氧化鎂礦粉復配加固砂土的強度特性

中圖分類號：TU441 文獻標志碼：A 文章編號：2096-6717（2025）03-0036-05

Strength characteristics of sand treated by magnesium oxide activated granulatedblast furnace

LU Jiayue1'，BAI Kun3， ZHANG Chengjun ⁴ ，YEQiang ^1，2 （1.JiangsuResearch InstituteofBuilding Science Co.，Ltd.，Nanjing 21Ooo8，P.R.China；2.State KeyLaboratoryof High Performance in Civil Engineering Materials，Nanjing 210o8，P.R.China;3.China Railway 14th Bureau Group Corporation Limited，Jinan 25OlO1，P.R. China;4.China Railway 14th Bureau Group Mega Shield Construction Engineering Co.，Ltd.，Nanjing 21l899，P.R. China）

Abstract：Sandy soil isa common geotechnical material.To satisfy the mechanical and environmental requirements in engineering，the granulated blast furnace powder （GGBS）as a solid waste discharged by steel industry could replace cement as a soil curing agent. In this study，GGBS was used as curing agent and magnesium oxide （MgO ）was used as stimulating agent to reinforce the sand. The influence of curing durations （3，7，14，28，56 days） and the mixing amount of curing agents （8% ， 10% ， 12% ） as well as the amounts of magnesium oxide （0% ， 5% ， 10% ， 15% ， 20% ， 40% ） on the strength development were analyzed. The results showed that under the same amount of curing agent，the unconfined compressive strength （USC）of cemented sand has no obvious relation with curing age less than 7days.However，when the curing age was longer than 7 days，the longer the age period，the higher of the sand soil USC.Furthermore，the amount of curing agent is positively correlated with the unlimited compresive strength of sand.Finally，although magnesium oxide dosage could promote the improvement of the unlimited compresive strength，excessive magnesium oxide would inhibit the increase of the unlimited compressive strength in sand.

Keywords： magnesium oxide;sandy soil;unconfined compressive strength； granulated blast furnace powder

沿海和沿江地區分布較多砂土地基，為使砂土地基在靜荷載作用下有足夠的強度并改善砂王的不良工程特性，通常使用固化劑對砂土進行固化處理。

目前常通過硅酸鹽水泥和石灰對砂土進行固化處理[1-3]，王志剛等4通過水泥基固化劑對中牟地區的細粒土砂進行研究發現，固化后砂土的無側限抗壓強度和抗壓回彈模量均有較大提升。郭曉峰等5采用水泥固化劑對某高速公路沿線的砂土進行固化，通過室內試驗研究固化土的路用性能，結果表明，固化后的砂土能夠滿足施工要求。但水泥固化砂土存在資源消耗量大，二氧化碳排放量大，環境污染大等問題，因此，需尋找一種綠色環保的固化劑。

近年來，有學者對MgO-GGBS（氧化鎂活化高爐礦渣）進行了研究，發現MgO-GGBS不僅能夠有效固化土體，同時具有綠色環保等優勢[6-8]。劉松玉9指出，相比水泥固化土，MgO-GGBS固化土在抗硫酸鹽侵蝕和抗干濕循環的耐久性方面具有顯著優勢。Wang等[0]和Jin等[]通過試驗發現，經處理后的試樣中鉻、鎘、鉛、鋅的浸出濃度均低于英國飲用水標準，無側限抗壓強度達 3.5MPa 以上，滲透系數小于 10^-10m/s 。李晨等[10]、蔡光華等[11]通過粒化高爐礦渣微粉對固化土特性影響的研究發現，其也能有效提高固化土抗壓強度。李晨等2在針對

GGBS對高齡土抗壓強度的研究中發現，當固化劑摻人GGBS后，高嶺土的28d抗壓強度從 0.35MPa 提高到 0.85MPa 。蔡光華等[13]對香港地區的海相沉積物進行固化發現，含有GGBS的固化劑在 10% 摻量下的抗壓強度值是同樣條件下水泥抗壓強度值的2倍。但由于對MgO-GGBS固化的研究通常是針對黏土、軟土，對砂土的固化研究較少。筆者通過無側限抗壓強度試驗，分析固化劑摻量、齡期、MgO 摻量等對砂土無側限抗壓強度的影響規律，為解決砂土的實際工程應用問題提供依據。

1 試驗方案與方法

1.1 試驗材料

試驗采用的固化劑為MgO-GGBS。 MgO 作為常見的無機非金屬材料，具有難溶于水及有機溶劑的物理化學特性，與水反應生成 Mg²⁺ 和 OH^- 的能力較強，能夠加速GGBS水化，又能夠反應生成水滑石等產物[14]。?；郀t礦粉（GGBS）則是以一種工業廢渣，其主要成分是以硅酸鈣和鋁酸鈣為主的融合物（包含 CaO，SiO₂，Al₂O₃ 等），是一種玻璃態的粒狀活性材料。與水接觸后，GGBS顆粒中 Ca²⁺ 溶于水，GGBS顆粒所帶負電荷與水中 H⁺ 生成膠體，在 MgO 堿激發劑情況下，可以促進這一反應進行，還能夠生成水滑石（CSH）等物質，可以提高固化土強度。GGBS-MgO化學成分見表1。

試驗用土是來自某地區的砂土，其級配曲線見圖1。

1.2 試驗方案

采用無側限壓縮試驗測得的強度值來評估固化土的強度特性，試樣采用直徑為 50mm 、高度為100mm 的圓柱體。固化劑由MgO-GGBS組成，分別采用 8%.10%.12% 三種固化劑摻量（固化劑質量與干王質量的比值），固化劑和水按比例1：1.6進行混合，并對其進行編號。具體配比見表2，表2中水、固化劑、砂土質量分別用 表示，表中編號B10-M05表示固化劑摻量為 10% ， MgO 占固化劑的5% ，其余編號含義以此類推。

1.3 試驗步驟

1）將土體粉碎后過 2mm 篩，去除較細顆粒后置于 105^°C 烘箱內烘干，質量穩定后取出備用。

2）用天平稱取各配比所需要的 300g 干土、固化劑和水，將其混合攪拌均勻。

3）攪拌后的混合土樣分3層裝入內徑為 50mm高度為 100mm 的圓柱PVC模具中，對土樣進行分層擊實并振搗排除氣泡。

4）將試樣放入 （20±2）^°C 、相對空氣濕度 95% 以上的標準養護室進行標準養護，待養護至相應齡期后脫模。

5）脫模后，使用游標卡尺測量試樣的高度、直徑，稱取試樣質量并對試樣進行無側限抗壓強度測試。

2 試驗結果

2.1養護齡期對強度的影響

固化土的UCS隨齡期的變化規律如圖2所示。當固化王養護齡期小于3d時，試樣最大UCS約為0.25MPa ，在第7天，所有試樣的UCS值均小于1MPa 。隨著養護齡期的增長，當齡期為14d時，摻加 MgO 的固化劑試樣UCS增長顯著，UCS大于1MPa 。從圖2可以看出，經3d養護的B10-M20固化土初期強度僅為 0.11MPa ，而養護至第7天，試樣UCS增長到 0.47MPa ，當養護時間到達14d時，試樣的UCS為 2.3MPa 。

在養護28d后，有 MgO 參與的固化土UCS的變化范圍在 2.85～4.77MPa 之間，B10-M15試樣的UCS最大，為 4.77MPa 。在養護56d后，試樣的UCS可達到 4.00～5.07MPa ，其中B10-M15試樣的UCS最大，為 5.0MPa 。以上試驗結果表明，在養護齡期超過28d的情況下，固化土UCS仍然會隨著固化時間增長而增長，但是強度增長并不明顯。其原因是，在28d后，固化劑的水化反應已經完成很大一部分，隨著養護時間的繼續增加，水化反應不如固化前期劇烈，水化產物生成放緩，導致固化土強度增長并不顯著。

2.2固化劑摻量對強度的影響

圖3為不同固化劑摻量對試樣UCS的影響。從圖中可以看出，在養護齡期為7d時，固化劑摻量為 8% 時試樣的UCS為 0.1MPa ，固化劑摻量為10% 時，試樣的UCS為 0.48MPa ，固化劑摻量為12% 時，試樣的UCS為 0.88MPa 。在養護齡期為14d時，當固化劑摻量為 8% 時，試樣的UCS為1.03MPa ，固化劑摻量為 10% 時，試樣的UCS為2.33MPa ，固化劑摻量為 10% 時，試樣的UCS為2.91MPa 。從以上數據可以看出，無論是7d還是14d齡期下，同齡期下，與固化劑摻量為 8% 時相比，固化劑摻量為 12% 時試樣的UCS增長了 200% 以上。這是因為隨著固化劑摻量的增加， MgO GGBS所生成的水化產物，如CSH也會隨之增加，對試樣的強度增長有促進作用。

2.3 MgO 摻量對強度的影響

以固化劑摻量為 10% 的試樣為例，UCS隨MgO 在固化劑中比例的變化規律如圖4、圖5所示。隨著 MgO 摻量的增加，當養護齡期介于 0～14d 時，UCS隨 MgO 摻量增加而增加，然而當養護齡期達到28d時，可以看出，試樣B10-MO的UCS有明顯增長趨勢，甚至高于 MgO 摻量為 5%.10%.15% 的試樣。盡管B10-MO0試樣中沒有摻入 MgO ，但仍然表現出一定的強度，這是由于GGBS中本身已包含多種金屬氧化物，這些金屬氧化物也可以作為堿激發劑促進GGBS的水化反應。當進一步延長養護齡期至56d時，試樣B10-M20會低于試樣B10-M1O、B10-M15的UCS。綜上所述，在相對較短的養護齡期內（ 0～14d ） MgO 作為添加劑有助于增加GGBS-MgO固化土的UCS，在較長的養護齡期下，固化土UCS的提升不明顯。

3 分析與討論

1）根據試驗結果發現，固化土的UCS與養護齡期、固化劑摻量、固化劑中 MgO 摻量密切相關。隨著養護齡期的增長，固化土的UCS隨養護齡期提升較??；在 MgO 摻量過多時，固化土UCS的提升受到抑制。通過分析MgO-GGBS的固化機理可知，在MgO-GGBS固化土的過程中，GGBS顆粒水化生成纖維狀凝膠粒子C-S-H-I型溶膠[15]，與溶液中的Mg²⁺ 等金屬離子和 CO₃^2- 反應生成水滑石碳酸鈣等物質，從而使固化土強度得到提升，隨著固化時間的增長，GGBS逐漸水化完成，固化土的UCS增長放緩。而 MgO 則是作為激發劑，在水中生成 Mg²⁺ 和 OH^- 。在GGBS顆粒水化過程中，溶液中 Ca²⁺ 和OH^- 濃度會上升，GGBS顆粒表面會被-Si-OH等膠體覆蓋，阻止進一步水化， MgO 水化后的 OH^- 會使溶液pH值升高，與覆蓋在GGBS顆粒表面的膠體反應，促使GGBS進一步水化，直到水化反應完成。所以，加人 MgO 有助于固化土強度的提高。但隨著MgO 摻量的增加，水化產物中更多的水滑石生成，進而導致固化土中水滑石含量過大，使固化土受到膨脹應力，這也可能導致高 MgO 摻量下的固化土UCS下降[15]

2）評價固化土加固效果最直觀的參數是UCS，在實際工程應用中，UCS也是評價路基土路用性能的一個重要指標。正是基于此，筆者對影響固化土UCS的多種因素展開研究，以期為后續工程應用提供充足的理論依據。

4結論

1）總體而言，固化土的UCS隨著養護齡期的增加而提高，28d后UCS增長放緩。MgO-GGBS的水化產物主要是在養護第 7～28d 生成，隨著養護時間的增長，水化反應逐漸放緩，水化產物生成速度下降，固化土強度趨于穩定。

2）養護齡期小于7d時，固化劑的摻量與試樣的UCS并沒有明顯關聯。養護齡期大于7d后，固化劑的摻量和強度呈明顯正相關。

3）當養護齡期小于14d時，固化土的UCS隨著MgO摻量的增加而提高。當養護齡期較長時 （gt;14d ），如果 MgO 摻量超過一定數值，固化土的UCS有所減弱。

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（編輯 王秀玲）