褚付克，李玉耀，李 豪**

（1. 河南省交通規(guī)劃設(shè)計研究院股份有限公司，河南 鄭州 450000；2. 河南安羅高速公路有限公司，河南 鄭州 450000）

0 引言

工業(yè)廢渣土壤固化劑是以廢石膏、礦渣粉、鋼渣、粉煤灰等工業(yè)廢渣[1]為原料，用于道路路基土壤的改良，使其發(fā)生一系列化學(xué)反應(yīng)，形成強度高、承載力高的穩(wěn)定土[2]。這類工業(yè)廢渣具有潛在的膠凝活性，不僅可以實現(xiàn)工業(yè)固體廢物資源化利用[3]，還可以減少水泥等建材的使用量，緩解傳統(tǒng)筑路材料枯竭的問題[4]有助于減少碳排放等環(huán)境污染[5]。

各項研究表明，不同類型的工業(yè)固廢土壤固化劑對特定穩(wěn)定土具有等同甚至優(yōu)于水泥、石灰的固化性能。徐振寧等[6]用脫硫石膏、脫硫灰、水泥作為主固化劑，固化白馬湖淤泥質(zhì)軟土，三者復(fù)摻效果要優(yōu)于水泥單摻。葛菲等[7]利用水泥、硅灰對黃土進行加固，研究結(jié)果表明:在進行抗剪試驗時，加入硅灰的黃土擁有更高的抗剪強度，并且水泥和硅灰協(xié)同作用效果更優(yōu)。孔祥輝[8]等利用工業(yè)固廢赤泥代替部分水泥對黏土進行固化處理，當(dāng)赤泥摻量為10%時，穩(wěn)定土強度值最大，超過了單獨水泥穩(wěn)定黏土的強度。張津津[9]等基于礦渣-粉煤灰的地聚合物可有效提高砂土的力學(xué)性能。目前研究主要局限于不同類型工業(yè)廢渣固化劑對同一種土的改良效果，同類型工業(yè)廢渣固化劑對不同土的改性差異研究較少，并且很少考慮固化劑粒徑對穩(wěn)定效果的影響，但不同粒徑對固化劑性能也有顯著差異[10]。

工業(yè)廢渣土壤固化劑以鋼渣粉、電石渣、廢石膏等為原材料[11]，本文制備不同粒徑不同類型的工業(yè)廢渣土壤固化劑，分別對不同類型的土進行性質(zhì)測試，為固化劑生產(chǎn)施工提供參考。

1 試驗材料與方案

1.1 試驗材料

（1）試驗用土：本試驗用土取自平原的黏土和黃泛區(qū)的沙土，土的參數(shù)如表1 所示。

表1 土的基本參數(shù)Table 1 The basic parameters of soil

（2）工業(yè)廢渣土壤固化劑：采取室內(nèi)烘箱干燥除水、球磨機磨碎、粒徑篩分、按配比摻配制作的工藝，固化劑配比如表2 所示。

表2 工業(yè)廢渣土壤固化劑原材料及配比Table 2 The raw materials and proportion of industrial waste residue soil curing agent

1.2 試驗方案

以廢石膏、礦粉、鋼渣、粉煤灰等工業(yè)廢渣為原料，配制兩類電石渣型和礦渣型土壤固化劑，每類固化劑分別包含0～＜0.075 mm、0.075～＜0.15 mm、0.15～＜0.3 mm、0.3～＜0.6 mm 4 種粒徑，對黏土和沙土不同時間的力學(xué)分析進行比較，尋求最佳的粒徑分布；同時對穩(wěn)定土耐久性進行分析，研究現(xiàn)場養(yǎng)護條件、干濕循環(huán)和凍融循環(huán)條件下對穩(wěn)定土力學(xué)性能影響，固化劑所有摻量均設(shè)定為3%。

1.3 試驗方法

（1）3 d 和28 d 無側(cè)限抗壓強度：按照《公路工程無機結(jié)合料穩(wěn)定材料試驗規(guī)程》（JTG E51-2009）[12]中T0805 成型5 cm×Φ5 cm 無側(cè)限抗壓強度試件，按照T0804 的方法進行2 d 和27 d 標準條件養(yǎng)護、1 d 泡水養(yǎng)護。

標準條件為溫度（20±2）℃、濕度≥95%，泡水條件為（20±2）℃。

（2）干濕循環(huán)試驗：試件按照《公路工程無機結(jié)合料穩(wěn)定材料試驗規(guī)程》中（JTG E51-2009）T0804的方法養(yǎng)護28 d 之后進行干濕循環(huán)試驗，參考（ASTM）D4843-88[13]的試驗方法，將50 個試件分成2 組，1 組進行干濕循環(huán)試驗，另1 組進行標準養(yǎng)護試驗。

干濕循環(huán)試驗步驟如下：①試件在（60±2）℃的環(huán)境中恒溫24 h；②取出在常溫環(huán)境中放置1～2 h，然后在溫度為（20±1）℃培養(yǎng)箱中泡水24 h；③取出后常溫下放置1 h，上述為一個干濕循環(huán)。

標準養(yǎng)護試驗為試件在恒溫（20±1）℃的環(huán)境中進行養(yǎng)護。

（3）凍融循環(huán)試驗：試件按照T0804 養(yǎng)護28 d之后進行凍融循環(huán)試驗，同樣將50 個試件分成2組，1 組是標準養(yǎng)護試件，另外1 組進行凍融循環(huán)試驗。

凍融循環(huán)試驗的具體步驟如下：①將試件放入冰箱中冷凍，冷凍溫度為（-18±1）℃，持續(xù)時間為（16±1）h；②將試件取出，稱重、量尺寸，放入溫度為（20±1）℃的水箱中融化，融化持續(xù)時間為（8±1）h；③稱重、用游標卡尺量尺寸，上述為一次凍融循環(huán)。

2 土壤固化劑粒徑分析

2.1 粒徑和比表面積分析

用于制備固化劑的廢石膏、礦粉、鋼渣、粉煤灰等一般需要經(jīng)過磨碎處理，通過磨碎降低原材料顆粒的粒徑,增大比表面積，提高固化劑活性組分與素土的接觸程度從而提高固化劑的反應(yīng)活性。但是固化劑顆粒過細會發(fā)生團聚現(xiàn)象，活性接觸部位反而減少導(dǎo)致性能下降，同時生產(chǎn)成本會增加。綜合分析, 尋求最佳的粒徑分布是提高固化劑性能的重要任務(wù)。

將不同原材在105 ℃下干燥除水，研磨后篩成0～＜0.075 mm、0.075～＜0.15 mm、0.15～＜0.3 mm、0.3～＜0.6 mm 粒徑，將相同粒徑的原材按設(shè)定比例摻配，制備成為比例相同的0 ～＜0.075 mm、0.075～＜0.15 mm、0.15～＜0.3 mm、0.3～＜0.6 mm 4 種規(guī)格固化劑。并按照《水泥比表面積測定方法－勃氏法》（GB/T 8074-2008）[15]中的試驗規(guī)程進行比表面積檢測，測試結(jié)果如表3 所示，隨著土壤固化劑顆粒變細，比表面積先逐漸變大，0.075～＜0.15 mm 以后，由于顆粒團聚作用，比表面積反而降低。

表3 不同粒徑的土壤固化劑比表面積Table 3 The specific surface area of soil curing agent with different particle size

2.2 粒徑對土壤力學(xué)作用影響

兩種類型固化劑與將組合兩類土分別進行了3 d 和28 d 的無側(cè)限強度分析，測試結(jié)果如表4 所示。

表4 不同粒徑下無側(cè)限強度試驗測試結(jié)果Table 4 The test results of unconfined strength test under the condition of different particle sizes

如表4、圖1 所示，不同粒徑區(qū)間的磨細固化劑對穩(wěn)定土28 d 抗壓強度有明顯影響。試驗結(jié)果表明,相同齡期的相同規(guī)格固化劑的抗壓強度整體隨粒徑變化有巨大差異，說明合適的粒徑有利于固化劑的反應(yīng)活性的提高,促進其在土壤中的反應(yīng)進程,從而提高固化劑的力學(xué)性能。

圖1 不同粒徑下28 d 無側(cè)限強度Fig.1 The 28 d unconfined compressive strength under the condition of different particle sizes

總體上，0.075～＜0.15 mm 規(guī)格固化劑的28 d無側(cè)限強度最高，粒徑較粗限制了更多活性位發(fā)生接觸，粒徑較細會發(fā)生團聚現(xiàn)象同樣阻礙進一步反應(yīng)。電石渣型固化劑對黏土改良效果優(yōu)于沙土，這是由于固化劑中的活性鈣能與黏土中的硅酸鹽發(fā)生離子交換反應(yīng)；礦渣型固化劑恰好相反，是由于黏土成分阻礙水泥熟料發(fā)生水化反應(yīng)，同時無法生成堿性成分激發(fā)鋼渣發(fā)生活化反應(yīng)，導(dǎo)致改良效果進一步下降。

對其28 d 養(yǎng)護試件進行SEM 分析如圖2 所示，礦渣型-黏土試樣仍存在絮狀產(chǎn)物，土顆粒間膠結(jié)作用不明顯，存在較大孔隙；而電石渣型-黏土試樣表面可以觀察到完整的塊狀晶體，土體間孔隙少，整體性較高，相比礦渣型，電石渣型固化劑對黏土改性效果較好。礦渣型-沙土試樣中顆粒排列緊密，無明顯孔隙，土體表面仍可觀察到絮狀水化物；電石渣型-沙土試樣中間有大量空隙，簇形纖維狀水化物填充在孔隙之中，礦渣型固化劑對沙土改性效果優(yōu)于黏土。微觀分析結(jié)果與28 d 力學(xué)試驗結(jié)果一致。

圖2 不同類型穩(wěn)定土SEM 分析照片F(xiàn)ig.2 The SEM photos of different kinds of stabilized soils

如表4 所示，礦渣型固化劑的3 d 無側(cè)限強度顯著高于電石渣型，礦渣型是由于水泥熟料與水接觸后能迅速發(fā)生水化反應(yīng)，形成初始強度；電石渣型活性鈣與硅酸鹽發(fā)生離子交換反應(yīng)是一個緩慢過程。

3 穩(wěn)定土的耐久性影響

施工現(xiàn)場夏季蒸發(fā)強烈且近年雨水較多，晝夜溫差大，對路基穩(wěn)定土的耐久性要求很高，普通的標準養(yǎng)護條件與實際施工自然養(yǎng)護環(huán)境有很大差異，標準養(yǎng)護的無側(cè)限強度不足以反應(yīng)穩(wěn)定土的耐久性。因此，本試驗通過自然養(yǎng)護試驗、干濕循環(huán)試驗及抗凍試驗來研究穩(wěn)定土的耐久性。根據(jù)上述實驗分析，選擇兩種規(guī)格均為0.075～＜0.15 mm 的固化劑進行不同土的耐久性試驗。

3.1 穩(wěn)定土自然養(yǎng)護試驗

現(xiàn)場固化劑施工完成后，需進行7 d 養(yǎng)護，然后進行下一層位施工?，F(xiàn)場條件下氣候不可控，與試驗室標準條件有明顯差異，降雨、溫度都將對穩(wěn)定土強度產(chǎn)生影響，進行固化劑穩(wěn)定土的自然養(yǎng)護條件的7 d 無側(cè)限強度試驗，試件成型后自然養(yǎng)護7 d，即試件制備完成后置于室外環(huán)境中養(yǎng)護7 d，與施工養(yǎng)護環(huán)境完全一致，忽略實際環(huán)境中降雨、溫度變化等因素對強度的影響。如圖3 所示，并與標準條件下進行對比，測試結(jié)果如表5 所示。

圖3 試件室外自然養(yǎng)護Fig.3 The specimen is naturally cured outdoors

表5 不同養(yǎng)護條件下7 d 無側(cè)限抗壓強度試驗測試結(jié)果Table 5 The 7 d unconfined compressive strength under different curing conditions

對比標準養(yǎng)護條件，現(xiàn)場養(yǎng)護條件下無側(cè)限抗壓強度均發(fā)生不同程度降低，并且兩種固化劑對不同土的改良效果仍然與標準條件下一致?？箟簭姸冉档褪怯捎诘谌彀l(fā)生降雨，浸泡條件下不利于穩(wěn)定土養(yǎng)護，并且晝夜溫差較大同樣不利于養(yǎng)護。

3.2 穩(wěn)定土干濕循環(huán)試驗

選擇強度較高的礦渣型-沙土、電石渣型-黏土試件養(yǎng)護28 d 后進行干濕循環(huán)和凍融循環(huán)試驗。干濕循環(huán)試驗結(jié)果如表6 所示。

表6 干濕循環(huán)試件的質(zhì)量損失及強度損失Table 6 The mass loss and strength loss of specimens in drywet circulation

由表6 得出，隨著循環(huán)次數(shù)增加，兩類固化劑穩(wěn)定土質(zhì)量損失率均呈現(xiàn)先增大后減少的趨勢。這主要是由于在循環(huán)過程中，試件質(zhì)量發(fā)生兩種變化，一種是試件內(nèi)部由于干縮濕脹作用，膠結(jié)能力弱顆粒發(fā)生流失導(dǎo)致的質(zhì)量損失；另一種是循環(huán)過程中固化劑繼續(xù)發(fā)生水化作用，膠結(jié)穩(wěn)定土顆粒，質(zhì)量損失減少。干濕循環(huán)剛開始時，膠結(jié)作用比較弱，干縮濕脹占主導(dǎo)作用，試件質(zhì)量損失隨循環(huán)次數(shù)增加；隨著固化作用不斷加深，質(zhì)量損失開始降低。

由表6、圖4 可知，標準養(yǎng)護試件和干濕循環(huán)試件的無側(cè)限抗壓強度均隨循環(huán)次數(shù)增加而增加，標準養(yǎng)護試件持續(xù)處于養(yǎng)護狀態(tài)，未經(jīng)歷高溫和泡水干擾，無側(cè)限抗壓強度明顯高于同齡期的干濕循環(huán)試件。干濕循環(huán)試件在烘干過程中，含水率降低導(dǎo)致干縮作用產(chǎn)生微小裂縫，并且循環(huán)次數(shù)越多，干縮作用對試件內(nèi)部破壞越明顯；濕泡過程中，含水量增加產(chǎn)生濕脹作用，繼續(xù)發(fā)生水化反應(yīng)產(chǎn)生了膠結(jié)顆粒，干縮導(dǎo)致的強度損失得到一定程度彌補。濕脹對試件的強度增強作用大于干縮的破壞作用，試件強度隨循環(huán)次數(shù)仍能不斷增強。但隨著循環(huán)次數(shù)增加，微裂縫的數(shù)量不斷增多，并且固化劑未水化部分不斷降低，水化產(chǎn)物對強度的彌補作用越來越少，并且穩(wěn)定土在水中浸泡過程中存在軟化效應(yīng)，進一步降低了試件強度。因此，試件抗壓強度隨循環(huán)次數(shù)增長明顯變緩，增量不斷降低，相比較標準試件，干濕循環(huán)試件的強度損失率越來越大。

圖4 干濕循環(huán)試件的強度變化Fig.4 The strength change of specimens in dry-wet circulation

3.3 穩(wěn)定土抗凍性試驗

試件標準環(huán)境下養(yǎng)護28 d 之后進行凍融循環(huán)試驗。凍融循環(huán)試驗測試結(jié)果如表7 所示。

表7 凍融循環(huán)試件的質(zhì)量損失及強度損失Table 7 The mass loss and strength loss of specimens in freeze-thaw circulation

由表7、圖5 得出，穩(wěn)定土標準養(yǎng)護和凍融循環(huán)條件下無側(cè)限抗壓強度均隨著循環(huán)次數(shù)的增加不斷增強，兩種穩(wěn)定土的凍融試樣強度均低于標準養(yǎng)護條件；且同條件下礦渣型-沙土類型的抗壓強度低于同條件下的電石渣型-黏土類型，強度損失也較低，但兩種穩(wěn)定土強度損失率均隨循環(huán)次數(shù)的增加而不斷升高。

圖5 凍融循環(huán)試件的強度變化Fig.5 The strength change of specimens in freeze-thaw circulation

試件在冷凍過程中，試件內(nèi)部的水變成冰發(fā)生膨脹作用，使試件產(chǎn)生微小裂縫，膠結(jié)不牢固的顆粒在融化過程中脫落導(dǎo)致質(zhì)量降低。質(zhì)量損失隨著循環(huán)次數(shù)不斷增大，隨著凍融循環(huán)不斷進行，膠結(jié)不緊密的顆?；久撀渫戤?，并且由于固化劑的繼續(xù)水化作用，質(zhì)量損失開始逐漸降低，如表7 所示。由于水泥熟料、礦渣等作為水凝性材料，礦渣型-沙土類型的質(zhì)量損失遠低于電石渣型-黏土類型，強度損失也較低。

4 結(jié)論

本文主要分析不同類型固化劑對黏土、沙土的改良效果，分析不同固化劑粒徑對路基土的改良效果，并對穩(wěn)定土進行耐久性試驗分析，具體結(jié)論如下：

1）固化劑顆粒對改良效果有重要影響，總體上，0.075～＜0.15mm 規(guī)格改良效果最明顯；電石渣型固化劑對黏土改良效果優(yōu)于沙土，礦渣型固化劑恰好相反；礦渣型固化劑的3 d 無側(cè)限強度顯著高于電石渣型，能迅速形成強度。

2）現(xiàn)場條件下氣候不可控，現(xiàn)場養(yǎng)護條件下無側(cè)限抗壓強度均發(fā)生不同程度降低；干濕循環(huán)和凍融循環(huán)試驗下，兩種穩(wěn)定土標準樣和試驗樣無側(cè)限抗壓強度均隨著循環(huán)次數(shù)的增加而不斷增強，且試樣強度均低于標準養(yǎng)護條件。

3）相同條件下礦渣型-沙土類型的抗壓強度低于電石渣型-黏土類型，強度損失也較低；隨循環(huán)次數(shù)不斷增加，兩種穩(wěn)定土的強度損失率均不斷升高，質(zhì)量損失率先增加隨后降低。