废渣基土壤固化剂与不同土质的适应性研究

孟建伟，华苏东，姚晓

（南京工业大学 材料科学与工程学院，江苏 南京 210009）

废渣基土壤固化剂与不同土质的适应性研究

孟建伟，华苏东，姚晓

（南京工业大学 材料科学与工程学院，江苏 南京 210009）

试验采用自主研制的工业废渣基土壤固化剂PS，与水泥-石灰无机固化剂分别对不同地区的黏性土、盐碱土、砂质土、粉质土等4种代表性土壤进行了固化试验。考察了固化土的无侧限抗压强度、水稳性能、抗冻性能。结果表明：PS固化土的各项性能都明显优于水泥-石灰稳定土，固化黏性土的28 d抗压强度高达4.3 MPa；对于盐碱土和砂质土的水冻稳定性改善效果更为优异，对各种土壤具有广泛的适应性。采用XRD和SEM对PS固化土试样进行表征，结果表明，PS固化剂与土壤反应生成的水化硅酸钙、钙矾石的等结晶状产物填充了空隙，起到稳定土壤的作用。

土壤固化剂；无侧限抗压强度；土质；适应性

0 引言

工业废渣是排放量最大的固体废弃物，由于工业废渣的物性特点，不能被自然降解，也不能用焚烧的办法来处理，占用了大量土地。更为严重的是，工业废渣露天长时间堆放，经日晒雨淋，可溶性有害元素将流入地表或地下水，污染水域，且这种污染持续的时间可达几十年之久，由此造成了沉重的社会经济和环境负担[1]。利用工业废渣为原料配制土壤固化剂，用于填筑路基、改良土质，既能无害化处理废弃的工业废渣，又能降低工程施工的材料成本，符合绿色环保的资源化利用趋势。

土壤固化剂是一种由多种无机、有机材料合成的用以改变土壤结构、固化各类土壤的新型环保节能工程材料[2]。20世纪90年代起，我国开始引进和研制土壤固化剂，主要应用于地基处理、道路工程及高速公路边坡防护等领域[3]。良好的土壤固化剂对土壤的固化效果是显著的，主要体现在固化土的抗压强度和抗水抗冻稳定性[4]，这是检验固化剂固化效果的重要性能指标。但是，不同地区的土壤性质并不是完全相同的，随着土质的变化，土壤固化的效果会产生明显的差异，而且由于固化剂性质和固化机理的不同，一般固化剂很难适应多种不同性质土壤的固化[5-6]。因此，土壤固化剂的广泛适用性也是一种极为重要的特性。基于此目的，本文以矿渣、粉煤灰、磷石膏等工业废渣为原料，研制了一种广谱型的复合土壤固化剂PS。选用4种不同地区的土壤，与目前路基工程中应用较为广泛的水泥-石灰稳定土（SS）作为对比试验，评价PS固化剂在同等条件下，对不同土质固化土的路用强度和耐久性的影响，并通过XRD和SEM探讨固化土微观结构变化的内部机理。

1 原材料和试验方法

1.1 原材料

为了表征固化剂对不同土壤的适应性，试验选取了我国4个地区具有代表性的土壤进行固化试验，土壤的主要物理性质见表1。试验采用2种土壤固化材料，分别为自制的PS土壤固化剂和水泥-石灰固化剂。PS土壤固化剂为试验室自主研制的废渣基土壤固化剂，主要成分包括矿渣、镍渣、粉煤灰、磷石膏、增强剂、稳定剂等，主要化学成分见表2。水泥-石灰固化剂以二者按1∶1的质量比配成，在本次实验中作为PS土壤固化剂的对照样。试验中固化剂的掺量均设定为占土样质量的8%。

表1 4种不同地区土壤的物理性质

表2 固化材料的主要化学成分 %

1.2 试样制备和养护

按照JTG E51—2009《公路工程无机结合料稳定材料试验规程》细粒土试样制作的要求，制作5 cm×5 cm的圆柱形试件。将土壤的含水率分别调至14%、16%、18%、20%、22%，对4种土样进行击实试验，得出最大干密度和最佳含水率，作为固化土样制备的依据，击实实验结果见表3。采用压实成型方法制备试件，试件成型在万能试验机上进行，保持5 min压实后利用千斤顶脱出试件。试件制备好后立即用塑料薄膜封装，放入标准养护室[温度为（20±2）℃，湿度为95%以上]养护至规定龄期，备用待测。

表3 4种土样的击实试验结果

1.3 试验方法

（1）无侧限抗压试验

根据JTG E51—2009的测试方法，将养护后的试样置于压力试验机加压台上，以1 mm/min的加载速率均匀加压至试样破坏，记录破坏荷载，即为试样的无侧限抗压强度。

（2）浸水抗压试验

实验采用简易方法测试固化土样的水稳定度：将标准养护7 d后的固化土试样置于20℃水中，浸水1～4 d后同时取出，测试无侧限抗压强度。水稳定度按式（1）计算：

式中：kw——试样的水稳定度，%；

wc'——试样标准养护7 d后浸水1～4 d抗压强度，MPa；

wc——试样标准养护7 d的抗压强度，MPa。

（3）冻融循环试验

为了检验固化土试样的抗冻性能，本试验采用了28 d龄期的冻融循环试验，冻融周期为3～9个循环。先将标准养护28 d的固化土试样分2组冻融试件置于-18℃的低温箱中冷冻16 h，冻融结束后，取出试件量高、称重，然后立即放入20℃的水槽中进行融化，融化时间为8 h。融化完毕，取出试件擦干后量高、称重，此即为1个冻融循环。分别测试冻融后试样和28 d标准养护试样的抗压强度，按式（2）计算冻融稳定度：

式中：kr——试样的冻融稳定度，%；

rc'——试样冻融循环后的抗压强度，MPa；rc——试样标准养护28 d的抗压强度，MPa。

2 试验结果及分析

2.1 固化土抗压强度评价（见图1）

由图1可以看出，在相同龄期和固化剂掺量下，固化土样的无侧限抗压强度：固化黏性土>固化盐碱土>固化砂质土>固化粉质土，这是由土壤本身的性质决定的。随着养护龄期的延长，4种土样的固化强度有着不同程度的提高。对于4种PS固化土，3～7 d龄期，固化黏性土的强度增长最快，7 d强度达到3 MPa；其次为固化盐碱土，强度同样有较大程度的增长；固化砂质土和粉质土的强度增长稍慢。7～14 d龄期，固化砂质土和粉质土的强度增长均有所放缓。14～28 d龄期，固化砂质土和固化盐碱土的抗压强度保持较快的增长速度，而固化黏性土的强度增长有所放缓，固化粉质土的强度增长依然以较慢的速度进行，强度始终低于2 MPa。

图1 不同龄期下固化土的无侧限抗压强度

对2种固化土进行对比，PS固化土抗压强度都在1.5 MPa以上，黏性土的28 d强度更是高达4.3 MPa，每种土样的抗压强度都要高于水泥-石灰固化土。而且从图1可以看出，14～28 d龄期，PS固化土的强度增长率大于在7～14 d龄期，说明其中后期也保持着较好的强度增长，而水泥-石灰固化土与之相反，强度增长率变小，后期强度增长缓慢。这些都表明PS固化剂针对强度的固化效果较好，优于水泥-石灰固化剂。

2.2 固化土水稳定性评价（见表4）

表4 不同浸水龄期固化土试样的水稳定度

由于土壤性质的不同，固化剂对土壤的水稳性能也有着不同程度的改善。总体上来看，水稳性能：固化粉质土>固化黏性土>固化砂质土>固化盐碱土。其中固化粉质土样浸水1 d后抗压强度受影响较小，这是由于固化剂将粉质土固结，形成致密的结构，有效阻挡了水分的渗入；而黏性土固化结构同样致密，但土质本身吸水性较强，水分从表面渗入内部，所以次于粉质土；砂质土固化结构不是很致密，留下许多孔隙，水分易于渗入固化土内部，水稳性能较差；而固化盐碱土水稳性能最差，这主要是盐碱土中存在大量盐分，浸水后极易溶解，造成固化土整体结构的崩塌[7]。因此，土壤的颗粒结构和吸水与溶解能力，是影响固化土水稳性能的2个重要因素。

随着浸水龄期延长，4种土样固化土的水稳定度不断下降，而且浸水3 d以后水稳定度降低更为明显。PS固化剂固化的4种土样中，固化盐碱土水稳定度降低最为显著，浸水3 d后盐碱土中的盐分大量溶解于水中，使结构溃散而失去强度；固化粉质土的水稳定性最好，随着浸水龄期的延长，水稳定度降低很少，浸水4 d后仍有60.5%的水稳定度；固化砂质土前期水稳定度较好，因其较大的空隙率，浸水后期水稳定度降低较快，直至浸水4 d后只有5.4%的水稳定度；固化黏性土水稳定度的降低较为平均，浸水4 d后仍能保持39.8%的水稳定度，与其致密的结构密不可分。

同样的试验条件下，水泥-石灰固化的4种土样水稳系数都要低于PS固化土，尤其对于盐碱土和砂质土水稳定性的效果很差，浸水1 d水稳定度只有23.4%和47.3%，数值降低更为明显，浸水3 d和4 d后已分别失去结构强度。可见，PS固化剂针对4种土样的水稳定性增强效果很好，明显优于水泥-石灰固化剂。

2.3 固化土抗冻性能评价（见表5）

表5 不同循环次数的固化土试样的冻融稳定度

经冻融循环后固化土强度的下降，主要是因为水分渗入固化土内部，低温冻结，常温溶解，体积发生变化，慢慢瓦解固化土的结构而造成的。由表5可以看出，固化土的抗冻性能和水稳性能存在相似的影响规律，抗冻性能：固化粉质土>固化黏性土>固化砂质土>固化盐碱土。

随着冻融循环次数的增加，固化土试样的冻融稳定度逐渐下降，直至循环9次，部分试样出现表面剥落和溃散的现象。4种PS固化剂固化处理后的土样中，固化粉质土循环9次后冻融稳定度依然高达62.5%，抗冻性能很好；固化盐碱土循环5次以后冻融稳定度降为9.8%，基本已丧失结构强度；固化砂质土的冻融稳定度同样降低较快，循环7次后冻融稳定度只有15.4%，之后试样溃散强度已无法测得；固化黏性土的冻融稳定度降低较为平稳，循环3次时的冻融稳定度为63.8%，循环9次后依然保持35.0%的稳定度。

从表5来看，2种固化剂针对土壤抗冻性能的改善也有着较为显著的差异。经过PS固化剂固化处理后的4种土样冻融循环后冻融稳定度均高于水泥-石灰固化土样，固化黏性土和粉质土相差不大，固化盐碱土和砂质土则差距较为明显。循环5次后，水泥-石灰固化盐碱土已溃散而无法测试，而固化砂质土冻融稳定度只有16.1%，远低于PS固化土样。这些结果表明，PS固化剂针对4种土样抗冻性能的改善效果更为优异。

3 固化土的微观分析

3.1 固化土的XRD分析

图2为PS固化土养护28 d后的X射线衍射图谱，其固化剂掺量为8%。

图2 PS固化土28 d的XRD图谱

从图2可以看出，4种不同土质的PS固化土的图谱较为相似，主晶相为石英和斜方钙沸石。从衍射峰还可以检测出少量的石膏、氢氧化钙、水化硅酸钙和钙矾石晶体，其中石膏、氢氧化钙是由固化剂引入，而水化硅酸钙和钙矾石则是固化剂与土壤反应生成物。其中，SO42-不仅起到促进水泥水化的作用，还能够激发固化剂中矿渣、粉煤灰、磷石膏等活性掺合料的活性，提高早期强度和后期强度；OH-将加速活性矿物质的溶解，并形成水化硅酸钙和水化铝酸钙。此外，还与土壤中的铝相反应，生成钙矾石，这些反应生成的结晶体使得材料的体积增加，填充土团粒间的空隙，并连结土壤颗粒形成网状结构，使固化土变得致密[8]，有效增强土壤强度和稳定性。

3.2 固化土的SEM分析

PS固化土成型28 d后的扫描电镜照片见图3。

从图3可以看出，各种性质的固化土的颗粒大小不一，但表面都覆盖着一层凝胶，并且颗粒间隙中长着一些针状体结晶。这些结晶主要成分是水化硅酸钙、水化铝酸钙和钙矾石，是固化剂中矿物质水化产物以及固化剂与土壤之间的反应产物，连结着土壤颗粒形成致密的网状结构，起到增强固化土结构强度和稳定性的作用。结果表明，PS固化剂对各种性质的土壤都起到了固化稳定的作用，具有良好的适应性。

4 结论

（1）在相同龄期内，固化土抗压强度：黏性土>盐碱土>砂质土>粉质土；随着养护龄期的延长，4种固化土的强度有着不同程度的提高；土壤性质和固化材料的不同，导致固化土强度的增长速率也表现不同。固化土的抗冻性能和水稳定性存在着相似的影响规律：粉质土>黏性土>砂质土>盐碱土。

（2）PS固化土抗压强度都在1.5 MPa以上，黏性土的28 d强度高达4.3 MPa，每种土样的抗压强度都要高于水泥-石灰稳定土，PS固化剂针对强度的固化效果更好。

（3）同样的试验条件下，水泥-石灰固化的4种土样水稳定度均低于PS固化土，尤其对于盐碱土和砂质土水稳定性的效果很差，浸水1 d水稳定度只有23.4%和47.3%。经过PS固化剂固化处理后的4种土样循环后冻融稳定度均高于水泥-石灰固化土样，固化黏性土和粉质土相差不大，固化盐碱土和砂质土则差距较为明显。

（4）PS固化剂与土壤反应生成水化硅酸钙、钙矾石的等结晶状产物，有效地填充土团粒间的空隙，并连接土壤颗粒形成网状结构，使固化土变得致密，起到稳定土壤的作用。

（5）废渣基土壤固化剂PS对黏性土、盐碱土、砂质土、粉质土4种不同性质土壤具有广泛的适应性，能够应用于多种复杂的现场施工环境。

[1] 黄弘，唐明亮，沈晓冬，等.工业废渣资源化及其可持续发展与水泥混凝土工业相结合走可持续发展之路[J].材料导报，2006，20（5）：455－458.

[2] 梁文泉，何真，李亚杰，等.土壤固化剂的性能及固化机理的研究[J].武汉水利大学电力学报，1995，28（6）：675-679.

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[4] 李沛，杨武，邓永锋，等.土壤固化剂发展现状和趋势[J].路基工程，2014（3）：1-7.

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[7] Chatterji S.Aspects of freezing process in porous material water system[J].Cement and Concrete Research，1999，29（5）：781-784.

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Research on the adaptation to different soils with waste residue-based soil solidification agent

MENG Jianwei，HUA Sudong，YAO Xiao
（College of Materials Science and Engineering，Nanjing Tech University，Nanjing 210009）

Solidification test of four representative soils from different regions of China，including clay，saline soil，sand and silt，were carried with self-made industrial waste residue-based stabilizer PS，which compared with inorganic cement-lime solidification.The unconfined compression strength，water stability and anti-frost property of solidified soil were analyzed.Results showed that various properties of PS solidified soil were obviously better than that of cement-lime solidified soil，which the compressive strengths at 28 d of clay are above 4.3 MPa.Solidified soil PS has extensive adaptability for a variety of soils with a better improved effect for saline soil and sand.The results from the scanning electron microscopy（SEM）and X-ray diffraction（XRD）tests showed that tobermorite and ettringite crystals are generated which fill the interspace and stabilize the soil.

soil solidification agent，unconfined compression strength，soil property，adaptability

TU442

A

1001-702X（2016）08-0077-04

高性能土木工程材料国家重点实验室开放基金资助项目（2015CEM011）

2016-03-14

孟建伟，男，1990年生，江苏无锡人，硕士研究生，主要研

究固废处理和土壤固化材料。