舒本安，陳偉忠，任彥飛，李永鈴，鄭禮尚，楊騰宇，曾國東

（1.佛山市交通科技有限公司，廣東 佛山 528000；2.佛山市建盈發(fā)展有限公司，廣東 佛山 528000）

0 引言

隨著“2030碳達峰、2060碳中和”目標(biāo)的提出，通過技術(shù)創(chuàng)新發(fā)展低碳環(huán)保的綠色建材替代傳統(tǒng)高碳排放高能耗的水泥產(chǎn)業(yè)已成為行業(yè)共識[1-2]。水泥作為三大碳排放源之一，每生產(chǎn)1 t水泥需排放0.8 t CO2[3]。為此研究人員發(fā)展了多類低碳排放的膠凝材料替代水泥[4-5]，其中堿激發(fā)技術(shù)由于低碳排放、可大規(guī)模消納固廢、生產(chǎn)便捷成本低、耐久性及耐高溫性能好等優(yōu)勢高度契合“雙碳”目標(biāo)，并響應(yīng)環(huán)境友好型、資源節(jié)約型工程建設(shè)需求而備受關(guān)注[6-8]。

堿激發(fā)材料通常以具有潛在活性的固體廢棄物作為主要組分，如?；郀t礦渣粉、粉煤灰、鋼渣粉、赤泥等固廢，并摻入少量的堿性材料激發(fā)固廢的潛在活性，促進體系的膠結(jié)[9-10]。堿激發(fā)技術(shù)的反應(yīng)機理基本可分為“解聚”和“縮聚”2個過程：在堿性環(huán)境下礦渣粉等固廢中玻璃體表面的Si—O和Al—O鍵斷裂，活性的鋁氧四面體和硅氧四面體溶出后在縮聚為成—Si—O—Al—三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，并進一步聚合硬化[11]。我國每年產(chǎn)生礦渣固廢約2.4億t，由于運距等因素導(dǎo)致大量的礦渣粉無法被有效利用[12]。此外鋼鐵尾渣年產(chǎn)生量約1.8億t，利用率低于20%[13]。大量固廢堆積對環(huán)境造成了巨大的危害。堿激發(fā)技術(shù)的發(fā)展可使該類固廢變廢為寶。彭玉清等[14]研究發(fā)現(xiàn)堿激發(fā)劑存在最佳摻量，隨著礦渣摻量的增加，礦渣基堿激發(fā)膠凝材料凝結(jié)時間顯著縮短，力學(xué)性能顯著提高。張浩等[15]研究了不同類型堿激發(fā)劑對鋼渣基膠凝材料力學(xué)性能的影響，研究發(fā)現(xiàn)NaOH、Na2SiO3、Ca（OH）2分別對鋼渣基膠凝材料的早、中、后期強度有較大的影響，堿激發(fā)劑的摻入促進了沸石類水化產(chǎn)物的生成。

然而目前的研究大部分集中在實驗室階段，工程應(yīng)用不多，更少有淺表層軟土就地固化相關(guān)工程應(yīng)用積累。為此本文以某工程就地固化淺表層軟土為工程背景，通過室內(nèi)試驗研發(fā)出綠色低碳的軟土固化材料，并開展了工程試驗段應(yīng)用，對早期性能進行了檢測。本研究可為淺表層軟土就地固化工程領(lǐng)域低碳建設(shè)提供參考。

1 試驗方法及試驗段應(yīng)用

（1）淤泥質(zhì)土樣

現(xiàn)場通過挖機選取了1 m深度的淤泥質(zhì)土樣，呈黑色，有腐殖質(zhì)臭味。對土樣進行了基本性能測試，結(jié)果如表1所示。

表1 現(xiàn)場淤泥質(zhì)土的基本性能

表1結(jié)果顯示，該工程前表層淤泥質(zhì)土具有高含水率、高孔隙比、高有機質(zhì)含量等特點。

（2）固化劑

固化劑包括高爐礦渣粉、鋼渣粉、堿性激發(fā)劑等組分，如圖1所示。其中鋼渣粉和礦渣粉均購自廣東省韶關(guān)市某鋼鐵廠，二者的主要成分如表2所示，結(jié)果顯示，鋼渣粉和礦渣粉的主要成分為CaO、SiO2和Al2O3。為研究鋼渣粉和礦渣粉粒徑對其活性及固化土性能影響，對鋼渣粉進行球磨，得到平均粒徑（D50）分別為32、38、42、48μm四個試樣；對礦渣粉進行球磨，得到平均粒徑（D50）分別為25、32、40、44μm四個試樣。堿激發(fā)劑包括氫氧化鈉（A）、硅酸鈉（B），均采購自廣州市照東化工有限公司，純度98%。

表2 鋼渣粉和礦渣粉的主要化學(xué)成分 %

圖1 固化劑原材料

1.1 原材料

1.2 試驗方法

（1）活性指數(shù)測試：為了直觀地比較礦渣粉和鋼渣粉粒徑對其性能的影響，消除水泥用量等因素的影響，礦渣粉和鋼渣粉的活性指數(shù)試驗方法及要求均參照GB/T 18046—2017《用于水泥、砂漿和混凝土中的粒化高爐礦渣粉》標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行。水泥和礦渣粉的質(zhì)量比為1∶1，為排除水泥摻量等因素影響，同時以該比例成型固化土，且總摻量為15%（即水泥和摻合料均占濕土質(zhì)量的7.5%），水膠比為1。

（2）固化土成型及強度測試：按照JGJ/T 233—2011《水泥土配合比設(shè)計規(guī)程》進行測試（本文所有固化土的成型用淤泥質(zhì)土均取自就地固化試驗段區(qū)域1 m深處原狀濕土，水膠比均為1）。將稱量好的礦渣粉、鋼渣粉、激發(fā)劑和水等先慢攪2 min，之后邊攪拌邊緩慢加入淤泥質(zhì)土，慢攪2 min后繼續(xù)快攪3 min。將攪拌好的土漿液倒入直徑50 mm、高度100 mm的圓柱體模具中振搗2 min，抹平并覆蓋保鮮膜，置于標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護室[（20±5）℃]養(yǎng)護2 d后脫模并繼續(xù)養(yǎng)護至要求齡期測試性能[見圖2（a）]。固化土的無側(cè)限抗壓強度在無側(cè)限抗壓強度土工試驗儀（STK.WCX-Ⅱ）上進行，測試時以1 mm/min的速率控制進程[見圖2（b）]。

圖2 固化土試件成型及抗壓強度測試

（3）固化土微觀分析：SEM微觀測試在場發(fā)射掃描電子顯微鏡（蔡司ZIESS SIGMA500）上開展。試件養(yǎng)護齡期為7d，固化土試驗制備成2 mm×2 mm的板狀，并在70℃加熱至質(zhì)量不變，測試前對固化土試樣進行噴金處理。

（4）動力觸探測試：試驗段承載力利用動力觸探儀測試評價，錘重10 kg，自由落距50 cm。從貫入15 cm開始計錘擊數(shù)，統(tǒng)計隨后貫入30 cm深度的擊數(shù)，并通過如下公式換算得到承載力。

式中：Fk——地基承載力，kPa；

N——輕型動力觸探錘擊數(shù)。

1.3 試驗段應(yīng)用

本項研究試驗段依托工程為中山東部外環(huán)高速公路就地固化項目，就地固化區(qū)域為魚塘及蘆葦沼澤地，經(jīng)地質(zhì)勘探顯示該區(qū)域地質(zhì)主要為淤泥，灰黑色，流塑狀，有腐殖質(zhì)臭味，平均分布厚度達到21.5 m。地質(zhì)資料檢測的該土層物理力學(xué)性能與研究團隊現(xiàn)場取樣的淤泥質(zhì)土檢測結(jié)果基本一致。本工程就地固化設(shè)計說明：固化深度2 m，固化劑摻量為土重的5%～7%，漿劑施工時水膠比應(yīng)為0.5～0.9，固化土28 d無側(cè)限抗壓強度≥0.15 MPa（即錘擊數(shù)≥22次）。固化劑試驗段具體實施細節(jié)見2.3節(jié)。

2 結(jié)果與討論

2.1 粒徑的影響

固化土中固化劑摻量為15%時，固廢粒徑對其活性及固化土性能影響如圖3所示。

圖3 礦渣粉平均粒徑對其活性和固化土強度的影響

從圖3（a）可以看出，礦渣粉的活性與平均粒徑呈負線性關(guān)系。當(dāng)平均粒徑從25μm增大到44μm時，礦渣粉活性從116%下降到99%。從圖3（b）、圖3（c）可以看出，固化土的抗壓強度與礦渣粉的平均粒徑呈負線性關(guān)系，而與礦渣粉的活性指數(shù)呈正線性關(guān)系。當(dāng)平均粒徑從25μm增大到44μm時，固化土的抗壓強度從1.93 MPa降低到1.21 MPa；隨著活性指數(shù)從99%增加到116%，固化土的抗壓強度從1.21 MPa提高到1.93 MPa。

究其原因，研磨后礦渣粉具有更大的比表面積，這會產(chǎn)生2個積極影響：（1）填充效應(yīng)：更細的礦粉顆?？梢蕴畛溆诠袒量紫吨?，提高結(jié)構(gòu)密實性，從而提高強度；（2）更優(yōu)異的水化膠結(jié)作用：礦渣粉中玻璃體更多的被暴露在外界，同時玻璃體被研磨后缺陷更多，在堿性條件下更易被激發(fā)活性。這2種積極作用提高了礦渣粉的活性，從而提高了固化土的強度。

圖4為鋼渣粉平均粒徑對其活性及固化土性能的影響。

由圖4可知，鋼渣粉和礦渣粉具有相似的特性。隨著鋼渣粉粒徑的減小，鋼渣粉的活性和其固化土的強度都有所提高。但活性和強度的提高幅度小于礦渣粉。其原因是鋼渣粉中的鈣相少于礦渣粉，因此其堿激發(fā)反應(yīng)產(chǎn)物少于礦渣粉。

圖4 鋼渣粉平均粒徑對其活性及固化土強度的影響

2.2 固化劑配合比研究

根據(jù)前期研究基礎(chǔ)[16]，設(shè)計了7組試驗配合比，選用工程現(xiàn)場原樣濕土，固化劑總摻量為濕土質(zhì)量的5%，水膠比為1。通過測試7d無側(cè)限抗壓強度評價其早期性能，結(jié)果見表3。

表3 不同固化劑對固化土7 d無側(cè)限抗壓強度的影響

由表3可見，第1、2、3組研究了激發(fā)劑類型的影響，堿激發(fā)劑A和B等比例復(fù)配的固化土的7 d無側(cè)限抗壓強度為0.17MPa，優(yōu)于單一組分激發(fā)劑A或B的效果；第3、4、5、6和7組研究了礦渣粉和鋼渣粉不同摻量對固化土早期性能影響。結(jié)果顯示，隨著礦渣粉摻量的增加，固化土7d無側(cè)限抗壓強度逐漸提高，當(dāng)?shù)V渣粉摻量從20%增大至70%時，鋼渣粉從70%減少至20%，固化土的7d無側(cè)限抗壓強度從0.10 MPa提高至0.28 MPa，提高了180%。究其原因可從上述活性指數(shù)試驗結(jié)果得到：礦渣粉的活性優(yōu)于鋼渣粉，因此相同堿激發(fā)劑摻量下，更多活性玻璃體將被溶解并發(fā)生聚合反應(yīng)膠結(jié)土顆粒，增大摻量可由此提高固化土整體力學(xué)性能。如果用更多的較低活性的鋼渣粉替代活性較高的礦渣粉，可用于膠結(jié)土顆粒的活性玻璃體的數(shù)量減少，膠結(jié)效果變差，由此固化土的強度將降低。

考慮到本工程設(shè)計要求為28 d無側(cè)限抗壓強度≥0.15 MPa。為縮短工期，7 d應(yīng)滿足設(shè)計要求。從上述配比可知第3、4、5組均滿足要求，同時考慮到工程造價，礦渣粉的成本較鋼渣粉高近30%。綜上，考慮到成本及性能富余，選第3組作為試驗段實施的固化劑配合比。并研究了3#配合比固化劑的長期性能及微觀固化機理，結(jié)果如圖5和圖6所示。

圖5 試驗段用固化劑對固化土力學(xué)性能隨齡期的影響

圖6 固化土的微觀形貌

由圖5可知，固化劑摻量為5%時，固化土在室內(nèi)5 d養(yǎng)護齡期的無側(cè)限抗壓強度即達到28d設(shè)計要求，之后無側(cè)限抗壓強度隨著養(yǎng)護齡期的延長而逐漸提高，28 d齡期較14 d時仍有近30%提升，到28d時強度趨于穩(wěn)定。

由圖6（a）可知，土顆粒表面被覆蓋了大量的顆粒，土顆粒之間沒有明顯的邊界，固化土呈一個整體結(jié)果。局部放大[見圖6（b）]并結(jié)合EDS能譜分析可知，土顆粒表面存在大量的C-S-H和C-A-S-H凝膠。這是因為，礦渣粉、鋼渣粉等在堿激發(fā)劑作用下發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，生成了大量的C-S-H凝膠填充土體內(nèi)部孔隙并膠結(jié)土顆粒，從而提高了固化土的強度。

2.3 工程應(yīng)用及性能評價

該工程就地固化試驗段劃分如圖7（a）所示?？傆嫻袒?00 m3，平均劃分為5個區(qū)域，每個區(qū)域60 m3（5 m×6 m×2 m），對應(yīng)固化劑摻量分別為2.5%、3.5%、4.5%、5.5%和6.5%。水膠比統(tǒng)一控制為1。每塊區(qū)域的施工時間從35 min遞增至70 min，連續(xù)施工約4.5 h完成試驗段施工，現(xiàn)場施工如圖7（b）所示；施工完成進行快速整平，如圖7（c）所示。

圖7 試驗段現(xiàn)場實施

露天固化7 d后試驗段固化效果如圖8（a）所示?，F(xiàn)場通過動力觸探對試驗段承載力進行了檢測[圖8（b）、圖8（c）]。檢測為順著對角線均勻取點，每塊區(qū)域取點6個。

圖8 就地固化試驗段

由圖8可知，露天固化7 d時，固化土表面已完全硬化，少有開裂，小型汽車可自由行走，表面不沉降。

7d齡期動力觸探測試結(jié)果如圖9所示。

圖9 工程現(xiàn)場不同固化劑摻量固化土的7 d動力觸探測試結(jié)果

由圖9可知，7 d齡期，在固化劑摻量為2.5%和3.5%時，部分結(jié)果小于0.15 MPa，性能波動大。原因是固化劑摻量過低時，漿液不足導(dǎo)致無法與軟土顆粒充分的混合，存在部分沒有或極少量固化劑漿液的區(qū)域，該區(qū)域固化效果較差，因此性能波動大。在固化劑摻量為4.5%～6.5%時，雖有數(shù)據(jù)波動，但所有點的7 d承載力均高于設(shè)計要求的28 d無側(cè)限抗壓強度（≥0.15 MPa）。結(jié)果表明，該工程使用該新型固化劑摻量為4.5%時的7 d承載力即可達到28d的設(shè)計要求。對于要求縮短施工周期、固化7 d即需開展后續(xù)施工的情況，推薦該工程固化劑摻量為4.5%。

3 結(jié)論

（1）鋼渣粉和礦渣粉的平均粒徑顯著影響其活性和固化土性能，二者平均粒徑與其活性指數(shù)及固化土7 d無側(cè)限抗壓強度呈負相關(guān)性，活性指數(shù)與固化土強度呈正相關(guān)性；礦渣粉活性優(yōu)于鋼渣粉。

（2）堿激發(fā)劑A、B復(fù)配時的固化土早期力學(xué)性能優(yōu)于單一作用效果。固化土7 d無側(cè)限抗壓強度隨礦渣粉摻量增加而提高，隨鋼渣粉摻量增加而降低。固化劑固化土的強度歸因于水化硅酸鈣等組分的生成使松散的土顆粒膠結(jié)成整體結(jié)構(gòu)。優(yōu)選并確定了考慮經(jīng)濟性和固化土力學(xué)性能的試驗段用固化劑配合比。

（3）就地固化試驗段結(jié)果顯示，隨著固化劑摻量的增加，固化土承載力整體呈增大趨勢。在低摻量下（2.5%、3.5%），固化土承載力波動較大，主要由于固化劑漿液量過少導(dǎo)致無法與固化土充分混合；當(dāng)固化劑摻量為4.5%～6.5%時，固化土的7 d早期承載力即已滿足28 d無側(cè)限抗壓強度≥0.15 MPa的設(shè)計要求，在要求7 d齡期達到設(shè)計要求的條件下，推薦固化劑摻量為4.5%。