綠色低碳復合膠凝材料改良路基粉土試驗研究

摘 要：【目的】為了提高工業固廢的利用率，利用工業固廢處理路基填料。【方法】采用電石渣、鋼渣、磷石膏、鋁尾礦等工業固廢制備具有水化活性的綠色低碳復合凝膠材料，并對沿黃流域粉土進行改良試驗研究。【結果】研究表明，復合膠凝材料具有一定的水化活性，與水泥相比，其水化活性較低，但對粉土具有良好的固化效果；其凝結時間長對穩定土的施工控制有利；在水中長期浸泡，復合膠凝材料表現出良好的耐水性；在低溫養生環境下，復合膠凝材料穩定土較水泥土有優勢。【結論】綠色低碳復合膠凝材料改良路基粉土性能優異，具有工程應用價值。

關鍵詞：工業固廢；綠色低碳復合膠凝材料；粉土；水化活性；耐水性；低溫養生

中圖分類號：U414" " "文獻標志碼：A" " " 文章編號：1003-5168（2025）02-0068-04

DOI：10.19968/j.cnki.hnkj.1003-5168.2025.02.013

Abstract： [Purposes] In order to improve the utilization rate of industrial solid wastes， industrial solid wastes were used to treat roadbed filling material. [Methods] Green low-carbon composite cementitious material with hydration activity was prepared by industrial solid wastes such as calcium carbide slag， steel slag， phosphogypsum and" aluminium tailings，and the improvement test of silt along the Yellow River Basin was carried out.[Findings] The results showed that the composite cementitious material had hydration activity， which was lower than that of cement， but it had a good curing effect on silt. Its long setting time was beneficial to the construction control of stable soil. Long-curing in water， good water resistance of composite cementitious stabilized soil was showed. In the environment of low temperature curing， composite cementitious stabilized soil had better performance over cement soil. [Conclusions] Green low-carbon composite cementitious material had excellent performances on improving roadbed silt and had engineering application value.

Keywords： industrial solid waste; green low-carbon composite cementitious material; silt; hydration activity; water resistance; low temperature curing

0 引言

河南省沿黃流域廣泛分布著以低液限粉土、含砂亞黏土、粉砂土等為主的沉積土。這些土為欠固結堆積土，粉粒含量高，級配較差，塑性指數低，抗剪強度低，毛細作用強烈，水穩定性較差［1］。若將其直接作為路基填料，會影響道路工程的建設質量。

工業固廢資源化利用是社會一直關心的話題。隨著工業的發展，鋼渣、尾礦等大宗工業廢棄物急劇增加，產生了一系列土地、資源、環境、安全等問題。特別是在“雙碳”目標背景下，大力提倡將粉煤灰、尾礦、冶煉渣、工業副產石膏等大宗固廢應用于土壤改良、井下充填、路基修筑等，可提高礦產資源綜合開發利用水平和綜合利用率。

目前，在路基土改良應用方面，除了常用的水泥、石灰外，也有許多關于工業固廢改良路基填料的研究。栗培龍等［2］為優化電石渣穩定土的組成及配比，系統研究了不同土樣的最佳電石渣劑量，同時探究了土質塑性指數、黏粒含量及膠體活動性指數對最佳電石渣劑量的影響規律。劉滿超等［3］利用粉煤灰、礦渣粉、電石渣和復合激發劑制備了低成本的復合膠凝材料，實現了大宗固廢的合理處置。徐日慶等［4］利用粉煤灰、磷石膏、電石渣等固廢，開展了針對淺層淤泥質土的固化劑研究。蔡磊［5］以湖積淤泥質軟土為主要研究對象，選用工程渣土、礦渣、粉煤灰為主要材料，摻入脫硫石膏等工業固廢及工程渣土對淤泥質軟土進行改性研究。張軍林等［6］為實現鋼渣的全粒度應用及提高利用率，經過試驗得出10%鋼渣摻量可替代6%石灰，用于穩定黃土路基。李聰［7］設計了常規的水泥改良和石灰-粉煤灰改良方案，分別通過試驗分析了經兩種方案改良的粉砂土特性，提出了更適宜的石灰-粉煤灰改良方案。

可見，工業固廢穩定土作為路基填料具有可行性。本研究以電石渣、鋼渣、磷石膏、尾礦等工業固廢，通過免煅燒工藝制備綠色低碳復合凝膠材料，分析復合膠凝材料的凝結時間、強度及其穩定土的無側限抗壓強度、耐水性、低溫養生性能和路用性能等。

1 試驗材料

該試驗用土取自河南某高速公路所用的路基填筑用土場，該地區屬于典型的沿黃流域，土的性能參數見表1。

綠色低碳復合膠凝材料是根據該土質情況，由鋼渣、電石渣、磷石膏、鋁尾礦等工業固廢，按一定比例經過烘干粉磨而成的環保材料。水泥采用鄭州天瑞P·F 32.5水泥。膠凝材料和水泥主要化學成分見表2。

2 試驗方法

2.1 水穩系數與4 h凝結時間系數

按照《土壤固化外加劑》（CJT 486—2015）中的試驗方法測定復合膠凝材料與水泥穩定土的水穩系數、4 h凝結時間系數。

2.2 穩定土7 d、28 d無側限抗壓強度

無側限抗壓強度試驗采用φ50 mm×50 mm圓柱體小試件，7 d無側限抗壓強度按照《公路工程無機結合料穩定材料試驗規程》有關試驗方法進行，28 d無側限抗壓強度為標準養生6 d，在（20±2） ℃的水中浸泡22 d，然后檢測無側限抗壓強度。

2.3 低溫養生試驗方法

采用環境溫度箱模擬低溫環境養生條件，將穩定土的無側限抗壓強度試件分別放置在5 ℃、10 ℃、15 ℃環境條件下，養生6 d后泡水24 h，再進行強度檢測。

3 試驗結果與分析

3.1 土的物理與力學性質

為深入了解該地區土質的微觀情況，采用熒光顯微鏡對土樣進行放大觀察，放大倍數為100倍，如圖1所示。由圖1可知，該土顆粒磨圓度較高，大小較為均一，黏粒組分少，級配連續性較差。缺少黏粒組分，導致顆粒間隙較大，顆粒間的黏聚力降低，碾壓時，易產生滑移，難以壓密實，且受雨水沖刷或浸泡易發生顆粒流失，導致結構整體破壞。

3.2 膠凝材料研究

參考水泥試驗研究方法，對比研究水泥與復合膠凝材料的凝結時間、抗壓強度，具體見表4。

表4 膠凝材料凝結時間與強度

[類" 別 檢測項目 實測值 復合膠凝材料 凝結時間/min 初凝 378 終凝 524 抗壓強度/MPa 3 d 10.7 28 d 31.5 水泥 凝結時間/min 初凝 167 終凝 219 抗壓強度/MPa 3 d 16.6 28 d 38.1 ]

由表4可知，復合膠凝材料28 d抗壓強度可達31.5 MPa。由此可見，雖然復合膠凝材料是由多種工業固廢復合而成的，但只要各組分比例得當，其礦物組分就可以產生協同水化作用，表現出一定的水化活性。但與水泥相比，復合膠凝材料自身水化活性較低，致使其抗壓強度明顯低于水泥。

3.3 膠凝材料穩定粉土試驗研究

根據路基設計規范要求，對不同摻量復合膠凝材料和水泥拌和土進行了擊實試驗與CBR試驗，結果見表5。

由表5可知，3%和4%摻量時，兩種改良材料穩定的CBR值，均滿足《公路路基設計規范》（JTG D30—2015）中上路床CBR大于8%的要求。且相同摻量和壓實度時，復合膠凝材料穩定土CBR值均高于水泥穩定土。

進一步研究復合膠凝材料和水泥穩定土7 d、28 d無側限抗壓強度、水穩系數和4 h凝結時間影響系數，結果見表6。

由表6可知，隨著復合膠凝材料摻量的提高，其穩定土7 d、28 d無側限抗壓強度也逐漸增大，復合膠凝材料穩定土的水穩系數和4 h凝結時間影響系數均大于水泥穩定土。當摻量為3%時，復合膠凝材料穩定土的7 d無側限抗壓強度比水泥穩定土增加了20.6%，前者28 d無側限抗壓強度比后者增加了36%；4%摻量時，復合膠凝材料穩定土的7 d無側限抗壓強度比水泥穩定土增加了23.5%，前者28 d無側限抗壓強度比后者增加了26.3%。

綜合表4、表5和表6中的數據可知，水泥穩定土的強度高于復合膠凝材料，而水泥穩定土的無側限抗壓強度反而低于后者。其原因是，水泥強度等級的評價方法是基于水泥水化反應產生的膠凝物質黏接砂石等惰性材料的，在此期間，砂石并不參與水泥水化反應過程，但在水泥穩定土反應體系中，不僅有水泥水化反應，還有水化產物參與土壤活性物質的交聯反應，所以采用水泥穩定土強度試驗方法并不能全面反映其穩定土性能的優劣。而復合膠凝材料可以根據土質變化，靈活調整各組分比例，既能通過自身的水化反應，在土壤顆粒空隙間形成強度骨架，也可以通過電石渣等組分與土壤中的活性物質產生膠凝效應，從而進一步增強穩定土的各項性能［8］。

3.4 低溫養生試驗研究

為了研究復合膠凝材料穩定土受低溫條件影響的情況，采用環境溫度箱模擬低溫環境養生條件，養生穩定分別為5 ℃、10 ℃和15 ℃，具體見表7。

由表7可知，在5 ℃環境條件下養生6 d后，泡水24 h，水泥、復合膠凝材料穩定土試件均被泡散，說明在5 ℃養生條件下，穩定土強度增長緩慢，沒有形成良好的固化體，抗水侵蝕效果不佳。在10 ℃養生條件下，水泥、復合膠凝材料穩定土試件均有一定強度，可以進行有效的試驗檢測。當摻量為3%時，復合膠凝材料穩定土無側限抗壓強度比水泥穩定土高80.9%；當摻量為4%時，復合膠凝材料穩定土無側限抗壓強度比水泥穩定土高92.2%。在15 ℃養生條件下，當摻量為3%時，復合膠凝材料穩定土無側限抗壓強度比水泥穩定土高32.2%；當摻量為4%時，復合膠凝材料穩定土無側限抗壓強度比水泥穩定土高24.4%。在20 ℃養生條件下，當摻量為3%時，復合膠凝材料穩定土無側限抗壓強度比水泥穩定土高20.6%；當摻量為3%時，復合膠凝材料穩定土無側限抗壓強度比水泥穩定土高28%。

綜上所述，在低溫養生環境下，復合膠凝材料穩定土的強度要優于水泥穩定土，該數據為低溫天氣條件下施工復合膠凝材料穩定土提供了參考。

4 結論

①與水泥相比，綠色低碳復合膠凝材料凝結時間延長、抗壓強度較小，說明其水化活性較低，但凝結時間長有利于穩定土的施工控制。

②相同摻量時，復合膠凝材料穩定土的無側限抗壓強度要高于水泥穩定土；水穩系數、4 h凝結時間影響系數均大于水泥穩定土；其CBR值均高于同樣壓實度下的水泥穩定土，表明根據土質情況配制的復合膠凝材料相較于固定組分的水泥，在穩定土方面更具有性能優勢。

③在低溫養生環境下，復合膠凝材料穩定土的強度要優于水泥穩定土。

參考文獻：

［1］王晶晶.改良粉砂土路基動力特性研究［D］.開封：河南大學，2019.

［2］栗培龍，趙晨希，裴儀，等.電石渣穩定土組成設計及影響因素研究［J］.公路工程，2021，46（3）：129-133，255.

［3］劉滿超，李超，馮艷超，等.粉煤灰-礦渣-電石渣復合膠凝材料的制備及應用［J］.環境科學與技術，2018，41（12）：42-48.

［4］徐日慶，文嘉毅，董梅.工業廢料固化淺層淤泥質土研究［J］.長江科學院院報，2020，37（5）：85-91.

［5］蔡磊.工業固廢協同渣土改性淤泥質軟土的力學特性試驗研究［D］.武漢：武漢輕工大學，2021.

［6］張軍林，王紹安，任國斌，等.細粒式鋼渣改良黃土路基研究［J］.中國建材科技，2021，30（5）：75-78.

［7］李聰.高速公路路基填料粉砂土改良研究［J］.科學技術創新，2021（21）：147-149.

［8］劉金龍，楊佳峰，蔣燚，等.行業標準《軟土固化劑》中若干問題的思考［J］.地基處理，2020，2（1）：83-90.