氧化鎂礦粉復(fù)配加固砂土的強(qiáng)度特性

中圖分類號(hào)：TU441 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：2096-6717（2025）03-0036-05

Strength characteristics of sand treated by magnesium oxide activated granulatedblast furnace

LU Jiayue1'，BAI Kun3， ZHANG Chengjun ⁴ ，YEQiang ^1，2 （1.JiangsuResearch InstituteofBuilding Science Co.，Ltd.，Nanjing 21Ooo8，P.R.China；2.State KeyLaboratoryof High Performance in Civil Engineering Materials，Nanjing 210o8，P.R.China;3.China Railway 14th Bureau Group Corporation Limited，Jinan 25OlO1，P.R. China;4.China Railway 14th Bureau Group Mega Shield Construction Engineering Co.，Ltd.，Nanjing 21l899，P.R. China）

Abstract：Sandy soil isa common geotechnical material.To satisfy the mechanical and environmental requirements in engineering，the granulated blast furnace powder （GGBS）as a solid waste discharged by steel industry could replace cement as a soil curing agent. In this study，GGBS was used as curing agent and magnesium oxide （MgO ）was used as stimulating agent to reinforce the sand. The influence of curing durations （3，7，14，28，56 days） and the mixing amount of curing agents （8% ， 10% ， 12% ） as well as the amounts of magnesium oxide （0% ， 5% ， 10% ， 15% ， 20% ， 40% ） on the strength development were analyzed. The results showed that under the same amount of curing agent，the unconfined compressive strength （USC）of cemented sand has no obvious relation with curing age less than 7days.However，when the curing age was longer than 7 days，the longer the age period，the higher of the sand soil USC.Furthermore，the amount of curing agent is positively correlated with the unlimited compresive strength of sand.Finally，although magnesium oxide dosage could promote the improvement of the unlimited compresive strength，excessive magnesium oxide would inhibit the increase of the unlimited compressive strength in sand.

Keywords： magnesium oxide;sandy soil;unconfined compressive strength； granulated blast furnace powder

沿海和沿江地區(qū)分布較多砂土地基，為使砂土地基在靜荷載作用下有足夠的強(qiáng)度并改善砂王的不良工程特性，通常使用固化劑對(duì)砂土進(jìn)行固化處理。

目前常通過硅酸鹽水泥和石灰對(duì)砂土進(jìn)行固化處理[1-3]，王志剛等4通過水泥基固化劑對(duì)中牟地區(qū)的細(xì)粒土砂進(jìn)行研究發(fā)現(xiàn)，固化后砂土的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度和抗壓回彈模量均有較大提升。郭曉峰等5采用水泥固化劑對(duì)某高速公路沿線的砂土進(jìn)行固化，通過室內(nèi)試驗(yàn)研究固化土的路用性能，結(jié)果表明，固化后的砂土能夠滿足施工要求。但水泥固化砂土存在資源消耗量大，二氧化碳排放量大，環(huán)境污染大等問題，因此，需尋找一種綠色環(huán)保的固化劑。

近年來，有學(xué)者對(duì)MgO-GGBS（氧化鎂活化高爐礦渣）進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)MgO-GGBS不僅能夠有效固化土體，同時(shí)具有綠色環(huán)保等優(yōu)勢[6-8]。劉松玉9指出，相比水泥固化土，MgO-GGBS固化土在抗硫酸鹽侵蝕和抗干濕循環(huán)的耐久性方面具有顯著優(yōu)勢。Wang等[0]和Jin等[]通過試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，經(jīng)處理后的試樣中鉻、鎘、鉛、鋅的浸出濃度均低于英國飲用水標(biāo)準(zhǔn)，無側(cè)限抗壓強(qiáng)度達(dá) 3.5MPa 以上，滲透系數(shù)小于 10^-10m/s 。李晨等[10]、蔡光華等[11]通過粒化高爐礦渣微粉對(duì)固化土特性影響的研究發(fā)現(xiàn)，其也能有效提高固化土抗壓強(qiáng)度。李晨等2在針對(duì)

GGBS對(duì)高齡土抗壓強(qiáng)度的研究中發(fā)現(xiàn)，當(dāng)固化劑摻人GGBS后，高嶺土的28d抗壓強(qiáng)度從 0.35MPa 提高到 0.85MPa 。蔡光華等[13]對(duì)香港地區(qū)的海相沉積物進(jìn)行固化發(fā)現(xiàn)，含有GGBS的固化劑在 10% 摻量下的抗壓強(qiáng)度值是同樣條件下水泥抗壓強(qiáng)度值的2倍。但由于對(duì)MgO-GGBS固化的研究通常是針對(duì)黏土、軟土，對(duì)砂土的固化研究較少。筆者通過無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)，分析固化劑摻量、齡期、MgO 摻量等對(duì)砂土無側(cè)限抗壓強(qiáng)度的影響規(guī)律，為解決砂土的實(shí)際工程應(yīng)用問題提供依據(jù)。

1 試驗(yàn)方案與方法

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)采用的固化劑為MgO-GGBS。 MgO 作為常見的無機(jī)非金屬材料，具有難溶于水及有機(jī)溶劑的物理化學(xué)特性，與水反應(yīng)生成 Mg²⁺ 和 OH^- 的能力較強(qiáng)，能夠加速GGBS水化，又能夠反應(yīng)生成水滑石等產(chǎn)物[14]。?；郀t礦粉（GGBS）則是以一種工業(yè)廢渣，其主要成分是以硅酸鈣和鋁酸鈣為主的融合物（包含 CaO，SiO₂，Al₂O₃ 等），是一種玻璃態(tài)的粒狀活性材料。與水接觸后，GGBS顆粒中 Ca²⁺ 溶于水，GGBS顆粒所帶負(fù)電荷與水中 H⁺ 生成膠體，在 MgO 堿激發(fā)劑情況下，可以促進(jìn)這一反應(yīng)進(jìn)行，還能夠生成水滑石（CSH）等物質(zhì)，可以提高固化土強(qiáng)度。GGBS-MgO化學(xué)成分見表1。

試驗(yàn)用土是來自某地區(qū)的砂土，其級(jí)配曲線見圖1。

1.2 試驗(yàn)方案

采用無側(cè)限壓縮試驗(yàn)測得的強(qiáng)度值來評(píng)估固化土的強(qiáng)度特性，試樣采用直徑為 50mm 、高度為100mm 的圓柱體。固化劑由MgO-GGBS組成，分別采用 8%.10%.12% 三種固化劑摻量（固化劑質(zhì)量與干王質(zhì)量的比值），固化劑和水按比例1：1.6進(jìn)行混合，并對(duì)其進(jìn)行編號(hào)。具體配比見表2，表2中水、固化劑、砂土質(zhì)量分別用 表示，表中編號(hào)B10-M05表示固化劑摻量為 10% ， MgO 占固化劑的5% ，其余編號(hào)含義以此類推。

1.3 試驗(yàn)步驟

1）將土體粉碎后過 2mm 篩，去除較細(xì)顆粒后置于 105^°C 烘箱內(nèi)烘干，質(zhì)量穩(wěn)定后取出備用。

2）用天平稱取各配比所需要的 300g 干土、固化劑和水，將其混合攪拌均勻。

3）攪拌后的混合土樣分3層裝入內(nèi)徑為 50mm高度為 100mm 的圓柱PVC模具中，對(duì)土樣進(jìn)行分層擊實(shí)并振搗排除氣泡。

4）將試樣放入 （20±2）^°C 、相對(duì)空氣濕度 95% 以上的標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)，待養(yǎng)護(hù)至相應(yīng)齡期后脫模。

5）脫模后，使用游標(biāo)卡尺測量試樣的高度、直徑，稱取試樣質(zhì)量并對(duì)試樣進(jìn)行無側(cè)限抗壓強(qiáng)度測試。

2 試驗(yàn)結(jié)果

2.1養(yǎng)護(hù)齡期對(duì)強(qiáng)度的影響

固化土的UCS隨齡期的變化規(guī)律如圖2所示。當(dāng)固化王養(yǎng)護(hù)齡期小于3d時(shí)，試樣最大UCS約為0.25MPa ，在第7天，所有試樣的UCS值均小于1MPa 。隨著養(yǎng)護(hù)齡期的增長，當(dāng)齡期為14d時(shí)，摻加 MgO 的固化劑試樣UCS增長顯著，UCS大于1MPa 。從圖2可以看出，經(jīng)3d養(yǎng)護(hù)的B10-M20固化土初期強(qiáng)度僅為 0.11MPa ，而養(yǎng)護(hù)至第7天，試樣UCS增長到 0.47MPa ，當(dāng)養(yǎng)護(hù)時(shí)間到達(dá)14d時(shí)，試樣的UCS為 2.3MPa 。

在養(yǎng)護(hù)28d后，有 MgO 參與的固化土UCS的變化范圍在 2.85～4.77MPa 之間，B10-M15試樣的UCS最大，為 4.77MPa 。在養(yǎng)護(hù)56d后，試樣的UCS可達(dá)到 4.00～5.07MPa ，其中B10-M15試樣的UCS最大，為 5.0MPa 。以上試驗(yàn)結(jié)果表明，在養(yǎng)護(hù)齡期超過28d的情況下，固化土UCS仍然會(huì)隨著固化時(shí)間增長而增長，但是強(qiáng)度增長并不明顯。其原因是，在28d后，固化劑的水化反應(yīng)已經(jīng)完成很大一部分，隨著養(yǎng)護(hù)時(shí)間的繼續(xù)增加，水化反應(yīng)不如固化前期劇烈，水化產(chǎn)物生成放緩，導(dǎo)致固化土強(qiáng)度增長并不顯著。

2.2固化劑摻量對(duì)強(qiáng)度的影響

圖3為不同固化劑摻量對(duì)試樣UCS的影響。從圖中可以看出，在養(yǎng)護(hù)齡期為7d時(shí)，固化劑摻量為 8% 時(shí)試樣的UCS為 0.1MPa ，固化劑摻量為10% 時(shí)，試樣的UCS為 0.48MPa ，固化劑摻量為12% 時(shí)，試樣的UCS為 0.88MPa 。在養(yǎng)護(hù)齡期為14d時(shí)，當(dāng)固化劑摻量為 8% 時(shí)，試樣的UCS為1.03MPa ，固化劑摻量為 10% 時(shí)，試樣的UCS為2.33MPa ，固化劑摻量為 10% 時(shí)，試樣的UCS為2.91MPa 。從以上數(shù)據(jù)可以看出，無論是7d還是14d齡期下，同齡期下，與固化劑摻量為 8% 時(shí)相比，固化劑摻量為 12% 時(shí)試樣的UCS增長了 200% 以上。這是因?yàn)殡S著固化劑摻量的增加， MgO GGBS所生成的水化產(chǎn)物，如CSH也會(huì)隨之增加，對(duì)試樣的強(qiáng)度增長有促進(jìn)作用。

2.3 MgO 摻量對(duì)強(qiáng)度的影響

以固化劑摻量為 10% 的試樣為例，UCS隨MgO 在固化劑中比例的變化規(guī)律如圖4、圖5所示。隨著 MgO 摻量的增加，當(dāng)養(yǎng)護(hù)齡期介于 0～14d 時(shí)，UCS隨 MgO 摻量增加而增加，然而當(dāng)養(yǎng)護(hù)齡期達(dá)到28d時(shí)，可以看出，試樣B10-MO的UCS有明顯增長趨勢，甚至高于 MgO 摻量為 5%.10%.15% 的試樣。盡管B10-MO0試樣中沒有摻入 MgO ，但仍然表現(xiàn)出一定的強(qiáng)度，這是由于GGBS中本身已包含多種金屬氧化物，這些金屬氧化物也可以作為堿激發(fā)劑促進(jìn)GGBS的水化反應(yīng)。當(dāng)進(jìn)一步延長養(yǎng)護(hù)齡期至56d時(shí)，試樣B10-M20會(huì)低于試樣B10-M1O、B10-M15的UCS。綜上所述，在相對(duì)較短的養(yǎng)護(hù)齡期內(nèi)（ 0～14d ） MgO 作為添加劑有助于增加GGBS-MgO固化土的UCS，在較長的養(yǎng)護(hù)齡期下，固化土UCS的提升不明顯。

3 分析與討論

1）根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)，固化土的UCS與養(yǎng)護(hù)齡期、固化劑摻量、固化劑中 MgO 摻量密切相關(guān)。隨著養(yǎng)護(hù)齡期的增長，固化土的UCS隨養(yǎng)護(hù)齡期提升較?。辉?MgO 摻量過多時(shí)，固化土UCS的提升受到抑制。通過分析MgO-GGBS的固化機(jī)理可知，在MgO-GGBS固化土的過程中，GGBS顆粒水化生成纖維狀凝膠粒子C-S-H-I型溶膠[15]，與溶液中的Mg²⁺ 等金屬離子和 CO₃^2- 反應(yīng)生成水滑石碳酸鈣等物質(zhì)，從而使固化土強(qiáng)度得到提升，隨著固化時(shí)間的增長，GGBS逐漸水化完成，固化土的UCS增長放緩。而 MgO 則是作為激發(fā)劑，在水中生成 Mg²⁺ 和 OH^- 。在GGBS顆粒水化過程中，溶液中 Ca²⁺ 和OH^- 濃度會(huì)上升，GGBS顆粒表面會(huì)被-Si-OH等膠體覆蓋，阻止進(jìn)一步水化， MgO 水化后的 OH^- 會(huì)使溶液pH值升高，與覆蓋在GGBS顆粒表面的膠體反應(yīng)，促使GGBS進(jìn)一步水化，直到水化反應(yīng)完成。所以，加人 MgO 有助于固化土強(qiáng)度的提高。但隨著MgO 摻量的增加，水化產(chǎn)物中更多的水滑石生成，進(jìn)而導(dǎo)致固化土中水滑石含量過大，使固化土受到膨脹應(yīng)力，這也可能導(dǎo)致高 MgO 摻量下的固化土UCS下降[15]

2）評(píng)價(jià)固化土加固效果最直觀的參數(shù)是UCS，在實(shí)際工程應(yīng)用中，UCS也是評(píng)價(jià)路基土路用性能的一個(gè)重要指標(biāo)。正是基于此，筆者對(duì)影響固化土UCS的多種因素展開研究，以期為后續(xù)工程應(yīng)用提供充足的理論依據(jù)。

4結(jié)論

1）總體而言，固化土的UCS隨著養(yǎng)護(hù)齡期的增加而提高，28d后UCS增長放緩。MgO-GGBS的水化產(chǎn)物主要是在養(yǎng)護(hù)第 7～28d 生成，隨著養(yǎng)護(hù)時(shí)間的增長，水化反應(yīng)逐漸放緩，水化產(chǎn)物生成速度下降，固化土強(qiáng)度趨于穩(wěn)定。

2）養(yǎng)護(hù)齡期小于7d時(shí)，固化劑的摻量與試樣的UCS并沒有明顯關(guān)聯(lián)。養(yǎng)護(hù)齡期大于7d后，固化劑的摻量和強(qiáng)度呈明顯正相關(guān)。

3）當(dāng)養(yǎng)護(hù)齡期小于14d時(shí)，固化土的UCS隨著MgO摻量的增加而提高。當(dāng)養(yǎng)護(hù)齡期較長時(shí) （gt;14d ），如果 MgO 摻量超過一定數(shù)值，固化土的UCS有所減弱。

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（編輯 王秀玲）