吳悠 ，樊傳剛 ，鄧先功 ，裴立宅 ，凌賢長

（1.安徽工業(yè)大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，安徽 馬鞍山 243002；2.哈爾濱工業(yè)大學(xué) 土木工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150090）

0 引言

光伏發(fā)電作為一種綠色、環(huán)保的能源獲取手段，近年來在國內(nèi)外得到了快速的發(fā)展。對(duì)于我國人口密度大，土地資源相對(duì)短缺的東部地區(qū)，“漁光互補(bǔ)”作為一種新型土地綜合利用的方法，不僅有效地克服了光伏發(fā)電區(qū)域的限制，解決了土地資源短缺的問題，而且對(duì)優(yōu)化地區(qū)能源結(jié)構(gòu)、改善環(huán)境，提高魚塘灘涂地區(qū)的產(chǎn)能具有重要意義[1]。但灘涂地區(qū)承載力低，風(fēng)載荷大，根據(jù)GB 50009—2012《建筑結(jié)構(gòu)載荷規(guī)范》和GB 50797—2012《光伏發(fā)電站設(shè)計(jì)規(guī)范》的規(guī)定，傳統(tǒng)的光伏支架要置入土下6～8 m才能滿足其結(jié)構(gòu)安全，即使采用預(yù)應(yīng)力管樁也需置入土下約4 m[2]。因此，若能將灘涂底層硬土表面的局部（預(yù)制管樁下部和端部四周）軟土及淤泥拌入膠凝材料后原位硬化（固化），可將預(yù)制管樁長度顯著縮短，大幅度降低光伏電站的建造成本。研究人員[3－5]以水泥為軟土膠凝材料，研究了水泥摻量對(duì)固化土性能的影響，結(jié)果表明，當(dāng)水泥含量為8%～15%時(shí)，固化土試樣28 d抗壓強(qiáng)度均在1.5 MPa左右。雖然上述研究都得到了較好的結(jié)果，但所用膠凝材料主要為水泥，不僅會(huì)增大水體的pH值，影響水體生態(tài)環(huán)境，而且水泥本身對(duì)土壤的固化效率較低，所得固化土的強(qiáng)度不高。因此，急需開發(fā)一種綠色新型土壤膠凝材料來解決上述問題。礦渣、鋼渣是高爐煉鐵產(chǎn)生的工業(yè)廢棄物，其綜合開發(fā)利用不僅有利于保護(hù)環(huán)境，而且更能降低鋼鐵生產(chǎn)的成本。鑒于此，本文以礦渣、鋼渣、脫硫灰和水泥熟料為主要原料制備出了新型軟土加固用膠凝材料，研究了該膠凝材料對(duì)光伏電站位置的灘涂淤泥質(zhì)土固化性能的影響。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 原料

（1）淤泥質(zhì)土：取自馬鞍山市當(dāng)涂縣某“漁光互補(bǔ)”光伏電站內(nèi)河塘底表下約2 m，其基本物理性質(zhì)如表1所示，根據(jù)GBJ 145—90《土的分類標(biāo)準(zhǔn)》，該淤泥質(zhì)土為高液限黏質(zhì)土。

表1 淤泥質(zhì)土的基本物理性能指標(biāo)

（2）新型土壤膠凝材料：以礦渣、鋼渣、脫硫灰和水泥熟料為主要原料，按 70∶5∶20∶5 的質(zhì)量比配制而成。其中，礦渣為馬鋼嘉華建材有限公司生產(chǎn)的S95級(jí)礦渣，堿度為0.914，屬于酸性礦渣；質(zhì)量系數(shù)為1.820，具有較高的活性。水泥為馬鞍山海螺水泥有限責(zé)任公司生產(chǎn)的P·O42.5水泥，基本性能指標(biāo)見表2。鋼渣與脫硫灰均由馬鞍山鋼鐵股份有限公司提供，粉磨后鋼渣的比表面積（勃氏法）為495 m2/kg。礦渣、鋼渣、脫硫灰及其制備的新型土壤膠凝材料主要化學(xué)成分如表3所示。

表2 P·O42.5水泥的基本性能指標(biāo)

表3 原材料的主要化學(xué)成分 %

1.2 實(shí)驗(yàn)步驟

首先，將原狀淤泥放入設(shè)定溫度為60℃的電恒溫鼓風(fēng)干燥箱中干燥48 h。再按球料比為1∶2（Φ30 mm陶瓷研磨球），將干燥的淤泥質(zhì)土放入臥式球磨機(jī)中干磨1 h，制得干土，然后控制膠凝材料與干土質(zhì)量比分別為 1∶1、1∶2、1∶3、1∶4、1∶5 和1∶6，將干土和膠凝材料逐漸加入至含有一定量水的可變速強(qiáng)力攪拌機(jī)的攪拌容器中，依次慢攪30 s（150 r/min）和快攪90 s（400 r/min），反復(fù)攪拌10 min后制得均勻的固化土泥漿，并將其注入70.7 mm×70.7 mm×70.7 mm的模具中成型，通過振動(dòng)消除泥漿中的氣泡，靜養(yǎng)1 d后脫模。脫模后試樣置于（20±2）℃的水中養(yǎng)護(hù)（模擬原位固化土的養(yǎng)護(hù)環(huán)境）至規(guī)定齡期。

1.3 實(shí)驗(yàn)儀器與性能測(cè)試方法

采用標(biāo)準(zhǔn)坍落度筒測(cè)試固化土泥漿的坍落度；采用水泥膠砂抗折抗壓試驗(yàn)機(jī)（TYE－300D型，無錫建儀儀器機(jī)械有限公司產(chǎn)）分別測(cè)試固化土試樣3 d、7 d、28 d的抗壓強(qiáng)度和軟化系數(shù)；采用酸度儀（AZ8686型，衡欣科技股份有限公司產(chǎn)）測(cè)試固化土試樣浸沒水中不同時(shí)間的pH值；采用土壤液塑限聯(lián)合測(cè)定儀（LP－100D型，上海路達(dá)公路儀器設(shè)備有限公司產(chǎn)）測(cè)量土壤的液塑限；采用X射線熒光光譜分析儀（XRF）分析膠凝材料成分組成；采用掃描電子顯微鏡（SEM）分析試樣的微觀形貌。

2 結(jié)果與討論

2.1 水固比對(duì)固化土性能的影響

控制膠凝材料與干土質(zhì)量比為1∶2，改變水固比（水與所有固體材料的質(zhì)量比）制備固化土試樣，并測(cè)試其抗壓強(qiáng)度、軟化系數(shù)以及固化土料漿的坍落度，結(jié)果如表4所示。

表4 水固比對(duì)固化土試樣性能的影響

由表4可知，隨著水固比的增大，固化土強(qiáng)度逐漸降低。這主要是由于用水量的增加致使固化土試樣中孔隙率增多，從而減弱了膠凝材料對(duì)土體基團(tuán)的膠結(jié)能力。當(dāng)水固比為0.40和0.45時(shí)，固化土料漿的坍落度均不超過45 mm，不符合GB50666—2011《混凝土結(jié)構(gòu)工程施工規(guī)范》的要求。因此，水固比為0.40和0.45時(shí)所制備的漿料不能應(yīng)用于對(duì)可泵性有一定要求的施工中。當(dāng)水固比為0.50～0.60時(shí)，固化土料漿的坍落度為171～207 mm，符合GB 50666—2011的要求，可泵性好，且泥漿中的含水率為33.3%～37.5%（水量/固化土泥漿總量），大于淤泥質(zhì)土的天然含水率，水下作業(yè)時(shí)易使膠凝材料與土體混合均勻[6－8]，該泥漿所制備固化土試樣28 d的抗壓強(qiáng)度高達(dá)5.0～6.8 MPa。因此，在工程應(yīng)用中應(yīng)根據(jù)實(shí)際強(qiáng)度要求嚴(yán)格控制水固比。

軟化系數(shù)是評(píng)價(jià)建筑材料耐水性的重要指標(biāo)，光伏支架周圍的固化土長期置于水環(huán)境中。因此，評(píng)價(jià)固化土的軟化系數(shù)對(duì)其在實(shí)際中的應(yīng)用具有重要意義。由表4可知，隨著水固比的增大，試樣的軟化系數(shù)逐漸減小。當(dāng)水固比為0.50～0.60時(shí)，固化土試樣的軟化系數(shù)為0.907～0.921，均滿足耐水材料（軟化系數(shù)＞0.85）的要求。考慮到高的固化土強(qiáng)度和軟化系數(shù)更有利于光伏支架的穩(wěn)定，以及旋噴樁施工法對(duì)膠凝材料可泵性要求，本研究中水固比選為0.50。

2.2 膠凝材料摻量對(duì)固化土強(qiáng)度的影響

水固比為0.5時(shí)，膠凝材料與干土質(zhì)量比對(duì)固化土試樣3 d、7 d和28 d抗壓強(qiáng)度的影響如圖1所示，對(duì)28 d軟化系數(shù)的影響如圖2所示。

圖1 膠凝材料與干土質(zhì)量比對(duì)固化土抗壓強(qiáng)度的影響

由圖1可見，固化土試樣的3 d、7 d和28 d抗壓強(qiáng)度均隨膠凝材料與干土質(zhì)量比的減小而降低。其原因可能是固化土的強(qiáng)度主要由膠凝材料水化反應(yīng)時(shí)的產(chǎn)物（如水化硅酸鈣、水化鋁酸鈣、鈣礬石、氫氧化鈣和水化鐵酸鈣等）膠結(jié)土粒和填充間隙使松散的淤泥固結(jié)，膠凝材料的摻量越少，其水化產(chǎn)物也越少，膠結(jié)的土粒變少，固化土的強(qiáng)度降低。當(dāng)膠凝材料與干土質(zhì)量比≥1∶4時(shí)，試樣28 d的抗壓強(qiáng)度≥3.7 MPa。

圖2 膠凝材料與干土質(zhì)量比對(duì)固化土28 d軟化系數(shù)的影響

由圖2可見，隨著膠凝材料與干土質(zhì)量比的降低，固化土試樣的軟化系數(shù)逐漸減小。這主要是由于：（1）干土摻量增大后固化土中土壤基團(tuán)增多，充分吸水后的土壤基團(tuán)不具備結(jié)構(gòu)強(qiáng)度；（2）吸水后的固化土顆粒之間存在水膜，減弱了顆粒間的黏結(jié)作用；（3）局部土壤基團(tuán)吸水飽和后，其含水率超過土體液限，形成的液泡增大了孔隙率，從而降低了固化土的強(qiáng)度。當(dāng)膠凝材料與干土質(zhì)量比≥1∶4時(shí)，所制備固化土試樣的軟化系數(shù)均大于0.85，滿足耐水材料的要求，適用于長期處于水中或潮濕的環(huán)境中。

2.3 固化土對(duì)水體pH值的影響

圖3為光伏支架置于水塘中的示意，其中Ⅰ#為傳統(tǒng)樁基（需長預(yù)制管樁深入硬土層以保證光伏支架的穩(wěn)定）置入灘涂中的支架示意；Ⅱ#為采用新型膠凝材料和淤泥攪拌后，通過旋噴攪拌樁等工法施工，硬化包裹在軟土中的短預(yù)制管樁下部和底部四周區(qū)域，所形成的預(yù)制管樁－固化土復(fù)合樁基置于水塘的支架示意。該方法可使光伏支架所需預(yù)制管樁的長度大幅度降低（不需要深入到灘涂底部的硬土層中）。

圖3 光伏支架置入灘涂中的示意

預(yù)制管樁－固化土復(fù)合樁基長期置于軟土層中，樁基溶出物易對(duì)其周圍的水質(zhì)產(chǎn)生影響（尤其是水體的pH值），進(jìn)而影響生態(tài)環(huán)境。為此，以水固比為0.5，膠凝材料與干土質(zhì)量比為1∶2制備固化土試樣，將其浸沒于蒸餾水中，靜置3 d、7 d、28 d后測(cè)得水的pH值分別為6.75、6.70、6.80，同質(zhì)量的原狀河塘土浸沒于同體積蒸餾水中測(cè)得的pH值為6.65，pH值無明顯差別，表明固化土對(duì)水體無明顯影響。

2.4 固化土試樣的顯微結(jié)構(gòu)

圖4為水固比為0.5，膠凝材料與干土質(zhì)量比為1∶2時(shí)，所制備固化土試樣養(yǎng)護(hù)3 d和28 d的SEM照片。

由圖4可知，硬化初期，固化土試樣中形成了片狀及晶須狀物質(zhì)，且分布均勻[見圖4（a）]，其中部分晶須狀物質(zhì)嵌入至顆粒狀和片狀物質(zhì)中[見圖4（b）]。同時(shí)采用EDS對(duì)晶須狀物質(zhì)的化學(xué)成分進(jìn)行了表征（見表5），結(jié)果表明，晶須狀物質(zhì)中含有 O、Si、Al、S 和 Ca，結(jié)合自制膠凝材料的水化反應(yīng)[9]，推測(cè)晶須狀物質(zhì)可能為鈣礬石（AFt）。

圖4 養(yǎng)護(hù)3 d、28 d固化土試樣的SEM照片

隨著試樣養(yǎng)護(hù)時(shí)間的延長，在硬化后期，固化土試樣中大顆粒狀和片狀物質(zhì)逐漸增多[見圖4（c）]，且形成了三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的物質(zhì)[見圖4（d）]。結(jié)合圖1可知，膠凝材料摻量相同時(shí)，固化土試樣硬化后期的抗壓強(qiáng)度明顯高于硬化前期的強(qiáng)度。

表5 圖4（b）中試樣的EDS分析結(jié)果

2.5 膠凝材料固化淤泥質(zhì)土的機(jī)理

以礦渣、鋼渣、粉煤灰和脫硫灰為主要原料制備的膠凝材料，遇水后可能發(fā)生如下反應(yīng)：（1）生成水化硅酸鈣（C-S-H）的反應(yīng)；（2）生成鈣礬石（AFt）的反應(yīng)：

從上述反應(yīng)可知，自制膠凝材料體系的水化反應(yīng)產(chǎn)物主要為C-S-H凝膠和AFt。反應(yīng)生成的鈣礬石多為晶須狀和柱狀，其通過對(duì)裂紋的橋聯(lián)、釘扎或偏轉(zhuǎn)作用在一定程度上阻止裂紋的擴(kuò)展，進(jìn)而提高固化土試樣的強(qiáng)度[10]。同時(shí)反應(yīng)生產(chǎn)的AFt也可與大量的C-S-H凝膠等物質(zhì)相互交織形成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)[見圖4（d）][9]，包裹土壤基團(tuán)或形成結(jié)構(gòu)骨架，從而進(jìn)一步提高固化土的強(qiáng)度，其固化機(jī)理與水泥固化土機(jī)理相似。

3 結(jié)論

（1）水固比為0.5時(shí)，固化土試樣的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度和軟化系數(shù)均隨膠凝材料與干土質(zhì)量比的減小而降低，當(dāng)膠凝材料與干土質(zhì)量比≥1∶4時(shí)，試樣28 d的抗壓強(qiáng)度≥3.7 MPa，軟化系數(shù)均>0.85，是一種性能優(yōu)異的耐水材料。

（2）所制備的固化土試樣在應(yīng)用過程中對(duì)其周圍的水體pH值無明顯影響。

（3）新型膠凝材料通過其水化產(chǎn)物形成的三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)骨架固化淤泥質(zhì)土，其固結(jié)機(jī)理與水泥固化土機(jī)理相似。