周世宗，梁仕華，戴　君

(廣東工業(yè)大學(xué) 土木與交通工程學(xué)院， 廣東 廣州 510006)

礦渣和粉煤灰固化南沙軟土試驗研究

周世宗，梁仕華，戴君

(廣東工業(yè)大學(xué) 土木與交通工程學(xué)院， 廣東 廣州 510006)

摘要：以普通硅酸鹽水泥為基礎(chǔ)，分別以礦渣、粉煤灰換摻水泥對廣州南沙軟土進(jìn)行固化處理，得出了固化土體的內(nèi)摩擦角、黏聚力、無側(cè)限抗壓強(qiáng)度隨各種固化劑摻入量及齡期的變化關(guān)系。通過電子顯微鏡觀測(SEM)和X射線衍射技術(shù)(XRD)研究了不同固化土樣的微觀結(jié)構(gòu)特征和土樣的礦物組成。研究表明：在一定換摻量下，礦渣對水泥的換摻效果明顯，其對于南沙軟土的固化能力優(yōu)于水泥，而且固化土后期強(qiáng)度增長速率較快；相反，粉煤灰對水泥的換摻效果卻不佳，其固化軟土的能力比礦渣弱得多。

關(guān)鍵詞：固化土；礦渣；粉煤灰；無側(cè)限抗壓強(qiáng)度；水化產(chǎn)物

南沙位于廣州的南部，地處珠江出海口和珠江三角洲的前緣地帶，其分布著大范圍的軟土，該地區(qū)軟土的含水率高、抗壓強(qiáng)度低，它們能否得到有效的固化處理直接關(guān)系到該區(qū)的工程建設(shè)。水泥是目前國內(nèi)外最常用的土壤固化劑，Mostafa A. Ismail等[1]對水泥種類對水泥土強(qiáng)度影響進(jìn)行了研究。但水泥加固土體時受土類別影響，特別在處理腐殖質(zhì)含量高的土層時，其固化效果在一定程度上會降低，而增加水泥用量或加入外摻劑又必然會增大成本。

礦渣作為一種來源廣泛的工業(yè)副產(chǎn)品，具有價格低廉，抗海水腐蝕[2]能力強(qiáng)等優(yōu)點。黃宏偉(1998)在對上海市西部某地區(qū)的灰色淤泥質(zhì)黏土進(jìn)行固化時，采用的是水泥和高爐礦渣混合固化劑，其固化效果明顯優(yōu)于單摻水泥。曾衛(wèi)東[3]提出用礦渣硅酸鹽水泥可以減小有機(jī)質(zhì)的影響。黃漢盛等[4]在固化深圳沿海地區(qū)軟土?xí)r發(fā)現(xiàn)，用礦渣換摻一定量水泥可以增加水泥土的抗壓強(qiáng)度，并且指出增大礦渣換摻量能有效提高水泥土的抗腐蝕性。

粉煤灰是燃煤電廠源源不斷的排放物，有效利用粉煤灰可以降低環(huán)境的污染。周承剛等[5]提出當(dāng)粉煤灰摻量與水泥一樣時，固化土的抗壓強(qiáng)度比單摻水泥時增加約10%。Kolias[6]等采用粉煤灰與水泥對軟黏土進(jìn)行固化時，發(fā)現(xiàn)隨著粉煤灰摻量的增加，固化土的塑性降低，抗壓強(qiáng)度提高。SeishiTomohisa等[7]使用粉煤灰加固土體取得了較好的效果，而且指出固化土強(qiáng)度的提高主要是因為水化鋁酸鈣和水化硅酸鈣的生成。ShenbagaR.Kaniraj等[8]建立了水泥摻量和粉煤灰摻量、強(qiáng)度與齡期之間的函數(shù)關(guān)系。

利用電鏡掃描和X射線衍射研究土或水泥土的微觀結(jié)構(gòu)近年來得到了重視。Chew等[9]利用這種方法分析了新加坡海相軟土采用水泥加固后的工程特性和水化產(chǎn)物之間的關(guān)系。

本文利用礦渣或粉煤灰對目前最常用的水泥固化劑進(jìn)行替代，以不同換摻量配制混合固化劑對南沙軟土進(jìn)行固化處理，通過測試固化土體的內(nèi)摩擦角、黏聚力和無側(cè)限抗壓強(qiáng)度來評價固化效果，并通過電鏡掃描和X射線衍射對固化土進(jìn)行微觀分析，最后得出該地區(qū)軟土固化的適用替代材料。

1固化土室內(nèi)試驗研究

1.1　原狀土物理力學(xué)特性

本次試驗用土取自廣州市南沙區(qū)蕉門水道附近，其基本物理參數(shù)如表1所示。

表1　試驗軟土的物理指標(biāo)

1.2　試驗材料與試驗制備

本試驗水泥采用廣州石井牌42.5級普通硅酸鹽水泥，礦渣采用廣東產(chǎn)高爐礦渣粉，粉煤灰采用韶關(guān)某燃煤電廠排出的主要固體廢物，原料的化學(xué)成分見表2。試驗前期將取回的土樣烘干，溫度控制在105℃～110℃范圍內(nèi)，烘干時間大約8 h，過2 mm篩，用塑料袋密封備用。

表2　原料的化學(xué)成分　單位：%

直剪試驗土樣由內(nèi)徑61.8 mm高20 mm的環(huán)刀制備；無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗土樣由內(nèi)徑39 mm高80 mm的三瓣模制備。制備方法：用礦渣和水泥制成混合固化劑，礦渣占固化劑的比例分別取0%、20%、40%、60%、80%，而固化劑總摻入比均為25%(總質(zhì)量為干土、水和混合固化劑質(zhì)量之和)。按一定配比稱取適量干土、礦渣與水泥，置于配樣桶中，充分混合，然后按照原含水率及0.5水灰比摻水，攪拌均勻。將洗凈的三瓣模組裝好(內(nèi)壁涂一層薄凡士林)，置于涂有凡士林的玻璃片上，將土體分3層～5層加入模中搗實、整平、覆蓋玻璃片,放入塑料袋密封，置于裝滿水的密封箱中至齡期試驗。環(huán)刀制樣與三瓣模類似，每組試驗制作三個平行試樣，如果三個試驗值之間的差值都不超過20%，則取其平均值；若某個試驗值與其他兩個相差均超過20%，則按另外兩個計算平均值；若三個試驗值均差別較大，則試驗重做。粉煤灰與水泥固化劑的配制方法同上。

試樣制備完成后，將其置于自然條件下養(yǎng)護(hù)1 d后脫模，再將其放入溫度為(25±2)℃，相對濕度≥95%標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)箱內(nèi)養(yǎng)護(hù)，直至所需齡期。試驗完成后，把少量殘留土體烘干，再進(jìn)行電鏡掃描和X射線衍射試驗。

1.3　試驗結(jié)果及數(shù)據(jù)分析

1.3.1固化土強(qiáng)度隨摻入量的變化

以固化劑總摻入量25%為基準(zhǔn)，分別以礦渣和粉煤灰換摻水泥固化軟土，從表3可以看出，當(dāng)?shù)V渣摻入量占固化劑的比例不超過60%時，隨著礦渣摻入量的增加，水泥固化土的內(nèi)摩擦角和無側(cè)限抗壓強(qiáng)度都有一定程度的增大，但增大不明顯，而黏聚力的提高比較明顯，但當(dāng)該比例超過60%后，固化土的三個指標(biāo)都隨即下降。而從表4可以看出，換摻粉煤灰的固化土，其內(nèi)摩擦角、黏聚力和無側(cè)限抗壓強(qiáng)度的降幅接近80%，這表明粉煤灰換摻效果不佳，粉煤灰換摻量的增加會使固化土強(qiáng)度大幅度降低。

表3　礦渣-水泥固化南沙軟土試驗數(shù)據(jù)

1.3.2固化土強(qiáng)度隨齡期的變化

從表3可以看出，隨著齡期的增加，換摻礦渣的水泥土強(qiáng)度發(fā)生較大變化。從7 d～15 d和15 d～28 d,礦渣與水泥固化土的內(nèi)摩擦角、黏聚力和無側(cè)限抗壓強(qiáng)度都呈現(xiàn)前期強(qiáng)度增長速率小，后期強(qiáng)度增長速率大的特點。而且礦渣摻量越大，其后期強(qiáng)度增長也明顯，這說明礦渣主要在后期強(qiáng)度中起作用。而從表4可以看出，粉煤灰與水泥固化土的內(nèi)摩擦角、黏聚力、無側(cè)限抗壓強(qiáng)度均隨齡期的增加而增大，而且其前后期增長速率接近，這說明摻入粉煤灰的水泥土前后期增長速率基本相同。

表4　粉煤灰-水泥固化南沙軟土試驗數(shù)據(jù)

2固化土微觀結(jié)構(gòu)特征分析

已有研究表明，土的內(nèi)部結(jié)構(gòu)在很大程度上決定了其物理力學(xué)性質(zhì)，任何復(fù)雜的物理力學(xué)性質(zhì)都能通過微觀結(jié)構(gòu)體現(xiàn)出來, 通過對土體微觀結(jié)構(gòu)特征的深入研究，可以了解土體力學(xué)行為機(jī)制[10-15]。為了進(jìn)一步對摻入礦渣的水泥固化土進(jìn)行研究，對不同摻量固化土進(jìn)行掃描電子顯微鏡觀測和X射線衍射，通過電子顯微圖片和XRD圖譜，分析不同成分固化土的微觀結(jié)構(gòu)和礦物成分。

先把養(yǎng)護(hù)28 d之后不同礦渣和粉煤灰摻量的水泥固化土樣進(jìn)行烘干處理，再用日本電JSM-6490LV型掃描電鏡和日本理學(xué)X-射線衍射儀對土樣進(jìn)行掃描分析，得到礦渣與水泥固化土和粉煤灰與水泥固化土的主要成分和電鏡掃描照片。

2.1　礦渣與水泥固化土微觀結(jié)構(gòu)特征

(1) 圖1是28 d齡期礦渣占固化劑比例為60%時水泥土放大3000倍的SEM圖。從圖1中可以看出，礦渣與水泥固化土含有大量粗大的結(jié)晶物，結(jié)晶體多呈針狀、棒狀分布于土體中，而且結(jié)構(gòu)單元體多呈團(tuán)聚狀結(jié)構(gòu)出現(xiàn)?？梢姷V渣與水泥混合固化劑在土中隨著時間的增長不斷地結(jié)晶，使土顆粒膠結(jié)在一起，土顆粒從接觸連結(jié)變?yōu)槟z結(jié)連結(jié)，從而增強(qiáng)土的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。固化土中孔隙變的很少, 土也變得十分的密實。

圖1　礦渣占固化劑比例為60%時固化土放大3000倍SEM

(2) 摻入礦渣的水泥固化土強(qiáng)度特征是其微觀特征的宏觀反映,兩者密切相關(guān)。通過掃描電鏡觀察發(fā)現(xiàn)，硅酸鹽水化物普遍地存在于固化土顆粒表面和顆粒之間。通過X射線衍射技術(shù)，可分析出這些物質(zhì)是水化鋁酸鈣(C-A-H)和水化硅酸鈣(C-S-H)。兩者在土中形成“粒狀·鑲嵌·膠結(jié)”結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)使土的結(jié)構(gòu)性增強(qiáng)，從而提高固化土的強(qiáng)度。在摻入礦渣的水泥固化土中，這種產(chǎn)物普遍存在，而且該產(chǎn)物隨著礦渣摻量的增加而增加，當(dāng)?shù)V渣占固化劑的比例達(dá)到60%時, 這種產(chǎn)物最多，如圖2所示，這也是黏聚力和無側(cè)限抗壓強(qiáng)度在這時達(dá)到最大的原因。礦渣主要由SiO2、CaO、MgO、Al2O3等成分組成，其中具有潛在活性的成分是SiO2和Al2O3。水泥水化反應(yīng)產(chǎn)生的Ca(OH)2是一種堿性激發(fā)劑，與礦渣中的活性Al2O3、SiO2反應(yīng)進(jìn)一步生成C-S-H和C-A-H，從而提高固化土的抗壓強(qiáng)度。

圖2不同固化土中水化產(chǎn)物總量對比

2.2　粉煤灰與水泥固化土微觀結(jié)構(gòu)特征

(1) 從圖3可以明顯看出，當(dāng)粉煤灰占固化劑的比例增大到60%時，水泥固化土的結(jié)構(gòu)性大大減弱，土主要以片狀結(jié)構(gòu)存在，土顆粒骨架很松散，孔隙大且多，土顆粒間的膠結(jié)性很弱。

圖3粉煤灰占固化劑比例為60%時固化土放大3000倍SEM

(2) 粉煤灰的化學(xué)成分種類與礦渣幾乎一樣，但粉煤灰中CaO的含量卻很少，從圖2可以看出，由于CaO的數(shù)量很少，必然會導(dǎo)致C-A-H和C-S-H生成量減少。水泥水化產(chǎn)物的大量減少使土體之間的膠接能力減弱，土的的抗剪強(qiáng)度和無側(cè)限抗壓強(qiáng)度都明顯減少。

3結(jié)論

(1) 以25%混合固化劑為基準(zhǔn)，礦渣占固化劑比例小于60%時，固化土體的內(nèi)摩擦角、黏聚力和無側(cè)限抗壓強(qiáng)度都隨礦渣摻量的增加而增大。相反，固化土體以上的三個指標(biāo)都隨粉煤灰摻量的增加而大幅度降低。這說明，對于固化南沙軟土，礦渣比粉煤灰效果更明顯。

(2) 礦渣與水泥固化土和粉煤灰與水泥固化土的強(qiáng)度均隨齡期的增長有一定的提高，其中，礦渣與水泥固化土后期強(qiáng)度增長更快，而粉煤灰與水泥固化土強(qiáng)度隨時間的增長較平穩(wěn)。

(3) 從微觀結(jié)構(gòu)上看，摻入礦渣的水泥土是因為生產(chǎn)大量的C-S-H和C-A-H等水化產(chǎn)物，該水化產(chǎn)物充填土顆粒間的孔隙并把土顆粒膠結(jié)在一起，使土的結(jié)構(gòu)性加強(qiáng)，從而提高土的抗壓強(qiáng)度。而摻入粉煤灰的水泥土，由于粉煤灰替代量的增加，使CaO大量減少，從而減少水化產(chǎn)物的生成，降低水泥土的強(qiáng)度。

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DOI:10.3969/j.issn.1672-1144.2015.04.015

收稿日期：2015-04-03修稿日期：2015-05-18

基金項目：國家自然科學(xué)基金資助項目(511788112)；珠江科技新星專項(2011J2200018)；廣東省高等教育高層次人才項目(2050205)

作者簡介：周世宗(1989—)，男，廣東東莞人，碩士研究生，研究方向為巖土工程。 E-mail:1435520237@qq.com

中圖分類號：TU411

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1672—1144(2015)04—0076—04

Experimental Research of Nansha Soft Soil Reinforced by Slag and Fly Ash

ZHOU Shizong, LIANG Shihua, DAI Jun

(SchoolofCivilandTransportationEngineering,GuangdongUniversityofTechnology,Guangzhou,Guangdong510006,China)

Abstract：Based on the addition of ordinary Portland cement, soft soil reinforced by slag or fly ash in Nansha (China) was studied. The effects of slag or fly ash ratio and curing period on the internal fraction angle，cohesion and the unconfined compressive strength (UCS) of the reinforced soil were researched. Scanning electron microscope (SEM) observation and x-ray diffraction technique (XRD) were conducted to study different microstructure characteristics and the mineral composition of different reinforced soil samples. The results showed that the replacement effect of slag was very obvious and its ability of solidifying Nansha soft soil was better than that of cement, and that the strength of soil reinforced by slag increased faster in the late curing period. On the contrary, the replacement effect of fly ash was ineffective and its ability of solidifying soft soil was much weaker than that of slag.

Keywords:reinforced soil; slag; fly ash; unconfined compressive strength; hydration products