石灰激發GGBS固化上海軟土的試驗研究

靳宏圓 施倩蕓 邵 俐

(上海理工大學環境與建筑學院，上海 200093)

石灰激發GGBS固化上海軟土的試驗研究

靳宏圓 施倩蕓 邵 俐

(上海理工大學環境與建筑學院，上海 200093)

通過室內試驗，探討了Lime-GGBS固化土無側限抗壓強度、pH值、齡期和Lime-GGBS配合比之間的關系，結果表明:Lime-GGBS能夠有效提高固化土強度，用20%～30%的石灰替代GGBS能得到最優固化效果;在養護齡期90 d內，隨著養護齡期的增加，固化土pH值逐漸減小至反應所需環境最低pH值，固化土強度不斷提高。

Lime-GGBS固化劑，配合比，無側限抗壓強度，pH值

0 引言

上海軟土具有含水量高、滲透性差、沉降變形大、承載力低等特點，不利于工程建設。目前工程中常用水泥作為固化劑與軟土混合攪拌，通過水泥與軟土間發生的物理化學反應，形成穩定性好、強度高的固化土［1］。以水泥為主要成分的水泥系軟土固化劑能夠有效固化軟土［2，3］，但水泥生產過程中會消耗大量資源并排放有害氣體，造成嚴重環境污染［4］。

以工業廢料——高爐礦渣微粉(GGBS)作為主要原料的軟土固化劑固化軟土效果顯著，并且具有低能耗、可持續的環保功效［5］，是國內外學者的研究熱點［6］。由于GGBS本身水化非常慢，需要化學激發劑來加速其水化過程。堿性激發劑是目前最常用的激發劑之一［7］。張大捷等［8］采用礦渣膠凝材料固化軟土，并且與水泥固化土進行比較，發現9%摻量的礦渣固化土無側限抗壓強度普遍高于15%的水泥固化土。易耀林等［9］通過試驗發現Na2CO3，NaOH和Na2SO4作為堿性激發劑，能夠提高固化土強度，以NaOH最優，Na2CO3最差。目前堿激發礦渣固化土的研究僅僅是關于強度，對于固化土酸堿度、強度和齡期之間關系的研究還較少。

本文采用CaO作為激發劑配合GGBS使用，通過無側限抗壓強度試驗(UCS Test)和pH值測量，研究固化土無側限抗壓強度和pH隨養護齡期的變化規律，在保持固化劑總摻量不變的前提下，改變石灰(Lime)和GGBS配比，分析得出最優配合比。

1 試驗部分

1.1 試驗材料

試驗用土為上海地區軟粘土，其物理性質指標如表1所示。試驗用礦渣為標號S105礦渣微粉，石灰為分析純CaO，土體含水率采用天然含水率(32%)。試驗材料的化學成分如表2所示。

表1 軟土的基本物理性質指標

表2 試驗材料的化學組成 %

1.2 試驗方案

固化劑總摻量為20%，分別按照不同配合比摻入Lime和GGBS，方案見表3。

1.3 試驗方法

表3 試驗方案 %

將土樣曬干后敲碎，放入恒溫干燥箱105℃烘干8 h，干燥后用粉碎機粉碎，過2 mm篩。采用三瓣模分三層擊實制件，試件尺寸為φ39.1 mm×80 mm。試塊養護環境溫度為18℃～22℃，相對濕度不小于95%。養護齡期分別為7 d，14 d，28 d，60 d，90 d。無側限抗壓強度試驗采用微機控制萬能試驗機，pH值采用上海某公司產pH儀測量。

2 結果與討論

2.1 無側限抗壓強度變化規律

圖1為不同配合比Lime-GGBS固化土無側限抗壓強度與養護齡期關系曲線。可以看出，固化土無側限抗壓強度隨養護齡期的增大而增加。使用摻量低于8%的石灰代替GGBS，Lime-GGBS配合比小于2∶3，固化土強度在短齡期內(14 d)增長較緩慢，14 d后增長速度顯著提高;用摻量不低于8%的石灰代替GGBS，Lime-GGBS配合比不小于2∶3，固化土在短齡期內(14 d)增長較快，14 d后增長速度變緩，并且強度提高幅度小于其他配合比。

圖2為Lime-GGBS固化土無側限抗壓強度與配合比關系曲線。由圖2可知，礦渣摻量較高，石灰摻量較低時，固化土短齡期內隨礦渣摻量的增加而減小。養護28 d后，固化土強度顯著提高，并且在一定范圍內，礦渣摻量越高，石灰摻量越少，固化土強度增長越快。

圖1 Lime-GGBS固化土無側限抗壓強度與養護齡期關系曲線

圖2 Lime-GGBS固化土無側限抗壓強度與配合比關系曲線

圖1和圖2說明，使用較低摻量石灰替代GGBS時，大部分石灰參與到GGBS的水化反應中，固化土早期強度增長緩慢，但隨著GGBS水化反應的進行，養護后期固化土強度顯著提高，并且增長速度較快。若使用較高摻量石灰替代GGBS，短期內GGBS對固化土強度的提高貢獻不大，石灰對固化土有一定固化效果，體現出固化土強度增長較快;后期石灰激發GGBS潛在活性，表現出強度繼續增長的趨勢，但由于GGBS被替換太多，能夠發生水化反應的GGBS量較其他配合比明顯減少，導致其強度增長幅度較小。由此可以看出，采用Lime-GGBS固化劑時，石灰摻量應小于礦渣，兩者配合比宜介于1∶4～1∶2.5之間。

2.2 酸堿度變化規律

圖3為Lime-GGBS固化土pH值與養護齡期關系曲線。可以看出，初期由于石灰的加入，CaO水解生成大量OH－，固化土pH值較高。隨著GGBS水化反應的進行，礦渣和軟土中的Si，Al等溶解到孔隙水中，并與Ca2+和OH－離子反應，OH－被大量消耗，生成水化硅酸鈣(CSH)、水化鋁酸鈣(CAH)和水化硅鋁酸鈣(CASH)等水化產物［10］，固化土pH值隨齡期逐漸減小［11］，60 d 后OH－被大量消耗，固化土pH主要靠反應生成的堿性物質維持［1］，逐漸趨于穩定。

圖4為Lime-GGBS固化土pH值與配合比關系曲線。由圖4可知，總摻量不變，固化土pH值隨著礦渣摻量的增加和石灰摻量的減少而減少，最小值為10.6，這與高爐礦渣發生火山灰反應的環境最低pH值為10.5一致［12］。

圖3 Lime-GGBS固化土酸堿度與養護齡期關系曲線

圖4 Lime-GGBS固化土酸堿度與配合比關系曲線

圖5為Lime-GGBS固化土無側限抗壓強度與pH值關系曲線。可以看出，在保證GGBS反應所需要的pH值前提下，短齡期(7 d和14 d)內，Lime-GGBS固化土無側限抗壓強度隨pH值的增加而增大，增幅較緩;較長齡期(28 d，60 d和90 d)固化土強度隨pH值增長而下降。這主要是由于初期CaO水解產生大量OH－，固化土pH較高，強度較低;隨著火山灰反應的進行，大量OH－被消耗，固化土pH值下降，強度提高明顯。

圖5 Lime-GGBS固化土酸堿度與無側限抗壓強度關系曲線

3 結語

1)GGBS固化劑需要在堿性環境下才能發揮出其潛在活性，石灰提供的堿性環境能夠促進GGBS水解，保證固化土中火山灰反應的正常進行，提高固化土強度。

2)Lime-GGBS固化劑能夠有效提高固化土強度，在固化劑總摻量不變的前提下，20%～30%的GGBS用石灰代替能夠達到最好的固化效果。

3)齡期對Lime-GGBS固化土強度影響較大，短齡期內固化土強度增長緩慢，較長齡期下固化土強度提高顯著。對固化土早期強度要求較高時，應考慮是否添加其他輔助激發劑，并做相關研究。

4)Lime-GGBS固化土pH值隨齡期的增加而減小，為保證固化土更長齡期下仍保持較高強度，應控制固化土pH值在環境最低pH值以上。

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Experimental research on Shanghai soft clay stabilized by lime activated GGBS

Jin Hongyuan Shi Qianyun Shao Li
(School of Environment and Architecture，University of Shanghai for Science and Technology，Shanghai 200093，China)

The relationship among Unconfined Compressive Strength(UCS)，pH value，curing time and mixing ratio of Lime-GGBS was investigated through laboratory test.The results show that the UCS of Lime-GGBS stabilized soil can be improved significantly.20%～30%of GGBS replaced by lime has the highest unconfined compressive strength.The pH value of Lime-GGBS stabilized soil decrease to the minimum pH value that pozzolanic reaction need with the increase of curing age，and the UCS of stabilized soil keep increasing within 90 days.

Lime-GGBS curing agent，mixing ratio，unconfined compressive strength，pH value

TU447

A

1009-6825(2016)35-0076-02

2016-09-30

靳宏圓(1993-)，男，在讀碩士