郭小亮，王 強(qiáng),2，李 蔓，楊景東，周文君

(1.安徽理工大學(xué) 土木建筑學(xué)院，安徽 淮南 232000； 2.安徽理工大學(xué) 環(huán)境友好材料與職業(yè)健康研究院(蕪湖)，安徽 蕪湖 241003)

隨著鋼鐵行業(yè)的快速發(fā)展，中國已經(jīng)成為全球最大的鋼鐵消費(fèi)國，鋼鐵產(chǎn)量占全球的50%[1]。鋼渣作為鋼鐵生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的一種工業(yè)廢渣，據(jù)統(tǒng)計每噸鋼材的生產(chǎn)會有0.1～0.15 t的鋼渣產(chǎn)生，2019年中國鋼產(chǎn)量為9.963億噸，據(jù)此推算2019年中國鋼渣產(chǎn)量約為1.5億噸[2-3]。然而中國對鋼渣的綜合利用率僅占總量的20%，遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后于美國、日本等發(fā)達(dá)國家[4]。低利用率的鋼渣大量堆放、閑置，不僅占用大量的土地，且鋼渣中所含有的重金屬離子、堿金屬離子會滲入土壤中，造成地下水的污染，產(chǎn)生的揚(yáng)塵顯著影響了城市空氣質(zhì)量和人居環(huán)境，造成了嚴(yán)重的社會危害[5-8]。

近些年來，水泥作為固化土處理的主要材料被廣泛使用。水泥基固化土具有強(qiáng)度高、水穩(wěn)性好、低滲性等特點，因此常用于道路路基、建筑地基、堤防施工加固、湖塘底層防滲透固結(jié)、垃圾填埋場以及其他工程中不良土壤的改性等[9]，但是在水泥的生產(chǎn)過程中會產(chǎn)生大量的溫室氣體造成環(huán)境污染。據(jù)統(tǒng)計，每年由水泥生產(chǎn)所產(chǎn)生的CO2氣體總和占全球 CO2總排放總量的 5%左右[10]。為此尋求新型綠色水泥替代料已成為刻不容緩的工作。

鋼渣與水泥的成分相似，說明鋼渣有一定潛在的膠凝特性。近年來，許多學(xué)者將鋼渣的膠凝特性用于巖土工程中，比如：鄧永峰等[11]制備了較高強(qiáng)度的鋼渣基復(fù)合材料并將鋼渣及材料用于軟土固化中。孫家瑛等[12]利用脫硫石膏及鋼渣-礦渣復(fù)合膠凝材料(簡稱GSC)固化軟土，結(jié)果表明：GSC固化土的強(qiáng)度高于水泥土的強(qiáng)度,用GSC替代水泥作為軟土固化劑可以滿足固化土強(qiáng)度要求。袁明月等[13]、吳燕開等[14]則將鋼渣用于膨脹土和軟黏土的改性中，改性后其土力學(xué)性質(zhì)取得了顯著改善。劉青云等[15]將鋼渣型復(fù)合基材應(yīng)用于淺層軟土固化中，得到鋼渣型復(fù)合基材，可有效提高軟土的強(qiáng)度。但是由于鋼渣生產(chǎn)工藝以及鋼渣成分等因素，使得鋼渣膠凝特性不易發(fā)揮。目前常用的鋼渣活性激發(fā)方式有三種，分別是物理激發(fā)、化學(xué)激發(fā)、熱力激發(fā)。張同生等[16]、趙鴻等[17]采用物理方式通過改變鋼渣的比表面積來激發(fā)鋼渣粉活性。Fathollah[18]、李玉祥等[19]采用不同堿激發(fā)劑對鋼渣活性進(jìn)行改善。

通過分析鋼渣與水泥的成分組成，可知鋼渣中缺乏活性鋁相成分，而且硅相和鈣相成分均有待進(jìn)一步提高。鄧永峰團(tuán)隊提出通過外加材料對鋼渣進(jìn)行成分增補(bǔ)，從而提高鋼渣基材料的活性。本文通過摻加偏高嶺土對鋼渣進(jìn)行鋁相的成分增補(bǔ)，同時使用NaOH作為激發(fā)劑對鋼渣-偏高嶺土材料進(jìn)行活性激發(fā)，并將此鋼渣基復(fù)合材料用于固化黏土，探究各組分最優(yōu)配比，明確早期固化效果和可行性。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

試驗土樣原材料取自淮南市泰豐大街某基坑場地，取土深度為2～5 m。試驗土樣原材料經(jīng)自然風(fēng)干、碾碎、過2 mm土篩，制成試驗備用土樣。根據(jù)《土工試驗方法標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T50123-2019)進(jìn)行土工試驗，得出主要物理參數(shù)見表1，擊實曲線見圖1。

表1 試驗土物理特性

圖1 試驗土擊實曲線

試驗鋼渣粉來自河北敬業(yè)鋼廠，呈灰黑色，鋼渣的粒徑細(xì)度為425目，比表面積455 m2/kg。密度2.87 g/cm3，堿度為2.74。試驗所用偏高嶺土來自上海靈動化工，呈米白色。土樣、鋼渣和偏高嶺土材料化學(xué)成分見表2。試驗所用的燒堿為江蘇省試劑廠所生產(chǎn)，純度為分析純，NaOH 含量≥96.0%。試驗用水取自當(dāng)?shù)刈詠硭?/p>

表2 膠凝材料主要化學(xué)成分 %

1.2 試驗方法

1.2.1 配比設(shè)計

為了比較不同偏高嶺土摻量與不同濃度NaOH對固化土早期力學(xué)性質(zhì)的影響，本試驗采用0.5倍的液限來計算固化土的加水量，加水量根據(jù)《公路工程無機(jī)結(jié)合料穩(wěn)定材料試驗規(guī)程》JTG E51-2009計算。為探究各組分最優(yōu)配比，設(shè)計加入不同濃度的NaOH作為激發(fā)劑，并加入不同摻量的偏高嶺土對鋼渣的鋁相和硅相進(jìn)行成分補(bǔ)充。對固化土進(jìn)行自然養(yǎng)護(hù)7 d。固化劑由偏高嶺土與鋼渣(S-MK)組成，摻量設(shè)定為15%(固化劑含量與干土質(zhì)量比)。保持固化劑總質(zhì)量不變，氫氧化鈉含量按照氫氧化鈉占固化劑的質(zhì)量百分比計算。偏高嶺土含量按照偏高嶺土與鋼渣質(zhì)量比計算，設(shè)計三組平行試驗，具體配比設(shè)計方案如下：固化劑中偏高嶺土與鋼渣質(zhì)量比值為0%、4%、6%、8%、10%、12%，共6組，每組S-MK混合料中對應(yīng)濃度為0%、3%、5%、7%四種不同濃度梯度NaOH，共計24種固化劑配比，試件數(shù)為：3×6×4=72塊。

1.2.2 試驗方法

試樣制備：根據(jù)設(shè)計加水量和設(shè)計NaOH濃度，將NaOH充分溶解于水溶液中，得到NaOH溶液。根據(jù)設(shè)計配合比，將干土和固化劑材料混合攪拌均勻，再加入NaOH的水溶液，繼續(xù)攪拌直至各組分混合均勻為止。最后，采用靜壓法將土樣制成直徑為50 mm、高為100 mm的圓柱樣，裝進(jìn)保鮮袋密封，放在自然條件下養(yǎng)護(hù)，養(yǎng)護(hù)齡期設(shè)計為7 d。

無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗：依據(jù)《土工試驗方法標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T50123-2019)，開展無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗，目的在于評價氫氧化鈉和偏高嶺土對鋼渣固化土早期力學(xué)性能的改善效果。采用WDW-500微機(jī)控制電子萬能試驗機(jī)分別進(jìn)行試驗。預(yù)加載荷0.05 kN，采樣間隔0.1 s，應(yīng)變速率1.0%/min，試驗結(jié)束條件為：力峰值后應(yīng)變增加3.0%、應(yīng)變大于20.0%。

2 試驗結(jié)果分析

2.1 偏高嶺土含量對固化土早期無側(cè)限抗壓強(qiáng)度的影響

本試驗鋼渣固化土試件選用自然養(yǎng)護(hù)7 d，加水量取0.5倍的液限為試驗試件進(jìn)行無側(cè)限抗壓強(qiáng)度，試驗結(jié)果如圖2所示。由圖2可知，隨著偏高嶺土含量的增加，試件無側(cè)限抗壓強(qiáng)度先增大后減小，但是在NaOH濃度為0%時，偏高嶺土含量不斷提高，試件的抗壓強(qiáng)度提高并不顯著。產(chǎn)生上述現(xiàn)象的原因是：①鋼渣早期活性的鋁相、硅相含量偏低，隨著偏高嶺土的摻入，對鋼渣成分進(jìn)行增補(bǔ)，在鋼渣水化反應(yīng)中提供早期水化所需要鋁相和硅相成分，從而提高試件的早期抗壓強(qiáng)度；②偏高嶺土在水化活動中反應(yīng)生成鈣礬石，填充孔隙，提高試件抗壓強(qiáng)度；③當(dāng)偏高嶺土含量持續(xù)增加時，試件中的偏高嶺土并未全部參加水化反應(yīng)，偏高嶺土自身結(jié)構(gòu)松散，黏結(jié)性較弱，未參與反應(yīng)的偏高嶺土對試件的抗壓強(qiáng)度產(chǎn)生反作用，導(dǎo)致試件抗壓強(qiáng)度降低；④偏高嶺土的加入更多是對鋼渣的成分進(jìn)行增補(bǔ)，并沒有提供充足的OH-來激發(fā)鋼渣活性，僅有偏高嶺土的摻入對鋼渣早期活性的影響并不顯著。

圖2 偏高嶺土含量與抗壓強(qiáng)度的關(guān)系

圖3 不同濃度NaOH與抗壓強(qiáng)度的關(guān)系

由圖2還可知：隨著NaOH的加入，會影響試件中偏高嶺土成分達(dá)到臨界值的摻量，使得試件達(dá)到最大抗壓強(qiáng)度時偏高嶺土含量增加。當(dāng)NaOH的濃度小于3%時，試件達(dá)到最大抗壓強(qiáng)度時偏高嶺土含量為6%；當(dāng)NaOH的濃度超過3%時，試件達(dá)到最大抗壓強(qiáng)度時偏高嶺土含量為10%。這是因為鋼渣中的f-CaO，在NaOH提供OH-的作用下加快了水化反應(yīng)，生成Ca(OH)2，而水化生成的Ca(OH)2再與鋼渣和偏高嶺土中的SiO2、Fe2O3、Al2O3等反應(yīng)生成相應(yīng)的水化產(chǎn)物，即水化硅酸鈣(C-H-S)、水化鐵酸鈣(C-H-F)、水化鋁酸鈣(C-H-A)凝膠、鈣礬石(AFt)等物質(zhì)，在此反應(yīng)的進(jìn)行中Ca(OH)2和NaOH需要消耗大量的偏高嶺土，使得偏高嶺土達(dá)到最優(yōu)摻量的用量推遲。同時，在NaOH和偏高嶺土的共同作用下，鋼渣固化土試件早期抗壓強(qiáng)度得到顯著提升，當(dāng)NaOH濃度為7%，偏高嶺土含量為10%時，試件早期抗壓強(qiáng)度達(dá)到最大為0.793 MPa。

2.2 不同濃度NaOH對固化土早期無側(cè)限抗壓強(qiáng)度的影響

試驗得出不同濃度的NaOH與試件早期抗壓強(qiáng)度的關(guān)系見圖3。由圖3可知：試件的強(qiáng)度隨著NaOH濃度的增加而提高，在不同偏高嶺土含量的試件中，當(dāng)NaOH濃度為0%時，試件的抗壓強(qiáng)度最低為0.177 MPa，當(dāng)NaOH濃度達(dá)到7%，試件的抗壓強(qiáng)度均達(dá)到最大，最高可達(dá)0.793 MPa。這是由于鋼渣中的 C2S存在形式大多為γ-C2S，γ-C2S的水化活性低，需要一定濃度的OH-條件下才能進(jìn)行。隨著NaOH含量的增加，OH-直接參與γ-C2S的水化，提高鋼渣早期水化速度；同時NaOH的加入提供的堿性環(huán)境，有利于鋼渣中玻璃體的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)發(fā)生破壞，使Si-O鍵和 Al-O 鍵更容易發(fā)生斷裂，使得鋼渣中玻璃體更易發(fā)生解聚，提高水化反應(yīng)速率，激發(fā)鋼渣的活性，使其釋放出Ca2+和硅(鋁)氧四面體，不斷生成C-S-H凝膠，提高試件的早期強(qiáng)度。

從強(qiáng)度增長速度來看，當(dāng)偏高嶺土含量不超過4%時，NaOH濃度從3%提高到5%時，試件的強(qiáng)度增長率最大，隨著NaOH濃度繼續(xù)提高時強(qiáng)度增長趨勢有所減緩。產(chǎn)生的原因可能在于隨著NaOH濃度的不斷提高，鋼渣受到強(qiáng)堿溶液侵蝕，鋼渣顆粒自身和鋼渣的水化產(chǎn)物發(fā)生裂解，產(chǎn)生孔隙，與土顆粒膠結(jié)形成的骨架遭到破壞，試件強(qiáng)度增長減緩；同時NaOH濃度越高的試樣，試驗用土表面存在的K+、Na+等離子與鋼渣水化產(chǎn)生的Ca2+離子發(fā)生交換吸附作用，當(dāng)溶液中的 Na+過多時，交換吸附作用被削弱，顆粒之間距離增大，土顆粒間的摩擦力減小，強(qiáng)度增長速率降低。當(dāng)偏高嶺土含量超過4%時，不同濃度的NaOH對試件強(qiáng)度增長率影響趨于穩(wěn)定。這是由于隨著偏高嶺土的含量增加，NaOH的濃度對鋼渣的活性的影響不再起主導(dǎo)作用，鋼渣活性的激發(fā)由偏高嶺土摻量和NaOH的濃度共同作用。

3 結(jié)論

本文通過對不同濃度NaOH和不同摻量偏高嶺土共同作用下，鋼渣基材料對黏土的早期固化效果進(jìn)行研究，得出以下結(jié)論：

(1)偏高嶺土摻量存在臨界值，此摻量的偏高嶺土能夠提高鋼渣固化土早期強(qiáng)度。當(dāng)超過臨界摻量時，會減小固化土早期強(qiáng)度，同時偏高嶺土最優(yōu)含量隨著NaOH濃度的增加而增加。

(2)NaOH的摻入為鋼渣水化反應(yīng)提供一定的堿性環(huán)境，促進(jìn)鋼渣的水化，提高鋼渣固化土早期強(qiáng)度。但過高的NaOH濃度會減緩鋼渣固化土早期強(qiáng)度的增長趨勢。

(3)當(dāng)偏高嶺土與NaOH共同作用時，鋼渣固化土強(qiáng)度增長趨勢受到二者共同作用，當(dāng)偏高嶺土摻量達(dá)到10%，NaOH濃度達(dá)到7%時，鋼渣固化土早期強(qiáng)度達(dá)到最大。