堿激發礦渣粉煤灰復合體系固化土的強度研究

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 土木工程學院，湖南 長沙 410083)

0 引言

人口的增長、城市化進程的加快，會導致資源消費模式變化，與此同時，固體廢棄物的種類和數量迅速增加。在我國，每年會產生大量的工業廢棄物，這些廢棄物除了對環境造成嚴重威脅外，由于需要占用更多的堆存空間，其對土地資源也有著很大的影響[1]。利用這些工業固廢代替傳統材料不僅可以解決其帶來的環境問題，更可以有效地節約材料、減少對土地的占用，獲得良好的成本效益。

近年來，建筑行業對工業固體廢棄物的使用明顯增加。粉煤灰(FA)與礦渣(GGBS)都是非常具有應用前景的材料。在混凝土制造業中，FA被用作水泥的部分替代品[2]。在巖土工程中，FA被直接應用于土壤穩定與公路路基建設。同樣，GGBS也被應用于制造混凝土[3]。事實上，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，開發基于這兩種工業固廢的固化體系會具有良好的強度效應。

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高于粉煤灰。當這兩種材料混合時，它們可以通過提供充足的石灰或二氧化硅來增強類似火山灰的反應活性。這種方法可以顯著減少石灰或水泥等化學激活劑的用量[4]。

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

1 工程概況

依托項目所在地隸屬福貢縣，項目跨越怒江，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)含碎石粉質黏土②(Q4al)：淺黃色、淺灰色，可塑，含約15%的碎石，土質不均勻，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，摩阻力標準值qik=50 kPa。

3)碎石(Q4al)③：淺灰色，松散，稍密，多呈棱角形，母巖成分為強風化片麻巖，泥砂質充填，顆粒級配一般，層厚3.2 m。承載力基本容許值[fa0]=350 kPa，摩阻力標準值qik=100 kPa。

4)細砂(Q4al)④：深灰色，松散，飽和，主要礦物成分為石英、長石及云母，含少量黏粒，層厚0.8～3.2 m。承載力基本容許值[fa0]=150 kPa，摩阻力標準值qik=-40 kPa。

5)漂石(Q4al)⑤：灰白、灰黃色，松散-稍密，母巖成分為強風化、中風化片麻巖，泥砂質及卵石充填。該層厚0.8～13.5 m，承載力基本容許值[fa0]=-600 kPa，摩阻力標準值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，摩阻力標準值qik=60 kPa。

7)卵石(Q4al)⑦：淺灰色，稍密，母巖成分主要為強風化砂巖、片麻巖等，泥、砂質充填，該層厚2.7～11.3m。承載力基本容許值[fa0]=400 kPa，摩阻力標準值qik=160 kPa。

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

在工程應用中采用粉質黏土作為路基填料時，遇水易濕陷，故選取其為固化對象。

2 試驗材料與方法

2.1 試驗材料

1)素填土。將素填土經烘箱烘干12 h，經顎式破碎機破碎后，過2 mm篩備用。

2)GGBS。試驗所用GGBS為S95級礦渣，其化學組成成分見表1。

表1 GGBS、FA的化學組成%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，化學組成成分見表1。

4)堿激發劑。堿激發劑由為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)，將其以干土質量的10%、15%、20%添加入素填土中。取堿激發劑為固化劑質量的5%，最后按照干土質量的20%加入去離子水。制樣方法為靜壓壓實法，每組設置平行試樣3個，經壓實后的試樣放入濕度為95%、溫度為20 ℃的養護箱中養護，養護7、14、28 d后進行無側限抗壓強度測試。

由于工程所處環境較為濕熱，雨水較多，故對經28 d標準養護的試樣進行干濕循環試驗。試驗方案為：將樣品浸沒在裝滿去離子水的試驗箱中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，干濕循環次數設置為1、3、5次，經歷干濕循環后立即進行無側限抗壓強度測試。觀察其干濕循環作用下的強度變化，探究其耐久性。

3 試驗結果與分析

3.1 固化材料齡期強度發展

圖1(a)～(c)分別為10%、15%、20%固化劑摻量下固化土強度隨齡期變化曲線圖。由圖可見，在各個齡期下，固化土強度均隨固化劑摻量的增加而增加，這是由于固化劑經過堿激發后，反生水化反應生成了C-S-H、C-A-S-H、N-A-S-H等水化產物，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后的強度效果最佳，這是由于摻入粉煤灰改變了固化土的粒徑級配，填充了體系中的大孔隙，使得固化土的結構變得非常致密[6]。當FA替代20%GGBS后，固化土7 d強度減弱，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，反而會減弱替代部分GGBS的膠結效果，導致其7 d強度減弱，但隨著反應繼續進行，體系內游離的OH-離子逐漸破壞FA的原始結構，生成新的水化膠凝產物N-A-S-H，所以當試樣達到28d時，其強度超過了激發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度發展

3.2 固化材料干濕循環強度發展

圖2(a)～(c)分別為10%、15%、20%固化劑摻量下固化土強度隨干濕循環次數變化曲線。由圖可知，當固化劑摻量為10%時，各組在經過5次干濕循環后，其強度下降明顯。當固化劑摻量為15%與20%時，各組固化劑不同配比下均具有良好的抵抗干濕循環能力。這是由于10%固化劑摻量下雖然固化土具備了一定的膠結能力，但依然具有一定的連通性孔隙，在經歷一定的干濕循環后，表面試樣逐漸開始剝落，孔隙與裂隙進一步加大，促進了試樣強度劣化[7]。

(a)GF0

(b)GF10

(b)GF20圖2 不同配比固化劑下固土的干濕循環強度

對比不同摻量FA替代GGBS材料，摻入FA后，堿激發體系的抗干濕循環能力增強，這是由于FA體系本身具有致密的結構，生成的產物不易吸水，且相較于單一的堿激發GGBS體系，具有更好的彈性，故干濕循環過程中的膨脹與收縮對其表面的剝蝕作用較弱，因此FA與GGBS復合體系的干濕循環耐久性更好。

4 結論

本文以堿激發GGBS與摻加FA的復合體系固化路基粉質黏土，并進行了耐久性試驗研究，得出如下結論：

1)GGBS與FA在經過堿激發并固化粉質黏土后具有良好的強度效果，但在10%固化劑摻量下其抗干濕循環耐久性能較弱。

2)通過對比單一GGBS與FA部分替代GGBS的堿激發體系，發現FA在替代一定的GGBS后增強了體系的后期強度與抗干濕循環能力。

3)由于堿激發GGBS與FA使用了大量的固體廢棄物材料，因此具有良好的經濟、環境效益，適合固化地基土時推廣應用。