楊善東

（洛陽市公路事業(yè)發(fā)展中心，河南洛陽 471000）

受資源稟賦、能源結構等因素影響，目前我國赤泥、鋼渣、煤矸石、鋁土礦尾礦等大宗固廢面臨產(chǎn)生強度高、利用不充分等問題，大宗固廢累計堆存量約600 億t，年新增堆存量近30 億t［1］，占用大量土地資源，嚴重影響生態(tài)環(huán)境［2］. 提高大宗固廢綜合利用率，探尋固廢資源化利用新途徑已成為亟須解決的問題.

與此同時，我國公路交通發(fā)展迅速，受地質條件影響，部分路基土強度不足，需要膠凝材料穩(wěn)固. 傳統(tǒng)施工工藝采用的水泥［3］、生石灰［4-5］等膠凝材料存在能耗高、污染重等問題. 利用工業(yè)廢渣配制固化劑穩(wěn)定路基土，可改善土體強度及穩(wěn)定性，提高固廢利用率［6-7］，減少石灰、水泥等傳統(tǒng)固化改良劑的使用，符合國家固廢循環(huán)利用和生態(tài)環(huán)保的發(fā)展理念［8］.

已有研究表明，赤泥、鋼渣、煤矸石、鋁土礦尾礦、礦渣、粉煤灰、脫硫石膏等工業(yè)廢渣具有潛在膠凝活性［9-10］，可用于穩(wěn)定路基土或填筑路基. 杜延軍等［11］以土基CBR、回彈模量和貫入阻力等作為評價指標，對比分析了電石渣和生石灰分別穩(wěn)定過濕黏土路基填料性能，結果表明電石渣優(yōu)于生石灰；田朋飛等［12］基于擊實性能試驗、循環(huán)崩解試驗、CBR試驗和剪切試驗，分析電石渣穩(wěn)定花崗巖殘積土的性能及電石渣合理摻量，結果表明電石渣穩(wěn)定后的花崗巖殘積土性能顯著提升，電石渣摻量宜為5%～7%；王士革等［13］基于正交試驗分析了石灰-鋼渣穩(wěn)定土抗壓強度影響因素，發(fā)現(xiàn)鋼渣摻量和粒徑大小對穩(wěn)定土后期強度具有顯著影響，鋼渣可替代部分石灰或水泥穩(wěn)定路床填料；尹平保等［14］通過室內(nèi)試驗和現(xiàn)場足尺試驗研究了鎳鐵渣加筋路堤土的填筑方法及應用效果；張向東和任昆［15］基于GDS動態(tài)三軸試驗系統(tǒng)在不同圍壓及頻率下研究了煤渣改良土的動彈性模量以及臨界動應力；李庶安等和崔宏環(huán)等［16-17］以煤矸石、鋼渣、黏土等工業(yè)廢渣為原材料制備土凝巖，并分析其穩(wěn)定黏性土的路用性能；李小重等［18］研究了復合再生膠凝材料的微觀特性及其穩(wěn)定膨脹土的路用性能. 由此可見，目前關于工業(yè)固廢穩(wěn)定土的研究主要采用一種或兩種固廢原材作為穩(wěn)定材料，關于多種廢渣復配共同發(fā)揮膠凝作用的相關研究仍處于探索階段，復合再生膠凝材料穩(wěn)定不同種類土的耐久性及強度形成機理等仍需進一步深入研究.

基于此，本文采用粉煤灰、磷石膏、鋼渣、煤矸石等工業(yè)廢渣為原材料，采用特定的配比組成和加工工藝制備工業(yè)廢渣復合再生膠凝材料（Composite reclaimed cementitious material from industrial waste residue，簡稱RCI），利用多種工業(yè)廢渣的有效成分發(fā)揮協(xié)同改良功效，并以某高速公路路基粉砂土為應用對象，分析RCI 穩(wěn)定粉砂土力學性能、耐久性和強度形成機理，以期為RCI 穩(wěn)定粉砂土的進一步推廣應用提供參考.

1 原材料及試驗方法

1.1 原材料

1）RCI由粉煤灰、礦渣粉、尾礦等工業(yè)廢渣烘干粉磨而成，生產(chǎn)設備簡單，在水泥粉磨站的基礎上適當改造后可批量生產(chǎn)，具體生產(chǎn)工藝如下：①將燒結法赤泥、鋁土礦尾礦、鈦石膏、鋁土礦尾礦、電石渣、礦渣粉等原材料分別脫水至含水率低于1%，并研磨成粒徑小于1 mm的顆粒. ②按照設定比例研磨至粒徑小于300目，即可得到RCI. 根據(jù)土質的物理、化學性質不同，RCI 各組分的質量分數(shù)存在差異，生產(chǎn)工藝參數(shù)不完全相同，但生產(chǎn)工藝流程一致.

2）水泥采用市售P·O 42.5 水泥，檢測指標均滿足《通用硅酸鹽水泥》（GB 175—2007）和《土壤固化外加劑》（CJT 486—2015）要求.

3）粉砂土的土樣取自沿黃河地區(qū)某高速公路路基，粒徑分布如表1所示.

表1 各顆粒范圍組成Tab.1 Composition content of each particle range

通過液塑限聯(lián)合測定法測得土樣液限wL為33.8%，小于50%；塑限wP為26.2%，塑性指數(shù)為7.6. 根據(jù)《公路土工試驗規(guī)程》（JTG E40—2007）土樣分類方法中塑性圖，當液限為33.8%時，A線Ip=10.074，土樣的塑性指數(shù)位于A線以下，液限位于B線以左，確定土樣為低液限粉土. 該類土穩(wěn)定性及強度較差，不易固結，不可直接作為高速公路路基填土.

1.2 試驗方法

1.2.1 穩(wěn)定土力學性能試驗

根據(jù)擊實試驗所得土的最佳含水率和最大干密度，按98%的壓實度采用靜力壓實法制備直徑50 mm、高50 mm的試件，參照《公路工程無機結合料穩(wěn)定材料試驗規(guī)程》（JTG E51—2009）分別進行無側限抗壓強度試驗和彎拉強度試驗，參照《土壤固化外加劑》（CJT 486—2015）進行4 h凝結時間影響系數(shù)試驗，參照《公路土工試驗規(guī)程》（JTG E40—2007）進行CBR試驗.

1.2.2 穩(wěn)定土耐久性能試驗

在最佳含水率和最大干密度下，進行RCI穩(wěn)定土和水泥穩(wěn)定土的耐久性試驗.

1）抗收縮性能參照《公路工程無機結合料穩(wěn)定材料試驗規(guī)程》（JTG E51—2009）分別進行干縮試驗、溫縮試驗.

2）抗凍融循環(huán)性能參照JTG E51—2009進行凍融循環(huán)試驗，最高凍融循環(huán)次數(shù)選定為8次. 養(yǎng)生90 d的試件在經(jīng)歷不同凍融循環(huán)次數(shù)后，測試兩種穩(wěn)定土凍融循環(huán)后抗壓強度及抗壓強度殘留比，其中抗壓強度殘留比為凍融后與凍融前抗壓強度的比值.

3）疲勞試驗參照《公路工程無機結合料穩(wěn)定材料試驗規(guī)程》（JTG E51—2009），采用三分點施加Havesine波的動態(tài)周期性的壓應力荷載模式，以穩(wěn)定土最大彎拉強度為基準，應力強度比分別設定為0.5、0.6和0.7，選擇RCI和水泥摻量為4%的穩(wěn)定土分別進行疲勞試驗［19］.

1.2.3 微觀分析

1）XRD分析采用日本島津XRD-7000型X射線衍射儀. 將膠凝材料摻量為4%的水泥穩(wěn)定粉砂土試件和RCI穩(wěn)定粉砂土試件，經(jīng)過90 d無側限抗壓試驗結束后，收集完整的較大塊的殘留試樣，將殘塊敲碎后挑選內(nèi)部的小塊，放入烘箱中烘干后研磨，再過325目篩得到的試樣粉末進行XRD試驗［20］.

2）SEM分析采用JSM-6390A型掃描電子顯微鏡，放大倍數(shù)為1000～10 000倍. 將膠凝材料摻量為4%的水泥和RCI穩(wěn)定粉砂土試件，經(jīng)過90 d無側限抗壓試驗結束后，收集完整的較大塊的殘留試樣，將殘塊敲碎后挑選內(nèi)部約1 cm×1 cm 的扁平小塊，烘干后粘在試樣板上. 為使試樣表面導電對試樣鍍金處理，然后放入潔凈的鋁盒中標記待測.

2 結果及討論

2.1 穩(wěn)定土力學性能

RCI和水泥穩(wěn)定土擊實試驗及CBR強度測試結果如表2所示，力學強度測試結果如圖1所示，4 h凝結時間影響系數(shù)如圖2所示.

圖1 RCI和水泥穩(wěn)定土力學強度測試結果Fig.1 Results of mechanical strength test of RCI and cement stabilized soil

表2 RCI和水泥穩(wěn)定土擊實試驗及CBR強度Tab.2 Compaction test and CBR strength of RCI and cement stabilized soil

由表2分析可知，相同摻量下，RCI穩(wěn)定土的最大干密度和最佳含水率略高于水泥穩(wěn)定土，RCI穩(wěn)定土的CBR強度高于水泥穩(wěn)定土，前者約為后者的1.1～1.2倍.

由圖1分析可知，在抗壓強度方面，兩種類型膠凝材料穩(wěn)定土抗壓強度隨著養(yǎng)生時間增加逐漸增加. 在RCI摻量分別為3%、4%和5%時，RCI穩(wěn)定土7 d到28 d抗壓強度分別增長了1.1倍、0.9倍和0.7倍，28 d到90 d抗壓強度分別增長了0.3倍、0.2倍、0.3倍. 在水泥摻量分別為3%、4%和5%時，水泥穩(wěn)定土7 d到28 d抗壓強度分別增長了0.4倍、0.4 倍和0.3 倍，28 d 到90 d 抗壓強度分別增長了0.2 倍、0.3倍、0.2倍. 這表明隨著養(yǎng)生時間增加，RCI穩(wěn)定土的抗壓強度增長幅度顯著高于水泥穩(wěn)定土，尤其是7 d到28 d齡期段.

在相同膠凝材料摻量下，RCI穩(wěn)定土和水泥穩(wěn)定土7 d齡期時抗壓強度差別并不明顯，但是隨著養(yǎng)生時間增加，由于RCI穩(wěn)定土的強度增長幅度高于水泥穩(wěn)定土，28 d齡期和90 d齡期時，RCI穩(wěn)定土的抗壓強度顯著高于水泥穩(wěn)定土. 在膠凝材料摻量分別為3%、4%和5%時，28 d齡期時RCI穩(wěn)定土的抗壓強度分別為水泥穩(wěn)定土抗壓強度的1.5 倍、1.4 倍和1.3倍；90 d齡期時分別為1.6倍、1.3倍和1.4倍.

兩種膠凝材料彎拉強度變化規(guī)律與無側限抗壓強度整體變化規(guī)律基本一致，7 d齡期時彎拉強度差異不顯著，隨著養(yǎng)生時間增加至28 d 和90 d齡期，RCI 穩(wěn)定土的彎拉強度高于水泥穩(wěn)定土. 由于RCI 凝結時間長，具有足夠的可施工時間.

由圖2 可知，RCI穩(wěn)定土的4 h凝結時間影響系數(shù)顯著高于水泥穩(wěn)定土. RCI穩(wěn)定土停放4 h后成型試件強度基本無強度損失，水泥穩(wěn)定土停放4 h后成型試件強度約為立即成型試件抗壓強度的80%～85%.

圖2 RCI和水泥穩(wěn)定土4 h凝結時間影響系數(shù)Fig.2 Influence coefficient of 4 h setting time of RCI and cement stabilized soil

2.2 土凝巖穩(wěn)定土耐久性能

2.2.1 干縮

選定3%和4%兩個膠凝材料摻量，水泥穩(wěn)定土和RCI穩(wěn)定土不同齡期下的累計失水率和干縮系數(shù)如圖3所示.

由圖3（a）分析可知，隨著齡期增加，不同膠凝材料穩(wěn)定土的累計失水率均逐漸增加，但失水率變化趨勢存在差異. 水泥穩(wěn)定土累計失水率前期增長較快，約從17 d齡期后失水速率開始降低，逐步趨于穩(wěn)定. RCI穩(wěn)定土7 d 前失水率增長較快，7 d到14 d 增長速度減慢，從14 d齡期后失水率先增長較快最后趨于穩(wěn)定. 到30 d齡期時，水泥穩(wěn)定土的失水率高于RCI穩(wěn)定土. 膠凝材料摻量為4%的失水率高于摻量為3%的穩(wěn)定土失水率. 由圖3（b）分析可知，隨著測試時間增加，水泥和RCI穩(wěn)定土的干縮系數(shù)14 d齡期前逐漸增大并達到峰值，14 d后逐漸減小并趨于穩(wěn)定. 相同膠凝材料摻量時，RCI穩(wěn)定土干縮系數(shù)峰值顯著低于水泥穩(wěn)定土；相同膠凝材料類型時，摻量越高，穩(wěn)定土干縮系數(shù)越大.

圖3 不同齡期下的穩(wěn)定土累計失水率及干縮系數(shù)Fig.3 Cumulative water loss rate and dry shrinkage coefficient of stabilized soil at different ages

水泥穩(wěn)定土前期水分較多，主要是由于前期自由水含量較多，水分更容易揮發(fā)；后期隨著水化反應進行，部分自由水轉化為結合水，且穩(wěn)定土整體含水量降低，使失水率降低. RCI穩(wěn)定土7～14 d失水率增長較緩是由于RCI仍在進行水化反應，結合水含量較多，且RCI膠凝材料中部分成分具有一定保水作用. 兩種膠凝材料穩(wěn)定土干縮系數(shù)前期增長較快，干縮明顯，主要是前期水化速率和水分蒸發(fā)較快，水化后形成較多孔隙，且穩(wěn)定土強度較低，抗收縮性能低. 后期隨著水化速率降低和水分蒸發(fā)變緩，干縮系數(shù)減小并趨于穩(wěn)定. RCI穩(wěn)定土總體抗干縮性能優(yōu)于水泥穩(wěn)定土.

2.2.2 溫縮

選擇膠凝材料摻量為4%，兩種穩(wěn)定土不同溫度區(qū)間下溫縮系數(shù)如圖4所示. 溫度區(qū)間內(nèi)體積減小時，溫縮系數(shù)記為負值；體積增大時記為正值.

由圖4分析可知，在0 ℃以上時，水泥穩(wěn)定土和RCI穩(wěn)定土溫縮系數(shù)為負值，穩(wěn)定土體積減小. 溫度區(qū)間溫度越高，溫縮系數(shù)絕對值越大，對應的溫縮應變越大，但溫縮應變絕對值均在30×10-6以內(nèi). 相同溫度區(qū)間下，RCI穩(wěn)定土溫縮系數(shù)絕對值低于水泥穩(wěn)定土，表明RCI穩(wěn)定土溫縮應變較小. 隨著溫度降低，溫縮系數(shù)絕對值減小，相鄰溫度區(qū)間內(nèi)穩(wěn)定土溫縮應變變化速率減緩. 當溫度小于0 ℃時，由于穩(wěn)定土內(nèi)部所含少量水分結冰膨脹，在-10～0 ℃范圍內(nèi)兩種穩(wěn)定土溫縮系數(shù)為正值，穩(wěn)定土體積開始略微膨脹，但RCI 穩(wěn)定土膨脹率較小.

圖4 穩(wěn)定土溫縮性能Fig.4 Temperature shrinkage of stabilized soil

2.2.3 凍融循環(huán)

在膠凝材料摻量為4%時，凍融循環(huán)試驗結果如圖5所示.

由圖5 分析可知，隨著凍融循環(huán)次數(shù)增加，凍融循環(huán)后兩種穩(wěn)定土抗壓強度和抗壓強度殘留比均逐漸減小. 在凍融循環(huán)次數(shù)不超過4次時，凍融循環(huán)后強度衰減較慢，殘留比均在80%以上；當凍融循環(huán)大于4次時，強度衰減速率增加；當凍融循環(huán)8 次時，凍融循環(huán)后抗壓強度殘留比僅為50%以上. 相同凍融循環(huán)次數(shù)下，RCI 穩(wěn)定土的抗壓強度及強度殘留比高于水泥穩(wěn)定土，當凍融循環(huán)8次時，RCI穩(wěn)定土殘留強度比為63%，水泥穩(wěn)定土強度比為52%，前者抗壓強度約為后者的1.5 倍. RCI 穩(wěn)定土抗凍融循環(huán)性能優(yōu)于水泥穩(wěn)定土是由于RCI 穩(wěn)定土后期水化程度更高，穩(wěn)定土強度較高，同時RCI穩(wěn)定土更加致密，空隙較小，抗凍融損傷性能更好.

圖5 不同凍融循環(huán)次數(shù)下抗壓強度及殘留比Fig.5 Compressive strength and residual ratio under different freeze-thaw cycles

2.2.4 疲勞

兩種穩(wěn)定土疲勞試驗結果如表3所示. 由于疲勞試驗結果離散性較大，采用Weibull分布評估不同穩(wěn)定土疲勞壽命［21-22］. 首先進行Weibull分布檢驗，具體步驟為：①將每個應力水平下試驗結果按從小到大排序；②計算第i個試驗結果的存活率p=1-i/(1+n)，n為每個試驗條件下平行試驗個數(shù)，本研究中n=3；③針對每個疲勞壽命試驗結果，計算lg(NP-N0)和-ln(ln(1/p))，其中N0取三個試驗結果中最小值的一半，即N0=Nmin/2；④以lg(NP-N0)為橫坐標，-ln(ln(1/p))為縱坐標，繪制散點圖，并進行線性回歸擬合；⑤根據(jù)線性回歸擬合方程及回歸系數(shù)，判定疲勞壽命試驗結果是否服從Weibull分布. 兩種穩(wěn)定土疲勞壽命試驗結果回歸圖和回歸方程分別如圖6和表4所示，表4中y代表-ln(ln(1/p))，x代表lg(NP-N0). 由圖6和表4分析可知，回歸方程相關系數(shù)均在90%以上，兩種穩(wěn)定土疲勞壽命試驗結果服從Weibull分布.

表3 不同應力比下穩(wěn)定土疲勞試驗結果（n=3）Tab.3 Fatigue test results of stabilized soil under different stress ratios（n=3）

圖6 穩(wěn)定土疲勞試驗結果Weibull分布檢驗回歸圖Fig.6 Weibull distribution test regression diagram of fatigue test results of stabilized soil

表4 穩(wěn)定土疲勞試驗結果Weibull分布檢驗回歸方程Tab.4 Regression equation of Weibull distribution test results of stable soil fatigue test

由于不同應力強度比下，兩種穩(wěn)定土疲勞壽命試驗結果均服從Weibull分布，可根據(jù)不同應力強度比下疲勞壽命與保證率回歸方程計算出不同保證率下的疲勞壽命. 分別令p=95%和50%，得到保證率為95%和50%時，不同應力強度比下兩種穩(wěn)定土疲勞壽命如圖7所示.

由圖7 分析可知，隨著應力強度比增加，兩種穩(wěn)定土的疲勞壽命顯著降低. 應力強度比由0.5 增加到0.6時，兩種穩(wěn)定土疲勞壽命降低幅度約為70%；增加到0.7 時，疲勞壽命衰減幅度約為90%. 水泥穩(wěn)定土在0.6 應力強度比時，50%保證率下疲勞壽命約為95%保證率疲勞壽命的13 倍；其余情況下兩種穩(wěn)定土50%保證率時疲勞壽命約為95%保證率疲勞壽命的5～8 倍. 95%保證率下，在應力強度比分別為0.5、0.6和0.7時，RCI穩(wěn)定土的疲勞壽命分別為水泥穩(wěn)定土的1.24、1.90、0.91倍；在50%保證率下，對應的倍數(shù)分別為1.13、1.14、1.02倍，表明在0.5和0.6應力強度比下，RCI穩(wěn)定土的疲勞壽命優(yōu)于水泥穩(wěn)定土，在0.7應力強度比下兩者疲勞壽命基本相當且顯著降低.

圖7 不同保證率下穩(wěn)定土疲勞壽命Fig.7 Fatigue life of stabilized soil under different guarantee rates

2.3 土凝巖強度形成機理

2.3.1 XRD分析

不同膠凝材料穩(wěn)定土X 射線衍射分析結果如圖8 所示. 對比圖8 中圖譜可知，與水泥穩(wěn)定土的X 射線衍射圖相比，RCI 穩(wěn)定土的衍射圖譜增加了物質A 的波峰，同時物質B 和物質C 的波峰強度明顯高于水泥穩(wěn)定土.

圖8 穩(wěn)定土X射線衍射分析圖Fig.8 X-ray diffraction analysis of stabilized soil

分析可知物質A為鈣礬石（即水化硫鋁酸鈣，2θ=9.06°）. RCI穩(wěn)定粉砂土中出現(xiàn)鈣礬石是由于RCI原材料中磷石膏包含硫酸根離子，鋁土礦尾礦包含大量Al3+離子，這些離子與Ca2+離子反應生成鈣礬石. 同時粉煤灰中的Al2O3與Ca（OH）2以及液相中固有的鈣離子反應生成水化鋁酸鈣，水化鋁酸鈣與硫酸根離子亦可進一步反應生成鈣礬石. 該反應主要過程如下：

鈣礬石作為一種鈣鋁硫酸鹽礦物，能夠有效提高固化粉砂土的抗壓強度. 同時，鈣礬石具有一定的膨脹性，能夠填補固化粉砂土內(nèi)的細微空隙，提高穩(wěn)定土密實度，利于后期強度增長. 物質B為SiO2（2θ=20.76°，26.54°），其波峰最強，主要是由于SiO2是粉砂土主要成分. RCI穩(wěn)定土峰強高于水泥穩(wěn)定土是由于RCI含有粉煤灰等成分，這些成分中亦含有較多SiO2. 物質C為水化硅酸鈣（2θ=29.22°，50.53°），其化學式為Ca5Si6O16（OH）·4H2O，是硅酸三鈣、硅酸二鈣水化反應的主要產(chǎn)物，對穩(wěn)定土強度具有重要作用. 水泥、鋼渣、礦渣粉、燒結法赤泥、粉煤灰等水化反應均會生成水化硅酸鈣.

RCI穩(wěn)定土強度高于水泥穩(wěn)定土是由于RCI水化產(chǎn)物中增加了鈣礬石，且水化硅酸鈣含量顯著高于水泥水化產(chǎn)物，鈣礬石和水化硅酸鈣共同作用提高穩(wěn)定土強度，較高的水化產(chǎn)物含量利于RCI穩(wěn)定土后期強度增長.

2.3.2 SEM分析

兩種穩(wěn)定土試樣放大2000倍下的SEM圖如圖9所示. 由圖9分析可知，RCI 穩(wěn)定土微觀形貌更加密實均勻，僅存在少量細微裂縫，顆粒均勻且較大，整體性較好. 水泥穩(wěn)定土微觀形貌相對松散，含有較多空隙，顆粒較小且不均勻. 兩種穩(wěn)定土微觀形貌的差異表現(xiàn)在宏觀上為RCI穩(wěn)定土的強度優(yōu)于水泥穩(wěn)定土.

圖9 穩(wěn)定土SEM圖Fig.9 SEM of stabilized soil

3 結論

1）相同摻量下，RCI穩(wěn)定土CBR約為水泥穩(wěn)定土的1.1～1.2倍；兩種穩(wěn)定土初期抗壓強度和彎拉強度相當，隨著養(yǎng)護時間增加，RCI穩(wěn)定土的強度顯著高于水泥穩(wěn)定土；至90 d齡期時，RCI穩(wěn)定土的強度約為水泥穩(wěn)定土的1.3倍以上.

2）相同摻量下，RCI穩(wěn)定土干縮和溫縮性能優(yōu)于水泥穩(wěn)定土；經(jīng)過相同凍融循環(huán)次數(shù)后，RCI穩(wěn)定土抗壓強度和抗壓強度殘留比高于水泥穩(wěn)定土；在0.5 和0.6 應力強度比下，RCI 穩(wěn)定土的疲勞壽命優(yōu)于水泥穩(wěn)定土，在0.7應力強度比下兩者疲勞壽命基本相當且顯著降低.

3）RCI穩(wěn)定土強度高于水泥穩(wěn)定土是由于RCI水化產(chǎn)物中增加了鈣礬石，且水化硅酸鈣含量顯著高于水泥水化產(chǎn)物，鈣礬石和水化硅酸鈣共同作用提高穩(wěn)定土強度. RCI穩(wěn)定土微觀形貌更加密實均勻，整體性較好；水泥穩(wěn)定土微觀形貌相對松散，含有較多微空隙.