高強(qiáng)

（山東中巖建材科技有限公司，山東 棗莊 277100）

0 前言

建筑業(yè)發(fā)展的同時(shí)，無可避免地帶來了一系列問題。施工所需的砂、石、水泥越來越多，這既加重了施工的成本，也加重了自然環(huán)境的負(fù)擔(dān)，不利于可持續(xù)發(fā)展[1]。針對(duì)這些問題，各國的解決方案之一是土壤固化劑及其相關(guān)技術(shù)。土壤固化劑的研究興起于20世紀(jì)40年代[2]，到了20世紀(jì)70年代[3]，已在歐美等發(fā)達(dá)國家取得了較為廣泛的應(yīng)用，取得了不俗的成果。在道路工程[4]、地下工程[5]、水利工程、環(huán)境保護(hù)、港口和機(jī)場、石油工程等各工程領(lǐng)域，有效利用基坑土或渣土，通過土壤固化劑制備預(yù)拌固化土，改善土體性，可滿足復(fù)雜的施工要求，從而保護(hù)環(huán)境，節(jié)約成本，提高施工質(zhì)量。

1 預(yù)拌固化土的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)

預(yù)拌固化土可用于臨時(shí)地坪硬化、臨時(shí)或低等級(jí)道路、路基工程等，也可用作地基材料，形成新的地基處理技術(shù)體系。

預(yù)拌固化土作為一種質(zhì)量可控的低強(qiáng)度巖土工程材料，可用于填筑工程，包括市政管廊的基槽回填、市政管網(wǎng)埋設(shè)的回填、建筑物深基坑的回填、市政工程對(duì)質(zhì)量要求較高部位的回填、狹窄或異形空間的回填等，也包括礦山工程中的礦山充填，改變大部分巖土礦山采空區(qū)、深基坑、肥槽固化“只能用水泥”的局面，提供了更高性價(jià)比材料的解決方案。對(duì)于填筑工程，往往采用大流態(tài)的預(yù)拌固化土，可泵送或溜槽澆筑，無需振搗成型，減少了傳統(tǒng)素土、灰土回填的壓實(shí)（碾壓、夯實(shí)）工序，有利于淤泥質(zhì)土、高含水率狀態(tài)下的土質(zhì)，污泥等特殊土壤的處理[6]，特別是對(duì)狹窄空間的填筑工程，更有無可替代的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，為填方材料問題、土方處置、工業(yè)固廢的高附加值利用提供了一種思路。

2 材料和試驗(yàn)方法

2.1 試驗(yàn)思路

傳統(tǒng)膠凝材料混凝土是通過水泥膠結(jié)砂石材料制成，該膠凝材料固結(jié)表面性質(zhì)為惰性的石、砂。固化土則是通過水泥“固結(jié)”土粒制成，該膠凝材料可以特殊膠凝組合固化細(xì)粒土和活化土界面。與傳統(tǒng)膠凝材料混凝土相比，原材料從單一水泥材料變成水泥、礦粉、脫硫石膏、鋼渣等工業(yè)固廢組成的復(fù)合材料，包含多組分無機(jī)材料，也包含高分子類的改性材料[7]。

傳統(tǒng)膠凝材料應(yīng)用于高含水率或特殊土壤時(shí)存在一定的缺陷，因此需開發(fā)特殊的膠凝材料體系用于流態(tài)土固化，需制備專用的流態(tài)土固化劑在常溫下加入高含水率或特殊土壤中膠結(jié)土壤顆粒[8]，或與粘土礦物發(fā)生離子結(jié)合、水化反應(yīng)、生物作用等從而大幅提高土壤密實(shí)度、強(qiáng)度、彈性和耐水性。

土壤固化劑作為一種新型建筑材料，可將總量豐富、成本低廉的自然土壤進(jìn)行固化改性之后用作各類地基、路基及工程填筑用料，就地取材，減少砂石用量和運(yùn)輸成本，形成流動(dòng)性可控、施工速度快、固化強(qiáng)度高、勻質(zhì)性好、成本低、適用范圍廣的綠色環(huán)保工程材料。

2.2 原材料及設(shè)備

2.2.1 原材料

水泥：42.5快硬硫鋁酸鹽水泥；礦粉、鋼渣：市面采購工業(yè)品；外加劑：常見外加劑；試驗(yàn)用水：自來水。

土樣：山東東營粉質(zhì)土，其采樣深度為100～200cm。土樣風(fēng)干并過孔徑2mm的篩，測(cè)定其物理性質(zhì)，結(jié)果見表1。從表1可看出，供試土樣的顆粒密度為1.26，含水率為29.4%，孔隙比為0.8，液限為29.4%，塑限為15.88%，塑性指數(shù)為15.88；顆粒組成以粉粒為主，按照界限含水率分類，此土樣屬于低液限黏土（CL）。

表1 土樣性質(zhì)指標(biāo)Tab.1 Soil sample property index

2.2.2 主要設(shè)備

液壓式萬能試驗(yàn)機(jī)：型號(hào)WE-300，最大試驗(yàn)力300kN，濟(jì)南實(shí)驗(yàn)機(jī)廠制造；電子液壓式壓力試驗(yàn)機(jī)：型號(hào)WAY-300，北京海智科技開發(fā)中心制造；蒸養(yǎng)箱；凍融循環(huán)機(jī)；模具：50mm×50mm×50mm的土塊試件模具；土壤性能測(cè)試儀器：GYS-2型光電式液塑限測(cè)定儀，北京恒奧德儀器儀表有限公司制造。

2.3 試樣制備和養(yǎng)護(hù)

根據(jù)CJ/T 3073-1998《土壤固化劑》、JTJ 057-94《公路工程無機(jī)結(jié)合料穩(wěn)定料試驗(yàn)規(guī)程》的規(guī)定方法進(jìn)行試驗(yàn)。將土壤與固化劑按照設(shè)計(jì)摻量拌和均勻，置于50mm×50mm×50mm試模中，使固化土流態(tài)密實(shí)填充試模，試樣固化后體積穩(wěn)定。試件制備完畢后立即用塑料薄膜封裝，放入標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室（溫度為（20±2）℃，濕度為95%以上）養(yǎng)護(hù)至規(guī)定齡期，備用待測(cè)。

2.4 試驗(yàn)方法

通過調(diào)整拌合用水與回填土的比例、固化劑摻量與回填土質(zhì)量的比例和水泥基流態(tài)土固化劑的組成，包括固化組分、激發(fā)組分、分散組分及體積穩(wěn)定組分、功能組分等。

2.4.1 調(diào)整膠凝組分含量

水泥摻量為固化劑的40%，粉煤灰、礦粉、石灰摻量之和為固化劑的40%。根據(jù)混料設(shè)計(jì)中單純型重心設(shè)計(jì)法（見圖1），粉煤灰摻量按照設(shè)計(jì)摻量分別選擇0、33%、50%、100%，礦粉摻量按照設(shè)計(jì)摻量分別選擇0、33%、50%、100%，石灰摻量按照設(shè)計(jì)摻量分別選擇0、33%、50%、100%，設(shè)計(jì)7組不同粉煤灰、礦粉、石灰摻量的試驗(yàn)，見表2。

圖1 單純形重心試驗(yàn)設(shè)計(jì)法圖例Fig.1 Legend of simplex center of gravity experimental design method

表2 膠凝材料原材料配比Tab.2 Proportion of cementitious materials

2.4.2 調(diào)整堿激發(fā)劑的種類及摻量

使用4種常用堿激發(fā)材料氫氧化鈉、硅酸鈉、硫酸鈉、碳酸鈉，摻入量分別選擇3g、6g、9g，見表3。

表3 堿激發(fā)劑原材料配比Tab.3 Material ratio of alkali activator

2.4.3 調(diào)整強(qiáng)度組分

通過對(duì)礦粉、粉煤灰、Ca(OH)2不同比例的試樣的3d、7d、28d抗壓強(qiáng)度的分析得出，礦粉是試樣提高強(qiáng)度的主要組成部分，粉煤灰對(duì)試樣的早期強(qiáng)度和后期強(qiáng)度的提高作用不明顯，Ca(OH)2對(duì)試樣早期強(qiáng)度影響不大，對(duì)試樣后期強(qiáng)度略有幫助。

綜合上述試驗(yàn)結(jié)果，在新調(diào)整的配比中取消了粉煤灰和Ca(OH)2的摻入，改為更經(jīng)濟(jì)的鋼渣粉作為新的組成。在此基礎(chǔ)上，調(diào)整水泥按照設(shè)計(jì)摻量分別選擇0、16%、33%、50%、100%，礦粉按照設(shè)計(jì)摻量分別選擇0、16%、33%、50%、100%、鋼渣按照設(shè)計(jì)摻量分別選擇0、16%、33%、50%、100%，設(shè)計(jì)11組試驗(yàn)，見表4。

表4 膠凝材料原材料配比Tab.4 Proportion of cementitious materials

2.4.4 固化土的微觀結(jié)構(gòu)分析

采用掃描電鏡-能譜儀對(duì)水化產(chǎn)物進(jìn)行形貌觀察和元素分析.掃描電鏡型號(hào)為J-5800，分辨率為3.5nm，放大倍數(shù)為20～30萬倍，圖像模式為二次電子像和背散射電子像，加速電壓為0.3～30kV.固化土試件采用直徑50mm、高50mm的圓柱體，在(20±2)℃、相對(duì)濕度＞95%的標(biāo)準(zhǔn)條件下養(yǎng)護(hù)至規(guī)定齡期。

3 結(jié)果與討論

3.1 調(diào)整膠凝組分含量結(jié)果

表5、圖2表明，通過對(duì)石灰、粉煤灰、礦粉三組分不同比例的試樣的3d、7d抗壓強(qiáng)度的分析得出，試樣中礦粉占比增加有利于固化土的早期強(qiáng)度，而粉煤灰和石灰的區(qū)別不大，石灰相比粉煤灰作用大些。由此可知，土壤固化劑的強(qiáng)度主要來自礦粉堿激發(fā)的強(qiáng)度，可根據(jù)需求和原材料價(jià)格調(diào)整石灰、粉煤灰、礦粉三組分摻量，以控制固化土強(qiáng)度。

圖2 抗壓強(qiáng)度Fig.2 Sample compressive strength

表5 試樣3d、7d、28d強(qiáng)度Tab.5 Strength of samples at 3d, 7d and 28d

3.2 調(diào)整堿激發(fā)劑的種類及摻量結(jié)果

表6結(jié)果表明，氫氧化鈉作為堿激發(fā)劑的效果最好，包含氫氧化鈉的試樣3d、7d、28d強(qiáng)度較高，包含硅酸鈉的試樣的流動(dòng)性稍有提高，但激發(fā)效果稍差。作為土壤固化劑的堿激發(fā)組分，綜合考慮價(jià)格和激發(fā)效果，硫酸鈉摻量4%的試樣的性價(jià)比最高。因此，選擇硫酸鈉摻量4%作為堿激發(fā)劑材料。

表6 試樣3d、7d、28d強(qiáng)度Tab.6 Strength of samples at 3d, 7d and 28d

3.3 調(diào)整強(qiáng)度組分組結(jié)果

表7、圖3的結(jié)果表明：1）第二、三、四組固化土在沒有加入水泥的情況下，只添加鋼渣粉或礦渣在3d、7d、28d齡期內(nèi)基本沒有強(qiáng)度或強(qiáng)度增長；2）在固化土試樣中單純提高水泥組分比例，固化土強(qiáng)度在3d、7d、28d齡期內(nèi)有所提高，但增強(qiáng)效果變?nèi)酢?/p>

表7 試樣3d、7d、28d強(qiáng)度Tab.7 Strength of samples at 3d, 7d and 28d

圖3 固化土強(qiáng)度Fig.3 Compressive strength of solidif ied soil

從圖4可以看出，在存在一定鋼渣的情況下，固化土強(qiáng)度在3d、7d、28d齡期內(nèi)增加顯著，水泥/廢渣存在協(xié)同作用。

圖4 20%固定鋼渣粉試樣強(qiáng)度Fig.4 Strength of 20% steel slag powder sample

圖5的結(jié)果表明：1）水泥與工業(yè)廢渣的合理比例可減少固化劑本身水泥用量，節(jié)約成本，實(shí)際上也是提升固化土品質(zhì)的手段；2）使用流態(tài)土固化劑形成的固化土，在一些應(yīng)用場景中可替代完全使用水泥的情況，從而提升質(zhì)量，降低成本，改善環(huán)境。

圖5 水泥與工業(yè)廢渣的比例Fig.5 Ratio of cement to industrial waste residue

表8的結(jié)果表明，由于土中可溶鹽、離子交換、物理吸附、凝硬反應(yīng)等作用，試樣大量吸收Ca2+和OH-離子。在Ca(OH)2不飽和的情況下，土樣對(duì)Ca2+和OH-的離子進(jìn)一步吸收，必然消耗原本用以生成C-S-H的Ca2+和OH-，導(dǎo)致固化土中水化物生成量減少，影響固化土抗壓強(qiáng)度的增長。當(dāng)水泥-礦粉摻入比例合適時(shí)，產(chǎn)生的Ca(OH)2充分滿足土樣的吸收，可保證試樣強(qiáng)度。

表8 試樣水泥-礦粉摻雜比例變化所含離子Tab.8 Ion contained in sample under change of cement-mineral powder doping ratio

3.4 固化土的微觀結(jié)構(gòu)分析結(jié)果

采用掃描電子顯微鏡（SEM）對(duì)7d、28d、56d標(biāo)準(zhǔn)條件下養(yǎng)護(hù)的試樣的形貌特征進(jìn)行分析，結(jié)果見圖6。

由圖6可見：1）凝膠已將土顆粒黏結(jié)起來，但仍可見土顆粒之間的縫隙，土顆粒的外貌清晰可辨；2）7d齡期時(shí)，水化產(chǎn)物C-S-H凝膠進(jìn)一步增多，其將土顆粒包裹起來，并有效進(jìn)行黏結(jié)；3）28d齡期時(shí)，已分辨不出土顆粒的形貌，土顆粒外部被水化產(chǎn)物包裹起來；4）56d齡期時(shí)，C-S-H凝膠將土顆粒黏結(jié)起來，形成較大的顆粒。

圖6 水泥礦粉摻雜試樣7d、28d、56d的掃描電鏡觀察Fig.6 SEM observation of cement mineral powder doped samples for 7d, 28d and 56d

顆粒之間形成纖維狀和網(wǎng)狀的水化硅酸鈣凝膠（C-S-H）、六方棱柱型的三硫型水化硫鋁酸鈣晶體（鈣礬石，AFt）及片狀或疊片狀的氫氧化鈣晶體（CH）。固化劑中含有硫酸鈉、硅酸鈉、氫氧化鈉、碳酸鈉等成分，這些成分可有效激發(fā)水泥基中的硅酸二鈣、硅酸三鈣、鋁酸三鈣、鐵鋁酸鈣等物質(zhì)的反應(yīng)，更重要的是可促使黏土礦物中的硅氧四面體和鋁氧八面體在強(qiáng)堿性條件下發(fā)生分解，分別形成可溶性氧化硅和氧化鋁，再和水泥中的可溶性鈣發(fā)生反應(yīng)，生成水化硅酸鈣凝膠及硫酸鋁鈣等。在各種水化產(chǎn)物中，C-S-H與Aft構(gòu)成了固化土的強(qiáng)度主體[9]。在Ca(OH)2不飽和情況下，將消耗原本用以生成C-S-H的Ca2+和OH-，影響固化土抗壓強(qiáng)度增長。合適比例的水泥-礦粉產(chǎn)生飽和Ca(OH)2，可保證強(qiáng)度有效增長。鈣礬石膨脹填充固化土中的孔隙是提高固化土強(qiáng)度的主要因素[10]。

4 結(jié)語

1）水泥基流態(tài)土固化劑。由單一的水泥材料變成水泥與工業(yè)固廢組成的復(fù)合材料，包含多組分無機(jī)材料和高分子類改性材料。經(jīng)過組成之間的物理作用和化學(xué)反應(yīng)、激發(fā)效應(yīng)，形成流動(dòng)性可控、施工速度快、固化強(qiáng)度高、勻質(zhì)性好、成本低、適用范圍廣的一種綠色環(huán)保的工程材料。

2）流態(tài)土主要應(yīng)用領(lǐng)域。①邊坡固化。邊坡穩(wěn)定性是水利工程中的一個(gè)重要問題?；峦l(fā)生在起伏不定的道路邊坡上。土壤固化劑應(yīng)用于邊坡固結(jié)可解決邊坡穩(wěn)定性差、投資高、處理方法單調(diào)等問題，有良好的社會(huì)效益[11]。②渠道防滲。渠道系統(tǒng)用水系數(shù)是灌溉渠道系統(tǒng)凈流量與總流量的比率。研究表明，我國灌溉渠道系統(tǒng)用水系數(shù)僅為0.5左右，這意味著40%以上的水在運(yùn)河供水過程中無效流失，造成大量浪費(fèi)。因此，加強(qiáng)過濾控制防滲[12]和灌溉渠道抗凍性意義重大。③道路工程。土壤固化劑在此領(lǐng)域主要用于加固松軟的地下土壤。劈裂試驗(yàn)證明固化碎石土的劈裂強(qiáng)度較高，有利于減少路面結(jié)構(gòu)面層裂縫的產(chǎn)生[13]。水穩(wěn)定性試驗(yàn)和凍融循環(huán)試驗(yàn)也表明固化碎石土有良好的水穩(wěn)定性和顯著的抗凍效果[14]。

3）流態(tài)土固化機(jī)理。無機(jī)類土壤固化劑為粉體固化劑，大多通過水泥、粉煤灰、工業(yè)廢料等無機(jī)材料和某些酸、堿、鹽類激發(fā)劑(如氯鹽、硫酸鹽、氫氧化鈉等)或含有表面活性劑的激發(fā)劑制備而成[15-16]。無機(jī)土壤固化劑中的C2S等物質(zhì)在激發(fā)劑的作用下能迅速與土壤中的水反應(yīng)生成Ca(OH)2和水化硅酸鈣(C-S-H)凝膠，同時(shí)，其內(nèi)部活性SiO2和Al2O3在堿性激發(fā)劑和新生成的Ca(OH)2等堿性物質(zhì)的作用下進(jìn)一步生成C-S-H與水化鋁酸鈣(C-A-H)，C-A-H與硫酸鹽類激發(fā)劑生成AFt。在制備的水泥基流態(tài)土固化劑中水泥與工業(yè)廢渣協(xié)調(diào)作用，當(dāng)摻入一定比例的水泥-工業(yè)固廢組分時(shí)，在Ca(OH)2飽和的情況下，有利于固化土中水化物生成，這些產(chǎn)物填充了土壤內(nèi)部空隙，提高了土壤的密實(shí)度，加強(qiáng)了土壤顆粒之間的連接，同時(shí)附著在土壤顆粒表面，相互交叉形成空間骨架，并將其黏結(jié)成一個(gè)整體，從而提高了固化土的強(qiáng)度，其中C-S-H凝膠、AFt是構(gòu)成固化土強(qiáng)度的主體，起到土壤固化的作用[17]。