堿礦渣膠凝材料的固砂特性及抗硫酸鹽侵蝕性能

王國軍(山東鼎安檢測技術有限公司，山東 濟南 250000)

0 引言

交通運輸網絡是經濟發展的動脈，俗語“要想富先修路”就是對交通運輸業在經濟發展中的重要性的確切描述，古人也有兵馬未動糧草先行，如果不能控制和建設良好的交通要道，就不能對各種經濟項目進行建設。在新的道路建設過程中，自然狀態下的路基常常因為填料松散等原因造成穩定性和強度較差，需要對其進行改良加固，常用的加固方法有排水固結、碾壓密實、土壤替換和化學固結等方法，并且在對老路進行維修的過程中，也常常需要對路面不均勻沉降帶來的開裂進行路基加固，化學固結法是常用的方法。但是由于環境污染和能源浪費等原因需要探討和研究新的路基加固方法。

1 堿礦渣凝膠材料的固砂特性和優勢

常用的路基加固化學加固方法為水泥注漿，但是生產水泥需要消耗大量的煤炭資源，不僅不利于煤炭的清潔高效利用，而且排放大量二氧化碳導致溫室效應，浪費資源污染環境。并且傳統的水泥固化劑效率低下不穩定，容易遭受硫酸鹽腐蝕從而膨脹、開裂。粒化高爐礦渣(GGBS)是一種活性玻璃體結構材料，并且具有潛在活性。在堿性物質作用下可以激發活性獲得水硬性。因此在實際路基固化過程中可以使用價格更為低廉的礦渣替代部分水泥，并且使用工業氧化鎂和氧化鈣對其進行激發不僅可以做到廢棄物循環利用、降低工程成本而且可以減少環境污染。因此，本文以水泥固化劑(PC)作為對照組，氧化鎂進行活性激發的粒化高爐礦渣(MgO-GGBS)和氧化鈣進行活性激發的粒化高爐礦渣(CaO-GGBS)作為實驗組，分析其物理力學特性和在硫酸鹽腐蝕作用下的質量損失率和無側限抗壓強度。

2 實驗

2.1 實驗材料

本文對細砂進行固結，細度模數為1.68且含水率為6.25%，水泥為礦渣硅酸鹽水泥，粒狀高爐礦渣為首鋼集團生產，氧化鎂和氧化鈣均為工業生產，配置硫酸鹽溶液的硫酸鈉為化學純。通過X射線熒光光譜分析分別對水泥、礦渣、氧化鎂和氧化鈣化學組成進行分析。

2.2 不同路基固化劑實驗材料制備

2.2.1 配比設計和試樣制備

根據大量文獻查閱以及調研，確定粒化礦渣和堿性激發劑質量配比為9:1時可以最大化激發其潛在活性，其具體配比如表1所示。因為實驗分析主要針對其無側限抗壓強度和抗腐蝕性，因此試驗樣品需要兩種。首先將砂漿分為三層依次裝入Φ40mm×80mm的PVC模具，并且每層振蕩1min排除試樣中氣泡，成型后進行封頂覆蓋置于室溫下進行1d養護后拆除模具，再次在養護室進行3d、7d和28d養護進而進行無側限抗壓強度測定。同時將剩余樣品進行28d養護使用5%硫酸鈉溶液進行浸泡，每30d更換一次溶液。

表1 固化劑的配比數據

2.2.2 試驗測試方法

試驗測試主要是測定其流動性、無側限抗壓強度、pH值測試和質量變化率。必要的話會采用XRD、SEM和LF-NMR等儀器分析方法從微觀上對其結構變化進行觀察，從而探討堿性激發劑在提高固化劑效果方面的具體作用機理。

3 結果分析

3.1 固結砂的固結特性

3.1.1 流動性

PC、GGBS-MgO組和GGBS-CaO組的流動度分別為118mm、145mm和150mm，與PC組相比，GGBS-MgO組和GGBS-CaO組的流動度分別提高了23%和27%。

3.1.2 無側限抗壓強度

不同結砂樣品在3d、7d和28d養護期的無側限抗壓強度，發現隨著養護齡期天數的增加，不同種類結砂樣品無線側抗壓強度均增加，并且隨著養護齡期的增長多抗壓強度增加越多。對于相同的養護齡期，氧化鈣堿性激發的粒化高爐礦渣呈現最較好的無側限抗壓強度，相比于PC組在養護齡期分別為3d、7d和28d時抗壓強度分別增加了270.9%、263.6%和101.2%，氧化鎂作為堿性激發劑時的粒化高爐礦渣也呈現了較好的抗壓強度，雖然在養護齡期為3d時抗壓強度最小，但是隨著養護齡期時間的增加相比于PC組分別在7d和28d養護齡期時抗壓強度分別增加了52.5%和42.2%，說明工業MgO和CaO作為堿性激發劑具有很好的無側限抗壓強度。

3.1.3 pH值測量

通過養護齡期分別為3d、7d和28d時不同試驗樣品pH值，可以看出PC組pH值沒有什么變化，并且主要集中在12.6～12.7附近，這是因為水泥水化形成的高堿性氫氧化鈣溶液達到飽和而導致的，而GGBS-MgO組和GGBS-GaO組pH值先增加后減小。

3.2 試驗樣品抗硫酸鹽腐蝕性分析

3.2.1 外觀分析

對照組和實驗組固結砂分別在5%硫酸鈉溶液中浸泡150d，PC組在浸泡150d后試樣上下端出現非常明顯的裂紋，而實驗組試樣經過150d的硫酸鈉溶液浸泡后仍沒有出現裂紋，表面非常光滑。這說明工業化的氧化鎂和氧化鈣作為堿性激發劑，粒化高爐礦渣呈現很好的抗腐蝕性能。

3.2.2 無側限抗壓強度分析

當樣品在5%硫酸鈉溶液中進行浸泡不同齡期的的結砂劑時，對其進行無側限抗壓強度分析，PC組在侵蝕5周后無側限抗壓強度從3.97MPa增加到4.93MPa，強度提高了24.1%，此后隨著侵蝕齡期的延長，其抗壓強度快速下降，侵蝕150d后抗壓強度降低了97%，但是當用5%硫酸鈉溶液對GGBS-MgO組和GGBS-CaO組進行侵蝕時，其抗壓強度隨著侵蝕時間的增加而增加，當侵蝕時間為150d時，其強度分別從提高了45%和19%。總體而言使用工業堿性激發劑的粒化高爐礦渣具有更好的耐腐蝕強度，原因可能是工業堿性激發劑中的氧化鈣和氧化鎂等活性組分與硫酸根進行結合從而具有很好的抗硫酸鹽侵蝕性能，并且具有更加致密的構造從而提高了無側限抗壓強度。

3.2.3 質量變化

使用5%硫酸鈉溶液對不同種類固結砂進行不同時間侵蝕得到的質量變化率，固結砂經過侵蝕后主要以表現為外觀破裂并未出現脫落，所以質量并未減少。因此三種類型的固結砂經過硫酸鈉溶液侵蝕后質量均出現增加，但是結果卻差異很大，對于PC組而言，經過硫酸鈉溶液侵蝕質量明顯增加，侵蝕60d后增重將近6%，隨后隨著侵蝕質量持續增加，這可能是因為試樣在開裂狀態下硫酸根離子更容易進入試樣內部進行結合，與水泥水化產物氫氧化鈣形成石膏以及鈣礬石，并且隨著此類物質的繼續生成，試樣產生更多的裂紋從而吸收更多水分導致試樣質量明顯增長。實驗組的GGBS-MgO和GGBS-CaO經過硫酸鈉溶液侵蝕60d質量基本保持不變，這是因為試樣中沒有產生氫氧化鈣，從而不會產生膨脹性產物和裂紋，也不會產生因為吸水導致的質量增加。

4 機理探究

各組固結砂在使用5%硫酸鈉溶液經過150d侵蝕后其XRD譜圖，侵蝕150d后與未侵蝕試樣相比，PC組氫氧化鈣衍射峰消失，并且生成水滑石衍射峰，石膏和鈣礬石衍射峰也比較明顯，這可能是水泥化產物如氧化鈣與硫酸根反應生成石膏和鈣礬石。而對于使用工業堿性激劑的試樣，在硫酸鈉溶液下出現明顯的類水滑石衍射峰和強度較弱的鈣礬石衍射峰，未見石膏衍射峰，這主要是其可以形成水滑石一種層狀雙氫氧化物，碳酸根具有陰離子交換功能可以對硫酸根進行吸附和置換從而阻止其進一步與礦渣中的堿性金屬發生反應從而提高了抗壓強度和耐腐蝕性[1]。

5 結語

本次試驗主要是對堿礦渣膠凝材料的固砂特性及抗硫酸鹽侵蝕性能進行了研究，相較于傳統水泥固化劑，使用工業氧化鎂和氧化鈣作為粒化高爐礦渣激發劑制成的堿礦渣膠凝材料不僅可以做到廢物循環利用，降低生產成本，而且可以減少二氧化碳排放、保護環境，最重要的是可以表現出更好的抗壓強度和耐腐蝕性。本文首先對堿礦渣凝膠材料的固砂特性和優勢進行了說明，然后對實驗材料制備和實驗方法進行了說明，主要是制取兩種試驗樣品分別用來進行抗壓強度和耐腐蝕性分析，接下來對試驗樣品組成進行了X射線熒光光譜分析和試樣配比進行了說明。其次經過試樣的流動性、pH值和無限側抗壓強度分析表明工業堿性激發劑和粒化高爐礦渣擁有更好的流動性和抗壓強度，通過5%硫酸鈉溶液侵蝕分析，實驗組也是隨著侵蝕時間的增加抗壓強度增加、質量增長率較小，最后通過硫酸鈉溶液侵蝕試樣XRD譜圖進行了物相分析對其變化機理進行了研究。