固廢基硫鋁酸鹽水泥固化低液限粉土的試驗(yàn)研究

呂昭元,楊強(qiáng),余利軍,劉澎,胡天一,管延華*

(1.山東大學(xué) 齊魯交通學(xué)院，山東 濟(jì)南 250002； 2.濟(jì)南金衢公路勘察設(shè)計(jì)研究有限公司；3.濟(jì)南金諾公路工程監(jiān)理有限公司)

低液限粉土由于其粉粒含量高，顆粒較均勻且持水能力弱，將其作為路基填料時(shí)，不易壓實(shí)，路基的水穩(wěn)定性和動(dòng)穩(wěn)定性較差。運(yùn)營期間易產(chǎn)生承載力低、路基強(qiáng)度衰減速度快和路面前期損壞嚴(yán)重等問題，對(duì)行車舒適性及安全性造成了極大的影響，需要對(duì)其進(jìn)行加固處理。無機(jī)結(jié)合料穩(wěn)定材料可有效提高粉土路基強(qiáng)度及耐久性，具有強(qiáng)度高、穩(wěn)定性好、抗凍能力強(qiáng)、結(jié)構(gòu)自身自成板體等特點(diǎn)。目前常用的無機(jī)結(jié)合料主要有普通硅酸鹽水泥、石灰和粉煤灰等。近年來，不少學(xué)者對(duì)硫鋁酸鹽水泥在固化土中的應(yīng)用展開了研究：將硫鋁酸鹽水泥和石膏作為膨脹性組分，普通硅酸鹽水泥作為膠結(jié)性組分，3種材料復(fù)摻固化軟土,其固化土強(qiáng)度與單摻水泥的固化土強(qiáng)度相比可大幅度提高。但石膏存在最佳摻量，若石膏摻量過多，硫鋁酸鹽水泥和石膏反應(yīng)生成鈣礬石后，剩余的石膏還將與土中的鋁發(fā)生反應(yīng)繼續(xù)生成鈣礬石，后期形成的鈣礬石會(huì)破壞早期固化土結(jié)構(gòu)，從而使固化土抗壓強(qiáng)度降低；將硫鋁酸鹽水泥作為主固化材料，選取水泥基滲透結(jié)晶型防水材料(CCCW)作為固化土外摻劑，復(fù)摻后可更好地填充固化土孔隙，提高固化土密實(shí)度。4%的CCCW復(fù)合到12%的硫鋁酸鹽水泥中，固化土強(qiáng)度要高于20%的硫鋁酸鹽水泥固化土強(qiáng)度，大大提高了固化土的力學(xué)性能。

由現(xiàn)有研究結(jié)果可以看出：將硫鋁酸鹽水泥作為路基土的固化劑能取得較好的固化效果。但是，生產(chǎn)傳統(tǒng)的硫鋁酸鹽水泥需消耗大量的石灰石、鋁礬土和石膏等，不僅造價(jià)較高，而且需要大量開采山體，對(duì)自然環(huán)境造成不可恢復(fù)的破壞；另一方面，中國工業(yè)固廢產(chǎn)量大，利用率較低，不僅占用大量土地，而且?guī)砹藝?yán)重的環(huán)境污染。有研究者將工業(yè)固廢物赤泥、脫硫石膏、電石渣和鋁灰做為原料，燒制固廢基硫鋁酸鹽水泥。水泥砂漿試件3 d強(qiáng)度可達(dá)到56 MPa，力學(xué)及耐久性能優(yōu)越。目前，還沒有關(guān)于利用固廢基硫鋁酸鹽水泥固化低液限粉土的相關(guān)研究報(bào)道。

該文利用固廢基硫鋁酸鹽水泥與普通硅酸鹽水泥復(fù)摻作為固化土膠凝材料，通過無側(cè)限抗壓強(qiáng)度、劈裂強(qiáng)度、CBR、XRD、TGA和SEM等試驗(yàn)，探究固化土的力學(xué)性能及微觀機(jī)理，并確定二者的最佳比例。

1 試驗(yàn)材料及試驗(yàn)方案

1.1 試驗(yàn)材料

(1) 粉土

試驗(yàn)所用粉土取自山東聊城。該粉土的液限為31.2%，塑限為21.6%，塑性指數(shù)為9.6。其最佳含水率為15.3%，最大干密度為1.84 g/cm3。土顆粒級(jí)配曲線如圖1所示，顆粒粒徑為0.001～0.09 mm，且黏粒較少，屬于低液限粉土。

圖1 粉土顆粒級(jí)配曲線

(2) 普通硅酸鹽水泥及固廢基硫鋁酸鹽水泥

此次試驗(yàn)所用的普通硅酸鹽水泥采用山東產(chǎn)P.O.42.5級(jí)水泥。固廢基硫鋁酸鹽水泥由脫硫石膏、赤泥、鋁灰、電石渣燒制而成，原料均為山東某工業(yè)園排放的工業(yè)固廢。二者的化學(xué)成分見表1。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

相關(guān)研究結(jié)果表明：在固化土形成最佳結(jié)構(gòu)時(shí)，需要固化劑中的膠結(jié)性組分與膨脹性組分共同發(fā)揮作用。膠結(jié)性組分包裹黏結(jié)土顆粒，膨脹性組分和膠結(jié)性組分共同填充土顆粒間空隙，從而增加固化土的密實(shí)性，改善各項(xiàng)性能。此次試驗(yàn)采用P.O.42.5級(jí)水泥作為膠結(jié)性組分，硫鋁酸鹽水泥作為膨脹性組分，設(shè)定膠凝材料總摻量為6%，改變硫鋁酸鹽水泥占膠凝材料的比例(0%、30%、60%、70%、80%、100%),通過無側(cè)限抗壓強(qiáng)度、劈裂強(qiáng)度和CBR試驗(yàn)探究其比例變化對(duì)固化土強(qiáng)度的影響，確定最佳比例。并利用TGA、XRD和SEM等試驗(yàn)分析水泥及改良土的成分及微觀形態(tài)，探究微觀機(jī)理。各固化劑配比及對(duì)應(yīng)固化土的最佳含水率和最大干密度見表2。

表1 水泥的化學(xué)成分

表2 固化劑配比及對(duì)應(yīng)固化土的最佳含水率和最大干密度

1.3 試驗(yàn)方法

根據(jù)相關(guān)試驗(yàn)規(guī)程進(jìn)行無側(cè)限抗壓強(qiáng)度、劈裂強(qiáng)度及CBR試驗(yàn)；采用型號(hào)為Miniflex 600的X射線衍射儀分析固化土成分，掃速為10°/min，范圍為10°～90°；采用型號(hào)S-4800場(chǎng)發(fā)射掃描電鏡觀測(cè)水化產(chǎn)物的微觀結(jié)構(gòu)和微觀形貌；采用型號(hào)為NETZSCH STA 449C的熱分析儀對(duì)兩種水泥凈漿試樣進(jìn)行熱重分析，氮?dú)鈿夥眨瑨呙铚囟葏^(qū)間為25～950 ℃，升溫速率為10 ℃/min。

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 無側(cè)限抗壓強(qiáng)度

不同配比的固化劑對(duì)低液限粉土無側(cè)限抗壓強(qiáng)度的影響規(guī)律如圖2所示。

圖2 不同配比固化土抗壓強(qiáng)度隨齡期的變化規(guī)律

由圖2可知：固化土強(qiáng)度隨齡期的增長而不斷增加，且強(qiáng)度增長速度逐漸變緩。以硫鋁酸鹽水泥和普通硅酸鹽水泥復(fù)摻作為復(fù)合固化劑，隨著普通硅酸鹽水泥占膠凝材料比例的增加，固化土的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度整體呈增長趨勢(shì)。其原因在于，固化土的強(qiáng)度主要由固化劑的膠結(jié)作用和填充作用共同決定。普通硅酸鹽水泥水化生成的水化硅酸鈣在固化土中主要作為膠結(jié)性組分，用于加強(qiáng)土粒之間的連接強(qiáng)度。硫鋁酸鹽水泥水化生成的鈣礬石主要作為膨脹性組分，用于填充土粒間的縫隙，增加密實(shí)度。隨著普通硅酸鹽水泥比例的增加，水化生成的膠結(jié)物質(zhì)越多，對(duì)土顆粒的膠結(jié)作用就越強(qiáng)，固化土的強(qiáng)度不斷提高。當(dāng)摻量由60%上升到70%時(shí)，固化土強(qiáng)度提高最為顯著，兩種水泥的互補(bǔ)性發(fā)揮最好，故取70%為普通硅酸鹽水泥的最佳摻入比例。

2.2 劈裂強(qiáng)度

選取膠凝材料摻量為6%，硫鋁酸鹽水泥與普通硅酸鹽水泥復(fù)摻比例為3∶7的固化土(S30-70)作為研究對(duì)象。對(duì)比其與純硫鋁酸鹽水泥(S100-0)及純普通硅酸鹽水泥固化土(S0-100)的劈裂強(qiáng)度，強(qiáng)度隨齡期的變化規(guī)律如圖3所示。

圖3 不同配比固化土劈裂強(qiáng)度隨齡期的變化規(guī)律

由圖3可知：純硫鋁酸鹽水泥劈裂強(qiáng)度呈現(xiàn)前期增長迅速，后期緩慢增長的趨勢(shì)，28 d劈裂強(qiáng)度可以達(dá)到0.16 MPa。隨著普通硅酸鹽水泥摻量的增加，固化土劈裂強(qiáng)度逐漸增長。相比于純普通硅酸鹽水泥固化土，復(fù)摻硫鋁酸鹽水泥和普通硅酸鹽水泥的固化土前期強(qiáng)度增長較快，說明硫鋁酸鹽水泥起到了一定的早強(qiáng)效果，使固化土在早期就可以達(dá)到較高的劈裂強(qiáng)度。

2.3 承載比及膨脹量

圖4為3種配比固化土的CBR值及膨脹量。

圖4 不同配比固化土的CBR值及膨脹量

由圖4可知:隨著P.O.42.5級(jí)水泥占膠凝材料比例的增加，固化土CBR值不斷增加，膨脹量逐漸降低。3種配比固化土CBR值均較高，遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于規(guī)范對(duì)路基填料強(qiáng)度的最高要求(>8%)。CBR試件的膨脹量均小于2%。由此可知其水穩(wěn)定性及力學(xué)性能均較好。

2.4 微觀機(jī)理

2.4.1 TGA(熱重)分析

圖5為硫鋁酸鹽水泥和普通硅酸鹽水泥凈漿試件養(yǎng)護(hù)28 d齡期后的TGA曲線和DTG曲線。

圖5 水泥凈漿試樣TGA分析

由圖5(a)可知：硫鋁酸鹽水泥的熱失重主要發(fā)生于50～200 ℃，DTG曲線在125 ℃左右達(dá)到了峰值，超過200 ℃后，質(zhì)量隨溫度的升高平穩(wěn)下降，后期失重不明顯。相關(guān)研究表明：鈣礬石一般在110～180 ℃時(shí)失重,產(chǎn)生明顯的吸熱效應(yīng)。故該研究選取110～180 ℃為對(duì)比溫度，28 d時(shí)固廢基硫鋁酸鹽水泥和普通硅酸鹽水泥的質(zhì)量損失ML分別為9.5%和6.5%。說明硫鋁酸鹽水泥水化生成的鈣礬石相對(duì)較多。由圖5(b)可知：普通硅酸鹽水泥與硫鋁酸鹽水泥的TGA曲線有所不同，呈不斷下降趨勢(shì)。且DTG曲線在400～450 ℃和650～720 ℃之間出現(xiàn)了明顯的峰值，其分別由于氫氧化鈣和碳酸鈣的分解所致。而水化硅酸鈣的熱分解持續(xù)進(jìn)行，隨溫度的升高，普通硅酸鹽水泥的熱重分析曲線下降程度明顯大于固廢基硫鋁酸鹽水泥，說明其水化產(chǎn)生的水化硅酸鈣要遠(yuǎn)高于固廢基硫鋁酸鹽水泥。

2.4.2 XRD

圖6為素土及不同配比(S100-0、S30-70、S0-100)固化土進(jìn)行7 d養(yǎng)護(hù)后的X射線衍射分析結(jié)果。

圖6 不同配合比固化土X射線衍射分析圖

鈣礬石對(duì)應(yīng)的特征峰值通常為5.61、3.87和2.56，而且5.61處出現(xiàn)的鈣礬石峰值不受其他礦物的影響，容易辨別。由圖6可知：素土的XRD衍射結(jié)果中主要物質(zhì)為礦物石英，未檢測(cè)出鈣礬石。試樣(S100-0)的衍射結(jié)果中，3個(gè)特征峰均出現(xiàn)了鈣礬石，相比于其他兩種配比，其固化土中的鈣礬石含量最高，這也就可能導(dǎo)致了純硫鋁酸鹽水泥固化土膠結(jié)性較差，膨脹性較強(qiáng)，抗壓強(qiáng)度及劈裂強(qiáng)度較低的現(xiàn)象。

2.4.3 SEM

圖7為S100-0、S30-70、S0-100共3種固化劑固化低液限粉土在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)7 d時(shí)放大5 000倍的SEM照片。圖7(a)為單摻硫鋁酸鹽水泥固化土試樣的微觀照片，由圖7(a)可以看出：鈣礬石填充于土顆粒的縫隙中，形成了固化土的早期強(qiáng)度。由于齡期較短，其形態(tài)大多成短棒狀。圖7(c)為單摻P.O.42.5級(jí)水泥固化土的微觀圖片，其鈣礬石形態(tài)多為細(xì)針狀，相比于單摻硫鋁酸鹽水泥固化土，其生成的鈣礬石少而細(xì)，對(duì)土?？障兜奶畛渥饔幂^差，但土粒表面生成的水化硅酸鈣較多。圖7(b)為復(fù)摻硫鋁酸鹽水泥和P.O.42.5級(jí)水泥的固化土微觀圖片，可以看到兩種水泥復(fù)摻形成的水化產(chǎn)物與一種水泥單摻形成的產(chǎn)物有所不同，水化初期，其鈣礬石相互交織在一起，未形成單獨(dú)的棒狀或針狀結(jié)構(gòu)，右下角還可以看出少量水化硅酸鈣的絮狀形態(tài)。

圖7 3種固化土標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)7 d的SEM照片

圖8為S100-0、S30-70、S0-100共3種固化劑固化有機(jī)質(zhì)土在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)28 d時(shí)放大10 000倍的照片，圖8(a)與圖7(a)相比，其生成的鈣礬石由短棒狀變成了長棒狀，其數(shù)量更多且分布更加致密，其鈣礬石尺寸在3種配比中為最大。圖8(b)中可以看出硫鋁酸鹽水泥和P.O.42.5水泥復(fù)摻生成的鈣礬石的形態(tài)既有細(xì)針狀的，又有長棒狀的。相對(duì)于其早期形態(tài)有了很大的變化。其鈣礬石尺寸大小介于純硫鋁酸鹽水

圖8 3種固化土標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)28 d的SEM照片

泥和純普通硅酸鹽水泥水化產(chǎn)生的鈣礬石尺寸之間。圖8(c)水化產(chǎn)物出現(xiàn)了較多的絮狀水化硅酸鈣，起到膠結(jié)土顆粒的作用，少量短棒狀鈣礬石填充于土粒之間，二者共同發(fā)揮作用，為固化土提供強(qiáng)度。

3 結(jié)論

通過室內(nèi)試驗(yàn)，研究了普通硅酸鹽水泥和固廢基硫鋁酸鹽水泥不同復(fù)摻比例對(duì)改良低液限粉土的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度及劈裂強(qiáng)度的影響，確定了最優(yōu)比例，并對(duì)最優(yōu)比例進(jìn)行了CBR值、膨脹量的測(cè)定及微觀機(jī)理研究。主要結(jié)論如下：

(1) 固廢基硫鋁酸鹽水泥的水化產(chǎn)物鈣礬石含量較多，水化硅酸鈣含量較低。

(2) 復(fù)摻硫鋁酸鹽水泥和普通硅酸鹽水泥，隨普通硅酸鹽水泥摻入比例的提高，固化土抗壓強(qiáng)度不斷提高。當(dāng)摻量由60%上升到70%時(shí)，固化土強(qiáng)度提高最為顯著，兩種水泥的互補(bǔ)性發(fā)揮最好，故選取3∶7為復(fù)摻硫鋁酸鹽水泥和普通硅酸鹽水泥的最佳比例。

(3) 固廢基硫鋁酸鹽水泥和普通硅酸鹽水泥水化后生成的鈣礬石形態(tài)差異明顯，硫鋁酸鹽水泥水化生成的鈣礬石主要為長棒狀，其尺寸較大且數(shù)量較多；普通硅酸鹽水泥水化生成的鈣礬石主要為短棒狀，尺寸較小。

(4) 隨齡期的增長，固化土中鈣礬石數(shù)量逐漸增多，尺寸逐漸增大，對(duì)土粒間的縫隙有更好的填充作用。加之水化硅酸鈣對(duì)土粒間的膠結(jié)作用，從而使固化土強(qiáng)度不斷增長。