楊振甲，何 猛，吳 楊，史鈺鵬，孫 亮，潘 竹,4，張 默,5

(1.中國(guó)水電基礎(chǔ)局有限公司，天津 301700；2.天津市地基與基礎(chǔ)工程企業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 301700； 3.河北工業(yè)大學(xué)土木與交通學(xué)院，天津 300401；4.智慧基礎(chǔ)設(shè)施研究院，天津 300401； 5.天津市裝配式建筑與智能建造重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300401)

0 引 言

淤泥的含水率極高，強(qiáng)度幾乎為零[1]，常采用水泥、石灰等對(duì)淤泥進(jìn)行固化提高其承載能力作為道路路基材料[2-6]。然而，這些傳統(tǒng)固化劑生產(chǎn)過(guò)程會(huì)直接排放出大量CO2,消耗大量的化石原料，不利于可持續(xù)發(fā)展[7]。作為硅鋁質(zhì)膠凝材料，地聚物合成溫度較低(常溫～90 ℃)，以多種工業(yè)固廢作為原料(如:粉煤灰、礦渣等)，相比硅酸鹽水泥，CO2排放量低45%～80%[8]。近年來(lái)，地聚物在軟弱土固化方面逐漸得到廣泛的研究。田亮等[9]通過(guò)礦渣地聚物生成片晶狀水化硅酸鈣等膠凝材料對(duì)鹽漬土進(jìn)行固化，浸水后抗壓強(qiáng)度仍能保持80%以上，表現(xiàn)出良好的水穩(wěn)性。黃煜鑌等[10]對(duì)流化床燃煤固硫灰固化淤泥土的路用性能進(jìn)行了研究，通過(guò)力學(xué)性能、加州承載比(CBR)和水穩(wěn)性等性能分析，發(fā)現(xiàn)摻入20%(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，文中摻量均為質(zhì)量分?jǐn)?shù))固硫灰能夠顯著提高淤泥土的力學(xué)性能和路用性能。喬京生等[11]通過(guò)動(dòng)三軸試驗(yàn)研究固化土在動(dòng)荷載作用下的動(dòng)力特性，發(fā)現(xiàn)20%摻量礦渣固化土的動(dòng)強(qiáng)度、動(dòng)彈性模量相較于軟土都有顯著提升。由于礦渣-粉煤灰二元體系是研究最為廣泛的地聚物體系，并且在工作性能、力學(xué)性能、耐久性等方面表現(xiàn)出較為優(yōu)異的性質(zhì)，越來(lái)越多的人利用礦渣-粉煤灰基地聚物進(jìn)行軟弱土或問(wèn)題土的固化研究。吳俊等[12]研究了礦渣-粉煤灰基地聚物固化淤泥質(zhì)黏土的力學(xué)性能，發(fā)現(xiàn)14 d的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度(unconfined compressive strength, UCS)可達(dá)到1.5 MPa，表明礦渣-粉煤灰基地聚物可有效提高固化土的力學(xué)性能。孫秀麗等[13]采用堿激發(fā)粉煤灰和礦粉改性淤泥研究其力學(xué)特性和微觀結(jié)構(gòu)，發(fā)現(xiàn)反應(yīng)生成長(zhǎng)石類和沸石類物相，形成致密的微觀結(jié)構(gòu)，顯著提高了無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度。Phetchuay等[14]利用粉煤灰和電石渣制備地聚物固化海相軟土，發(fā)現(xiàn)相同摻量的二元地聚物與水泥固化土的抗壓強(qiáng)度相當(dāng)，并且可以降低43%的碳排放。研究表明，地聚物在軟土中反應(yīng)，其主要產(chǎn)物N-A-S-H和C-A-S-H凝膠填充在孔隙結(jié)構(gòu)中，將松散的軟土顆粒膠結(jié)形成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，凝膠增強(qiáng)了土骨架之間的黏結(jié)力，有助于形成更密實(shí)的微觀結(jié)構(gòu)，從而提高抗壓強(qiáng)度[15-18]。

然而，對(duì)于礦渣-粉煤灰地聚物固化淤泥的水穩(wěn)性、干縮、溫縮等耐久性及其與路用性能、力學(xué)性能、微觀固化機(jī)理間的相互關(guān)系欠缺全面的分析和評(píng)價(jià)。鑒于此，本文擬采用礦渣-粉煤灰基二元地聚物固化淤泥，確定地聚物配合比之后分析地聚物摻量、養(yǎng)護(hù)齡期對(duì)固化淤泥力學(xué)性能的影響，并對(duì)其抗壓強(qiáng)度、CBR、水穩(wěn)性、28 d干縮、溫縮等路用性能進(jìn)行系統(tǒng)研究。采用掃描電鏡(SEM)和X射線衍射(XRD)等試驗(yàn)對(duì)固化淤泥土生成物進(jìn)行微觀表征，分析其對(duì)地聚物固化淤泥路用性能的影響，揭示固化機(jī)理，以期進(jìn)一步優(yōu)化礦渣-粉煤灰基地聚物固化淤泥的材料設(shè)計(jì)和路用性能。

1 實(shí) 驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)材料

圖1 淤泥粒徑分布曲線Fig.1 Particle diameter distribution curve of sludge

試驗(yàn)所用淤泥為河北工業(yè)大學(xué)塘底淤泥，原狀土樣經(jīng)高溫(105 ℃)烘干，通過(guò)碎土機(jī)粉碎，并用篩分法分離各組粒徑，用于制備重塑土，顆粒級(jí)配如圖1所示。按照規(guī)范《公路土工試驗(yàn)規(guī)程》(JTG 3430—2020)對(duì)淤泥進(jìn)行界限含水率、比重、顆粒分析等試驗(yàn)，淤泥的基本物理性質(zhì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表1所示，根據(jù)規(guī)范所給出的塑性圖，此類土屬于高液限有機(jī)質(zhì)淤泥，這類土體具有含水率高、有機(jī)質(zhì)含量高、承載力低、抗剪強(qiáng)度低等特點(diǎn)，在我國(guó)大部分的河道淤積中普遍存在[19]。

表1 淤泥基本物理性質(zhì)Table 1 Basic physical indicators of sludge

試驗(yàn)所用礦渣和粉煤灰取自新疆某鋼鐵廠。試驗(yàn)所用水泥為P·O 42.5普通硅酸鹽水泥。原料的化學(xué)組成如表2所示，礦渣和粉煤灰的XRD譜和SEM照片分別如圖2、圖3所示，結(jié)合XRF、XRD和SEM分析，礦渣和粉煤灰的主要成分為SiO2、Al2O3、CaO、Fe2O3和MgO。試驗(yàn)采用氫氧化鈉(NaOH)和硅酸鈉(Na2SiO3)作為堿激發(fā)劑，所有試劑均為分析純。試驗(yàn)用水為自來(lái)水。

表2 原料的化學(xué)組成Table 2 Chemical composition of raw materials

圖2 礦渣和粉煤灰XRD譜Fig.2 XRD patterns of slag and fly ash

圖3 礦渣和粉煤灰SEM照片F(xiàn)ig.3 SEM images of slag and fly ash

1.2 礦渣-粉煤灰基地聚物配合比設(shè)計(jì)

研究表明礦渣/粉煤灰1 ∶1(質(zhì)量比)混合時(shí)發(fā)生協(xié)同反應(yīng)，提高凝膠比例、縮短凝結(jié)時(shí)間，形成致密微觀結(jié)構(gòu)并提高抗壓強(qiáng)度[20-21]。本研究采用礦渣與粉煤灰質(zhì)量比為1，通過(guò)控制激發(fā)劑NaOH和Na2SiO3的摻量調(diào)整二元地聚物的Si/Al摩爾比和Na/Al摩爾比(以下均為摩爾比)，進(jìn)一步優(yōu)化地聚物的力學(xué)性能，配合比如表3所示。凝結(jié)時(shí)間依據(jù)規(guī)范《普通混凝土拌合物性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T 50080—2016)測(cè)得。制備70.7 mm×70.7 mm×70.7 mm立方體砂漿試件并常溫養(yǎng)護(hù)7 d和28 d，按照《建筑砂漿基本性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》(JGJT 70—2009)規(guī)范測(cè)試無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度。每個(gè)配合比均制備3個(gè)平行試樣，取平均值作為測(cè)試結(jié)果。

表3 礦渣-粉煤灰基二元地聚物原材料配合比Table 3 Mix design of slag-fly ash binary wastes based geopolymer

1.3 礦渣-粉煤灰基地聚物固化淤泥試驗(yàn)

利用確定的地聚物配合比對(duì)淤泥進(jìn)行固化，地聚物的質(zhì)量摻量分別為15%、20%和25%，分別用SG15、SG20和SG25表示；并采用5%、8%和10%摻量的水泥固化淤泥進(jìn)行比較，分別用SC5、SC8和SC10表示；為明確固化機(jī)理，采用未固化淤泥和只摻入堿激發(fā)劑的淤泥作為比較，分別用S和SA表示，各組配合比如表4所示。所有試驗(yàn)組均進(jìn)行無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)，S、SC10、SG15、SG20、SG25試驗(yàn)組進(jìn)行水穩(wěn)性、CBR、干縮、溫縮、微觀試驗(yàn)，SA試驗(yàn)組進(jìn)行微觀試驗(yàn)。

表4 礦渣-粉煤灰基二元地聚物固化淤泥試驗(yàn)Table 4 Mix design of slag-fly ash binary wastes based geopolymer stabilized sludge

1.3.1 無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)

土體無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)參照《公路土工試驗(yàn)規(guī)程》(JTG 3430—2020)規(guī)范，制備高度80 mm、直徑39.1 mm的圓柱體試樣，試樣與模具均密封放置在溫度為19～21 ℃，相對(duì)濕度不低于95%的養(yǎng)護(hù)室中，3 d后試樣脫模并繼續(xù)密封放置在養(yǎng)護(hù)室中直至滿足試驗(yàn)齡期要求。其中擊實(shí)試驗(yàn)如摻加固化材料則不做悶料處理。使用電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)，加載速度為1 mm/min。

1.3.2 路用性能試驗(yàn)

水穩(wěn)性試驗(yàn)所用試樣制備、養(yǎng)護(hù)與無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)一致。將養(yǎng)護(hù)28 d的試樣放入側(cè)面密封的裝置中，底面和頂面分別安放一塊透水石，再將整個(gè)裝置浸入水中0 d、1 d、2 d、3 d取出瀝水1 h后進(jìn)行無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)，同時(shí)取出一組標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)對(duì)照組試樣測(cè)試其無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度。CBR試驗(yàn)參照《公路土工試驗(yàn)規(guī)程》(JTG 3430—2020)規(guī)范，采用重型擊實(shí)方法，將混合料擊實(shí)成標(biāo)準(zhǔn)直徑152 mm、高120 mm圓柱體試件。干縮試驗(yàn)參照《公路工程無(wú)機(jī)結(jié)合料穩(wěn)定材料試驗(yàn)規(guī)程》(JTG E51—2009)規(guī)范，制備尺寸為40 mm×40 mm×160 mm的小梁試件，密封后放置在溫度為18～22 ℃相對(duì)濕度不低于95%的養(yǎng)護(hù)室養(yǎng)護(hù)7 d。采用失水率ε、干縮應(yīng)變?chǔ)睾透煽s系數(shù)αd三個(gè)指標(biāo)對(duì)淤泥的抗干縮性能進(jìn)行評(píng)價(jià)，其中干縮系數(shù)是通過(guò)(αd=ε/ω)計(jì)算得到。溫縮試驗(yàn)參照《公路工程無(wú)機(jī)結(jié)合料穩(wěn)定材料試驗(yàn)規(guī)程》(JTG E51—2009)規(guī)范，試樣制備、養(yǎng)護(hù)與干縮試驗(yàn)相同。試驗(yàn)溫度范圍為30～-30 ℃，每級(jí)溫差數(shù)值為10 ℃，降溫時(shí)間為20 min。

1.3.3 微觀分析

將試樣碎塊處理，在40 ℃烘箱中烘干2 d后用SEM和XRD微觀分析。XRD所用儀器為ZSX Primus 2型X射線衍射儀，掃描角度2θ范圍為5°～90°，步長(zhǎng)6 (°)/min，在測(cè)試前將碎塊研磨成粉末過(guò)0.075 mm篩網(wǎng)。SEM所用儀器為JSM-7800F型場(chǎng)發(fā)射掃描電子顯微鏡，選用大小為1.5 mm左右的碎塊，在樣品表面噴金提高試樣表面導(dǎo)電性，放大倍數(shù)為500倍、1 000倍和2 000倍。

2 結(jié)果與討論

2.1 礦渣-粉煤灰基地聚物配合比設(shè)計(jì)

不同配合比的二元地聚物凈漿凝結(jié)時(shí)間和無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度如圖4所示。當(dāng)Na/Al為1.0，Si/Al大于2.6時(shí)，初凝時(shí)間均超過(guò)12 h，不能滿足施工對(duì)硬化時(shí)間的要求。在圖4(b)中Si/Al為2.5，隨著Na/Al的降低，凝結(jié)時(shí)間顯著延長(zhǎng)。當(dāng)Na/Al為0.8，Si/Al為2.5時(shí)初凝時(shí)間為3 h，終凝時(shí)間為6 h，基本滿足施工要求。

在凝結(jié)時(shí)間得到改善的同時(shí)，相應(yīng)凈漿樣品的力學(xué)性能測(cè)試結(jié)果如圖4(c)、(d)所示。Na/Al為1.0時(shí)，礦渣-粉煤灰基二元地聚物的抗壓強(qiáng)度隨Si/Al的增加逐漸減小。隨著Na/Al逐漸減小，礦渣-粉煤灰基二元地聚物的抗壓強(qiáng)度也在逐漸降低，這是因?yàn)檩^高NaOH和Na2SiO3的濃度在早期地聚合作用中有利于形成地聚物凝膠，提高了膠凝材料的強(qiáng)度。Si/Al為2.5時(shí)，Na/Al為0.8和0.9的7 d和28 d強(qiáng)度較為接近，均分別處于12 MPa和24 MPa左右。考慮抗壓強(qiáng)度和工作性能等因素，本研究接下來(lái)的試驗(yàn)方案選用Si/Al為2.5、Na/Al為0.8的礦渣-粉煤灰基地聚物作為淤泥的主要固化劑進(jìn)行研究。

圖4 不同Si/Al和Na/Al對(duì)礦渣-粉煤灰基地聚物凈漿凝結(jié)時(shí)間和無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度影響Fig.4 Influence of different Si/Al ratio and Na/Al ratio on setting time and unconfined compressive strength of slag-fly ash based geopolymer pastes

2.2 礦渣-粉煤灰基地聚物固化淤泥

2.2.1 無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度

圖5 無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度隨固化劑及齡期的變化Fig.5 Change of UCS with the content of stabilizers and curing time

固化淤泥土無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度隨養(yǎng)護(hù)齡期的變化如圖5所示。隨固化劑摻量的增加，固化淤泥的UCS不斷提高，固化劑的增加能夠促進(jìn)反應(yīng)的進(jìn)行，從而生產(chǎn)更多的膠凝產(chǎn)物，使得強(qiáng)度提高越顯著。固化淤泥強(qiáng)度的提高與固化機(jī)理中化學(xué)反應(yīng)(地質(zhì)聚合作用)有關(guān)，隨著養(yǎng)護(hù)齡期的不斷延長(zhǎng)，地質(zhì)聚合作用進(jìn)行得越充分，反應(yīng)所產(chǎn)生的膠凝物質(zhì)越多，形成新的骨架支撐土體，從而使固化淤泥土的強(qiáng)度不斷提高。同時(shí)隨水泥摻量的增加，固化淤泥的UCS也在不斷提高，摻入10%的水泥表現(xiàn)出良好力學(xué)性能，后續(xù)試驗(yàn)采用SC10試驗(yàn)組作為基準(zhǔn)與地聚物固化淤泥進(jìn)行對(duì)比。

隨著齡期的增長(zhǎng)，固化淤泥的強(qiáng)度不斷增大，地聚物固化淤泥強(qiáng)度提升較為顯著，28 d強(qiáng)度相較于7 d強(qiáng)度提升了80%以上，均已經(jīng)滿足規(guī)范《公路路基設(shè)計(jì)規(guī)程》(JTGD 30—2015)對(duì)于高等級(jí)公路輕質(zhì)土路基(輕質(zhì)材料為重度小于細(xì)粒土的材料)28 d無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度要求(≥0.8 MPa)。而在只加入堿激發(fā)劑時(shí)，固化淤泥強(qiáng)度也略有提高，說(shuō)明淤泥土顆粒中含有部分活性的硅鋁成分參與了部分化學(xué)反應(yīng)[22]，且硅酸鈉溶液作為膠凝材料，也對(duì)淤泥起到了一定的固化作用。

2.2.2 水穩(wěn)性

試樣的水穩(wěn)性如圖6所示，可以發(fā)現(xiàn)隨著浸泡時(shí)間延長(zhǎng)，試樣含水量逐漸增大，原狀土含水率最高，水泥固化淤泥次之，地聚物固化淤泥最小。隨地聚物摻量的增加試樣浸泡后含水率逐漸減小?？梢钥吹诫S浸泡時(shí)間延長(zhǎng)，UCS逐漸減小，減小的幅度越來(lái)越小。這主要是由于試樣是通過(guò)擊實(shí)的方式完成養(yǎng)護(hù)，處在非飽和狀態(tài)中，含水率與土體強(qiáng)度之間存在直接關(guān)聯(lián)，浸水之后含水率持續(xù)升高，UCS在不斷降低。摻入固化劑后，浸水試樣的強(qiáng)度損失率在降低，隨著摻量增大，損失率逐漸降低。從圖6中還可以看出，在浸泡1 d后，試樣的含水率增長(zhǎng)最快，這也與UCS下降最快相吻合；同時(shí)摻入地聚物固化劑后水穩(wěn)性提高較為顯著，且穩(wěn)定性隨地聚物摻量增加而提高。

圖6 固化淤泥土水穩(wěn)性試驗(yàn)結(jié)果Fig.6 Immersion stability test results of stabilized sludge

2.2.3 加州承載比

圖7(a)為在相同的擊實(shí)次數(shù)下，原狀土、摻入10%水泥固化淤泥和摻入15%地聚物固化淤泥的CBR值與含水率關(guān)系曲線，CBR值隨含水量增加先增加后降低。將固化劑加入淤泥混合后，化學(xué)反應(yīng)生成的膠凝產(chǎn)物填充在淤泥土體孔隙中，故增大固化淤泥土的CBR值，與UCS增加機(jī)理相同。圖7(b)為典型試樣的CBR值，摻入固化劑后試樣SC10的CBR值達(dá)到29.6%，試樣SG15的CBR值達(dá)到16.1%，相較于原狀土的1.1%提高均較為顯著。根據(jù)規(guī)范JTG D30—2015《公路路基設(shè)計(jì)規(guī)范》對(duì)路基土CBR值要大于8%，固化淤泥的CBR值遠(yuǎn)大于規(guī)范要求，滿足路用性能方面的要求。并且隨地聚物含量的增大，固化淤泥的CBR值大幅增加，說(shuō)明淤泥土的承載力得到提升。

圖7 固化淤泥土CBR試驗(yàn)結(jié)果Fig.7 CBR test results of stabilized sludge

2.2.4 抗干縮性

干縮系數(shù)是干縮應(yīng)變與失水率的比值，反映了材料在失水時(shí)產(chǎn)生的應(yīng)變，干縮系數(shù)越小，材料抗裂性能越好。圖8為固化淤泥土干縮試驗(yàn)結(jié)果，固化淤泥在進(jìn)行干縮試驗(yàn)之后性能出現(xiàn)一定變化，其中失水率在初始階段逐步增大，隨后逐步放緩，在失水率數(shù)值達(dá)到最高值時(shí)逐步趨向穩(wěn)定；干縮應(yīng)變?cè)?～15 d內(nèi)提升較快，隨后逐漸平緩，在失水率數(shù)值達(dá)到最高值時(shí)逐步趨向穩(wěn)定；干縮系數(shù)數(shù)值范圍為100×10-6～420×10-6，在初期階段出現(xiàn)較為明顯的變化，在20 d后逐漸趨向穩(wěn)定，在摻入固化劑之后，干縮系數(shù)顯著降低。通過(guò)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，在地聚物摻入比例提升之后，干縮系數(shù)逐步下降，摻入25%地聚物試樣干縮系數(shù)減小至201×10-6，減少了淤泥55%的干縮。研究中發(fā)現(xiàn)摻入6%水泥和8%土凝巖固化劑后，路基土的干縮系數(shù)降至330×10-6左右，可以減少18%以上的干縮[23]；在淤泥土中摻入6%高效減水土壤固化劑后，干縮系數(shù)降至260×10-6[24]。本研究中的礦渣-粉煤灰地聚物更大幅度地提高了淤泥的抗干縮性能，當(dāng)?shù)鼐畚飺搅扛哂?0%時(shí)，抗干縮性能比10%水泥固化的淤泥更優(yōu)異。

圖8 固化淤泥土干縮試驗(yàn)結(jié)果Fig.8 Dry shrinkage test results of stabilized sludge

2.2.5 抗溫縮性

圖9 典型試樣溫縮系數(shù)隨溫度變化Fig.9 Temperature induced shrinkage coefficient of typical samples varies with temperature

抗凍性是路基土耐久性的重要性能之一，通過(guò)測(cè)試在-30～30 ℃溫度區(qū)間土體的收縮變化可以較好地表征其抗凍性。圖9為典型試樣溫縮系數(shù)隨溫度變化，從圖9可以看到當(dāng)溫度接近0 ℃時(shí)，溫縮系數(shù)最小，這是因?yàn)楣袒倌鄡?nèi)部還存在部分未結(jié)晶的自由水，這些自由水在結(jié)晶過(guò)程中出現(xiàn)膨脹，對(duì)收縮變形形成一定約束，并且溫縮變形的空間也在逐漸減小，因此溫縮系數(shù)至此達(dá)到最低值。溫度降低至0 ℃以下時(shí)，由于固化淤泥的熱脹冷縮效應(yīng)，整體在不斷縮小，溫縮系數(shù)逐漸增大。在0 ℃以上，隨著溫度提升，溫縮系數(shù)逐步提高，原因可能是內(nèi)部顆粒之間存在一定的空隙，隨溫度提升，內(nèi)部顆粒之間的空隙增大，溫縮系數(shù)逐漸提高[25]。摻入固化劑后淤泥土的溫縮系數(shù)明顯降低，且隨地聚物摻量的增加越來(lái)越低，說(shuō)明地聚物的摻入能夠改善淤泥土的抗溫縮性，增強(qiáng)淤泥土的使用壽命。隨著地聚物摻量的增加，淤泥在-30～30 ℃內(nèi)的溫縮系數(shù)變化幅度越來(lái)越小，表明其能夠有效抵抗凍融循環(huán)過(guò)程中由于土顆粒破碎造成土顆粒間的間距增加[26]，固化后的淤泥具備更好的抗凍融循環(huán)特性。

通過(guò)無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)可以看到摻入15%地聚物固化淤泥(SG15)已經(jīng)滿足規(guī)范對(duì)路基強(qiáng)度的要求，并且水穩(wěn)性、CBR和溫縮試驗(yàn)中表現(xiàn)出良好的路用性能，但在干縮試驗(yàn)中對(duì)淤泥固化表現(xiàn)不佳。而摻入20%地聚物固化淤泥實(shí)驗(yàn)組(SG20)相較于SC10在力學(xué)性能和路用性能方面均有所提高，因此采用SG20固化淤泥是可行的，且經(jīng)濟(jì)效益也較高。

2.3 固化機(jī)理分析

2.3.1 礦物組分

圖10 典型試樣X(jué)RD譜Fig.10 XRD patterns of typical samples

圖10為典型樣品在28 d的XRD測(cè)試結(jié)晶相。在水泥固化淤泥(SC10)樣品中檢測(cè)到氫氧化鈣(CH)、水化硅酸鈣(C-S-H)和水化鋁酸鈣(C-A-H)等水化產(chǎn)物。在單獨(dú)摻入堿激發(fā)劑的固化淤泥(SA)樣品中，堿激發(fā)劑有效地激發(fā)淤泥土顆粒的潛在活性組分，使玻璃狀結(jié)構(gòu)中的Si—O鍵和Al—O鍵斷裂，重新聚合形成地聚物凝膠。

與SA相比，地聚物固化淤泥(SG15)的高嶺石在2θ的30°處的峰值強(qiáng)度較低，表明更多的材料參與了地質(zhì)聚合反應(yīng)。并且，地聚物固化淤泥中有較大明顯的彌散“饅頭”狀寬峰，研究表明[27]“饅頭”峰為生成的地聚物膠凝體系中水化硅鋁酸鈉(N-A-S-H)、水化硅鋁酸鈣(C-A-S-H)和C-S-H凝膠產(chǎn)物的特征峰，這也表明了SG15中發(fā)生了更高程度的地質(zhì)聚合反應(yīng)，同時(shí)說(shuō)明了它是一個(gè)多相參與的結(jié)構(gòu)。在2θ<45°時(shí)，觀察到有小峰，同樣也表明N-A-S-H的形成。在地聚物反應(yīng)初期可以大量生成C-S-H，能夠明顯地改善地聚物的性能，同時(shí)加速了原料中活性Si、A1的溶出，加速地聚物反應(yīng)的進(jìn)行，并使凝膠結(jié)構(gòu)更加密實(shí)，因此C-S-H的出現(xiàn)既可以加速反應(yīng)，同時(shí)可以提高反應(yīng)產(chǎn)物的強(qiáng)度，無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果也證明了這點(diǎn)。可以觀察到石英的特征峰較為明顯，這是由于石英在堿激發(fā)的過(guò)程中活性很低，所以樣品中有大量石英存在。因此，更高的聚合程度使得地聚物固化淤泥具有更高的強(qiáng)度，同時(shí)凝膠固化作用也提高了淤泥的抗干縮和溫縮性能。

2.3.2 微觀形貌

圖11為養(yǎng)護(hù)28 d典型試樣放大2 000倍后的SEM照片。從圖11(a)可以看出，未處理的淤泥樣品中存在大量不規(guī)則片狀的非晶團(tuán)聚體，并且微觀結(jié)構(gòu)粗糙，顆粒分散且粘結(jié)松散。圖11(b)中分散的顆粒比未處理的顆粒粘結(jié)較緊密，有較多的填充物填充在顆粒的縫隙之間，表明激發(fā)劑能有效激發(fā)淤泥中潛在活性組分形成凝膠產(chǎn)物膠結(jié)土顆粒，但由于凝膠產(chǎn)物較少，土顆粒和凝膠之間并未較好膠結(jié)，不能有效提高抗壓強(qiáng)度。在SC10樣品(見(jiàn)圖11(c))上，可以觀察到一些水化產(chǎn)物的生成。淤泥經(jīng)水泥穩(wěn)定后，形成C-S-H和C-A-H凝膠，這些水化產(chǎn)物填充在土顆粒的空隙中，從而提高了固化淤泥的強(qiáng)度[28]。圖11(d)～(f)為二元地聚物穩(wěn)定淤泥的微觀結(jié)構(gòu)。在粉煤灰顆粒表面可以觀察到凝膠產(chǎn)物，且所形成的凝膠產(chǎn)物將片狀土顆粒和礦渣、粉煤灰包裹起來(lái)，凝膠產(chǎn)物和土顆粒層層重疊相互交聯(lián)形成整體空間結(jié)構(gòu)，這表明隨著時(shí)間的推移，礦渣、粉煤灰顆粒中的活性二氧化硅和氧化鋁通過(guò)堿性溶液溶解的方式浸出表面，從而促進(jìn)地質(zhì)聚合反應(yīng)的進(jìn)行[29-30]。并且隨地聚物摻量的增加，凝膠產(chǎn)物和土顆粒充分膠結(jié)形成骨架提高密實(shí)度，在荷載作用下凝膠與土顆粒共同受力提高固化土的抗壓強(qiáng)度。結(jié)合XRD的試驗(yàn)結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，地聚物固化淤泥強(qiáng)度的提高是由于形成了地聚物凝膠，地聚物凝膠增強(qiáng)了土顆粒之間的膠結(jié)并且填充了孔隙，降低了固化土的吸水率以及隨溫度變形，提高了水穩(wěn)性、CBR、抗干縮和溫縮性能，這與其他膠凝材料(如：水泥、石灰等)的固化機(jī)理類似[31-33]。

圖11 固化淤泥的SEM照片F(xiàn)ig.11 SEM images of stabilized sludge

3 結(jié) 論

針對(duì)礦渣-粉煤灰基地聚物的力學(xué)特性、路用性能以及微觀機(jī)理，本文開(kāi)展了系統(tǒng)的試驗(yàn)研究和理論分析，主要結(jié)論如下：

(1)隨著Si/Al的增大和Na/Al的減小，堿激發(fā)膠凝材料的凝結(jié)時(shí)間逐漸延長(zhǎng)。隨著Si/Al的減小和養(yǎng)護(hù)齡期的延長(zhǎng)，堿激發(fā)膠凝材料的強(qiáng)度提高。Na/Al為1.0、Si/Al為2.5時(shí)，膠凝材料的強(qiáng)度最大，7 d和28 d強(qiáng)度分別為14 MPa和27 MPa?？紤]膠凝材料的強(qiáng)度、經(jīng)濟(jì)性和工作性能，試驗(yàn)選用Si/Al為2.5、Na/Al為0.8的礦渣-粉煤灰基二元地聚物作為淤泥的主要固化劑。

(2)礦渣-粉煤灰基地聚物能夠有效提高固化淤泥土的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度，隨著齡期延長(zhǎng)和地聚物摻量增加，強(qiáng)度提高顯著。摻入15%地聚物的固化淤泥28 d強(qiáng)度已滿足規(guī)范對(duì)高等級(jí)輕質(zhì)土路基28 d強(qiáng)度大于0.8 MPa的要求，為提高固化土的抗干縮性能，選用摻入20%地聚物為最優(yōu)固化劑。

(3)在地聚物固化淤泥中，堿激發(fā)劑有效地激發(fā)礦渣-粉煤灰顆粒的潛在活性組分，使玻璃狀結(jié)構(gòu)中的Si—O鍵和Al—O鍵斷裂，重新聚合形成地聚合物凝膠，通過(guò)SEM分析發(fā)現(xiàn)N-A-S-H、C-A-S-H和C-S-H凝膠的形成，表明地聚物固化淤泥強(qiáng)度的提高主要是由于地質(zhì)聚合作用形成的凝膠生成并填充在土顆粒的孔隙中。

礦渣-粉煤灰固廢地聚物固化淤泥不僅能顯著提升淤泥力學(xué)性能和路用性能，并且能夠降低水泥資源消耗以及CO2排放，表明地聚物改善淤泥土在性能和環(huán)境等方面具有可持續(xù)發(fā)展的優(yōu)勢(shì)。