was beneficial to the construction control of stable soil. Long-curing in water， good water resistance of composite cementitious stabilized soil was showed. In the environment of low temperature curing， composite cementitious stabilized soil had better performance over cement soil. [Conclusions] Green low-carbon composite cementitious material had excellent performances on improving roadbed silt and had engineering application value.

Keywords： industrial solid waste; green low-carbon composite cementitious material; silt; hydration activity; water resistance; low temperature curing

0 引言

河南省沿黃流域廣泛分布著以低液限粉土、含砂亞黏土、粉砂土等為主的沉積土。這些土為欠固結(jié)堆積土，粉粒含量高，級配較差，塑性指數(shù)低，抗剪強(qiáng)度低，毛細(xì)作用強(qiáng)烈，水穩(wěn)定性較差［1］。若將其直接作為路基填料，會(huì)影響道路工程的建設(shè)質(zhì)量。

工業(yè)固廢資源化利用是社會(huì)一直關(guān)心的話題。隨著工業(yè)的發(fā)展，鋼渣、尾礦等大宗工業(yè)廢棄物急劇增加，產(chǎn)生了一系列土地、資源、環(huán)境、安全等問題。特別是在“雙碳”目標(biāo)背景下，大力提倡將粉煤灰、尾礦、冶煉渣、工業(yè)副產(chǎn)石膏等大宗固廢應(yīng)用于土壤改良、井下充填、路基修筑等，可提高礦產(chǎn)資源綜合開發(fā)利用水平和綜合利用率。

目前，在路基土改良應(yīng)用方面，除了常用的水泥、石灰外，也有許多關(guān)于工業(yè)固廢改良路基填料的研究。栗培龍等［2］為優(yōu)化電石渣穩(wěn)定土的組成及配比，系統(tǒng)研究了不同土樣的最佳電石渣劑量，同時(shí)探究了土質(zhì)塑性指數(shù)、黏粒含量及膠體活動(dòng)性指數(shù)對最佳電石渣劑量的影響規(guī)律。劉滿超等［3］利用粉煤灰、礦渣粉、電石渣和復(fù)合激發(fā)劑制備了低成本的復(fù)合膠凝材料，實(shí)現(xiàn)了大宗固廢的合理處置。徐日慶等［4］利用粉煤灰、磷石膏、電石渣等固廢，開展了針對淺層淤泥質(zhì)土的固化劑研究。蔡磊［5］以湖積淤泥質(zhì)軟土為主要研究對象，選用工程渣土、礦渣、粉煤灰為主要材料，摻入脫硫石膏等工業(yè)固廢及工程渣土對淤泥質(zhì)軟土進(jìn)行改性研究。張軍林等［6］為實(shí)現(xiàn)鋼渣的全粒度應(yīng)用及提高利用率，經(jīng)過試驗(yàn)得出10%鋼渣摻量可替代6%石灰，用于穩(wěn)定黃土路基。李聰［7］設(shè)計(jì)了常規(guī)的水泥改良和石灰-粉煤灰改良方案，分別通過試驗(yàn)分析了經(jīng)兩種方案改良的粉砂土特性，提出了更適宜的石灰-粉煤灰改良方案。

可見，工業(yè)固廢穩(wěn)定土作為路基填料具有可行性。本研究以電石渣、鋼渣、磷石膏、尾礦等工業(yè)固廢，通過免煅燒工藝制備綠色低碳復(fù)合凝膠材料，分析復(fù)合膠凝材料的凝結(jié)時(shí)間、強(qiáng)度及其穩(wěn)定土的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度、耐水性、低溫養(yǎng)生性能和路用性能等。

1 試驗(yàn)材料

該試驗(yàn)用土取自河南某高速公路所用的路基填筑用土場，該地區(qū)屬于典型的沿黃流域，土的性能參數(shù)見表1。

綠色低碳復(fù)合膠凝材料是根據(jù)該土質(zhì)情況，由鋼渣、電石渣、磷石膏、鋁尾礦等工業(yè)固廢，按一定比例經(jīng)過烘干粉磨而成的環(huán)保材料。水泥采用鄭州天瑞P·F 32.5水泥。膠凝材料和水泥主要化學(xué)成分見表2。

2 試驗(yàn)方法

2.1 水穩(wěn)系數(shù)與4 h凝結(jié)時(shí)間系數(shù)

按照《土壤固化外加劑》（CJT 486—2015）中的試驗(yàn)方法測定復(fù)合膠凝材料與水泥穩(wěn)定土的水穩(wěn)系數(shù)、4 h凝結(jié)時(shí)間系數(shù)。

2.2 穩(wěn)定土7 d、28 d無側(cè)限抗壓強(qiáng)度

無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)采用φ50 mm×50 mm圓柱體小試件，7 d無側(cè)限抗壓強(qiáng)度按照《公路工程無機(jī)結(jié)合料穩(wěn)定材料試驗(yàn)規(guī)程》有關(guān)試驗(yàn)方法進(jìn)行，28 d無側(cè)限抗壓強(qiáng)度為標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)生6 d，在（20±2） ℃的水中浸泡22 d，然后檢測無側(cè)限抗壓強(qiáng)度。

2.3 低溫養(yǎng)生試驗(yàn)方法

采用環(huán)境溫度箱模擬低溫環(huán)境養(yǎng)生條件，將穩(wěn)定土的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試件分別放置在5 ℃、10 ℃、15 ℃環(huán)境條件下，養(yǎng)生6 d后泡水24 h，再進(jìn)行強(qiáng)度檢測。

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 土的物理與力學(xué)性質(zhì)

為深入了解該地區(qū)土質(zhì)的微觀情況，采用熒光顯微鏡對土樣進(jìn)行放大觀察，放大倍數(shù)為100倍，如圖1所示。由圖1可知，該土顆粒磨圓度較高，大小較為均一，黏粒組分少，級配連續(xù)性較差。缺少黏粒組分，導(dǎo)致顆粒間隙較大，顆粒間的黏聚力降低，碾壓時(shí)，易產(chǎn)生滑移，難以壓密實(shí)，且受雨水沖刷或浸泡易發(fā)生顆粒流失，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)整體破壞。

3.2 膠凝材料研究

參考水泥試驗(yàn)研究方法，對比研究水泥與復(fù)合膠凝材料的凝結(jié)時(shí)間、抗壓強(qiáng)度，具體見表4。

表4 膠凝材料凝結(jié)時(shí)間與強(qiáng)度

[類" 別 檢測項(xiàng)目 實(shí)測值 復(fù)合膠凝材料 凝結(jié)時(shí)間/min 初凝 378 終凝 524 抗壓強(qiáng)度/MPa 3 d 10.7 28 d 31.5 水泥 凝結(jié)時(shí)間/min 初凝 167 終凝 219 抗壓強(qiáng)度/MPa 3 d 16.6 28 d 38.1 ]

由表4可知，復(fù)合膠凝材料28 d抗壓強(qiáng)度可達(dá)31.5 MPa。由此可見，雖然復(fù)合膠凝材料是由多種工業(yè)固廢復(fù)合而成的，但只要各組分比例得當(dāng)，其礦物組分就可以產(chǎn)生協(xié)同水化作用，表現(xiàn)出一定的水化活性。但與水泥相比，復(fù)合膠凝材料自身水化活性較低，致使其抗壓強(qiáng)度明顯低于水泥。

3.3 膠凝材料穩(wěn)定粉土試驗(yàn)研究

根據(jù)路基設(shè)計(jì)規(guī)范要求，對不同摻量復(fù)合膠凝材料和水泥拌和土進(jìn)行了擊實(shí)試驗(yàn)與CBR試驗(yàn)，結(jié)果見表5。

由表5可知，3%和4%摻量時(shí)，兩種改良材料穩(wěn)定的CBR值，均滿足《公路路基設(shè)計(jì)規(guī)范》（JTG D30—2015）中上路床CBR大于8%的要求。且相同摻量和壓實(shí)度時(shí)，復(fù)合膠凝材料穩(wěn)定土CBR值均高于水泥穩(wěn)定土。

進(jìn)一步研究復(fù)合膠凝材料和水泥穩(wěn)定土7 d、28 d無側(cè)限抗壓強(qiáng)度、水穩(wěn)系數(shù)和4 h凝結(jié)時(shí)間影響系數(shù)，結(jié)果見表6。

由表6可知，隨著復(fù)合膠凝材料摻量的提高，其穩(wěn)定土7 d、28 d無側(cè)限抗壓強(qiáng)度也逐漸增大，復(fù)合膠凝材料穩(wěn)定土的水穩(wěn)系數(shù)和4 h凝結(jié)時(shí)間影響系數(shù)均大于水泥穩(wěn)定土。當(dāng)摻量為3%時(shí)，復(fù)合膠凝材料穩(wěn)定土的7 d無側(cè)限抗壓強(qiáng)度比水泥穩(wěn)定土增加了20.6%，前者28 d無側(cè)限抗壓強(qiáng)度比后者增加了36%；4%摻量時(shí)，復(fù)合膠凝材料穩(wěn)定土的7 d無側(cè)限抗壓強(qiáng)度比水泥穩(wěn)定土增加了23.5%，前者28 d無側(cè)限抗壓強(qiáng)度比后者增加了26.3%。

綜合表4、表5和表6中的數(shù)據(jù)可知，水泥穩(wěn)定土的強(qiáng)度高于復(fù)合膠凝材料，而水泥穩(wěn)定土的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度反而低于后者。其原因是，水泥強(qiáng)度等級的評價(jià)方法是基于水泥水化反應(yīng)產(chǎn)生的膠凝物質(zhì)黏接砂石等惰性材料的，在此期間，砂石并不參與水泥水化反應(yīng)過程，但在水泥穩(wěn)定土反應(yīng)體系中，不僅有水泥水化反應(yīng)，還有水化產(chǎn)物參與土壤活性物質(zhì)的交聯(lián)反應(yīng)，所以采用水泥穩(wěn)定土強(qiáng)度試驗(yàn)方法并不能全面反映其穩(wěn)定土性能的優(yōu)劣。而復(fù)合膠凝材料可以根據(jù)土質(zhì)變化，靈活調(diào)整各組分比例，既能通過自身的水化反應(yīng)，在土壤顆?？障堕g形成強(qiáng)度骨架，也可以通過電石渣等組分與土壤中的活性物質(zhì)產(chǎn)生膠凝效應(yīng)，從而進(jìn)一步增強(qiáng)穩(wěn)定土的各項(xiàng)性能［8］。

3.4 低溫養(yǎng)生試驗(yàn)研究

為了研究復(fù)合膠凝材料穩(wěn)定土受低溫條件影響的情況，采用環(huán)境溫度箱模擬低溫環(huán)境養(yǎng)生條件，養(yǎng)生穩(wěn)定分別為5 ℃、10 ℃和15 ℃，具體見表7。

由表7可知，在5 ℃環(huán)境條件下養(yǎng)生6 d后，泡水24 h，水泥、復(fù)合膠凝材料穩(wěn)定土試件均被泡散，說明在5 ℃養(yǎng)生條件下，穩(wěn)定土強(qiáng)度增長緩慢，沒有形成良好的固化體，抗水侵蝕效果不佳。在10 ℃養(yǎng)生條件下，水泥、復(fù)合膠凝材料穩(wěn)定土試件均有一定強(qiáng)度，可以進(jìn)行有效的試驗(yàn)檢測。當(dāng)摻量為3%時(shí)，復(fù)合膠凝材料穩(wěn)定土無側(cè)限抗壓強(qiáng)度比水泥穩(wěn)定土高80.9%；當(dāng)摻量為4%時(shí)，復(fù)合膠凝材料穩(wěn)定土無側(cè)限抗壓強(qiáng)度比水泥穩(wěn)定土高92.2%。在15 ℃養(yǎng)生條件下，當(dāng)摻量為3%時(shí)，復(fù)合膠凝材料穩(wěn)定土無側(cè)限抗壓強(qiáng)度比水泥穩(wěn)定土高32.2%；當(dāng)摻量為4%時(shí)，復(fù)合膠凝材料穩(wěn)定土無側(cè)限抗壓強(qiáng)度比水泥穩(wěn)定土高24.4%。在20 ℃養(yǎng)生條件下，當(dāng)摻量為3%時(shí)，復(fù)合膠凝材料穩(wěn)定土無側(cè)限抗壓強(qiáng)度比水泥穩(wěn)定土高20.6%；當(dāng)摻量為3%時(shí)，復(fù)合膠凝材料穩(wěn)定土無側(cè)限抗壓強(qiáng)度比水泥穩(wěn)定土高28%。

綜上所述，在低溫養(yǎng)生環(huán)境下，復(fù)合膠凝材料穩(wěn)定土的強(qiáng)度要優(yōu)于水泥穩(wěn)定土，該數(shù)據(jù)為低溫天氣條件下施工復(fù)合膠凝材料穩(wěn)定土提供了參考。

4 結(jié)論

①與水泥相比，綠色低碳復(fù)合膠凝材料凝結(jié)時(shí)間延長、抗壓強(qiáng)度較小，說明其水化活性較低，但凝結(jié)時(shí)間長有利于穩(wěn)定土的施工控制。

②相同摻量時(shí)，復(fù)合膠凝材料穩(wěn)定土的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度要高于水泥穩(wěn)定土；水穩(wěn)系數(shù)、4 h凝結(jié)時(shí)間影響系數(shù)均大于水泥穩(wěn)定土；其CBR值均高于同樣壓實(shí)度下的水泥穩(wěn)定土，表明根據(jù)土質(zhì)情況配制的復(fù)合膠凝材料相較于固定組分的水泥，在穩(wěn)定土方面更具有性能優(yōu)勢。

③在低溫養(yǎng)生環(huán)境下，復(fù)合膠凝材料穩(wěn)定土的強(qiáng)度要優(yōu)于水泥穩(wěn)定土。

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