鋼渣基固化劑固化粉質黏土耐久性研究

摘要：文章對比研究了鋼渣基固化劑和水泥固化粉質黏土的長期性能，探究了干濕循環作用下固化劑固化土和水泥固化土的性能變化規律，并分析了微觀作用機理。結果表明：鋼渣基固化劑具有穩定的長期性能，全齡期強度均高于水泥，在養護28～360 d齡期時強度增長率高達72%；鋼渣基固化劑相較水泥具有更優異的抗干濕循環能力，以及干濕循環破壞后的抗變形能力；微觀表現為固化劑產生了更多的鈣礬石和水化硅酸鈣等水化物，具有更好的膠結效果，干濕循環作用對固化劑固化土微觀結構破壞更小。

關鍵詞：固化劑；鋼渣；軟土；耐久性；干濕循環

中圖分類號：U416.03

0 引言

在珠三角、長三角等地區廣泛存在深厚層軟土路基，尤以淤泥質土更甚，在進行基礎設施建設前需進行土壤固化［1］。當前仍然以水泥作為主要的固化材料，但是軟土的高含水量會削弱水泥的膠結效果，有機質中的腐殖酸會削弱二次水化反應和產物［2-3］，使水泥固化軟土存在強度低、發展慢等問題。工程上通常采用增加水泥摻量的方式以提高水泥固化效果，但是水泥屬于高污染、高碳排放行業，生產1 t水泥約產生0.7 t二氧化碳［4］，軟基加固工程水泥的大量消耗將顯著增加工程碳排放量。

采用工業固廢代替水泥應用于軟土固化已成為當前的熱門研究。吳燕開等［5］研究發現鋼渣基固化劑固化土相較水泥固化土具有更優異的抗氯鹽侵蝕能力。劉青云等［6］研發了用于淺層軟土固化的鋼渣基固化劑，主要包含鋼渣和偏高嶺土等組分，經試驗段驗證該固化劑性能滿足固化土強度和地基淺層承載力的要求。舒本安等［7］研發了固廢基土壤固化劑，其以鋼渣作為主要成分，添加了少量的堿激發劑，該固化劑具有早強和高強特征，7 d無側限抗壓強度可達1.46 MPa，相較水泥強度提升了263%。盡管當前已研發出了性能優異的固廢基固化劑，但其耐久性仍是行業內關注的重點問題，尤其是對北方干濕變化大的環境下耐久性的研究。鑒于此，本文研究了鋼渣基固化劑在干濕循環作用下力學性能的變化規律，并探究微觀作用機理。研究成果可為鋼渣基固化劑在土壤固化相關工程的應用提供指導。

1 原材料與試驗方法

1.1 原材料

1.1.1 軟土特性

本研究采用某工程現場取樣的粉質黏土，土工性能如表1所示，試驗用土為粉質黏土。

1.1.2 固化材料

水泥采用海螺PO42.5水泥，固化劑采用文獻［8-9］研發的鋼渣基固化劑。該固化劑各項指標如表2所示。

1.2 試驗方法

1.2.1 固化土成型及強度測試

固化土成型參照《水泥土配合比設計規程》（JGJ T 233-2011）進行，攪拌樁設計要求的固化材料摻量通常為15%～18%，因此本研究的固化材料摻量為17%。無側限抗壓強度測試在微機控制電子萬能試驗機上進行，設置加載速率為1 mm/min。

1.2.2 干濕循環試驗

干濕循環試驗參照標準《濕潤和干燥壓實土水泥混合物的標準試驗方法》（ASTM D559/D559M-15）進行。固化土試塊標準養護28 d，后進行干濕循環試驗，“干”環境為在70 ℃烘箱保持42 h，“濕”環境為在標準浸水環境保持5 h，“一干一濕”為一循環。

1.2.3 微觀形貌測試

制取截面面積小于5 mm×5 mm的固化土薄片，先將薄片在70 ℃烘24 h得到干燥試塊，測試前需對試塊進行噴金處理，測試時放大倍率為5 000倍。

2 結果與討論

2.1 長期性能

固化土的長期力學性能隨齡期變化如圖1所示。由圖1可知，水泥固化土和鋼渣基固化劑固化土（下文簡稱固化劑固化土）無側限抗壓強度（UCS）均隨著齡期的增加而增大，表明固化劑固化土具有穩定的長期性能。在整個齡期內，固化劑固化土UCS均顯著高于水泥固化土，養護1年時，固化劑固化土強度約為水泥固化土強度的2.5倍，表明該固化劑相較水泥更適用于粉質黏土的固化，由于強度富余量大，實際工程中可減少固化劑用量，降低資源消耗。

固化土在不同齡期的強度增長率如圖2所示。可以發現整個區間段內，固化劑固化土強度增長率均高于水泥固化土。在7～28 d的養護齡期，水泥固化土和固化劑固化土增長率均最大，且固化劑固化土的強度增長率比水泥固化土大，提升了30%。28 d養護齡期后兩種固化土強度仍有相當比例的增長，固化劑固化土增長率更大，因此對于攪拌樁等軟土固化工程，適當延長評價齡期（由28～90 d延長到180 d）可以更準確地評價固化土的力學性能。

2.2 抗干濕循環性能

固化土強度隨干濕循環次數的變化規律如圖3所示。由圖3可知，水泥固化土和固化劑固化土無側限抗壓強度均表現出隨循環次數的增加而增大，水泥固化土和固化劑固化土強度分別提升到2.7 MPa和1.3 MPa。主要原因是提高溫度可以加速未發生反應的固化材料繼續發生反應產生膠結土顆粒。之后繼續增加干濕次數，兩種固化土強度均逐漸減小。可以發現干濕循環過程中，固化劑固化土的無側限抗壓強度均高于水泥固化土，表明固化劑較水泥具有更優異的抗干濕循環能力。

不同干濕循環次數對固化土UCS增長率的影響如圖4所示?？梢园l現由于固化材料繼續水化膠結，在0～10次的干濕循環下，兩種固化土均表現出最高的強度增長率，固化劑固化土強度增長率較水泥固化土高20%。在10～30次的干濕循環下，水泥固化土強度降低幅度高于固化劑固化土約10%，主要原因是水泥作為軟土固化材料，固化效果弱于固化劑。在0～30次的干濕循環下，水泥固化土強度增長率低于固化劑固化土約30%，水泥呈負增長，固化劑呈正增長。

在攪拌樁軟基加固工程中，通常以抽芯樣無側限抗壓強度為0.8 MPa作為合格的評價指標。因此本研究分析了在不同干濕循環次數下UCS達到0.8 MPa時水泥固化土和固化劑固化土應變的變化規律，用以評價固化土的抗變形能力，結果如圖5所示?？梢园l現，隨著干濕循環次數的增加，兩種固化材料固化土的應變均呈現出先減少后增大的規律。繼續增加干濕循環次數，固化土的應變逐漸增大，表明干濕循環會軟化固化土結構，降低抗變形能力。在干濕循環10次時，固化劑固化土的應變較水泥固化土降低了約30%，表明固化劑固化土相較水泥具有更優異的抗變形能力。

2.3 微觀形貌

分別對水泥固化土和固化劑固化土干濕循環60次后的微觀形貌進行對比測試，如圖6所示。水泥固化土可觀察到少量的針棒狀鈣礬石水化物，膠狀的水化硅酸鈣附著在土顆粒表面并膠結土顆粒。經過干濕循環60次后，水泥固化土內部出現了大量的裂紋，部分裂紋產生于土顆粒和水化物粘結界面，并由此發展。這表明粘結界面為固化土結構的薄弱區，由溫度和濕度等因素的循環作用會破壞固化土的界面膠結，使其產生裂紋，造成土顆粒的剝落，裂紋進一步發展使整個結構破壞。相較水泥固化土，固化劑固化土微觀結構可觀察到更多的針棒狀鈣礬石和水化硅酸鈣等水化物，可以更好地膠結土顆粒，因此固化劑固化土相較水泥同條件下表現出更高的力學性能。經過60次干濕循環后，固化劑固化土內部出現了一些孔洞，未發現有明顯裂紋，這是固化劑固化土與水泥固化土最明顯的區別。固化劑固化土局部產生了剝落，整體結構未被明顯破壞，因此固化劑固化土相較水泥固化土具有更優異的抗干濕循環性能。

3 結語

本文研究了鋼渣基固化劑和水泥固化劑固化粉質黏土的耐久性，并分析了微觀作用機理，可得到以下結論：

（1）鋼渣基固化劑具有穩定的長期性能，養護1年時，固化劑固化土強度約為水泥固化土強度的2.5倍；固化劑固化土在中后期（28～360 d）強度增長率達到72%，因此對于攪拌樁等軟土固化工程，適當地延長評價齡期（由28～90 d延長到180 d）可以更準確地評價固化劑固化土的力學性能。

（2）固化土強度隨著干濕循環次數增加呈先增大后減小的規律；固化劑固化土具有更優異的抗干濕循環破壞能力，干濕循環全過程固化劑固化土強度均高于水泥固化土。

（3）固化劑固化土相較水泥固化土具有更優異的抗變形能力，在干濕循環10次時，固化劑固化土的應變較水泥固化土降低了約30%。

（4）干濕循環60次后，固化劑較水泥產生了更多的鈣礬石和水化硅酸鈣等產物，膠結性能更優，干濕循環對固化劑固化土微觀結構破壞更小，未產生明顯的裂紋，在宏觀上表現為固化劑固化土具有更優異的抗干濕循環破壞能力和干濕破壞后更優異的抗變形能力。

參考文獻

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收稿日期：2024-03-26

作者簡介：唐毓猛（1981—），工程師，主要從事市政工程監理咨詢工作。