固廢基硫鋁酸鹽水泥固化低液限粉土的試驗研究

呂昭元,楊強,余利軍,劉澎,胡天一,管延華*

(1.山東大學 齊魯交通學院，山東 濟南 250002； 2.濟南金衢公路勘察設計研究有限公司；3.濟南金諾公路工程監理有限公司)

低液限粉土由于其粉粒含量高，顆粒較均勻且持水能力弱，將其作為路基填料時，不易壓實，路基的水穩定性和動穩定性較差。運營期間易產生承載力低、路基強度衰減速度快和路面前期損壞嚴重等問題，對行車舒適性及安全性造成了極大的影響，需要對其進行加固處理。無機結合料穩定材料可有效提高粉土路基強度及耐久性，具有強度高、穩定性好、抗凍能力強、結構自身自成板體等特點。目前常用的無機結合料主要有普通硅酸鹽水泥、石灰和粉煤灰等。近年來，不少學者對硫鋁酸鹽水泥在固化土中的應用展開了研究：將硫鋁酸鹽水泥和石膏作為膨脹性組分，普通硅酸鹽水泥作為膠結性組分，3種材料復摻固化軟土,其固化土強度與單摻水泥的固化土強度相比可大幅度提高。但石膏存在最佳摻量，若石膏摻量過多，硫鋁酸鹽水泥和石膏反應生成鈣礬石后，剩余的石膏還將與土中的鋁發生反應繼續生成鈣礬石，后期形成的鈣礬石會破壞早期固化土結構，從而使固化土抗壓強度降低；將硫鋁酸鹽水泥作為主固化材料，選取水泥基滲透結晶型防水材料(CCCW)作為固化土外摻劑，復摻后可更好地填充固化土孔隙，提高固化土密實度。4%的CCCW復合到12%的硫鋁酸鹽水泥中，固化土強度要高于20%的硫鋁酸鹽水泥固化土強度，大大提高了固化土的力學性能。

由現有研究結果可以看出：將硫鋁酸鹽水泥作為路基土的固化劑能取得較好的固化效果。但是，生產傳統的硫鋁酸鹽水泥需消耗大量的石灰石、鋁礬土和石膏等，不僅造價較高，而且需要大量開采山體，對自然環境造成不可恢復的破壞；另一方面，中國工業固廢產量大，利用率較低，不僅占用大量土地，而且帶來了嚴重的環境污染。有研究者將工業固廢物赤泥、脫硫石膏、電石渣和鋁灰做為原料，燒制固廢基硫鋁酸鹽水泥。水泥砂漿試件3 d強度可達到56 MPa，力學及耐久性能優越。目前，還沒有關于利用固廢基硫鋁酸鹽水泥固化低液限粉土的相關研究報道。

該文利用固廢基硫鋁酸鹽水泥與普通硅酸鹽水泥復摻作為固化土膠凝材料，通過無側限抗壓強度、劈裂強度、CBR、XRD、TGA和SEM等試驗，探究固化土的力學性能及微觀機理，并確定二者的最佳比例。

1 試驗材料及試驗方案

1.1 試驗材料

(1) 粉土

試驗所用粉土取自山東聊城。該粉土的液限為31.2%，塑限為21.6%，塑性指數為9.6。其最佳含水率為15.3%，最大干密度為1.84 g/cm3。土顆粒級配曲線如圖1所示，顆粒粒徑為0.001～0.09 mm，且黏粒較少，屬于低液限粉土。

圖1 粉土顆粒級配曲線

(2) 普通硅酸鹽水泥及固廢基硫鋁酸鹽水泥

此次試驗所用的普通硅酸鹽水泥采用山東產P.O.42.5級水泥。固廢基硫鋁酸鹽水泥由脫硫石膏、赤泥、鋁灰、電石渣燒制而成，原料均為山東某工業園排放的工業固廢。二者的化學成分見表1。

1.2 試驗設計

相關研究結果表明：在固化土形成最佳結構時，需要固化劑中的膠結性組分與膨脹性組分共同發揮作用。膠結性組分包裹黏結土顆粒，膨脹性組分和膠結性組分共同填充土顆粒間空隙，從而增加固化土的密實性，改善各項性能。此次試驗采用P.O.42.5級水泥作為膠結性組分，硫鋁酸鹽水泥作為膨脹性組分，設定膠凝材料總摻量為6%，改變硫鋁酸鹽水泥占膠凝材料的比例(0%、30%、60%、70%、80%、100%),通過無側限抗壓強度、劈裂強度和CBR試驗探究其比例變化對固化土強度的影響，確定最佳比例。并利用TGA、XRD和SEM等試驗分析水泥及改良土的成分及微觀形態，探究微觀機理。各固化劑配比及對應固化土的最佳含水率和最大干密度見表2。

表1 水泥的化學成分

表2 固化劑配比及對應固化土的最佳含水率和最大干密度

1.3 試驗方法

根據相關試驗規程進行無側限抗壓強度、劈裂強度及CBR試驗；采用型號為Miniflex 600的X射線衍射儀分析固化土成分，掃速為10°/min，范圍為10°～90°；采用型號S-4800場發射掃描電鏡觀測水化產物的微觀結構和微觀形貌；采用型號為NETZSCH STA 449C的熱分析儀對兩種水泥凈漿試樣進行熱重分析，氮氣氣氛，掃描溫度區間為25～950 ℃，升溫速率為10 ℃/min。

2 試驗結果及分析

2.1 無側限抗壓強度

不同配比的固化劑對低液限粉土無側限抗壓強度的影響規律如圖2所示。

圖2 不同配比固化土抗壓強度隨齡期的變化規律

由圖2可知：固化土強度隨齡期的增長而不斷增加，且強度增長速度逐漸變緩。以硫鋁酸鹽水泥和普通硅酸鹽水泥復摻作為復合固化劑，隨著普通硅酸鹽水泥占膠凝材料比例的增加，固化土的無側限抗壓強度整體呈增長趨勢。其原因在于，固化土的強度主要由固化劑的膠結作用和填充作用共同決定。普通硅酸鹽水泥水化生成的水化硅酸鈣在固化土中主要作為膠結性組分，用于加強土粒之間的連接強度。硫鋁酸鹽水泥水化生成的鈣礬石主要作為膨脹性組分，用于填充土粒間的縫隙，增加密實度。隨著普通硅酸鹽水泥比例的增加，水化生成的膠結物質越多，對土顆粒的膠結作用就越強，固化土的強度不斷提高。當摻量由60%上升到70%時，固化土強度提高最為顯著，兩種水泥的互補性發揮最好，故取70%為普通硅酸鹽水泥的最佳摻入比例。

2.2 劈裂強度

選取膠凝材料摻量為6%，硫鋁酸鹽水泥與普通硅酸鹽水泥復摻比例為3∶7的固化土(S30-70)作為研究對象。對比其與純硫鋁酸鹽水泥(S100-0)及純普通硅酸鹽水泥固化土(S0-100)的劈裂強度，強度隨齡期的變化規律如圖3所示。

圖3 不同配比固化土劈裂強度隨齡期的變化規律

由圖3可知：純硫鋁酸鹽水泥劈裂強度呈現前期增長迅速，后期緩慢增長的趨勢，28 d劈裂強度可以達到0.16 MPa。隨著普通硅酸鹽水泥摻量的增加，固化土劈裂強度逐漸增長。相比于純普通硅酸鹽水泥固化土，復摻硫鋁酸鹽水泥和普通硅酸鹽水泥的固化土前期強度增長較快，說明硫鋁酸鹽水泥起到了一定的早強效果，使固化土在早期就可以達到較高的劈裂強度。

2.3 承載比及膨脹量

圖4為3種配比固化土的CBR值及膨脹量。

圖4 不同配比固化土的CBR值及膨脹量

由圖4可知:隨著P.O.42.5級水泥占膠凝材料比例的增加，固化土CBR值不斷增加，膨脹量逐漸降低。3種配比固化土CBR值均較高，遠遠大于規范對路基填料強度的最高要求(>8%)。CBR試件的膨脹量均小于2%。由此可知其水穩定性及力學性能均較好。

2.4 微觀機理

2.4.1 TGA(熱重)分析

圖5為硫鋁酸鹽水泥和普通硅酸鹽水泥凈漿試件養護28 d齡期后的TGA曲線和DTG曲線。

圖5 水泥凈漿試樣TGA分析

由圖5(a)可知：硫鋁酸鹽水泥的熱失重主要發生于50～200 ℃，DTG曲線在125 ℃左右達到了峰值，超過200 ℃后，質量隨溫度的升高平穩下降，后期失重不明顯。相關研究表明：鈣礬石一般在110～180 ℃時失重,產生明顯的吸熱效應。故該研究選取110～180 ℃為對比溫度，28 d時固廢基硫鋁酸鹽水泥和普通硅酸鹽水泥的質量損失ML分別為9.5%和6.5%。說明硫鋁酸鹽水泥水化生成的鈣礬石相對較多。由圖5(b)可知：普通硅酸鹽水泥與硫鋁酸鹽水泥的TGA曲線有所不同，呈不斷下降趨勢。且DTG曲線在400～450 ℃和650～720 ℃之間出現了明顯的峰值，其分別由于氫氧化鈣和碳酸鈣的分解所致。而水化硅酸鈣的熱分解持續進行，隨溫度的升高，普通硅酸鹽水泥的熱重分析曲線下降程度明顯大于固廢基硫鋁酸鹽水泥，說明其水化產生的水化硅酸鈣要遠高于固廢基硫鋁酸鹽水泥。

2.4.2 XRD

圖6為素土及不同配比(S100-0、S30-70、S0-100)固化土進行7 d養護后的X射線衍射分析結果。

圖6 不同配合比固化土X射線衍射分析圖

鈣礬石對應的特征峰值通常為5.61、3.87和2.56，而且5.61處出現的鈣礬石峰值不受其他礦物的影響，容易辨別。由圖6可知：素土的XRD衍射結果中主要物質為礦物石英，未檢測出鈣礬石。試樣(S100-0)的衍射結果中，3個特征峰均出現了鈣礬石，相比于其他兩種配比，其固化土中的鈣礬石含量最高，這也就可能導致了純硫鋁酸鹽水泥固化土膠結性較差，膨脹性較強，抗壓強度及劈裂強度較低的現象。

2.4.3 SEM

圖7為S100-0、S30-70、S0-100共3種固化劑固化低液限粉土在標準養護7 d時放大5 000倍的SEM照片。圖7(a)為單摻硫鋁酸鹽水泥固化土試樣的微觀照片，由圖7(a)可以看出：鈣礬石填充于土顆粒的縫隙中，形成了固化土的早期強度。由于齡期較短，其形態大多成短棒狀。圖7(c)為單摻P.O.42.5級水泥固化土的微觀圖片，其鈣礬石形態多為細針狀，相比于單摻硫鋁酸鹽水泥固化土，其生成的鈣礬石少而細，對土粒空隙的填充作用較差，但土粒表面生成的水化硅酸鈣較多。圖7(b)為復摻硫鋁酸鹽水泥和P.O.42.5級水泥的固化土微觀圖片，可以看到兩種水泥復摻形成的水化產物與一種水泥單摻形成的產物有所不同，水化初期，其鈣礬石相互交織在一起，未形成單獨的棒狀或針狀結構，右下角還可以看出少量水化硅酸鈣的絮狀形態。

圖7 3種固化土標準養護7 d的SEM照片

圖8為S100-0、S30-70、S0-100共3種固化劑固化有機質土在標準養護28 d時放大10 000倍的照片，圖8(a)與圖7(a)相比，其生成的鈣礬石由短棒狀變成了長棒狀，其數量更多且分布更加致密，其鈣礬石尺寸在3種配比中為最大。圖8(b)中可以看出硫鋁酸鹽水泥和P.O.42.5水泥復摻生成的鈣礬石的形態既有細針狀的，又有長棒狀的。相對于其早期形態有了很大的變化。其鈣礬石尺寸大小介于純硫鋁酸鹽水

圖8 3種固化土標準養護28 d的SEM照片

泥和純普通硅酸鹽水泥水化產生的鈣礬石尺寸之間。圖8(c)水化產物出現了較多的絮狀水化硅酸鈣，起到膠結土顆粒的作用，少量短棒狀鈣礬石填充于土粒之間，二者共同發揮作用，為固化土提供強度。

3 結論

通過室內試驗，研究了普通硅酸鹽水泥和固廢基硫鋁酸鹽水泥不同復摻比例對改良低液限粉土的無側限抗壓強度及劈裂強度的影響，確定了最優比例，并對最優比例進行了CBR值、膨脹量的測定及微觀機理研究。主要結論如下：

(1) 固廢基硫鋁酸鹽水泥的水化產物鈣礬石含量較多，水化硅酸鈣含量較低。

(2) 復摻硫鋁酸鹽水泥和普通硅酸鹽水泥，隨普通硅酸鹽水泥摻入比例的提高，固化土抗壓強度不斷提高。當摻量由60%上升到70%時，固化土強度提高最為顯著，兩種水泥的互補性發揮最好，故選取3∶7為復摻硫鋁酸鹽水泥和普通硅酸鹽水泥的最佳比例。

(3) 固廢基硫鋁酸鹽水泥和普通硅酸鹽水泥水化后生成的鈣礬石形態差異明顯，硫鋁酸鹽水泥水化生成的鈣礬石主要為長棒狀，其尺寸較大且數量較多；普通硅酸鹽水泥水化生成的鈣礬石主要為短棒狀，尺寸較小。

(4) 隨齡期的增長，固化土中鈣礬石數量逐漸增多，尺寸逐漸增大，對土粒間的縫隙有更好的填充作用。加之水化硅酸鈣對土粒間的膠結作用，從而使固化土強度不斷增長。