基于工業廢渣的土壤固化劑配合比設計

2022-05-25 06:54:46任員良董元浩徐培芝魏小凡

四川建材 2022年5期

曾路，任員良，董元浩，徐培芝，魏小凡

(重慶大學材料科學與工程學院，重慶 400045)

0 前言

我國正處于大量基礎設施建設的時期。由此帶來兩個特別需要關注的問題，一是建設過程中產生的大量建筑垃圾，另一個是天然資源的大量消耗。我國大部分地區處理渣土的方法較為常規，如：填埋、焚燒。建筑垃圾中含有強酸、強堿、硫化物等物質會進入水、土壤、空氣，造成土壤破壞、水體和空氣污染、影響市容和環境衛生，帶來持續的環境污染。

公路是現代運輸的主力，極大程度影響國家經濟發展，同時也是大量消耗天然砂石等資源的國民基礎設施項目[1]，如果能將建筑渣土固化處理后用作路基材料，則可以在實現工業廢棄物資源化的同時在一定程度上解決公路原材料短缺問題。在路基處理中，需克服兩大問題：第一，建筑渣土成分復雜，黏土質含量較高，不利于充分固化且固化成本較高；第二，傳統的無機材料進行土壤固化時，固化土干縮大，易開裂且水穩性差[2]。

土壤固化劑由無機材料或者有機材料組成，可以改善渣土的組成結構，從而對其起到固化作用，是一種環保節能的新型工程材料。本文采用礦渣和粉煤灰為主要原料，以生石灰或熟石灰為堿性激發劑，制備土壤固化劑，通過7 d膠砂強度確定土壤固化劑的最佳配比，研究了土壤固化劑的摻量對固化土7 d無側限抗壓強度和水穩性的影響，并通過掃描電鏡分析固化機理。

1 試驗材料與試驗方法

1.1 試驗材料

1)建筑渣土：試驗所用渣土為重慶市某工地上的工程渣土，依據《土工試驗方法標準》(GB/T 50123—2019)，測定了渣土的物理性能指標，結果如表1所示。

表1 試驗土基本物理力學性能

2)礦渣：由河南遠恒環保工程有限公司提供，化學成分如表2所示。

表2 礦渣主要化學成分 %

3)粉煤灰：由河北投沙河發電責任有限公司提供，為F類二級粉煤灰，其性質參數見表3。

表3 粉煤灰性質參數 %

4)生石灰：由河南遠恒環保工程有限公司提供，有效鈣含量大于90%，雜質小于5%。

5)熟石灰：由南京寶熱化工有限公司提供，氫氧化鈣含量為95%，細度為300目。

1.2 試驗方法

測試礦渣-粉煤灰-石灰基膠凝材料的成型和力學性能測試參照《水泥膠砂強度檢驗方法》(GB/T 17671—1999)，從壓碎的樣品中取樣并用無水乙醇浸泡終止其水化，在45℃的真空干燥箱中烘干24 h，經噴金處理后在Quattro S環境掃描電鏡下觀察樣品的微觀形貌。

固化土制備過程如下：①將試驗土過4.75 mm篩，然后在105℃烘箱中烘24 h；②用電子天平分別稱取預先計算好的干土、固化劑和水，水固比為0.1；③先使用分散機將固化劑組分攪拌均勻；④采用JJ-5水泥膠砂攪拌機先將固化劑和干土混合均勻，再倒入水，攪拌均勻；⑤將攪拌后的混合土裝入直徑為50 mm，高度為50 mm的圓柱形模具中，在15 MPa下壓制成型；⑥脫模后，將試塊放入養護室，養護室的溫度為20℃，相對濕度為95%。

當試樣養護到預定齡期后，對其進行力學性能測試，檢測方法參照《公路工程無機結合料穩定材料試驗規程》(JTG E 51—2009)。

2 試驗結果與討論

2.1 石灰摻量對膠砂強度的影響

按照《水泥膠砂強度檢驗方法》(GB/T 17671—1999)，膠砂的質量配合比為一份膠凝材料、三份標準砂和半份水，本實驗的膠凝材料為礦渣和石灰，石灰摻量為石灰占膠凝材料的質量比，實驗結果見圖1。

圖1 石灰摻量對膠砂7 d抗壓強度的影響

實驗結果表明，生石灰作為堿性激發劑的膠砂7 d抗壓強度遠大于熟石灰作為堿性激發劑的膠砂7 d抗壓強度。隨著生石灰摻量的增加，膠砂的7 d抗壓強度也隨之增大，當生石灰摻量為25%時，強度達到最大，為26 MPa；隨著熟石灰摻量的增加，膠砂的7 d抗壓強度也隨之增大，當熟石灰摻量為25%時，強度達到最大，為14.8 MPa。這是由于無論是生石灰還是熟石灰作為堿性激發劑，都是通過生成Ca(OH)2來激發礦渣活性的，隨著石灰摻量的增加，液相中的OH-濃度增加，可加速破壞礦渣內部的Al-O鍵和Si-O鍵，生成活性Al2O3和SiO2，加速水化反應進程，提高膠砂早期強度[6]。

生石灰的激發效果優于熟石灰，一方面可能是由于生石灰水化放出大量熱，更有利于激發礦渣的活性；另一方面，生石灰能夠提供更多的Ca2+，生成更多的水化產物。同時，生石灰自身水化生成Ca(OH)2，不僅為激發礦渣活性提供了堿性環境，而且為膠砂提供了強度。

2.2 生石灰摻量對膠砂軟化系數的影響

標準養護7 d后，膠砂軟化系數測定方法按照《煤和巖石物理力學性質測定方法第7部分》(GB/T 23561.7—2009)測試。干燥條件為在105℃烘箱中干燥24 h，飽和水狀態為在20℃的靜水容器中浸泡24 h，水沒過試塊上表面至少5 cm，測試結果如圖2～3所示。

圖2 生石灰摻量對不同狀態下膠砂7 d抗壓強度的影響

圖3 生石灰摻量對膠砂7 d軟化系數的影響

實驗結果表明，隨著生石灰摻量的增加，膠砂7 d抗壓強度雖然增大，但其軟化系數隨之下降。當生石灰摻量超過15%，軟化系數出現大幅度減小，由原來的0.88下降到0.78。這表明，當生石灰摻量超過15%后，不僅作為堿性激發劑，而且其自身水化對膠砂強度有重要貢獻。綜合考慮膠砂強度和軟化系數，確定生石灰的摻量為10%，此時膠砂的軟化系數為0.90。

2.3 粉煤灰摻量對膠砂強度的影響

本組試驗固定生石灰摻量占膠凝材料總量的10%，粉煤灰摻量為粉煤灰占粉煤灰和礦渣的總質量比，實驗結果如圖4所示。

圖4 粉煤灰摻量對膠砂7 d抗壓強度的影響

由圖4可知，隨著粉煤灰摻量的增加，膠砂的7 d抗壓強度整體呈下降趨勢，原因可能為粉煤灰的火山灰活性較弱，需要更多的時間才能發生火山灰反應，而礦渣的活性較強，早期反應更快。但粉煤灰在經濟性上要優于礦渣，且可能會為后期強度發展提供保障，綜合考慮經濟性和強度發展，選取粉煤灰的摻量為10%。所以固化劑的配合比為：生石灰10%、礦渣81%和粉煤灰9%。

2.4 固化劑摻量對固化土7 d無側限抗壓強度和水穩系數的影響

本組實驗固定水固比為0.1，固化劑摻量為固化劑占干土的質量比，實驗結果如圖5～6所示。

圖5 固化劑摻量對固化土7 d無側限抗壓強度的影響

由圖5可知，隨著固化劑摻量的增加，固化土的7 d無側限抗壓強度也隨之增加，當摻量為15%，固化土的7 d無側限抗壓強度為2.35 MPa，已經滿足《土壤固化劑應用技術標準》(CJJ/T 286—2018)對二級固化土的要求。固化土強度主要由兩方面提供，一是固化土在壓制成型過程中，其密度增加，孔隙率減小，土體在壓力作用下發生粘聚；二是土壤固化劑的自身水化作用，固化劑水化后生成水化硅酸鈣和水化鋁酸鈣等水化產物，不僅能填充土體間的空隙，而且能將土顆粒表面包裹起來，增強粘結力，具有膠結作用[7]。后者為固化土強度的主要來源。

由圖6可知，隨著固化劑摻量的增加，固化土的7 d水穩系數也隨之增加，但《土壤固化劑應用技術標準》(CJJ/T 286—2018)中要求固化土的水穩系數必須大于80%，才能在工程中應用。分析原因，可能為試驗用土本身溶脹性較高，耐水性差，而單純靠土壤固化劑自身水化去解決固化土耐水性差的問題困難較大，應加入適當的離子型固化劑或聚合物型固化劑，改善固化土的耐水性，提高其水穩系數[8]。