堿激發(fā)礦渣粉煤灰復(fù)合體系固化土的強(qiáng)度研究

吳東東 , 喬 偉, 賈 羽

(1.中交第三公路工程局有限公司，北京 101399； 2.中南大學(xué) 土木工程學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙 410083)

0 引言

人口的增長(zhǎng)、城市化進(jìn)程的加快，會(huì)導(dǎo)致資源消費(fèi)模式變化，與此同時(shí)，固體廢棄物的種類和數(shù)量迅速增加。在我國(guó)，每年會(huì)產(chǎn)生大量的工業(yè)廢棄物，這些廢棄物除了對(duì)環(huán)境造成嚴(yán)重威脅外，由于需要占用更多的堆存空間，其對(duì)土地資源也有著很大的影響[1]。利用這些工業(yè)固廢代替?zhèn)鹘y(tǒng)材料不僅可以解決其帶來的環(huán)境問題，更可以有效地節(jié)約材料、減少對(duì)土地的占用，獲得良好的成本效益。

近年來，建筑行業(yè)對(duì)工業(yè)固體廢棄物的使用明顯增加。粉煤灰(FA)與礦渣(GGBS)都是非常具有應(yīng)用前景的材料。在混凝土制造業(yè)中，F(xiàn)A被用作水泥的部分替代品[2]。在巖土工程中，F(xiàn)A被直接應(yīng)用于土壤穩(wěn)定與公路路基建設(shè)。同樣，GGBS也被應(yīng)用于制造混凝土[3]。事實(shí)上，GGBS替代部分水泥使其耐久性和抗侵蝕能力均得到了提升，并提供了更低的水化熱，因此，開發(fā)基于這兩種工業(yè)固廢的固化體系會(huì)具有良好的強(qiáng)度效應(yīng)。

FA、GGBS等具有火山灰膠凝活性的潛力。通常粉煤灰中二氧化硅含量充足，氧化鈣含量較少，而礦渣中的氧化鈣含量相對(duì)高于粉煤灰。當(dāng)這兩種材料混合時(shí)，它們可以通過提供充足的石灰或二氧化硅來增強(qiáng)類似火山灰的反應(yīng)活性。這種方法可以顯著減少石灰或水泥等化學(xué)激活劑的用量[4]。

本文以云南怒江某公路段項(xiàng)目為依托，對(duì)3種不同比例FA與GGBS混合物在堿激發(fā)下固化路基素填土進(jìn)行了研究，以期對(duì)利用固廢材料固化路基填土應(yīng)用提供理論指導(dǎo)。

1 工程概況

依托項(xiàng)目所在地隸屬福貢縣，項(xiàng)目跨越怒江，附近有地方道路，交通便利。主要地貌為沖洪積地貌，地形起伏不大。

由于第四系地層對(duì)工程影響較大，故在此主要介紹第四系地層的巖性，情況如下：

1)素填土①(Q4me)：灰黃色，松散，主要由粉質(zhì)黏土、塊石、碎石及混凝土棄渣組成，該層廣泛分布，層厚3.0～4.0 m。

2)含碎石粉質(zhì)黏土②(Q4al)：淺黃色、淺灰色，可塑，含約15%的碎石，土質(zhì)不均勻，表層0.4m為種植土，該層厚1.5～4.3 m。承載力基本容許值[fa0]=200 kPa，摩阻力標(biāo)準(zhǔn)值qik=50 kPa。

3)碎石(Q4al)③：淺灰色，松散，稍密，多呈棱角形，母巖成分為強(qiáng)風(fēng)化片麻巖，泥砂質(zhì)充填，顆粒級(jí)配一般，層厚3.2 m。承載力基本容許值[fa0]=350 kPa，摩阻力標(biāo)準(zhǔn)值qik=100 kPa。

4)細(xì)砂(Q4al)④：深灰色，松散，飽和，主要礦物成分為石英、長(zhǎng)石及云母，含少量黏粒，層厚0.8～3.2 m。承載力基本容許值[fa0]=150 kPa，摩阻力標(biāo)準(zhǔn)值qik=-40 kPa。

5)漂石(Q4al)⑤：灰白、灰黃色，松散-稍密，母巖成分為強(qiáng)風(fēng)化、中風(fēng)化片麻巖，泥砂質(zhì)及卵石充填。該層厚0.8～13.5 m，承載力基本容許值[fa0]=-600 kPa，摩阻力標(biāo)準(zhǔn)值qik=200 kPa。

6)礫砂(Q4al)⑥：淺黃色，稍密，飽和，主要礦物成分為石英、云母，層厚2.0 m。承載力基本容許值[fa0]=250 kPa，摩阻力標(biāo)準(zhǔn)值qik=60 kPa。

7)卵石(Q4al)⑦：淺灰色，稍密，母巖成分主要為強(qiáng)風(fēng)化砂巖、片麻巖等，泥、砂質(zhì)充填，該層厚2.7～11.3m。承載力基本容許值[fa0]=400 kPa，摩阻力標(biāo)準(zhǔn)值qik=160 kPa。

8)圓礫(Q4al)⑧：淺灰色，稍密，母巖成分主要為強(qiáng)風(fēng)化砂巖、片麻巖，該層厚1.5 m。承載力基本容許值[fa0]=350kPa，摩阻力標(biāo)準(zhǔn)值qik=10 kPa。

在工程應(yīng)用中采用粉質(zhì)黏土作為路基填料時(shí)，遇水易濕陷，故選取其為固化對(duì)象。

2 試驗(yàn)材料與方法

2.1 試驗(yàn)材料

1)素填土。將素填土經(jīng)烘箱烘干12 h，經(jīng)顎式破碎機(jī)破碎后，過2 mm篩備用。

2)GGBS。試驗(yàn)所用GGBS為S95級(jí)礦渣，其化學(xué)組成成分見表1。

表1 GGBS、FA的化學(xué)組成%組成成分SiO2Al2O3Fe2O3CaOMgOSO3K2O燒失量GGBS36.6218.832.0935.111.930.481.303.64FA50.5138.422.522.210.540.423.072.31

3)FA。FA為低鈣粉煤灰，取自云南某電廠，化學(xué)組成成分見表1。

4)堿激發(fā)劑。堿激發(fā)劑由為mNa2O·nSiO2∶mNaOH=3∶1混合配制而成，2種試劑純度均大于95%。

2.2 試驗(yàn)方法

配制3種比例的固化劑，分別為100%GGBS(GFO)、90%GGBS+10%FA(GF10)、80%GGBS+20%FA(GF20)，將其以干土質(zhì)量的10%、15%、20%添加入素填土中。取堿激發(fā)劑為固化劑質(zhì)量的5%，最后按照干土質(zhì)量的20%加入去離子水。制樣方法為靜壓壓實(shí)法，每組設(shè)置平行試樣3個(gè)，經(jīng)壓實(shí)后的試樣放入濕度為95%、溫度為20 ℃的養(yǎng)護(hù)箱中養(yǎng)護(hù)，養(yǎng)護(hù)7、14、28 d后進(jìn)行無側(cè)限抗壓強(qiáng)度測(cè)試。

由于工程所處環(huán)境較為濕熱，雨水較多，故對(duì)經(jīng)28 d標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)的試樣進(jìn)行干濕循環(huán)試驗(yàn)。試驗(yàn)方案為：將樣品浸沒在裝滿去離子水的試驗(yàn)箱中24 h，隨后取出放入60 ℃烘箱中烘干24 h，此過程即為1次干濕循環(huán)，干濕循環(huán)次數(shù)設(shè)置為1、3、5次，經(jīng)歷干濕循環(huán)后立即進(jìn)行無側(cè)限抗壓強(qiáng)度測(cè)試。觀察其干濕循環(huán)作用下的強(qiáng)度變化，探究其耐久性。

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 固化材料齡期強(qiáng)度發(fā)展

圖1(a)～(c)分別為10%、15%、20%固化劑摻量下固化土強(qiáng)度隨齡期變化曲線圖。由圖可見，在各個(gè)齡期下，固化土強(qiáng)度均隨固化劑摻量的增加而增加，這是由于固化劑經(jīng)過堿激發(fā)后，反生水化反應(yīng)生成了C-S-H、C-A-S-H、N-A-S-H等水化產(chǎn)物，增加了土體顆粒之間的連接力，并填充了土體顆粒間的孔隙[5]。在不同固化劑配比下，GF10即FA替代10%GGBS后的強(qiáng)度效果最佳，這是由于摻入粉煤灰改變了固化土的粒徑級(jí)配，填充了體系中的大孔隙，使得固化土的結(jié)構(gòu)變得非常致密[6]。當(dāng)FA替代20%GGBS后，固化土7 d強(qiáng)度減弱，這是由于FA的活性較GGBS低，過量摻加后不但不能起到填充孔隙的作用，反而會(huì)減弱替代部分GGBS的膠結(jié)效果，導(dǎo)致其7 d強(qiáng)度減弱，但隨著反應(yīng)繼續(xù)進(jìn)行，體系內(nèi)游離的OH-離子逐漸破壞FA的原始結(jié)構(gòu)，生成新的水化膠凝產(chǎn)物N-A-S-H，所以當(dāng)試樣達(dá)到28d時(shí)，其強(qiáng)度超過了激發(fā)100%GGBS固化土。

(a)10%固化劑摻量

(b)15%固化劑摻量

(c)20%固化劑摻量圖1 不同固化劑摻量下固化土強(qiáng)度發(fā)展

3.2 固化材料干濕循環(huán)強(qiáng)度發(fā)展

圖2(a)～(c)分別為10%、15%、20%固化劑摻量下固化土強(qiáng)度隨干濕循環(huán)次數(shù)變化曲線。由圖可知，當(dāng)固化劑摻量為10%時(shí)，各組在經(jīng)過5次干濕循環(huán)后，其強(qiáng)度下降明顯。當(dāng)固化劑摻量為15%與20%時(shí)，各組固化劑不同配比下均具有良好的抵抗干濕循環(huán)能力。這是由于10%固化劑摻量下雖然固化土具備了一定的膠結(jié)能力，但依然具有一定的連通性孔隙，在經(jīng)歷一定的干濕循環(huán)后，表面試樣逐漸開始剝落，孔隙與裂隙進(jìn)一步加大，促進(jìn)了試樣強(qiáng)度劣化[7]。

(a)GF0

(b)GF10

(b)GF20圖2 不同配比固化劑下固土的干濕循環(huán)強(qiáng)度

對(duì)比不同摻量FA替代GGBS材料，摻入FA后，堿激發(fā)體系的抗干濕循環(huán)能力增強(qiáng)，這是由于FA體系本身具有致密的結(jié)構(gòu)，生成的產(chǎn)物不易吸水，且相較于單一的堿激發(fā)GGBS體系，具有更好的彈性，故干濕循環(huán)過程中的膨脹與收縮對(duì)其表面的剝蝕作用較弱，因此FA與GGBS復(fù)合體系的干濕循環(huán)耐久性更好。

4 結(jié)論

本文以堿激發(fā)GGBS與摻加FA的復(fù)合體系固化路基粉質(zhì)黏土，并進(jìn)行了耐久性試驗(yàn)研究，得出如下結(jié)論：

1)GGBS與FA在經(jīng)過堿激發(fā)并固化粉質(zhì)黏土后具有良好的強(qiáng)度效果，但在10%固化劑摻量下其抗干濕循環(huán)耐久性能較弱。

2)通過對(duì)比單一GGBS與FA部分替代GGBS的堿激發(fā)體系，發(fā)現(xiàn)FA在替代一定的GGBS后增強(qiáng)了體系的后期強(qiáng)度與抗干濕循環(huán)能力。

3)由于堿激發(fā)GGBS與FA使用了大量的固體廢棄物材料，因此具有良好的經(jīng)濟(jì)、環(huán)境效益，適合固化地基土?xí)r推廣應(yīng)用。