礦渣硫酸鹽復合膠凝材料在路基中的試驗研究

劉誠斌，岳 濤，樊建領

(1.北京農(nóng)業(yè)職業(yè)學院 水利與建筑工程系，北京 102442;2.北京市勞動保護科學研究所，北京 100054;3.蘭州理工大學 能源與動力工程學院，甘肅 蘭州 730050)

在土壤固化工程中，采用傳統(tǒng)的石灰、水泥、粉煤灰等土壤固化材料，存在著一定的不足之處。例如:石灰土形成的固化體強度形成緩慢，往往影響施工進度，特別是石灰土干縮大、易開裂、易軟化、水穩(wěn)性差。水泥土也存在干縮較大、易開裂等問題，而且，暴露的水泥土易因水泥水化反應、環(huán)境溫度、濕度的變化造成體積的不均勻變化而產(chǎn)生裂縫，這種裂縫的出現(xiàn)，會導致固化體(水泥土)的抗壓強度、抗?jié)B、抗凍和抗沖刷性能降低[1-3]。水泥土中大量采用水泥作為固化劑，也增加了工程成本。近年來，石灰—粉煤灰被我國相關部門廣泛用于道路基層、底基層的穩(wěn)定處理，但在使用中發(fā)現(xiàn)，石灰—粉煤灰土的早期強度低，直接影響施工進度，另外，二灰土也存在水穩(wěn)性差的缺點，影響了工程質量。

1 原材料及試驗方法

1.1 原材料

本次試驗所用的礦渣硫酸鹽復合膠凝材料是由高爐礦渣、生石膏和生石灰配制而成。其中，高爐礦渣的密度2.97 g/cm3，主要化學成分為SiO2、Al2O3和CaO。其比表面積的測試見表1。

根據(jù)上述試驗所記錄的標準水泥與礦渣的下降時間，礦渣的比表面積為

式中，Ss為標準水泥的比表面積(cm2/g);Ts為標準水泥的降落時間(s);S為試驗礦渣比表面積(cm2/g);T為試驗礦渣的降落時間(s)。

表1 標準水泥和礦渣降落時間記錄 s

本試驗用的水泥為標準32.5 R普通硅酸鹽水泥，其比表面積Ss=3 000 cm2/g。由上式計算所得礦渣的比表面積分別為6 054 cm2/g，5 953 cm2/g和5 802 cm2/g，取其平均值為 S=5 936 cm2/g。

為了與水泥土和石灰土做比較，還要用到32.5R普通硅酸鹽水泥和普通生石灰。本次試驗用土為北京地區(qū)的普通黃土。

1.2 試樣制備

試驗時，將礦渣、生石灰和生石膏按照一定的配比配置固化劑，然后將固化劑與黃土充分拌勻，在拌合后1 h內(nèi)，按照最優(yōu)含水量和最大干密度采用靜壓法成型尺寸為φ5 cm×5 cm的圓柱體試件。試件在標準養(yǎng)生箱(濕度95%，溫度(25±2)℃左右)中保濕養(yǎng)生。

1.3 試驗方法

1)無側限抗壓強度試驗:將各配合比下的固結土試樣養(yǎng)護到一定齡期，測定無側限抗壓強度。

2)水穩(wěn)性試驗:將各配合比下的固結土試樣一部分標準養(yǎng)生到7 d，另一部分標準養(yǎng)護6 d，第7 d浸水24 h，然后測定無側限抗壓強度。

2 試驗結果與分析

2.1 試驗配比及其強度特征

將礦渣、生石灰和生石膏按照一定的配比進行凈漿試塊的試驗，考慮到礦渣的水化需要較強的堿性環(huán)境，進而試配的過程是將生石灰的含量從小到大依次試配，試配的配合比見表2。

表2 固化劑用料配比

將上述配比的固化劑按照摻入量10%的比例摻入到黃土中，無側限抗壓強度試驗和水穩(wěn)性試驗結果見圖1。

從圖1兩條曲線的走勢可見，7 d水養(yǎng)強度與7 d標養(yǎng)強度有著相同的規(guī)律，隨著生石灰摻入量的增加，固結土試塊的強度也有著明顯的提高。這是因為生石灰本身不但能夠固結土，而且，隨著生石灰摻入量的增加，可以為礦渣提供更強的堿性環(huán)境，使得礦渣充分水化生成凝膠體。當摻入量加大到45 g時，抗壓強度值達到了峰值，標準養(yǎng)護7 d強度達到了12.88 MPa，水養(yǎng)7 d強度達到了6.41 MPa。但是，隨著生石灰摻入量的繼續(xù)增加，固結土的強度不升反降，尤其在水養(yǎng)的條件下，固結土強度下降得非常明顯。這主要是由于石灰的吸水膨脹的作用，使得土體內(nèi)部出現(xiàn)了裂紋，從而降低了固結土的強度。

2.2 與水泥土和石灰土的對比試驗

將上述的最佳配合比固化劑與水泥和石灰進行固結土的對比試驗，摻入量為10%，試驗結果見圖2。

圖1 不同配比下固結土強度變化曲線

圖2 對比強度試驗

上述結果明顯發(fā)現(xiàn)，無論是標養(yǎng)條件下，還是水養(yǎng)條件下，礦渣硫酸鹽復合膠凝材料固結土強度要比水泥土和石灰土高很多。以7d標準養(yǎng)護的強度為例，礦渣硫酸鹽復合膠凝材料固結土強度是水泥土的兩倍多，比石灰土要高出數(shù)倍。可見，該固化劑具有早期強度高的特點。在進行水穩(wěn)性試驗中，當試塊入水瞬間，石灰土會產(chǎn)生大量的氣泡，不到5 min時間，石灰土試塊就完全坍塌在水中;水泥土試塊也會產(chǎn)生較多的氣泡，當浸泡24 h后，水泥土表面產(chǎn)生了較多裂縫;而礦渣硫鹽酸復合膠凝材料固結土試塊產(chǎn)生的氣泡較少，浸泡24 h后，表面也無明顯的裂縫，水穩(wěn)性較好。

2.3 固結土其它指標的測定

在對北京黃土進行強度測試確定該固化劑的最佳配比后，對固結土其它指標也進行了測試，包括塑性指數(shù)、干縮率和承載比等。

2.3.1 塑性指數(shù)

按照最佳配比配制固結土混合樣，固化劑摻入量10%，分別測定固結土和素土的塑性指數(shù)Ip，試驗結果見表3。

表3 固結土和素土塑性指數(shù)

從表3可以看出，摻入固化劑后，土體的塑性指數(shù)得到了明顯的改善。不加入膠凝材料時，土的 Ip為13，當摻入量為10%時，Ip降低到了9.2，這說明土的可塑性在不斷增強。

2.3.2 干縮率

干縮率分為徑向和軸向兩種，試驗結果見表4。

表4 不同固化劑摻入量養(yǎng)護7 d干縮率

從表4可以看出，固化劑的加入對土體的干縮率有著一定的影響。不加入固化劑時，徑向和軸向干縮率都比較大，分別為0.73%和1.21%，當固化劑的摻入量為10%時，徑向和軸向的干縮率分別為0.18%和0.25%，較素土大幅度下降。這說明，加入固化劑后土體的抗形變能力有所增強，更適合于工程應用。

2.3.3 承載比

承載比是用來衡量材料承受荷載能力的一個指標。試驗結果見表5。從表5可以看出，摻入固化劑后固結土樣的承載比由素土的3.8%增長到42%，增長幅度較大，說明10%固化劑摻入量的固結土樣對荷載的承受能力有較大幅度的提高。

表5 不同固化劑摻入量承載比

2.4 礦渣硫酸鹽復合膠凝材料固結土反應機理分析

礦渣硫酸鹽復合膠凝材料固結土的整個反應過程如下所述。

2.4.1 離子交換和團粒化作用

土作為一個多相散系，當它和水結合時，表現(xiàn)出一般的膠體性質，大多數(shù)的土粒在天然狀態(tài)下帶負電，土顆粒為陽離子層所包圍形成膠體微粒(例如，土體中含有最多的二氧化硅，遇水后形成硅酸膠體微粒，其表面常常有Na+和K+)，它們能和此膠凝材料水化生成的氫氧化鈣中的鈣離子Ca2+進行等當量吸附交換，這種離子交換的結果，使大量的土顆粒形成較大的土團。同時，也為膠凝材料中的礦渣提供了連續(xù)性的堿環(huán)境，使得礦渣得到更充分的水化，從而提高了固結土的強度。

2.4.2 礦渣—土體間的物理化學反應

隨著膠凝材料的水化反應的深入，溶液中析出大量的Ca2+，當鈣離子的數(shù)量超過上述離子交換的需要量后，則在堿性的環(huán)境中，使組成黏土礦物及礦渣的二氧化硅及三氧化鋁膠質的一部分或大部分發(fā)生化學反應[4]。隨著反應的深入，生成不溶于水的穩(wěn)定結晶礦物，其化學反應為

水化硅酸鈣和水化鋁酸鈣結晶的長大與土顆粒相搭接，形成空間網(wǎng)絡結構，從而增加了此種固結土的強度。

2.4.3 生石膏對強度的影響

生石膏的摻入對強度有重要貢獻的原因在于，生石膏可與上述水化反應產(chǎn)物中的水化鋁酸鈣生成另一種晶體結構的產(chǎn)物，即鈣礬石。這種晶體的強度高且體積膨脹，生成的晶體能夠很好地填充在土粒縫隙之中，使得土體結構緊密。同時，這種晶體的溶解度極小，可以使得土體產(chǎn)生很好的抗?jié)B性能。該產(chǎn)物具有針棒狀結構，廣泛分布在土體內(nèi)部，對土體強度的提高有著至關重要的作用。

2.4.4 碳酸化作用

除了上述反應外，礦渣復合膠凝材料水化物中游離的氫氧化鈣吸附水中和空氣中的二氧化碳，生成不溶于水的碳酸鹽:

3 結論

1)通過對北京黃土的固結試驗，確定了此礦渣硫酸鹽復合膠凝材料的物料之間的最佳配比為生石灰∶礦渣∶生石膏 =9∶14∶3。

2)從固結土強度本身來看，當?shù)V渣硫酸鹽復合膠凝材料摻入量10%時，水穩(wěn)性試驗后的強度達到6 MPa以上。

3)礦渣復合膠凝材料使得固結土的早期強度、塑性指數(shù)、干縮率和承載比均有了很大程度的改善和提高，是一種比較理想的土壤固化劑。

4)礦渣復合膠凝材料的主要成分是高爐礦渣，摻量已經(jīng)在50%以上，不但節(jié)約了水泥熟料，降低了材料成本，更重要的是利用了工業(yè)廢渣，減少了環(huán)境污染。

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