脫硫石膏-地聚合物固化軟土的抗壓強度

張子龍 吳大志 陳柯宇 王均益

摘 要： 采用脫硫石膏-地聚合物作為固化劑固化軟土，通過強度試驗研究在不同硅鋁原料配比時，堿激發劑模數、含量和脫硫石膏的摻量對固化軟土抗壓強度的影響，并通過掃描電鏡試驗和X射線衍射試驗分析固化軟土的微觀結構變化。結果表明：脫硫石膏-地聚合物可有效提高軟土的抗壓強度；堿激發劑的最佳模數和含量分別為0.8和6%；脫硫石膏對地聚合物固化軟土的抗壓強度有促進作用，硅鋁原材料中含有30%礦渣的固化軟土抗壓強度提升幅度大于100%粉煤灰。地聚合物固化軟土生成C-（A）-S-H和N-A-S-H膠結物，加入脫硫石膏后生成了鈣礬石，兩者共同作用是脫硫石膏-地聚合物提高固化軟土抗壓強度的主要原因。該研究結果可為地聚合物應用于實際工程中軟土地基處理提供參考。

關鍵詞： 地聚合物；脫硫石膏；固化軟土；試驗研究；機理分析

中圖分類號： TU.433

文獻標志碼： A

文章編號： 1673-3851 （2023） 01-0140-08

引文格式：張子龍，吳大志，陳柯宇，等. 脫硫石膏-地聚合物固化軟土的抗壓強度［J］. 浙江理工大學學報（自然科學），2023，49（1）：140-147.

Reference Format： ZHANG Zilong， WU Dazhi， CHEN Keyu， et al. Compressive strength of desulphurized gypsum-geopolymer solidified soft soil［J］. Journal of Zhejiang Sci-Tech University，2023，49（1）：140-147.

Compressive strength of desulphurized gypsum-geopolymer solidified soft soil

ZHANG Zilong， WU Dazhi， CHEN Keyu， WANG Junyi

（School of Civil Engineering and Architecture， Zhejiang Sci-Tech University， Hangzhou 310018， China）

Abstract：? Desulfurized gypsum-geopolymer was used as the curing agent to solidify the soft soil and the effects of the modulus and content of the alkali activator and the content of the desulfurized gypsum on the compressive strength of the solidified soft soil were studied under different ratios of silica-alumina raw materials. In addition， the microstructure of the solidified soft soil was analyzed by scanning electron microscope test and X-ray diffraction test. The results show that the compressive strength of the soft soil can be effectively improved based on the desulfurization gypsum-geopolymer and the optimum modulus and content of the alkali activator are 0.8 and 6%， respectively. Desulfurized gypsum improves the compressive strength of geopolymer-solidified soft soil， and the compressive strength of the solidified soft soil containing 30% slag in the silicon-alumina raw material is greatly improved compared with 100% fly ash. The C-（A）-S-H and N-A-S-H cements are formed by the geopolymer solidified soft soil and ettringite is formed after the addition of desulfurized gypsum， with the joint action of the cements and ettringite being the main reason for the improvement of the compressive strength of the soft soil cured by desulfurized gypsum-geopolymer. The research results provide a theoretical basis for the application of geopolymers in practical engineering to deal with soft soil foundation.

Key words： geopolymer; desulfurization gypsum; solidified soft soil; experimental investigations; mechanistic analysis

0 引 言

在我國東南沿海地區廣泛分布著第四紀瀉湖相、溺谷相與濱海相等海相沉積軟土層，一般包括淤泥與淤泥質軟土［1］。工程建設中，這些軟土地基由于其承載力低、易于變形的特點，往往達不到工程設計要求，需要進行地基加固處理。通常，深層攪拌法（也稱為水泥土樁地基加固法）適用于軟弱性黏性土，常采用水泥作為固化劑。據報道，每年水泥在生產過程中排放了135億噸左右的溫室氣體，約占全球總排放量的7%［2-3］；空氣中CO2含量的增加會導致全球變暖和海洋酸化，給人類健康和環境安全帶來一定的風險［4］。

為了研制出能夠替代水泥的低碳、綠色的固化材料，國內外學者將粉煤灰、礦渣、鋼渣、脫硫石膏等工業廢料用作固化劑，進行了相關研究。固廢大概分為兩類：一類是以工業副產石膏為主的膨脹組，另一類是富含硅鋁的膠凝組。利用富含硅鋁的工業廢棄物（如粉煤灰、礦渣、鋼渣等）經過堿激發制成的膠凝材料又稱地聚合物，具有早期抗壓強度高、耐高溫、耐化學腐蝕、抗滲性優良、收縮率低等優點［5-7］。研究表明，地聚合物替代水泥可將全球變暖潛力（以二氧化碳當量衡量）降低61%［8］。因此，研究脫硫石膏復合地聚合物替代水泥固化軟土，不僅具有工程意義，還可以實現固廢資源的利用，具有重要的經濟效益和社會效益。鄧永鋒等［9］研究了地質聚合物對水泥固化軟土的影響，發現地聚合物摻入水泥土后，水泥土的無側限抗壓強度得到了大幅提高，然而抗壓強度與地聚合物摻量之間并非單一線性增加關系。Abdullah等［10］研究了粉煤灰基地質聚合物穩定低塑性和高塑性黏土的強度特性，發現地質聚合物的加入提高了黏土的強度和剛度。Cristelo等［11］發現，固化條件也會影響反應產物和固化土的強度，并且堿激發鈣含量較高的粉煤灰，相比鈣含量較低的粉煤灰，具有較高的短期抗壓強度，且鈣含量較低的粉煤灰需要經過更長時間的固化。吳俊等［12］在礦渣-粉煤灰基地質聚合物固化淤泥質黏土的抗壓強度試驗研究中發現，地聚合物土的強度受堿激發劑影響較大。周恒宇等［13］研究地聚合物固化淤泥的力學特性，發現地聚合物固化軟土的前期強度低于水泥土且強度增長緩慢。

上述研究表明，地聚合物固化軟土對于軟土強度的提升較為明顯，但受硅鋁原材料和堿激發劑的影響較大，低鈣硅鋁原材料活性低以及堿激發劑不能夠完全激發硅鋁原材料等問題，導致固化軟土前期的強度較低。然而有研究表明，在堿性的環境下，加入適量的脫硫石膏，會促進硅鋁原材料的激發，同時會進一步提高鈣離子的濃度，促進鈣礬石的生成［14］，從而提高地聚合物固化軟土的強度。Li等［15］關于堿激發鋼渣固化黏土的研究表明，脫硫石膏對于固化強度影響并非單一線性關系，脫硫石膏存在最優摻量。夏琳玲等［16］發現，礦渣替代粉煤灰為30%時粉煤灰地聚合物強度提升幅度最為顯著，大于30%后強度增加緩慢。因此，本文采用脫硫石膏-地聚合物作為固化劑固化軟土，通過單因素試驗方法，開展在不同硅鋁原料配比時，不同堿激發劑模數、含量和脫硫石膏摻量的固化劑加固軟土試驗；采用無側限抗壓強度試驗方法對地聚合物固化軟土的抗壓強度進行分析研究，通過微觀試驗分析其化學成分和微觀特征等，揭示固化機理，以探索更加綠色、低碳的固化劑為實際工程中軟土地基處理提供參考。

1 試 驗

1.1 試驗土樣及固化劑材料

試驗的土樣取自浙江省杭州西湖區某基坑，屬于典型的杭州湖相軟黏土。取樣深度為3～5 m，將土樣裝入塑料桶密封好運回實驗室。將土樣烘干磨碎備用，根據《土工試驗方法標準》（GB/T 50123—1999）測得原狀土的基本物理指標，結果見表1。粉煤灰為F類Ⅱ級粉煤灰，粒徑在200～400目，礦渣呈白色粉末狀，比表面積為428 m2/kg，脫硫石膏呈現淡黃色，見圖1。根據XRD衍射試驗確定了其主要的化學成分和含量，見表2。水玻璃為市售液體水玻璃，初始模數為3.30，固含量為34.8%。NaOH為無錫亞泰聯合化工公司生產的純度高于99%的片狀固體。

1.2 試驗方案

本次試驗土樣統一制備，設計土樣初始含水量為41%（即水分與干土質量之比），設定地聚合物基準摻量（地聚合物與濕土質量之比）為21%，外加劑脫硫石膏、堿激發劑和硅鋁原材料的摻量都是與濕土的質量比；研究在硅鋁原材料礦渣與粉煤灰不同比下，確定合理的堿激發劑模數（模數表示的是溶液中SiO2與Na2O的物質的量比）、堿激發劑含量，進而分析外加劑脫硫石膏對地聚合物固化軟土抗壓強度的影響，具體試驗方案見表3。

根據上述試驗方案與《水泥土配合比設計規程》（JGJ/T 233—2011）制備地聚合物固化軟土試樣，將所有干料攪拌均勻，加入水和靜置24 h的堿激發劑溶液，再次攪拌至均勻狀態，將混合料分3次填充在70.7×70.7×70.7 mm3的立方體模具內，每層振動2 min搗實。然后將制備好的試樣進行標準養護（溫度為（20±2） ℃，相對濕度為95%），并在24 h后脫模，繼續標準養護至7 d和28 d齡期后，進行無側限抗壓強度試驗。選取破壞后試樣放置在50 ℃烘箱內低溫烘干，然后研磨并過0.075 mm篩，進行X射線衍射試驗（X-ray diffraction， 簡稱XRD），測試掃描角度：10°～80°，掃描速率：3（°）/min；取自然斷面約5 mm3的小試塊，進行掃描電子顯微鏡試驗（Scanning electron microscope， SEM）。

2 試驗結果及分析

2.1 固化軟土的無側限抗壓強度試驗

2.1.1 堿激發劑對地聚合物固化軟土的影響

圖2為在不同硅鋁原材料礦渣與粉煤灰配比下，地聚合物固化淤泥質軟土無側限抗壓強度（UCS）隨堿激發劑模數的演化規律。FA代表粉煤灰（fly ash），S代表礦渣（slag），FAxSy表示粉煤灰與礦渣之比為x∶y。由圖2（a）與圖2（b）可以看出，隨著堿激發劑模數的增加固化土的抗壓強度呈現出先增加后減少的趨勢，固化土的抗壓強度隨著齡期的增加而增加；FA100S0與FA70S30固化土7 d的抗壓強度在0.6、0.8、1.0三個模數下，抗壓強度并未發生很大變化。然而FA100S0與FA70S30固化土28 d的抗壓強度在不同的模數下呈現出較大差異；FA100S0與FA70S30在最佳堿激發劑模數下，28 d抗壓強度分別達到183.48 kPa和1109.34 kPa。這是因為7 d齡期的硅鋁原材料未完全反應，由于前期堿激發劑提供的OH-與活性［SiO4-4］含量相對充足隨著齡期的增加抗壓強度升高；堿激發劑模數增大，提供的活性［SiO4-4］越多，在滿足反應所需的堿性環境下，能夠生成更多的膠凝產物；當模數過大時，堿性隨之變弱，硅鋁原材料難以被激發。在相同的模數下，FA100S0與FA70S30的抗壓強度相差很大，這是因為礦渣中存在較多的CaO，Ca—O鍵比Si—O鍵和Al—O鍵更易斷裂，CaO的水化反應不僅增強了堿性，同時游離的Ca2+促進了硅鋁反應，隨著齡期的增加，更多的膠凝物質填充在土顆粒之間，因此提高了固化軟土的強度。

圖3（a）與圖3（b）顯示，隨著堿激發劑含量的增加固化土的抗壓強度先增加后減少，延長齡期可以明顯提高固化土的抗壓強度。從圖3中可以看出，地聚合物固化軟土，堿激發劑存在最佳含量，FA100S0與FA70S30在最佳堿激發劑含量下，28 d最高抗壓強度分別達到146.73、1047.32 kPa。隨著堿激發劑含量的增加，固化土的抗壓強度明顯提高，這是因為堿激發劑含量不夠，較多的硅鋁原材料未能被激發，因此提高堿激發劑含量固化土的抗壓強度顯著提高；當堿激發劑含量過多時，固化土的抗壓強度下降，這是因為較多的堿激發劑含量會導致地聚合物硅鋁原材料減少，即使堿激發劑能夠使得硅鋁原料充分被激發，但是硅鋁原材料的減少導致生成的膠凝材料減少，不能夠很好地填充在土顆粒之間。因此，過多或者過少的堿激發劑含量均不利于地聚合物固化土的力學性能。

根據以上分析，對于不同硅鋁原材料，FA100S0與FA70S30固化土的最佳模數為0.8，FA70S30與FA100S0固化土的最佳堿激發劑含量為6%。

2.1.2 外加劑脫硫石膏對地聚合物固化軟土的影響

圖4是在FA100S0與FA70S30下，堿激發劑含量為6%、模數為0.8，地聚合物固化土的無側限抗壓強度與脫硫石膏摻量間的關系。由圖4（a）與圖4（b）可以看出，7 d和28 d的抗壓強度隨著脫硫石膏摻量的增加均呈現出先增加后減少的趨勢。當脫硫石膏摻量為2%～6%時，FA100S0固化軟土28 d的抗壓強度幾乎一致；當脫硫石膏摻量為2%時，FA70S30固化軟土28 d的抗壓強度達到峰值。當脫硫石膏摻量為2%時，FA100S0固化土28 d抗壓強度的峰值為214.21 kPa，相比沒有添加外加劑的抗壓強度提升了16.75%，FA70S30固化土28 d抗壓強度的峰值為1742.53 kPa，相比沒有添加外加劑的抗壓強度提升了57.08%。脫硫石膏對FA100S0與FA70S30固化土抗壓強度的提升相差較大，主要是因為硅鋁原材料中礦渣與粉煤灰的活性差異較大導致其反應程度不同，因此脫硫石膏對其反應的促進程度存在差異。適量的脫硫石膏使得抗壓強度提升，這是因為脫硫石膏提供的SO2-4在與Ca2+，在堿性環境下促進了鈣礬石的生成與穩定［17-18］，使之分布在土顆粒之間，鈣礬石的針狀結構可以彌補土體孔隙，使得早期結構更密實。當脫硫石膏加到一定摻量時抗壓強度出現降低，這是因為脫硫石膏加入過量，導致土料密實度降低，試樣內部孔洞較多；并且過量的脫硫石膏與土顆粒接觸的同時，地聚合物與土顆粒的接觸程度也相對降低，這不利于膠凝材料黏結與填充土顆粒之間的縫隙；過多的脫硫石膏未完全參與早期的水化反應，而到了反應后期再釋放出SO2-4，會促使膨脹性鈣礬石的形成，使得土體內部結構松散。

2.2 微觀試驗

2.2.1 化學成分

原狀土和地聚合物固化軟土28 d養護齡期的XRD衍射圖譜如圖5所示，由圖可知，軟土的礦物組成主要有石英、鈉長石、正長石、蒙脫石、斜綠泥石。FA70S30與FA100S0固化土與原狀土相比地聚合物固化土的衍射峰未有明顯變化，表明該體系沒有新的礦物生成，但固化土的XRD衍射圖譜部分峰值降低，且在30°～35°的范圍內可觀察到彌散峰生成，一是因為黏土中的一些礦物參與了反應［19］，二是因為水化產物N-A-S-H和C-（A）-S-H為膠凝無定形的物質，這些生成物分布在土顆粒之間甚至將土顆粒包裹住，因此降低了土顆粒入射線的反射［20］，沒有明顯的特征峰。FA70S30在摻加脫硫石膏后的衍射峰在11°～13°的位置有明顯的新峰形成，因為脫硫石膏的加入，在堿性環境下生成了鈣礬石；然而FA100S0摻加脫硫石膏后鈣礬石的衍射峰相對不顯著，表明鈣礬石的生成過少或未生成。FA70S30摻加4%脫硫石膏的鈣礬石衍射峰比2%脫硫石膏顯著，表明生成了更多的鈣礬石，然而鈣礬石過多會導致了體系膨脹，結構松散［15］。當FA70S30摻加4%脫硫石膏時，在27°～28°鈉長石的峰值明顯降低，這是因為鈉長石在堿性環境下，特殊的離子交換反應發生了溶蝕，而較多脫硫石膏的加入提升了地聚合物體系的Ca2+濃度，加速了上述反應［21］。

2.2.2 微觀結構

通過SEM可以定性顯示固化土的微觀結構的變化，從SEM圖中可以觀察出微孔、未反應的膠凝材料顆粒、致密和松散結構以及部分膠結產物的形態。FA100S0與FA70S30的地聚合物固化軟土28 d齡期的微觀結構分別如圖6和圖7所示。圖6（a）與圖6（b）為純粉煤灰地聚合物固化土的SEM圖片。從圖6（a）可以看到有較多未完全反應的球狀顆粒，這些粉煤灰的表面并不光滑，已經部分參與反應，并且未完全反應粉煤灰附近有較大的孔洞，表明常溫下粉煤灰活性未能有效激發，膠凝產物較少，導致土顆粒間松散。圖6（c）與圖6（d）為FA100S0摻加脫硫石膏的SEM圖，與圖6（b）相比加了脫硫石膏的體系，從圖中可以看出：粉煤灰和土顆粒之間? 更加密實，生成的晶體也相對較多。圖7（a）與圖7（b）分別為FA70S30固化軟土與FA70S30摻加脫硫石膏固化軟土的SEM圖，從圖中可以看出：土體更密實，不再有未反應的球形粉煤灰；摻加脫硫石膏的土顆粒之間的縫隙有大量的結晶相填充，黏結作用使得土體形成一個較為密實的整體，導致其抗壓強度大幅度提高，根據已有研究［22-23］可知，該結晶相為網絡狀的C-（A）-S-H凝膠和少量泛白色N-A-S-H凝膠。以上分析表明：含有礦渣的硅鋁原料固化軟土反應更加充分，脫硫石膏的加入對含有礦渣的硅鋁原材料固化軟土水化程度明顯提升，黏結性產物增加，它不僅能夠有效填充顆粒孔隙，還能通過黏結作用將顆粒彼此之間連接起來，這是固化軟土抗壓強度提升的主要原因。

3 結 論

本文主要研究了在不同硅鋁原料配比時、不同堿激發劑模數、含量和脫硫石膏的摻量對地聚合物固化淤泥質軟土抗壓強度的影響規律，并通過SEM和XRD試驗分析固化軟土的微觀結構變化，揭示固化劑固化軟土機理，得出以下結論：

a）不同硅鋁原材料地聚合物作為固化劑對軟土固化強度有較大的差異；當地聚合物摻量固定時，隨著堿激發劑含量以及模數的增大，固化軟土抗壓強度呈現出先增加后降低的趨勢，隨著養護齡期的增長，規律更加顯著。堿激發劑模數和含量分別為0.8和6%時，較為有利于地聚合物固化土。

b）脫硫石膏可以明顯提升地聚合物固化軟土的前期抗壓強度，固化土抗壓強度隨外加劑脫硫石膏摻量的增加，先增加后降低。FA100S0與FA70S30的28 d抗壓強度的峰值分別為214.21 kPa和1742.53 kPa；相比沒有添加外加劑的抗壓強度分別提升了16.75%、57.08%。脫硫石膏對活性較高的硅鋁原材料固化土提升幅度大于低活性硅鋁原材料。當脫硫石膏摻量為2%時，地聚合物固化軟土具有最佳的力學性能。

c）微觀結果表明，FA100S0與FA70S30固化軟土并沒有新的礦物生成，但是有無定形膠凝材料N-A-S-H和C-（A）-S-H生成，膠凝產物通過黏結和填充作用使得土體結構密實。脫硫石膏的加入，促進了地聚合物反應，生成的鈣礬石起到填充作用。

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（責任編輯：康 鋒）

收稿日期： 2022-06-05? 網絡出版日期：2022-10-08網絡出版日期

基金項目： 國家自然科學基金項目（51678533）；浙江省公益基金項目（LGG21E080012）

作者簡介： 張子龍（1997- ），男，河北石家莊人，碩士研究生，主要從事軟土地基加固方面的研究。

通信作者： 吳大志，E-mail：wudz@zstu.edu.cn