工業廢渣-MgO協同固化粉質砂土試驗研究

中圖分類號：TU41 文獻標志碼：A 文章編號:1672-1098(2025)02-0059-09

引文格式：，，，等.工業廢渣- ??MgO 協同固化粉質砂土試驗研究[J].理工大學學報（自然科學版)，2025，45(2) :59-67.

DOI:10.3969/j. issn.1672-1098. 2025.02.008

Experimental Study on Industrial Waste Slag-MgO Synergistic Solidification of Silty Sand

WANG Qiang，ZHANG Zhaochang，CHU Zuoyong，GUO Jiawei，LI Yafeng (Schol of CivilEngineringandArchitecture，Anhui UniversityofScienceandTechnology，HuainanAnhui32Ool，China）

Abstract:Objective To address environmental pollution from industrial waste and improve silty sand for subgrade filling，slag，calcium carbide slagand MgO were employed to solidify silty sand.Methods Unconfined strength (UCS)， X^- ray diffraction （XRD），and electron microscope scanning （SEM） tests were carried out to evaluate the effcts of curing agent ratios and curing ages on soil strength and microstructure.Results The Orthogonal tests on 40% moisture-content silty sand showed that slag dominated UCS at 7d and 56d ( slag>MgO> calcium carbide slag），while calcium carbide slag surpassed MgO at 14d and 28d （slag > calcium carbide slag > MgO) . The optimal ratio was 15% slag +7% calcium carbide slag +8% （204號 MgO . The greatest effect of slag on the strength of the specimen was found at 7d，14d and 56d. The optimum ratio of the curing agent was 15%slag+7% calcium carbide slag +8% （20 MgO . Peak stress failure strains ranged from 0.9% to 1.9% ，inversely related to peak stress. Microstructural analysis showed that hydration products (C-S-H and M-S-H ）filled pores and bonded particles， enhancing strength. Conclusion The research supports green，low-carbon slag-calcium carbide slag-Mg0 binders for soil stabilization.

Key words : silty sand solidification ;slag;unconfined compressive strength; microscopic properties

我國地域廣闊，路基土分類繁多，一些特殊土如黃土、膨脹土等工程性能差，用作路基材料時承載力不足。近些年來，學者們致力于用工業廢料例如粉煤灰[1]、鋼渣[2]、堿渣、電石渣[3]等來固化特殊土。這既能解決特殊土用作填充路基材料時承載力不足的問題，還能解決工業廢料排放污染土壤環境和水資源的問題。粉質砂土由粉粒和砂粒組成，具有顆粒級配較差、塑性指數較小、抗剪強度較低等特點[4]，在路基工程中的應用十分廣泛，但容易出現壓實困難、易液化等問題[5]。因此，需要利用固化材料對粉質砂土進行改良，提高其填充穩定性和承載能力。

礦渣是煉鐵過程中所產生的副產物[6]，常被用作主要原材料以固化土壤。然而礦渣在中性環境下保持相對穩定的狀態，只能夠發生一些輕微的水化反應。但在堿性環境中，氫氧根離子能激發礦渣的活性，使其發生較為劇烈的水化反應，故學者們稱礦渣的活性是“潛在”的[7]。文獻［8]利用礦渣另摻水泥熟料、高溫石膏和自制的活性激發劑制成礦渣膠凝材料固化軟土，結果表明礦渣膠凝材料固化軟土的效果強于水泥。文獻9-10通過研究發現礦渣與粉煤灰、RHA等火山灰材料混合后，可形成類似水泥的膠凝材料。早期研究較多是利用水泥或者石灰來激發礦渣固化土，此方法雖然可以有效的解決礦渣前期堿性不足的問題，但水泥和石灰的生產會大量消耗資源，且煅燒過程中產生的熟料和廢氣會對周邊的水體和土壤產生影響。近期大量研究利用綠色友好材料 MgO 作為礦渣激發劑摻入土體后，可以有效地提升土體的強度[11]。在一定條件下， Mg0- 礦渣改性土的強度可以達到水泥土的強度的3倍，并且在 MgO- 礦渣改性土中不穩定產物如水化硅鋁酸鈣(C-A-S-H)以及鈣釩石(AFt)等的含量遠低于水泥改性土，使得 MgO- 礦渣改性土具備更好的穩定性和抗侵蝕性[12]。但由于氧化鎂較低的堿性，導致在養護的前期水化速率一般，從而使改性土早期強度較低。如何在保留MgO^- 礦渣改性土優點的前提下提高前期水化速率亟待解決。電石渣是電石水解獲取乙炔氣時產生的廢渣，主要成分為氫氧化鈣，由于較高的堿性，在固化土領域常當成堿激發劑用于激發礦渣、粉煤灰等工業廢料。文獻[13]使用電石渣作為堿性活化劑以增強水泥基固化污泥的強度。研究表明，當摻入的電石渣和水泥均為 20% 時，固化污泥的長期強度達到最佳水平。文獻[14]探討了電石渣、偏高嶺土和脫硫石膏在固化污染土中的實際應用現狀，發現電石渣在固化中具有良好的堿性激發作用。但將電石渣作為 Mg0- 礦渣改性土的堿激發劑的研究較少。

為解決 MgO- 礦渣改性土前期堿性不足，水化速率較慢的缺點，本文擬選用電石渣作為堿性激發劑激發 MgO- 礦渣來固化粉質砂土，開展正交試驗，探究不同齡期固化粉質砂土無側限抗壓強度變化規律，找出符合施工標準以及最佳經濟化的試驗配比。通過X射線衍射（XRD）和電鏡掃描（SEM），從微觀的角度分析 MgO 、礦渣和電石渣對固化粉質砂土強度的影響機制。

試驗材料與方法

1.1 試驗材料

試驗土樣取自市潘集區平圩鎮，顏色為灰黑色，流塑狀態。晾曬干燥后，顏色變淺，呈沙粒土狀態。其含砂率為 62.3% 。根據《土的工程分類標準》( GB/T50145-2007) ，該土樣屬于砂類土，細粒土含量 37.7% ，且粉粒含量超過 50% ，稱為粉土質砂（代號SM）。根據《公路土工試驗規程》JTG3430-2020 ，液塑限試驗采用聯合測定法進行，得出試驗所用土樣的液限為 25.2% ，塑限為 18.6% ，

塑性指數為6.6。

試驗中礦渣中 CaO、MgO、SiO₂ 和 Al₂O₃ 總量 高達 89.66% ，電石渣中 CaO，SiO₂，Al₂O₃ 總含量為

74.45% ， MgO 純度為 93.57% 。礦渣與電石渣的XRD圖譜如圖1所示。

1. 2 試驗方案

根據前期試驗確定出各固化劑摻量的大致范圍，采用3因素3水平的正交試驗設計方案，套用 正交試驗表，各擬定因素及水平詳細情況如表1所示。其中A、B、C分別表示礦渣滲量、電石渣摻量和 MgO 摻量。

1.3 試驗方法

將取自現場的粉質砂土曬干后粉碎，過 1mm 標準篩并封裝備用。按設計配比稱取粉質砂土和固化劑，混合后放入攪拌機攪拌 3min 。再緩慢加入超過土體液限( 40% )的水，立即攪拌 5min ，確保充分接觸。將混合料分3層倒入直徑 50mm 高度100mm 的塑料模具中，在振搗臺上振搗成型，待24h 脫模并貼上標簽，放人標準養護室至設計齡期（204號 (7、14、28、56d) 。然后進行無側限抗壓強度（UCS)測試，使用WAW-1000D試驗機，加載速率為 ，設置3個平行試樣進行試驗，取其平均值。將經過試驗破壞后的試塊密封保存，并在其中選擇典型樣品烘干后進行電鏡掃描和X射線衍射，研究該復合固化劑固化粉質砂土所產生的水化產物。

2 試驗結果分析

2.1 正交試驗結果

根據表2中所示無側限抗壓強度測試結果，進行正交試驗極差分析如表3所示。由表3可知，固化粉質砂土在7d和56d時無側限抗壓強度影響因素的主次關系為礦渣 >MgO> 電石渣，而在14d和28d時，順序則變為礦渣 > 電石渣 >Mg0 。研究表明，固化劑的作用分為短期和長期，短期包括吸水、絮凝和碳化，長期則主要是水化反應[15]，礦渣作為水化反應的主要材料，因此在各個齡期均發揮重要影響。

在7、28、56d齡期，最佳組合為 A₃B₃C₃ ，即礦渣、電石渣和氧化鎂的摻量越高，強度越大。而在14d齡期，最佳組合為 A₂B₃C₃ ，原因是 18% 的礦渣摻量過高，試驗前期試塊堿性環境較弱不利于礦渣的水化反應。由于試塊含砂率高、自由水含量低且試驗周期長，為提高早強性和經濟效益，選出的最優組合為(6)號試塊 A₂B₃C₁(15% 礦渣 +7% 電石渣+8%MgO ）。

2.2 養護齡期和固化劑摻量的影響

固化粉質砂土試塊無側限抗壓強度隨養護齡期的變化如圖2所示，所有試塊的強度均隨養護齡期的增加而增大。第1組和第2組在7d時強度較低，14d時增長迅速，漲幅約 100% ，28d時增長放緩。第3組在7d時強度普遍高于前兩組，但14d時增長緩慢，漲幅約 50% 。到28d時強度大幅提升，漲幅約 110% 。在56d時，前兩組的強度普遍低于第3組，但第2組中的(4)號和(5)號試塊強度增長率較高。

分析上述現象的原因是由于第3組礦渣摻量大，前期吸水能力強，導致7d強度高于前兩組。到14d時，因含砂率高，自由水大多反應完成，第3組需更強的堿性環境，礦渣水化反應慢，因此強度增長緩慢。但到28d時，電石渣和 MgO 與水反應生成 Mg²⁺ 和 OH^- ，增強了礦渣反應的堿性環境，使得第3組強度迅速增長。在56d時（3）、（5）、（7）號試塊的強度顯著增長，因為它們的 MgO 摻人量最高。此時，礦渣水化生成纖維狀C-S-H凝膠[16]與溶液中的 Mg²⁺ 和 CO_32- 反應生成碳酸鈣等物質，提升了固化粉質沙土的強度。因此， MgO 摻入量越高，56d時試塊的強度增長率越高。

2.3 固化粉質砂土試塊應力-應變曲線

部分試塊的應力-應變曲線如圖3所示，（1)號和(9)號試塊在短養護齡期時破壞應變較大，且在達到破壞強度后應力下降幅度小，表現出較好塑性。隨著養護時間增加，破壞應變減小，尤其在56d時，試塊變得更脆，破壞后應力急劇下降。對于最優組合的（6)號試塊，破壞應變穩定在 0.88% \\~1.26% ，4個養護齡期均表現出良好塑性。這表明(6)號試塊具有較好的可變形性和變形能力，更適合用作路基填充材料，可能是因為其內部水化反應

常用的衡量材料變形特性的重要指標有破壞應變 Ξ(ε_f) ，具有良好韌性的材料，當破壞應變較大，其在將要破壞時會產生較大形變，但普通材料在此情況下則更傾向于脆性破壞。破壞應變隨養護齡期的變化如圖4所示，大部分試塊的破壞應變隨著養護齡期的增加而減小。表明隨著養護齡期的增加，試塊的塑性逐漸降低，脆性逐漸增加，同時峰值應力也相應增加。

圖5描繪了固化粉質砂土試塊無側限抗壓強度與破壞應變 ε_f 的關系，并附有冪函數模型回歸分析得到的擬合曲線，曲線方程為 ε_f=1.56UCS^-0.344 ，相關系數 R² 為0.7038，說明曲線能夠較準確得反應破壞應變與強度之間的關系。

根據圖5中數據，破壞應變隨無側限抗壓強度的增加呈指數下降，在強度低于 1.5MPa 時，固化粉質砂土試塊的破壞應變在 1.38% 以上，在強度為 3.71MPa 時達到最小應變值 0.89% 。當強度為1.5～3.71MPa 時，固化粉質砂土的破壞應變保持在 1.2% 左右。因此使用本試驗復合材料固化后的粉質砂土具有良好的韌性，可以被應用于實際工程中。

2.4 變形模量 E₅₀

變形模量 E₅₀ 是評價巖土材料變形特性的重要參數，同時也是衡量巖土材料抗變形能力的重要指標。其評價標準為： E₅₀ 值越大，巖土材料的抗變形能力越強，變形能力越小。因此， E₅₀ 值可以用來評價巖土材料的變形特性，指導工程設計和施工過程中的選擇和應用。計算如下

式中， E_f 為破壞應變; σ_1/2 為破壞應變達到一半時的應力值，變形模量 E₅₀ 可視為此時的割線模量。

圖6展示了固化粉質砂土試塊無側限抗壓強度和變形模量之間的關系，可以看出兩者存在線性關系，且固化粉質砂土試塊的變形模量與無側限抗壓強度的關系為 E₅₀=(77.59～101.18)UCS 。此數據與所使用土壤和固化劑類型有關，比如水泥、石灰和粉煤灰固化沉積土變形模量 E₅₀ 是無側限抗壓強度的 47.7～282.6 倍[17]，玄武巖纖維和偏高嶺土基水泥粘土變形模量 E₅₀ 為其無側限抗壓強度的53\\~95倍[18]?？紤]到初始含水率和PH等因素的影響，固化粉質砂土試塊彈性模量與無側限抗壓強度的關系有待進一步研究

3 反應機理與微觀結構

3.1 固化粉質砂土固化反應機理

本文采用工業廢料礦渣、電石渣和 MgO 復合材料固化粉質砂土，固化劑中礦物成分含有大量的活性 CaO、MgO、Al₂O₃、SiO₂ 、鋁礦物、硅酸鹽和硅鋁酸鹽。固化反應機理如下：電石渣中的活性CaO與水反應制造堿性環境，同時有 Ca(OH)₂ （見公式2)產生并且部分沉淀出來，部分與雙電層中弱金屬離子發生交換，使雙電層變薄，提高粉質砂土強度[19]，同時 MgO 與水反應，并在孔隙溶液中不斷生成 （見公式3)體積膨脹填充孔隙，之后 在溶液中不斷解離出 OH^- ，提升孔隙溶液的 pH 值，也為礦渣反應提供堿性環境。在堿性環境中激發 SiO₂ 和鋁礦物發生水化反應產生凝膠物：水化硅酸鈣(C-S-H)（見公式4）水化鋁酸鈣（C-A-H)（見公式5)，凝膠物包裹粉質砂土顆粒并填充孔隙，使土體形成穩定的骨架。 Mg²⁺ 與水化產物發生反應產生水化硅酸鎂(M-S-H)(見公式6)填充漿體之間的孔隙，從而增強抗壓強度[20]

CaO+H₂O=Ca(OH)₂

MgO+H₂O=Mg(OH)₂

Ca((OH)₂+SiO₂+nH₂O-caO?SiO₂?nH₂O

mH₂O

Ca²⁺+Mg²⁺+SiO₂+H₂OCaO-MgO-SiO₂-H₂O

3.2 XRD結果分析

圖7顯示了（1）（6）、（9)號試塊在28d齡期時的X射線衍射(XRD)結果。每塊試塊中，石英的衍射峰最高，（1）號試塊的峰值最高，（9)號次之，(6)號最低。此外，(6)號試塊中 AFt，M-S-H C-A-H等水化產物的衍射峰高于（1)號和(9)號，說明(6號試塊的水化反應最為完全。對于（1)號試塊， 2θ 為 25^°～30^° 區域出現雜亂峰，因其較低的固化劑摻入比導致水化產物不穩定。在堿性環境下， Ca(OH)₂ 與活性物質發生反應形成C-A-H凝膠，（1)號試塊的C-H衍射峰最高，說明其較低的電石渣與 MgO 摻入比未能有效提升堿性環境，限制了反應的進一步進行。

3.3 SEM結果分析

對28d齡期的(1）、(6)和(9)號固化粉質砂土試塊進行500倍和5000倍的SEM試驗，如圖8所示。在500倍放大圖中，可以看到無定形的C-A-H凝膠水化產物在顆粒表面和顆粒間，使土顆粒連接更緊密。比較圖8(a）（c)和(e)，（1)號試塊內部結構最松散，孔隙較多；(9)號試塊結構致密，大部分孔隙被水化產物填充；（6)號試塊結構也較致密，但仍有少量孔隙未被充分填充。

在放大5000倍后分析(1）、（6)和(9)號固化粉質砂土試塊的SEM圖，可以看到少量棒狀和針狀的AFt存在于土顆粒表面和孔隙中，與玫瑰狀的水化產物M-S-H和C-S-H相互作用，形成團聚體，粘結土顆粒并填充孔隙，表現為強度增加和土顆粒的凝聚。這是固化劑提高固化效果的微觀原因。比較圖8(b）（d)和(f)，可以發現隨著固化劑摻入量增加，孔隙數量減少且尺寸變小，水化產物C-S-H和AFt增多，形成更大的團聚體，并形成致密的網狀結構，使試樣表面越來越平坦光滑，這與500倍放大的SEM圖結果一致。

4結論與展望

本研究利用工業固體廢棄物礦渣、電石渣和MgO 制備復合固化劑來固化粉質砂土。結果表明，隨著齡期的增加，無側限抗壓強度逐漸提高。最佳配比為 15% 礦渣 .7% 電石渣和 8% MgO，28d 齡期時固化劑完全反應，具有良好的經濟效益。固化粉質砂土的破壞應變超過 1.38% ，在強度為 3.71MPa 時最小應變為 0.89% 。當強度為 1.5～3.71MPa 時，固化粉質砂土的破壞應變保持在 1.2% 左右;變形模量 E₅₀ =(77.59～101.18)UCS ，具有較好的韌性，滿足路基填料的基本要求。本研究拓展了礦渣和電石渣的資源化利用，為土體加固提供了理論支撐

雖然綠色、低碳電石渣-礦渣 -Mg0 膠凝材料固化粉質砂土能有效的做到以廢治廢，但固化粉質砂土試塊早期強度仍然不高。這也是本研究的不足之處，因此，接下來可嘗試通過碳化的方式或者找尋新型堿性激發劑來提高固化粉質砂土的早期強度。

參考文獻：

[1] KUMARPG，HARIKA S.Stabilization of expansive subgradesoil byusingflyash[J].Materials Today:Pro ceedings，2021，45:6 558-6 562.

[2]WU J，LIU Q，DENG Y，et al. Expansive soil modified by waste steel slag and its application in subbase layer of highways[J].Soilsand foundations，2019，59(4) :955-965.

[3］劉鳳云，羅懷瑞，萬旭升，等.低溫養護下電石渣激發 偏高嶺土基地聚物固化土力學特性及固化機制研究 [J].巖土力學，2023，44（11）:3151-3164.

[4］張云龍，周劉光，王靜，等.凍融對粉砂土力學特性及 路堤邊坡穩定性的影響［J].吉林大學學報（工學 版），2019，49(5):1 531-1538.

[5]MARZUNI S S，FADAEE M，BAHMANPOUR A，et al. Effect of cyclic stress ratio and non-plastic fines content on the liquefaction potential of sandy and silty soil in cyclic triaxial testing[J]. Soil Mechanics and Foundation Engineering，2022，58(6) :467-473.

[6]DU YJ，BO Y L，JIN F，et al. Durability of reactive magnesia-activated slag-stabilized low plasticity clay subjected to drying - wetting cycle[J]. European Journal of Environmental and Civil Engineering，2016，20（2） : 215-230.

［7］閻培渝，王強.高溫養護對鋼渣復合膠凝材料早期水 化性能的影響[J].清華大學學報（自然科學版）， 2009，49(6) :790-793.

[8］張大捷，田曉峰，侯浩波，等.礦渣膠凝材料固化軟土的力 學性狀及機制[J].巖土力學，2007（9）:1987-1 991.

[9]ZHENG X，WU J. Early strength development of soft clay stabilized by one-part ground granulated blast furnace slag and fly ash-based geopolymer[J]. Frontiers in Materials，2021，8:616430.

[10]EHWAILAT KIA，ISMAIL M A M，EZREIG A M A. Novel approach for suppression of ettringite formation in sulfate-bearing soil using blends of nano-magnesium oxide，ground granulated blast-furnace slag and rice husk ash[J]. Applied Sciences，2021，11(14) :6 618.

[11]YI Y，GU L，LIU S，et al. Magnesia reactivity on activating efficacy for ground granulated blastfurnace slag for soft clay stabilisation[J]. Applied Clay Science，2016， 126:57-62.

[12]YI Y，ZHENG X，LIU S，et al. Comparison of reactive magnesia-and carbide slag-activated ground granulated blastfurnace slag and Portland cement for stabilisation of a natural soil[J].Applied Clay Science，2015， 111:21-26.

[13] ZHAO X，YANG J，TU C，et al.A full-scale survey of sludge landfill: sludge properties，leachate characteristicsand microbial community structure[J].Water Scienceand Technology，2019，80(6):1 185-1195.

[14] WANG Q，GE D，CAI G，et al. Mechanical and microscopic properties of copper-contaminated soil solidified withcalcium carbide residue，metakaolin，and desulfurization gypsum under freeze-thaw cycles[J].KSCE Journal of Civil Engineering，2023，27(2) :455-468.

[15] AHMED A. Compressive strength and microstructure of soft clay soil stabilized with recycled bassanite[J]. Applied Clay Science，2015，104:27-35.

[16] JINF，GUK，ABDOLLAHZADEHA，etal.Effectsof different reactive MgOs on the hydration of MgO ^?- activatedGGBSpaste[J]. Journal ofMaterials in Civil Engineering，2015，27（7):B4014001.

[17] WANG D，ZRNTAR R，ABRIAK N E. Durability and swelling of solidified/stabilized dredged marine soils with class-F fly ash，cement，and lime[J]. Journal of MaterialsinCivilEngineering，2018，30（3）： 04018013.

[18] HUANG K，MA Q，MA D.EffectofBasaltFiberon Staticand Dynamic Mechanical Properties of Metakaolin-Based Cement Clay[J].Advances in Civil Engineering，2020，2020(1）:1359163.

[19] 覃小綱，杜延軍，劉松玉，等.電石渣改良過濕黏土 的物理力學試驗研究[J].巖土工程學報，2013，35 (S1):175-180.

[20] JINF，GUK，AL-TABBAA A.Strength and hydration properties of reactive MgO-activated ground granulated blastfurnace slag paste[J].Cement and Concrete Composites，2015，57:8-16.

（責任編輯：丁 寒)

歡迎訂閱《理工大學學報（自然科學版）》，歡迎投稿

《理工大學學報（自然科學版)》1981年創刊，雙月刊，每期定價5.00元，全年定價30.00元?！独砉ご髮W學報（自然科學版）》為理工大學主辦的綜合性學術刊物，主要刊載地質工程、環境工程、測繪工程、采礦工程、安全工程、信息管理與信息系統、土木工程、建筑學、機械工程、測控技術與儀器、自動化、電子信息工程、計算機科學與技術、礦物加工工程、化學工程與工藝、彈藥工程與爆炸技術、制藥工程、信息與計算科學、應用物理學、醫學以及相關基礎學科的學術論文和最新研究成果等。

本刊國內外公開發行，側重體現本校特色，面向國內外組稿。本刊是《CAJ-CD 規范》執行優秀期刊，美國《化學文摘》（CA)源期刊，美國《劍橋科學文摘》（CSA)源期刊，俄羅斯《文摘雜志》（VINI-TI)源期刊，《中國科技論文統計》源期刊，《中文科技期刊數據庫》源期刊，《中國學術期刊綜合評價數據庫》源期刊，此外，我刊還是《中國期刊網》、《中國學術期刊(光盤版)》全文收錄期刊和《萬方數據——數字化期刊群》上網期刊。另外，我刊和全國各高校學報、科研院所出版的刊物均有學術交流，凡被本刊發表的研究成果及論文，能很快地傳播并及時為國內外同行專家引用

本刊參加全國非郵發報刊聯合征訂，請讀者向天津市大寺泉集北里別墅17號（郵編300385）天津市河西區聯合征訂服務部直接匯款訂閱，不必先索取訂單，由本刊負責將刊物寄給訂戶。也可直接向本刊訂閱，由郵局匯款到省市理工大學學術出版中心。

郵政編碼：電話：0554-6668044E-mail：xbzrb @ aust.edu.cn