礦渣-鋼渣-脫硫石膏-水泥穩定粉土的強度及固化機理

李雪和 ，楊耀輝，韋金城，李洪利，吳文娟，劉海峰

(1.武漢科技大學 城市建設學院，湖北 武漢，430065；2.中國科學院武漢巖土力學研究所 巖土力學與工程國家重點實驗室，湖北 武漢，430071；3.山東高速集團創新研究院，山東 濟南，250098；4.山東省交通科學研究院 高速公路養護技術交通行業重點實驗室，山東 濟南，250102；5.山東高速集團有限公司智慧管理中心，山東 濟南，250098)

黃河沖積粉土具有顆粒級配不良、壓實困難、強度低以及水穩性差等缺點，當直接用于路基填筑時，極易造成工程病害[1-3]。在實際工程中，為提高天然粉土的路基填筑適用性，常大量采用水泥、石灰等膠凝材料對粉土改良固化[4-5]。然而，上述材料在生產中能耗高，同時產生大量溫室氣體[6-7]。因此，需要研制新型環保固化劑，以促進工程建設向綠色低碳化發展。工業廢渣作為工業生產中的高產量“低價值”固廢物，普遍存在環境污染和土地占用等問題[8]。為提高工業廢渣的回收利用，學者們研究了工業廢渣固化土體的資源化利用問題。

LANG 等[9-11]開展了礦渣、礦渣-粉煤灰、堿渣-礦渣固化淤泥的試驗研究，確定了上述材料在淤泥固化中具有良好的適用性。在金屬廢渣的資源化利用方面，MOZEJKO等[12]探究了鋼渣穩定粉質黏土的固化機理，發現鋼渣水化產生的堿性環境可促進火山灰反應的發生。LANG等[13]研究了鋼渣在水泥固化淤泥過程中的強度影響規律，證實了摻入鋼渣可顯著提高水泥土的強度。在多種工業廢渣的復合固化劑研究方面，YE 等[14]基于礦渣、鋼渣、粉煤灰、脫硫石膏和水泥制備GS固化劑，發現GS的固化性能優于水泥。孫仁娟等[15]利用礦渣、粉煤灰、脫硫石膏和水泥復合固化粉土，發現固化土的強度發展可分為2個階段，先后由水泥組分的水化反應和固廢組分的火山灰反應主導。MENG 等[16-17]探究了粉煤灰和硅粉對水泥基材料強度的影響，發現粉煤灰降低了水泥基材料早期強度，提高了其后期強度，而硅粉增強了水泥基材料的早期強度和后期強度。

綜上所述，工業廢渣作為土體固化劑的工程應用前景廣闊。但目前相關研究多集中在淤泥等巖土介質，而針對粉土開展的固化研究較少。基于此，本文結合黃泛區路基工程的實際建設需求，采用基于礦渣、鋼渣、脫硫石膏和普通硅酸鹽水泥聯合制備的固化劑，研究固化粉土的強度及其固化機理，揭示固化劑摻量、養護齡期對固化粉土的強度及微觀結構演化的影響規律。

1 試驗內容與方法

1.1 試驗材料

試驗所用粉土取自山東省齊河縣某公路項目現場。依據JTG 3430—2020《公路土工試驗規程》[18]測定其基本物理性質指標，結果如表1和圖1所示。由圖1 可見：粒徑小于0.075 mm 的土顆粒的質量分數為85.4%。借助D8 Advance X-射線衍射儀分析粉土的礦物成分，結果表明粉土的主要礦物成分為石英、長石、云母和方解石，其質量分數分別為48%、23%、14%和6%。試驗所用的固化劑是基于礦渣、鋼渣、脫硫石膏和水泥聯合制備而成，其中水泥為P.O 42.5 普通硅酸鹽水泥。制備時，首先分別將礦渣、鋼渣和脫硫石膏過孔徑為5 mm的篩網，接著用球磨機分別對其進行球磨，而后篩選粒徑小于1 mm 的顆粒用于固化劑制備。

圖1 粉土及固化劑的顆粒級配曲線Fig.1 Particle gradation curve of silt and stabilized agent

表1 粉土的基本物性指標Table 1 Basic physical properties of silt

依據前期試驗結果，按照礦渣、鋼渣、脫硫石膏、水泥的摻量分別為35%、40%、10%和15%配制固化劑，此時，固化劑強度最高。摻拌均勻后的固化劑的顆粒級配曲線如圖1所示，其中粒徑小于0.075 mm的顆粒質量分數為93.7%。

固化劑的礦物成分分析結果如圖2所示，其中XRD 圖譜中的主要特征峰為熟石膏和硅酸三鈣，其余礦物成分的衍射峰并不突出，說明固化劑的礦物成分主要為非晶態。

圖2 固化劑的XRD圖譜Fig.2 XRD pattern of the particle gradation curve of silt and stabilized agent

1.2 試驗制備

參照工程實踐經驗，設置5 個固化劑摻量梯度，分別為粉土干質量的4%、6%、8%、10%和12%。依據JTG 3430—2020《公路土工試驗規程》[18]，采用小筒重型擊實法，確定不同摻量條件下固化粉土的最大干密度與最優含水率。按照96%的壓實度，借助廈門智研新創SA-ECM-01型多功能電動液壓制樣機，制備各摻量條件下固化粉土標準圓柱體試件。圓柱形試件的直徑為50 mm、高度為100 mm。將制備的試樣置于養護箱中進行標準養護(溫度為(20±2) ℃，濕度為95%)，待試樣達到試驗設計齡期后開展相關試驗。

1.3 試驗方案

1.3.1 無側限抗壓強度試驗

固化粉土的無側限抗壓強度試驗借助CMT5105 電子萬能試驗機完成。針對同一齡期批次、不同固化劑摻量的固化粉土試樣，開展3個平行試驗，取其平均值作為該齡期固化粉土的無側限抗壓強度。加載中控制軸向加載速率為1 mm/min。試樣的含水狀態為標準養護后的自然含水狀態。

1.3.2 耐久性試驗

以水穩性能和干濕循環性能為指標評價固化粉土的耐久性。水穩性試驗基于飽和浸水試樣開展。強度試驗前，將標養48 h 的試樣浸沒水中(水溫為(20±2) ℃)，分別浸泡7 d和28 d。試樣在飽和狀態下的無側限抗壓強度取3個平行試樣的試驗結果的平均值。固化粉土的水穩定性以浸水強度折減率評定[19]。浸水強度折減率K1計算公式為

式中：σsat為試樣浸水后，飽和狀態下的無側限抗壓強度；σf為試樣標準養護后自然含水狀態下的無側限抗壓強度。

干濕循環試驗選用標準養護28 d 的固化粉土試樣。對試樣預處理時，首先將標養28 d 的固化粉土試樣放入烘箱，恒溫干燥24 h(溫度為50 ℃)，直至恒質量。然后，取出試樣冷卻至室溫。最后，浸入水中(水溫為20±2 ℃) 24 h，以此為1次干濕循環。干濕循環后固化粉土的飽和無側限抗壓強度由3個平行試樣的試驗結果的平均值確定。固化粉土的干濕循環性能以干濕循環強度折減率度量。干濕循環強度折減率K2定義如下：

式中：σcir為固化粉土干濕循環后飽和狀態下的無側限抗壓強度；σf為試樣標準養護后自然含水狀態下的無側限抗壓強度。

1.3.3 核磁共振、X-射線衍射與掃描電鏡觀察

核磁共振試驗借助PQ-001 型Mini NMR 核磁共振分析儀開展。為減小試樣差異造成的誤差，保證試驗數據的連續性及可對比性，固化粉土的核磁共振測試針對同一件試樣、不同養護齡期依次開展。在測試預處理中，首先，將達到指定養護齡期的試樣真空飽和12 h；然后，拭去試樣表面水分開展T2圖譜測試；最后，將試樣放入養護箱中繼續養護。

分別借助D8 Advance X-射線衍射儀和Quanta250掃描電子顯微鏡對固化粉土的礦物成分及微觀結構進行分析，并選擇天然粉土作為對照。礦物成分分析樣品為過孔徑為0.075 mm 篩網的細粒。試驗中，D8 Advance X-射線衍射儀的掃描角度為5°～90°，掃描速度為2 (°)/min。天然粉土和固化粉土的電鏡掃描試樣均依據其最大干密度制備，試樣長方體長×寬×高為5 mm×5 mm×10 mm。試驗前，先將固化粉土試樣浸入無水乙醇中終止水化，而后，恒溫干燥24 h(溫度為40 ℃)，最后掰斷試樣，掃描斷面形貌。

2 結果與討論

2.1 最大干密度及最優含水率

圖3所示為不同固化劑摻量條件下固化粉土的擊實曲線。由圖3可知：相較于素土，摻加固化劑后，固化粉土的最大干密度提高顯著；在該試驗條件下，固化粉土的最大干密度為1.85～1.86 g/cm3，最優含水率隨固化劑摻量增加呈上升趨勢。

圖3 不同固化劑摻量條件下固化粉土擊實曲線Fig.3 Compaction curve of stabilized powder soil under different stabilized agent dosing conditions

2.2 無側限抗壓強度

不同固化劑摻量的固化粉土的齡期強度如圖4所示。從圖4可見：從強度增長趨勢上看，不同摻量固化粉土的無側限抗壓強度均隨齡期增長而提高；在相同養護齡期下，固化劑摻量越高，固化粉土的強度增長越大；在7 d養護齡期時，固化劑摻量為4%、6%、8%、10%和12%試樣的無側限抗壓強度分別為0.53、1.66、2.65、4.03和5.31 MPa。

圖4 不同養護齡期固化粉土的無側限抗壓強度Fig.4 Unconfined compressive strength of stabilized silt of different curing ages

2.3 浸水強度折減率

不同固化劑摻量的固化粉土在浸水7 d 和28 d后的浸水強度折減率如圖5所示。由圖5可見：4%固化劑摻量的固化粉土的水穩性最差，標養2 d后該固化劑摻量的試樣在浸水1 d 后均發生分解破壞，不能測定其飽和強度，浸水強度折減率為100%；當固化劑摻量高于4%時，固化粉土的水穩性能顯著改善，固化粉土的7 d浸水強度折減率為13%～16%；浸水28 d 后，各固化劑摻量的固化粉土的浸水強度折減率均顯著增大。6%固化劑摻量的固化粉土在浸水28 d 后的強度折減率最高，為48%。10%摻量固化粉土的浸水強度折減率最低，為20%。這主要是因為長期浸水后，固化粉土的內部團粒發生破壞，凝膠物質與土顆粒剝離，試樣內部孔隙數量增加，宏觀上表現為無側限抗壓強度降低。

圖5 固化粉土浸水強度折減率Fig.5 Strength reduction rate after immersion of stabilized silt

2.4 干濕循環強度折減率

圖6所示為不同固化劑摻量的固化粉土試樣在干濕循環5次后的試驗照片。由圖6可知：固化劑的摻量越高，試樣表面的損壞程度越小；4%固化劑摻量的試樣表面發生明顯損壞，試樣表面大面積剝落，固化劑摻量為6%和8%的試樣表面剝落損壞程度次之，固化劑摻量為10%和12%的固化粉土試樣保持完整。

圖6 干濕循環5次后的固化粉土試樣Fig.6 Stabilized silt samples after 5 dry wet cycles

標準養護28 d 固化粉土的干濕循環強度折減率隨著固化劑摻量增加而降低。4%固化劑摻量固化粉土試樣的干濕循環強度折減率高達77%，而6%、8%、10%和12%固化劑摻量試樣的干濕循環強度折減率分別為16%、15%、12%和4%。

上述試驗結果表明：當固化劑摻量低于10%時，固化粉土試樣在干濕循環后的完整性較差；當固化劑摻量為10%時，固化粉土的浸水強度折減率最低。因此，綜合考慮施工造價等因素，基于本項目取用的天然粉土，可認為礦渣-鋼渣-脫硫石膏-水泥固化劑穩定粉土的最優摻量為干燥粉土質量的10%。

2.5 滲透系數

滲透系數是直觀反映固化粉土路基滲透性及孔隙結構特征的重要參數。在最優固化劑摻量條件下，依據JTG 3430—2020《公路土工試驗規程》[18]規定，開展不同養護齡期固化粉土的變水頭滲透試驗，結果如圖7所示。從圖7可見：在最優摻量條件下，固化粉土的滲透系數在7 d齡期內顯著減小。說明固化粉土在早期快速生成大量水化產物，填充粒間孔隙，擠密土顆粒，減少貫通孔隙，提高了土體的抗滲性能，該現象也與LI等[20-21]的試驗結果類似。固化粉土在7 d 和14 d 齡期時的低滲透系數客觀反映了固化粉土在該齡期時的孔隙體積降低及孔隙連通性變差，試樣的賦水能力降低。在力學強度試驗中，粒間摩擦力在水的潤滑作用減弱。隨著養護齡期增加，固化粉土的強度對水的敏感性降低。

圖7 最優摻量固化粉土的滲透系數與養護齡期的關系Fig.7 Relationship curve between permeability coefficient and curing age of stabilized silt samples under optimal dose

3 粉土固化機理

3.1 T2譜中孔徑特征

為進一步定量化探究固化粉土的孔隙結構演化規律，針對最優固化劑摻量為10%的固化粉土開展不同養護齡期固化粉土試樣的核磁共振測試。固化粉土的核磁共振測試結果如圖8所示。

圖8 固化粉土的T2分布曲線Fig.8 T2 distribution curves of stabilized silt

由圖8可知：固化劑摻量為10%的固化粉土在不同齡期下的T2分布曲線呈現雙峰分布特征。在試驗結果處理中，為便于分析，將T2分布曲線左側和右側的信號峰分別定義為主峰和次峰。總體上看，隨著養護齡期增加，主峰的峰值在14 d 齡期前呈上升趨勢，28 d齡期時的峰值顯著降低。次峰的峰值則隨齡期增長而向左下方逐漸偏移。

研究表明，T2與孔徑呈正相關關系，T2譜中曲線的積分面積為孔隙總體積[22-23]。因此，基于T2分布曲線隨齡期的變化趨勢可以判斷整體上固化粉土試樣的大孔隙占比隨齡期增加而不斷減小，而小孔隙占比隨齡期增加而呈增加趨勢。這表明固化劑摻入后，試樣內的水化產物隨齡期增長而不斷增加，水化產物的膠結和填充作用導致大孔隙體積和數量逐漸減小，部分大孔隙轉化為小孔隙，從而導致試樣內的小孔隙占比整體呈上升趨勢。

3.2 礦物成分及微觀結構

28 d 齡期的固化粉土和天然粉土的XRD 圖譜的對比如圖9所示。從圖9可見：標準養護28 d的固化粉土中石英、長石、方解石礦物的衍射峰未發生明顯變化；XRD 圖譜出現2 個明顯的新衍射峰，為固化粉土中的水化物，主要為水化硅酸鈣(C-S-H)和鈣礬石(AFt)。

圖10 所示為天然粉土和不同養護齡期最優摻量固化粉土的SEM照片。由圖10(a)可知：天然粉土的顆粒磨圓度較高，片狀顆粒較少，存在較多粒間孔隙。10%摻量固化粉土1 d齡期的SEM圖像如圖10(b)所示。從圖10(b)可知：1 d 齡期固化粉土的土顆粒表面生成少量C-S-H 凝膠和AFt 晶體。部分C-S-H凝膠相互搭接形成稀疏的網狀結構，分布在土顆粒表面，導致土顆粒之間的膠結強度提高，宏觀表現為固化粉土的抗壓強度提高。隨著養護齡期增加，7 d 齡期固化粉土的內部生成大量C-S-H 凝膠和AFt，如圖10(c)所示。其中，C-S-H凝膠由網狀結構轉變為層狀結構，并將土顆粒包裹，進一步提高土顆粒的膠結強度，而針棒狀的鈣礬石相互交錯，填充于孔隙之中。標準養護28 d時，固化粉土中C-S-H凝膠更加密實，并將部分針棒狀的鈣礬石包裹，填充和膠結作用使固化粉土形成致密結構，如圖10(d)所示。

結合礦渣、鋼渣、脫硫石膏和水泥的化學性質及微觀測試結果可知，固化粉土的強度來源于固化劑的化學加固作用。在水化反應早期，水泥水化生成水化硅酸鈣(C-S-H)和水化鋁酸鈣(C-A-H)，而C-A-H 與CaSO4·2H2O 繼續反應生成鈣礬石[24]。同時，脫硫石膏為固化體系提供Ca2+和，并激發礦渣、鋼渣發生水化[25-26]。鋼渣在脫硫石膏激發下水化生成Ca(OH)2，為整個固化體系提供堿性環境。礦渣在脫硫石膏和堿性環境激發下生成C-S-H凝膠和AFt[26-27]。隨著水化反應進行，C-S-H 凝膠和AFt的數量不斷增加，兩者不斷搭接、包裹土顆粒，逐漸形成致密的復合結構，從而促使固化粉土強度增大。

4 結論

1) 礦渣-鋼渣-脫硫石膏-水泥固化劑的摻量對固化粉土的最大干密度和最優含水率影響顯著。固化粉土的最大干密度均較素土有較大程度提高。

2) 不同摻量固化粉土的無側限抗壓強度隨養護齡期增加而增加，10%摻量固化粉土的7 d強度達到4.03 MPa。當固化劑摻量高于4%時，固化粉土的耐久性顯著提升，其7 d浸水強度折減率和干濕循環5次強度折減率均小于16%。

3) 結合固化粉土的無側限抗壓強度、水穩性、干濕循環強度試驗結果，綜合考慮施工造價等因素，確定礦渣-鋼渣-脫硫石膏-水泥固化劑穩定粉土的最優摻量為干燥粉土質量的10%。

4) 固化粉土中礦渣、鋼渣、脫硫石膏和水泥存在協同水化作用，早期產生大量的C-S-H凝膠和針棒狀的鈣礬石，填充和膠結土顆粒，后期C-S-H凝膠包裹鈣礬石形成致密的復合結構，大幅度提高固化粉土的強度、水穩性和抗滲性。