堿渣-礦渣-水玻璃對流態固化土的影響研究

摘 要：目前國內工業固廢的堿渣和礦渣應用程度不高，多為填埋處理，導致資源浪費。本文根據現有的國內外研究成果，設計了不同成分摻量比例、不同齡期流態固化土的抗壓強度試驗方案，研究了堿渣-礦渣-水玻璃對疏浚淤泥的固化作用影響，分析了固化土強度隨成分摻量比例的變化規律以及各成分對疏浚淤泥的固化機理，結果表明，堿渣-礦渣-水玻璃組分可應用于施工工程用流態固化土中，可有效使用工業固廢，節約自然資源，是一種節能環保的新型綠色建筑材料。

關鍵詞：水玻璃；堿渣-礦渣；流態固化土；抗壓強度

中國分類號：TU 44" " " " " 文獻標志碼：A

我國工業進程不斷加快，隨之產生了大量無法處置的疏浚淤泥，對生態環境造成了破壞[1]。針對疏浚淤泥的特點，通常處理方式為堆積填埋，因此存在一定程度的危險性以及環境污染[2]。目前用于固化疏浚淤泥的固化劑主要成分多為水泥，為了降低成本也使用粉煤灰、磷石膏等，目前效果很好。

激發堿渣中的活性成分可以強化土壤骨架效應，提高土壤的強度和土壤穩定性。目前，堿渣的利用率很低。而礦渣是一種活性、含鈣量很高的礦物材料，摻入礦渣不僅使流態固化土具有良好的力學性能，還具有凝結速度快、早期強度高等優點，可以加快工程進度，降低工程成本[3]。

因此，本文是以礦渣為基礎，將摻入堿渣作為固化劑，以水玻璃為激發劑，分析成分不同摻量比例、不同齡期的固化土抗壓強度變化規律，探究這幾種成分組成對疏浚淤泥的固化作用影響以及提高土壤強度與穩定性的效果，最終確定堿渣-礦渣-水玻璃組合固化淤泥的可行性，以期為工程用流態固化土推廣與應用提供合理的理論依據。

1 試驗材料與方法

1.1 試驗材料

試驗土樣為沈陽渾河流域的疏浚淤泥，顏色為黑色，整體呈現流塑狀。土樣的液限為52%，塑性指數為27，屬于高液限黏土。土體中含有大量的蒙脫石、伊利石和高嶺石。

堿渣和礦渣均來源于鞏義市某凈水材料有限公司，堿渣細度為200；礦渣為S95級礦渣粉，粒徑主要分布在1～35μm，比表面積為430㎡/kg～460㎡/kg。

水玻璃來源于某環境集團有限公司生產的硅酸鈉水玻璃，呈無色透明黏稠狀，當試驗時將其模數調整到1.0。

上述試驗材料具體礦物成分見表1。

1.2 試驗方案

根據試驗材料的具體礦物成分以及初期試配的固化劑摻量范圍，本文流態固化土抗壓強度試驗采用多因素（堿渣、礦渣、水玻璃）、多摻量的試驗方案，設定每種因素有3種不同摻量，共27個試驗組，為避免人為原因或偶然性試驗結果數據誤差，每組制作3個尺寸為100mm的立方體試件，以3d、7d和28d抗壓強度為檢測指標，試驗方案及流態固化土試件不同齡期的抗壓強度結果見表2（其中，摻量為堿渣、礦渣和水玻璃質量與淤泥干質量的百分比）。

2 試驗結果分析

根據表2的流態固化土試件不同齡期的抗壓強度測試數據結果，對數據進行整合處理，繪制試件的抗壓強度隨齡期的變化曲線，如圖1所示。

結合表2和圖1可以看出，隨著流態固化土摻量比例增加，不同齡期試件的抗壓強度都會提升，但提升的幅度有很大的區別。其中，堿渣的摻量比例對3d抗壓強度的影響最大，堿渣摻量比例越大，其試件前期的抗壓強度就越高。堿渣是化工工業生產純堿的過程中產生的伴生物，一般來說，堿渣的處理方式也多為堆積填埋，這種方式很容易對土地造成污染，形成鹽漬化土壤。為避免資源浪費，可以將堿渣制成新型的固化劑，用來固化淤泥質土。當堿渣摻量從20%增至25%時，試件3d抗壓強度值平均提升4.56%。當堿渣摻量從25%增至30%時，試件3d抗壓強度值平均提升3.72%，而水玻璃和礦渣對試件抗壓強度的提升效果卻不太明顯。堿渣的化學組成成分主要為一些含鈣鹽和水不溶物，具有一定的膠凝性[4]，其團聚體顆粒之間以點接觸的方式堆積在一起，從而形成了一種松散聚集體，其結構疏松，孔隙繁多，比表面積較大，因此導致其具有很高的吸水性，在相同固液比條件下，有助于提高液相離子濃度，使納米級顆粒能夠填充到其水化產物中，促進水化反應[5]，進而可大幅度提高流態固化土的早期抗壓強度。

但從齡期較長方面（7d和28d抗壓強度）來看，水玻璃摻量比例對提升試件抗壓強度幫助更明顯。從圖1可以看出，水玻璃摻量比例每增加5%，試件的7d抗壓強度和28d抗壓強度就分別提高62.51%和27.02%，由此可見，7d時的抗壓強度就已經達到了設計強度的70%以上，在堿激發反應過程中，水玻璃充當兩個角色：一種激發劑，為堿激發反應提供一個堿性的、適宜的化學反應環境，使各成分之間可以更好地發生堿激發反應；一種反應物，直接參與化學反應，隨著反應時間增加，產物也越來越多，且在整個反應過程中，大量的自由水結合成結晶水，逐漸失去流動性，最終逐漸凝結硬化結晶，將礦渣粉顆粒包裹其中形成凍結體[6-7]，因此水玻璃對礦渣的堿激發作用是需要一定反應時間的。

礦渣對提升試件抗壓強度的影響并沒有那么顯著，但從表2和圖1的數據分析來看，增加礦渣摻量的在一定程度上會減緩拌合物早期的水化速度，其生成的水化產物受限，使流態固化土試件早期強度不高或增長緩慢。在堿激發劑（水玻璃）的作用下，礦渣可以加速早期水化產物形成，對礦渣早期強度的發展起到了非常重要的作用，且礦渣粉顆粒比水泥顆粒更加細小，可以更好地填充到其水化產物的孔隙中，使流態固化土具有更加密實的內部結構，從而提高其抗壓強度。當礦渣粉中Al2O3含量較低時，礦渣粉溶解放熱會加速水化反應早期階段的礦渣粉溶解，或者在超硫酸鹽礦渣以及硅酸鹽礦渣中會產生鈣礬石，使第二水化反應峰峰值強度增加，但Al2O3過量會減緩無定型二氧化硅、石英等成分溶解，延遲水化過程[8-9]。因此，適量的礦渣粉對整個反應過程可以起到積極促進的作用，量過多或者過少都會減緩堿激發反應進程。

綜上所述，堿渣-礦渣復合膠凝材料可以應用于流態固化土中，水玻璃可作為堿激發劑，用來激發堿渣和礦渣的水化反應，且具有很好的固化效果，其生成的流態固化土抗壓強度完全可以滿足施工規范要求。利用固化劑使疏浚淤泥中的水與土發生化學反應，降低土體含水率，提高土體抗壓強度，以此可將疏浚淤泥轉變為極好的工程用土，可用于回填、市政工程及道路工程等，不僅可以起到廢材再利用，保護生態環境的作用，減少自然資源開采，而且還可以發揮很好的經濟效益，降低施工成本，減少施工工序和縮短施工工期。

3 結論

堿渣具有一定膠凝性，可有效提升流態固化土早期抗壓強度，在流態固化土中應用堿渣-礦渣復合膠凝材料已經取得了初步的研究成果，結果表明可將其用于淤泥治理。

礦渣可作為主要膠凝材料用于固化淤泥質土，但Al2O3含量不易過高，否則會延遲水化反應，降低早期強度。

當水玻璃與礦渣中溶出的活性物質相遇時會發生固結，水玻璃包裹礦渣顆粒形成凍結體，周圍凍結體與礦渣粉體顆粒緊密黏結，在堿激發漿體中，礦渣顆粒結構完整，未出現解體現象。

參考文獻

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