粒化高爐礦渣微粉固化淤泥質(zhì)土的動力特性及微觀機理

喬京生，王旭影，王冠泓，趙建業(yè)

(1.唐山學(xué)院土木工程學(xué)院，唐山 063000；2.唐山市復(fù)雜巖土與工業(yè)廢渣再生利用重點實驗室，唐山 063000； 3.中國建筑科學(xué)研究院，北京 100013；4.河北省地礦局第五地質(zhì)大隊，唐山 063000)

0 引 言

淤泥質(zhì)土廣泛分布于我國沿海、河流和湖泊地區(qū)，具有黏粒含量高、含水量高、孔隙比大、壓縮性高、強度低等特點，在作為地基土使用之前，需要經(jīng)過加固處理，才能達(dá)到地基承載和變形要求[1-2]。目前最常用的軟土固化劑是水泥，國內(nèi)外學(xué)者對水泥土展開了許多研究[3-5]，并且在此基礎(chǔ)上開發(fā)了多種水泥系固化劑[6-7]，使水泥固化土的效果得到顯著提高。水泥加固法在強度上可以達(dá)到使用要求，但成本較高，并且水泥在生產(chǎn)過程中消耗大量的能量和資源，環(huán)境污染嚴(yán)重。

唐山是鋼鐵產(chǎn)量巨大的重工業(yè)城市，粒化高爐礦渣是煉鐵過程中產(chǎn)生的工業(yè)廢棄物，其大量堆積，利用率非常低。粒化高爐礦渣微粉(ground granulated blast-furnace slag, GGBS)，具有潛在的水化活性，水化產(chǎn)物與水泥相同[8]，近年來得到國內(nèi)外學(xué)者的廣泛關(guān)注[9-11]。張大捷等[12]以礦渣膠凝材料固化黏土、砂土兩種軟土，發(fā)現(xiàn)礦渣膠凝材料加固軟土的效果遠(yuǎn)好于水泥、石灰。周世宗等[13]以水泥為基礎(chǔ)，分別以礦渣、粉煤灰換摻水泥對軟土進(jìn)行固化處理，發(fā)現(xiàn)礦渣對水泥的換摻效果明顯，固化能力優(yōu)于水泥。因此，將GGBS應(yīng)用于軟土加固中，不僅可以把工業(yè)廢料作為新型材料應(yīng)用到地基處理中，還可以解決浪費資源、占地污染等問題。

另外，軟土在循環(huán)荷載作用下的沉降和變形問題也日益突出。研究GGBS固化土在動荷載作用下的動力特性有著十分重要的意義，而針對GGBS固化土動力特性方面的研究尚屬空白。基于此，本文以唐山豐南淤泥質(zhì)土為研究對象，用不同摻量的GGBS對其進(jìn)行固化處理，利用動三軸試驗，確定最優(yōu)摻量，并分析最優(yōu)摻量固化土在不同圍壓下的動強度、動彈性模量和動阻尼比的變化規(guī)律，最后利用SEM和EDS分析固化土的微觀結(jié)構(gòu)和成分變化，揭示其固化機理。

1 實 驗

1.1 材 料

試驗所用土取自唐山市豐南區(qū)黑沿子水門東南部某工程地基淤泥質(zhì)土，埋深約5～6 m，含水量高，強度低，呈流塑狀態(tài)。由常規(guī)室內(nèi)土工試驗測定該淤泥質(zhì)土的各項基本物理力學(xué)參數(shù)指標(biāo)，見表1。

表1 唐山豐南淤泥質(zhì)土的物理力學(xué)參數(shù)Table 1 Physical and mechanical parameters of muddy clay in Fengnan area of Tangshan

礦渣是從煉鐵高爐中排出的，以硅酸鹽和鋁酸鹽為主要成分，經(jīng)淬冷成粒后粉磨，便形成GGBS。試驗所用的GGBS來自Harsco公司(唐山)，型號為S95級，呈灰白色粉末，化學(xué)組成見表2，密度為2.9 g/cm3，桶裝塑封運至試驗室，干燥通風(fēng)處保存。GGBS中CaO和SiO2含量最高，Al2O3次之。

表2 GGBS的主要化學(xué)組成Table 2 Main chemical composition of GGBS

1.2 試驗方法

將現(xiàn)場取回的淤泥質(zhì)土進(jìn)行充分晾曬，磨碎，過2 mm直徑標(biāo)準(zhǔn)篩。制作試樣時，將干土與GGBS攪拌均勻，加入普通自來水，加水量取總干質(zhì)量的30%，控制淤泥質(zhì)土干密度(ρd=1.3 g/cm3)保持不變，采用分層擊實的方法控制試樣密度。試樣為高度80 mm、直徑39.1 mm的圓柱體。

動三軸試驗參考《土工試驗方法標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T 50123—2019)[14]，在唐山市復(fù)雜巖土與工業(yè)廢渣再生利用重點實驗室進(jìn)行。采用英國GDS動三軸試驗系統(tǒng)(DYNTTS)，主要由微機數(shù)據(jù)采集處理器、軸向壓力傳感器、圍壓控制器、反壓控制器、氣壓控制器組成，可施加正弦波、三角形波、方波和自定義波形，獲取多種類型的動力參數(shù)。試樣飽和選擇真空泵抽氣飽和，真空抽氣3 h以上，水中靜置24 h，再在動三軸內(nèi)循環(huán)無氣水反壓飽和，直到孔隙水壓力參數(shù)B大于0.95。固結(jié)方式為均壓固結(jié)，固結(jié)比設(shè)定為1.0，固結(jié)時間為16 h。在固結(jié)不排水的條件下對試樣施加正弦波循環(huán)荷載，荷載頻率為1 Hz。圍壓取50 kPa、100 kPa、150 kPa。累積軸向應(yīng)變達(dá)5%作為試樣破壞標(biāo)準(zhǔn)。掃描電鏡(SEM)試驗采用FEI QUANTA FEG 250掃描電子顯微鏡，觀察不同放大倍數(shù)下土體的微觀結(jié)構(gòu)變化，并利用儀器附帶的EDAX能譜儀，進(jìn)行能譜測試，分析其元素含量變化。

試驗的總體思路為，首先通過比較不同摻量GGBS固化土和淤泥質(zhì)土的動強度，確定最優(yōu)摻量，然后對最優(yōu)摻量固化土和淤泥質(zhì)土試樣進(jìn)行不同圍壓下的動強度、動彈性模量和動阻尼比的測試分析，以及SEM測試和EDS測試分析。

2 動力特性分析

2.1 GGBS最優(yōu)摻量

GGBS摻量指GGBS質(zhì)量與總干質(zhì)量(GGBS和干土質(zhì)量)的比。在水泥土攪拌樁的實際施工中，我國規(guī)范規(guī)定水泥的摻量必須大于7%(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，下同)，同時水泥土攪拌樁處理淤泥質(zhì)土路基時，水泥摻量的國際標(biāo)準(zhǔn)往往是在15%～20%之間，本次試驗選擇GGBS最大摻量不超過20%，選取為0%、5%、10%、15%、20%(見表3)。

表3 試樣中GGBS摻量Table 3 Mixing ratio of GGBS in the sample

不同GGBS摻量的固化土與淤泥質(zhì)土的動抗剪強度曲線如圖1所示。不同摻量固化土的動強度明顯大于淤泥質(zhì)土，且隨著GGBS摻量的增加，固化土的動強度有增大趨勢。GGBS摻量為5%、10%、15%時，固化土動強度相差較小，增大不明顯，而摻量為20%時，固化土動強度呈臺階式增大。摻入GGBS有利于增強淤泥質(zhì)土的動強度，試驗選擇20%GGBS摻量的固化土為重點研究對象展開動力特性和微觀機理研究。

圖1 不同GGBS摻量的固化土與淤泥質(zhì)土的 動抗剪強度曲線Fig.1 Dynamic shear strength curves of solidified clay with different GGBS content and muddy clay

2.2 動強度

對20%摻量的GGBS固化土和淤泥質(zhì)土，分別進(jìn)行50 kPa、100 kPa、150 kPa三種不同圍壓下動強度試驗，動抗剪強度曲線如圖2所示。圍壓越大，土體整體抵抗外部荷載的能力越強。增加圍壓時，20%摻量的固化土和淤泥質(zhì)土的動強度都隨著圍壓的增加而增大，而淤泥質(zhì)土動強度增幅基本保持不變，固化土動強度增幅變大。這是由于：土體在初始松散狀態(tài)時，圍壓增大，顆粒間孔隙縮小，當(dāng)圍壓增大到一定程度后，淤泥質(zhì)土孔隙變化空間較小，土體強度增幅緩慢，基本保持不變；而對于固化土，GGBS顆粒可以較好地填補淤泥質(zhì)土顆粒間的孔隙，顆粒級配、填充效果變好，使得土體強度增幅變大。另外，相同圍壓下，固化土動強度是淤泥質(zhì)土的2～4倍，增大45～60 kPa，摻入20%GGBS后，固化土動強度特性顯著提高。

圖2 不同圍壓下20%GGBS固化土和淤泥質(zhì)土的動抗剪強度曲線Fig.2 Dynamic shear strength curves of 20% GGBS solidified clay and muddy clay under different confining pressures

2.3 動彈性模量

圖3為50 kPa、100 kPa、150 kPa三種不同圍壓下20%摻量的GGBS固化土和淤泥質(zhì)土的動彈性模量-軸向應(yīng)變曲線，可以看出，動彈性模量隨應(yīng)變的增加而減小，隨固結(jié)圍壓的增加而增大。動荷載初期，動彈性模量衰減迅速，不同圍壓下動彈性模量差別較大，應(yīng)變達(dá)到一定數(shù)值后，動彈性模量衰減逐漸變緩，不同圍壓下動彈性模量差別變小，土體達(dá)到破壞標(biāo)準(zhǔn)時，動彈性模量衰減接近0 MPa。

圖3 不同圍壓下20%GGBS固化土和淤泥質(zhì)土的動彈性模量曲線Fig.3 Dynamic elastic modulus curves of 20% GGBS solidified clay and muddy clay under different confining pressures

基于Hardin等[15]提出的雙曲線模型：

(1)

式中：σd為動應(yīng)力；εd為動應(yīng)變；a、b為土體性質(zhì)有關(guān)參數(shù)。

依據(jù)關(guān)系曲線可以得到循環(huán)荷載作用下土體的最大動彈性模量Edmax：

(2)

基于試驗數(shù)據(jù)進(jìn)行回歸分析，擬合參數(shù)a、b數(shù)值，計算最大動彈性模量(見表4)。相同圍壓下，20%固化土動彈性模量最大值是淤泥質(zhì)土的3～4倍，說明GGBS增強了土體的穩(wěn)定狀態(tài)，從而表現(xiàn)為動彈性模量的增加。

表4 動模量曲線參數(shù)擬合Table 4 Parameter fitting of dynamic elastic modulus curve

2.4 動阻尼比

阻尼比λ是衡量淤泥質(zhì)土對能量吸收能力的參數(shù)。根據(jù)Hardin等[15]的研究，阻尼作用可以用等效滯回阻尼比來表征，但滯回曲線并不完全閉合，需進(jìn)行人為“縫合”。具體算法如式(3)所示：

(3)

式中：AL為應(yīng)力-應(yīng)變滯回圈面積；AT為滯回圈中心點、應(yīng)力應(yīng)變值最大點與應(yīng)變坐標(biāo)軸連線形成的三角形面積。

不同有效固結(jié)圍壓條件下，20%摻量的GGBS固化土和淤泥質(zhì)土的動阻尼比-軸向應(yīng)變曲線如圖4所示。土體動阻尼比隨著軸向應(yīng)變的增加而增大，隨圍壓的增大而減小。當(dāng)圍壓增大時，土體顆粒之間的接觸更加緊密，波在傳播的過程中能量消耗減少，從而表現(xiàn)為動阻尼比的減小。相同圍壓下，對比20%摻量的GGBS固化土和淤泥質(zhì)土的動阻尼比。50 kPa圍壓下，固化土動阻尼比介于0.006～0.200之間，淤泥質(zhì)土動阻尼比介于0.005～0.210之間；100 kPa圍壓下，固化土動阻尼比介于0.006～0.150之間，淤泥質(zhì)土動阻尼比介于0.009～0.190之間；150 kPa圍壓下，固化土動阻尼比介于0.003～0.120之間，淤泥質(zhì)土動阻尼比介于0.010～0.160之間。相同圍壓下，與淤泥質(zhì)土相比，固化土的動阻尼比減小，100 kPa和150 kPa圍壓下動阻尼比的減小尤為明顯。摻入GGBS后，土體顆粒之間的聯(lián)結(jié)更加緊密，減少了能量的消耗。

3 微觀結(jié)構(gòu)分析

對20%摻量的GGBS固化土和淤泥質(zhì)土進(jìn)行SEM試驗，觀察不同放大倍數(shù)下土體的微觀結(jié)構(gòu)變化，SEM照片如圖5所示。中低倍數(shù)放大時，固化土和淤泥質(zhì)土微觀結(jié)構(gòu)雖有差異但并不明顯(見圖5(a)、(d))；10 000倍以上放大后，兩者微觀結(jié)構(gòu)差異凸顯(見圖5(b)、(c)、(e)、(f))。從放大10 000倍和20 000倍的SEM照片中，可以清楚地看出:淤泥質(zhì)土顆粒成不規(guī)則片狀，顆粒大小不均勻，骨架松散，孔隙發(fā)育且直徑較大；而固化土顆粒成團聚狀，片狀結(jié)構(gòu)不再那么明顯，顆粒趨于聚集成團，顆粒總數(shù)量減少，顆粒直徑明顯增大，孔隙明顯減小。圖5(e)和圖5(f)中絮狀物質(zhì)為水化硅酸鈣(C-S-H)。GGBS中的SiO2具有潛在活性，與水接觸后，形成了C-S-H，大量水化產(chǎn)物包裹在土顆粒周圍，起到粘結(jié)作用，形成較大的顆粒團簇，顆粒間的孔隙大大降低，土體變得相對致密，強度得以提高。

20%摻量的GGBS固化土和淤泥質(zhì)土的EDS能譜如圖6所示，對比發(fā)現(xiàn)，固化土中鈣元素的含量明顯增加。這主要是因為GGBS中含有38.35%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))的CaO，摻入到淤泥質(zhì)土中后，土體中Ca2+含量大大提高。大量的Ca2+與黏土顆粒擴散層的Na+、K+發(fā)生離子交換，由于Ca2+半徑較小，使雙電層中的擴散層厚度減小，結(jié)合水減少，從而增強了土顆粒之間的結(jié)合力，使大量的土顆粒形成較大的顆粒團，即發(fā)生離子交換團粒化作用。土顆粒的內(nèi)摩擦角變大，土體的強度也隨之提高。

圖6 20%GGBS固化土和淤泥質(zhì)土的EDS能譜Fig.6 EDS patterns of 20% GGBS solidified clay and muddy clay

4 結(jié) 論

(1)不同摻量的GGBS固化土的動強度明顯大于淤泥質(zhì)土，隨著GGBS摻量的增加，固化土的動強度增大，當(dāng)摻量為20%時，固化土動強度呈臺階式增大，20%為最優(yōu)的GGBS摻量。

(2)隨圍壓的增加，20%摻量的GGBS固化土和淤泥質(zhì)土的動強度都增大，淤泥質(zhì)土動強度增幅基本保持不變，固化土動強度增幅變大。相同圍壓下，20%摻量的GGBS固化土動強度約是淤泥質(zhì)土的2～4倍，增大45～60 kPa。動彈性模量隨動應(yīng)變的增加而減小，隨固結(jié)圍壓的增加而增大。基于試驗數(shù)據(jù)進(jìn)行回歸分析，計算最大動彈性模量。相同圍壓下，20%摻量的GGBS固化土動彈性模量最大值是淤泥質(zhì)土的3～4倍。動阻尼比隨著軸向應(yīng)變的增加而增大，隨圍壓的增大而減小。相同圍壓下，與淤泥質(zhì)土相比，20%摻量的GGBS固化土的動阻尼比減小，100 kPa和150 kPa圍壓下動阻尼比的減小尤為明顯。

(3)SEM照片顯示，20%摻量的GGBS固化土顆粒成團聚狀，顆粒表面附著絮狀物質(zhì)為水化硅酸鈣，大量水化產(chǎn)物包裹在土顆粒周圍，起到粘結(jié)作用，形成較大的顆粒團簇，顆粒間的孔隙大大降低，土體變得相對致密，強度得以提高。EDS能譜顯示，土體中Ca2+含量大大提高，大量的Ca2+與黏土顆粒擴散層的Na+、K+發(fā)生離子交換團粒化作用，從而增強了土顆粒之間的結(jié)合力，土顆粒的內(nèi)摩擦角變大，土體的強度也隨之提高。