曾 路，任員良，董元浩，徐培芝，魏小凡

(重慶大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，重慶 400045)

0 前 言

我國正處于大量基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的時期。由此帶來兩個特別需要關(guān)注的問題，一是建設(shè)過程中產(chǎn)生的大量建筑垃圾，另一個是天然資源的大量消耗。我國大部分地區(qū)處理渣土的方法較為常規(guī)，如：填埋、焚燒。建筑垃圾中含有強酸、強堿、硫化物等物質(zhì)會進入水、土壤、空氣，造成土壤破壞、水體和空氣污染、影響市容和環(huán)境衛(wèi)生，帶來持續(xù)的環(huán)境污染。

公路是現(xiàn)代運輸?shù)闹髁?，極大程度影響國家經(jīng)濟發(fā)展，同時也是大量消耗天然砂石等資源的國民基礎(chǔ)設(shè)施項目[1]，如果能將建筑渣土固化處理后用作路基材料，則可以在實現(xiàn)工業(yè)廢棄物資源化的同時在一定程度上解決公路原材料短缺問題。在路基處理中，需克服兩大問題：第一，建筑渣土成分復(fù)雜，黏土質(zhì)含量較高，不利于充分固化且固化成本較高；第二，傳統(tǒng)的無機材料進行土壤固化時，固化土干縮大，易開裂且水穩(wěn)性差[2]。

土壤固化劑由無機材料或者有機材料組成，可以改善渣土的組成結(jié)構(gòu)，從而對其起到固化作用，是一種環(huán)保節(jié)能的新型工程材料。本文采用礦渣和粉煤灰為主要原料，以生石灰或熟石灰為堿性激發(fā)劑，制備土壤固化劑，通過7 d膠砂強度確定土壤固化劑的最佳配比，研究了土壤固化劑的摻量對固化土7 d無側(cè)限抗壓強度和水穩(wěn)性的影響，并通過掃描電鏡分析固化機理。

1 試驗材料與試驗方法

1.1 試驗材料

1)建筑渣土：試驗所用渣土為重慶市某工地上的工程渣土，依據(jù)《土工試驗方法標準》(GB/T 50123—2019)，測定了渣土的物理性能指標，結(jié)果如表1所示。

表1 試驗土基本物理力學(xué)性能

2)礦渣：由河南遠恒環(huán)保工程有限公司提供，化學(xué)成分如表2所示。

表2 礦渣主要化學(xué)成分 %

3)粉煤灰：由河北投沙河發(fā)電責(zé)任有限公司提供，為F類二級粉煤灰，其性質(zhì)參數(shù)見表3。

表3 粉煤灰性質(zhì)參數(shù) %

4)生石灰：由河南遠恒環(huán)保工程有限公司提供，有效鈣含量大于90%，雜質(zhì)小于5%。

5)熟石灰：由南京寶熱化工有限公司提供，氫氧化鈣含量為95%，細度為300目。

1.2 試驗方法

測試礦渣-粉煤灰-石灰基膠凝材料的成型和力學(xué)性能測試參照《水泥膠砂強度檢驗方法》(GB/T 17671—1999)，從壓碎的樣品中取樣并用無水乙醇浸泡終止其水化，在45℃的真空干燥箱中烘干24 h，經(jīng)噴金處理后在Quattro S環(huán)境掃描電鏡下觀察樣品的微觀形貌。

固化土制備過程如下：①將試驗土過4.75 mm篩，然后在105℃烘箱中烘24 h；②用電子天平分別稱取預(yù)先計算好的干土、固化劑和水，水固比為0.1；③先使用分散機將固化劑組分攪拌均勻；④采用JJ-5水泥膠砂攪拌機先將固化劑和干土混合均勻，再倒入水，攪拌均勻；⑤將攪拌后的混合土裝入直徑為50 mm，高度為50 mm的圓柱形模具中，在15 MPa下壓制成型；⑥脫模后，將試塊放入養(yǎng)護室，養(yǎng)護室的溫度為20℃，相對濕度為95%。

當(dāng)試樣養(yǎng)護到預(yù)定齡期后，對其進行力學(xué)性能測試，檢測方法參照《公路工程無機結(jié)合料穩(wěn)定材料試驗規(guī)程》(JTG E 51—2009)。

2 試驗結(jié)果與討論

2.1 石灰摻量對膠砂強度的影響

按照《水泥膠砂強度檢驗方法》(GB/T 17671—1999)，膠砂的質(zhì)量配合比為一份膠凝材料、三份標準砂和半份水，本實驗的膠凝材料為礦渣和石灰，石灰摻量為石灰占膠凝材料的質(zhì)量比，實驗結(jié)果見圖1。

圖1 石灰摻量對膠砂7 d抗壓強度的影響

實驗結(jié)果表明，生石灰作為堿性激發(fā)劑的膠砂7 d抗壓強度遠大于熟石灰作為堿性激發(fā)劑的膠砂7 d抗壓強度。隨著生石灰摻量的增加，膠砂的7 d抗壓強度也隨之增大，當(dāng)生石灰摻量為25%時，強度達到最大，為26 MPa；隨著熟石灰摻量的增加，膠砂的7 d抗壓強度也隨之增大，當(dāng)熟石灰摻量為25%時，強度達到最大，為14.8 MPa。這是由于無論是生石灰還是熟石灰作為堿性激發(fā)劑，都是通過生成Ca(OH)2來激發(fā)礦渣活性的，隨著石灰摻量的增加，液相中的OH-濃度增加，可加速破壞礦渣內(nèi)部的Al-O鍵和Si-O鍵，生成活性Al2O3和SiO2，加速水化反應(yīng)進程，提高膠砂早期強度[6]。

生石灰的激發(fā)效果優(yōu)于熟石灰，一方面可能是由于生石灰水化放出大量熱，更有利于激發(fā)礦渣的活性；另一方面，生石灰能夠提供更多的Ca2+，生成更多的水化產(chǎn)物。同時，生石灰自身水化生成Ca(OH)2，不僅為激發(fā)礦渣活性提供了堿性環(huán)境，而且為膠砂提供了強度。

2.2 生石灰摻量對膠砂軟化系數(shù)的影響

標準養(yǎng)護7 d后，膠砂軟化系數(shù)測定方法按照《煤和巖石物理力學(xué)性質(zhì)測定方法 第7部分》(GB/T 23561.7—2009)測試。干燥條件為在105℃烘箱中干燥24 h，飽和水狀態(tài)為在20℃的靜水容器中浸泡24 h，水沒過試塊上表面至少5 cm，測試結(jié)果如圖2～3所示。

圖2 生石灰摻量對不同狀態(tài)下膠砂7 d抗壓強度的影響

圖3 生石灰摻量對膠砂7 d軟化系數(shù)的影響

實驗結(jié)果表明，隨著生石灰摻量的增加，膠砂7 d抗壓強度雖然增大，但其軟化系數(shù)隨之下降。當(dāng)生石灰摻量超過15%，軟化系數(shù)出現(xiàn)大幅度減小，由原來的0.88下降到0.78。這表明，當(dāng)生石灰摻量超過15%后，不僅作為堿性激發(fā)劑，而且其自身水化對膠砂強度有重要貢獻。綜合考慮膠砂強度和軟化系數(shù)，確定生石灰的摻量為10%，此時膠砂的軟化系數(shù)為0.90。

2.3 粉煤灰摻量對膠砂強度的影響

本組試驗固定生石灰摻量占膠凝材料總量的10%，粉煤灰摻量為粉煤灰占粉煤灰和礦渣的總質(zhì)量比，實驗結(jié)果如圖4所示。

圖4 粉煤灰摻量對膠砂7 d抗壓強度的影響

由圖4可知，隨著粉煤灰摻量的增加，膠砂的7 d抗壓強度整體呈下降趨勢，原因可能為粉煤灰的火山灰活性較弱，需要更多的時間才能發(fā)生火山灰反應(yīng)，而礦渣的活性較強，早期反應(yīng)更快。但粉煤灰在經(jīng)濟性上要優(yōu)于礦渣，且可能會為后期強度發(fā)展提供保障，綜合考慮經(jīng)濟性和強度發(fā)展，選取粉煤灰的摻量為10%。所以固化劑的配合比為：生石灰10%、礦渣81%和粉煤灰9%。

2.4 固化劑摻量對固化土7 d無側(cè)限抗壓強度和水穩(wěn)系數(shù)的影響

本組實驗固定水固比為0.1，固化劑摻量為固化劑占干土的質(zhì)量比，實驗結(jié)果如圖5～6所示。

圖5 固化劑摻量對固化土7 d無側(cè)限抗壓強度的影響

由圖5可知，隨著固化劑摻量的增加，固化土的7 d無側(cè)限抗壓強度也隨之增加，當(dāng)摻量為15%，固化土的7 d無側(cè)限抗壓強度為2.35 MPa，已經(jīng)滿足《土壤固化劑應(yīng)用技術(shù)標準》(CJJ/T 286—2018)對二級固化土的要求。固化土強度主要由兩方面提供，一是固化土在壓制成型過程中，其密度增加，孔隙率減小，土體在壓力作用下發(fā)生粘聚；二是土壤固化劑的自身水化作用，固化劑水化后生成水化硅酸鈣和水化鋁酸鈣等水化產(chǎn)物，不僅能填充土體間的空隙，而且能將土顆粒表面包裹起來，增強粘結(jié)力，具有膠結(jié)作用[7]。后者為固化土強度的主要來源。

由圖6可知，隨著固化劑摻量的增加，固化土的7 d水穩(wěn)系數(shù)也隨之增加，但《土壤固化劑應(yīng)用技術(shù)標準》(CJJ/T 286—2018)中要求固化土的水穩(wěn)系數(shù)必須大于80%，才能在工程中應(yīng)用。分析原因，可能為試驗用土本身溶脹性較高，耐水性差，而單純靠土壤固化劑自身水化去解決固化土耐水性差的問題困難較大，應(yīng)加入適當(dāng)?shù)碾x子型固化劑或聚合物型固化劑，改善固化土的耐水性，提高其水穩(wěn)系數(shù)[8]。

圖6 固化劑摻量對固化土7 d水穩(wěn)系數(shù)的影響

2.5 7 d膠砂試件的微觀形貌分析

使用掃描電鏡觀察了7 d膠砂試件的微觀形貌，如圖7所示。

圖7 養(yǎng)護7 d不同配比的膠砂材料SEM圖

由圖7(a)和(b)可知，生石灰作為堿性激發(fā)劑制備的膠砂試件，早期能生成更多的水化產(chǎn)物，結(jié)構(gòu)較為密實；而等質(zhì)量的熟石灰作為堿性激發(fā)劑制備的膠砂試件，早期水化產(chǎn)物較少，結(jié)構(gòu)較為松散，這與本文2.1中膠砂的宏觀力學(xué)性能保持一致。

由圖7(c)和(d)可知，在膠凝材料中加入粉煤灰后，其水化產(chǎn)物與圖7(a)相比大量減少，且結(jié)構(gòu)更為松散，膠砂試件內(nèi)部還發(fā)現(xiàn)了還未參與水化的粉煤灰顆粒，隨著粉煤灰摻量的增加，未水化的粉煤灰顆粒也增多。這與本文2.3中膠砂的宏觀力學(xué)性能保持一致。

3 結(jié) 論

1)采用10%生石灰、81%礦渣和9%粉煤灰作為膠凝材料，按照《水泥膠砂強度檢驗方法》(GB/T 17671—1999)制備的膠砂試件，7 d抗壓強度可到達8.8 MPa，為固化土的強度發(fā)展提供了保證。

2)采用最佳配比制備的土壤固化劑，固化建筑渣土后，其7 d無側(cè)限抗壓強度最高可達到2.35 MPa，滿足《土壤固化劑應(yīng)用技術(shù)標準》(CJJ/T 286—2018)對二級固化土的要求，但其水穩(wěn)性較差，后續(xù)應(yīng)從土體改性方面改善水穩(wěn)性，待固化土的水穩(wěn)系數(shù)滿足要求后，才能在實際工程中應(yīng)用。

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