粒化高炉矿渣微粉固化淤泥质土的动力特性及微观机理

乔京生，王旭影，王冠泓，赵建业

(1.唐山学院土木工程学院，唐山 063000；2.唐山市复杂岩土与工业废渣再生利用重点实验室，唐山 063000； 3.中国建筑科学研究院，北京 100013；4.河北省地矿局第五地质大队，唐山 063000)

0 引 言

淤泥质土广泛分布于我国沿海、河流和湖泊地区，具有黏粒含量高、含水量高、孔隙比大、压缩性高、强度低等特点，在作为地基土使用之前，需要经过加固处理，才能达到地基承载和变形要求[1-2]。目前最常用的软土固化剂是水泥，国内外学者对水泥土展开了许多研究[3-5]，并且在此基础上开发了多种水泥系固化剂[6-7]，使水泥固化土的效果得到显著提高。水泥加固法在强度上可以达到使用要求，但成本较高，并且水泥在生产过程中消耗大量的能量和资源，环境污染严重。

唐山是钢铁产量巨大的重工业城市，粒化高炉矿渣是炼铁过程中产生的工业废弃物，其大量堆积，利用率非常低。粒化高炉矿渣微粉(ground granulated blast-furnace slag, GGBS)，具有潜在的水化活性，水化产物与水泥相同[8]，近年来得到国内外学者的广泛关注[9-11]。张大捷等[12]以矿渣胶凝材料固化黏土、砂土两种软土，发现矿渣胶凝材料加固软土的效果远好于水泥、石灰。周世宗等[13]以水泥为基础，分别以矿渣、粉煤灰换掺水泥对软土进行固化处理，发现矿渣对水泥的换掺效果明显，固化能力优于水泥。因此，将GGBS应用于软土加固中，不仅可以把工业废料作为新型材料应用到地基处理中，还可以解决浪费资源、占地污染等问题。

另外，软土在循环荷载作用下的沉降和变形问题也日益突出。研究GGBS固化土在动荷载作用下的动力特性有着十分重要的意义，而针对GGBS固化土动力特性方面的研究尚属空白。基于此，本文以唐山丰南淤泥质土为研究对象，用不同掺量的GGBS对其进行固化处理，利用动三轴试验，确定最优掺量，并分析最优掺量固化土在不同围压下的动强度、动弹性模量和动阻尼比的变化规律，最后利用SEM和EDS分析固化土的微观结构和成分变化，揭示其固化机理。

1 实 验

1.1 材 料

试验所用土取自唐山市丰南区黑沿子水门东南部某工程地基淤泥质土，埋深约5～6 m，含水量高，强度低，呈流塑状态。由常规室内土工试验测定该淤泥质土的各项基本物理力学参数指标，见表1。

表1 唐山丰南淤泥质土的物理力学参数Table 1 Physical and mechanical parameters of muddy clay in Fengnan area of Tangshan

矿渣是从炼铁高炉中排出的，以硅酸盐和铝酸盐为主要成分，经淬冷成粒后粉磨，便形成GGBS。试验所用的GGBS来自Harsco公司(唐山)，型号为S95级，呈灰白色粉末，化学组成见表2，密度为2.9 g/cm3，桶装塑封运至试验室，干燥通风处保存。GGBS中CaO和SiO2含量最高，Al2O3次之。

表2 GGBS的主要化学组成Table 2 Main chemical composition of GGBS

1.2 试验方法

将现场取回的淤泥质土进行充分晾晒，磨碎，过2 mm直径标准筛。制作试样时，将干土与GGBS搅拌均匀，加入普通自来水，加水量取总干质量的30%，控制淤泥质土干密度(ρd=1.3 g/cm3)保持不变，采用分层击实的方法控制试样密度。试样为高度80 mm、直径39.1 mm的圆柱体。

动三轴试验参考《土工试验方法标准》(GB/T 50123—2019)[14]，在唐山市复杂岩土与工业废渣再生利用重点实验室进行。采用英国GDS动三轴试验系统(DYNTTS)，主要由微机数据采集处理器、轴向压力传感器、围压控制器、反压控制器、气压控制器组成，可施加正弦波、三角形波、方波和自定义波形，获取多种类型的动力参数。试样饱和选择真空泵抽气饱和，真空抽气3 h以上，水中静置24 h，再在动三轴内循环无气水反压饱和，直到孔隙水压力参数B大于0.95。固结方式为均压固结，固结比设定为1.0，固结时间为16 h。在固结不排水的条件下对试样施加正弦波循环荷载，荷载频率为1 Hz。围压取50 kPa、100 kPa、150 kPa。累积轴向应变达5%作为试样破坏标准。扫描电镜(SEM)试验采用FEI QUANTA FEG 250扫描电子显微镜，观察不同放大倍数下土体的微观结构变化，并利用仪器附带的EDAX能谱仪，进行能谱测试，分析其元素含量变化。

试验的总体思路为，首先通过比较不同掺量GGBS固化土和淤泥质土的动强度，确定最优掺量，然后对最优掺量固化土和淤泥质土试样进行不同围压下的动强度、动弹性模量和动阻尼比的测试分析，以及SEM测试和EDS测试分析。

2 动力特性分析

2.1 GGBS最优掺量

GGBS掺量指GGBS质量与总干质量(GGBS和干土质量)的比。在水泥土搅拌桩的实际施工中，我国规范规定水泥的掺量必须大于7%(质量分数，下同)，同时水泥土搅拌桩处理淤泥质土路基时，水泥掺量的国际标准往往是在15%～20%之间，本次试验选择GGBS最大掺量不超过20%，选取为0%、5%、10%、15%、20%(见表3)。

表3 试样中GGBS掺量Table 3 Mixing ratio of GGBS in the sample

不同GGBS掺量的固化土与淤泥质土的动抗剪强度曲线如图1所示。不同掺量固化土的动强度明显大于淤泥质土，且随着GGBS掺量的增加，固化土的动强度有增大趋势。GGBS掺量为5%、10%、15%时，固化土动强度相差较小，增大不明显，而掺量为20%时，固化土动强度呈台阶式增大。掺入GGBS有利于增强淤泥质土的动强度，试验选择20%GGBS掺量的固化土为重点研究对象展开动力特性和微观机理研究。

图1 不同GGBS掺量的固化土与淤泥质土的 动抗剪强度曲线Fig.1 Dynamic shear strength curves of solidified clay with different GGBS content and muddy clay

2.2 动强度

对20%掺量的GGBS固化土和淤泥质土，分别进行50 kPa、100 kPa、150 kPa三种不同围压下动强度试验，动抗剪强度曲线如图2所示。围压越大，土体整体抵抗外部荷载的能力越强。增加围压时，20%掺量的固化土和淤泥质土的动强度都随着围压的增加而增大，而淤泥质土动强度增幅基本保持不变，固化土动强度增幅变大。这是由于：土体在初始松散状态时，围压增大，颗粒间孔隙缩小，当围压增大到一定程度后，淤泥质土孔隙变化空间较小，土体强度增幅缓慢，基本保持不变；而对于固化土，GGBS颗粒可以较好地填补淤泥质土颗粒间的孔隙，颗粒级配、填充效果变好，使得土体强度增幅变大。另外，相同围压下，固化土动强度是淤泥质土的2～4倍，增大45～60 kPa，掺入20%GGBS后，固化土动强度特性显著提高。

图2 不同围压下20%GGBS固化土和淤泥质土的动抗剪强度曲线Fig.2 Dynamic shear strength curves of 20% GGBS solidified clay and muddy clay under different confining pressures

2.3 动弹性模量

图3为50 kPa、100 kPa、150 kPa三种不同围压下20%掺量的GGBS固化土和淤泥质土的动弹性模量-轴向应变曲线，可以看出，动弹性模量随应变的增加而减小，随固结围压的增加而增大。动荷载初期，动弹性模量衰减迅速，不同围压下动弹性模量差别较大，应变达到一定数值后，动弹性模量衰减逐渐变缓，不同围压下动弹性模量差别变小，土体达到破坏标准时，动弹性模量衰减接近0 MPa。

图3 不同围压下20%GGBS固化土和淤泥质土的动弹性模量曲线Fig.3 Dynamic elastic modulus curves of 20% GGBS solidified clay and muddy clay under different confining pressures

基于Hardin等[15]提出的双曲线模型：

(1)

式中：σd为动应力；εd为动应变；a、b为土体性质有关参数。

依据关系曲线可以得到循环荷载作用下土体的最大动弹性模量Edmax：

(2)

基于试验数据进行回归分析，拟合参数a、b数值，计算最大动弹性模量(见表4)。相同围压下，20%固化土动弹性模量最大值是淤泥质土的3～4倍，说明GGBS增强了土体的稳定状态，从而表现为动弹性模量的增加。

表4 动模量曲线参数拟合Table 4 Parameter fitting of dynamic elastic modulus curve

2.4 动阻尼比

阻尼比λ是衡量淤泥质土对能量吸收能力的参数。根据Hardin等[15]的研究，阻尼作用可以用等效滞回阻尼比来表征，但滞回曲线并不完全闭合，需进行人为“缝合”。具体算法如式(3)所示：

(3)

式中：AL为应力-应变滞回圈面积；AT为滞回圈中心点、应力应变值最大点与应变坐标轴连线形成的三角形面积。

不同有效固结围压条件下，20%掺量的GGBS固化土和淤泥质土的动阻尼比-轴向应变曲线如图4所示。土体动阻尼比随着轴向应变的增加而增大，随围压的增大而减小。当围压增大时，土体颗粒之间的接触更加紧密，波在传播的过程中能量消耗减少，从而表现为动阻尼比的减小。相同围压下，对比20%掺量的GGBS固化土和淤泥质土的动阻尼比。50 kPa围压下，固化土动阻尼比介于0.006～0.200之间，淤泥质土动阻尼比介于0.005～0.210之间；100 kPa围压下，固化土动阻尼比介于0.006～0.150之间，淤泥质土动阻尼比介于0.009～0.190之间；150 kPa围压下，固化土动阻尼比介于0.003～0.120之间，淤泥质土动阻尼比介于0.010～0.160之间。相同围压下，与淤泥质土相比，固化土的动阻尼比减小，100 kPa和150 kPa围压下动阻尼比的减小尤为明显。掺入GGBS后，土体颗粒之间的联结更加紧密，减少了能量的消耗。

3 微观结构分析

对20%掺量的GGBS固化土和淤泥质土进行SEM试验，观察不同放大倍数下土体的微观结构变化，SEM照片如图5所示。中低倍数放大时，固化土和淤泥质土微观结构虽有差异但并不明显(见图5(a)、(d))；10 000倍以上放大后，两者微观结构差异凸显(见图5(b)、(c)、(e)、(f))。从放大10 000倍和20 000倍的SEM照片中，可以清楚地看出:淤泥质土颗粒成不规则片状，颗粒大小不均匀，骨架松散，孔隙发育且直径较大；而固化土颗粒成团聚状，片状结构不再那么明显，颗粒趋于聚集成团，颗粒总数量减少，颗粒直径明显增大，孔隙明显减小。图5(e)和图5(f)中絮状物质为水化硅酸钙(C-S-H)。GGBS中的SiO2具有潜在活性，与水接触后，形成了C-S-H，大量水化产物包裹在土颗粒周围，起到粘结作用，形成较大的颗粒团簇，颗粒间的孔隙大大降低，土体变得相对致密，强度得以提高。

20%掺量的GGBS固化土和淤泥质土的EDS能谱如图6所示，对比发现，固化土中钙元素的含量明显增加。这主要是因为GGBS中含有38.35%(质量分数)的CaO，掺入到淤泥质土中后，土体中Ca2+含量大大提高。大量的Ca2+与黏土颗粒扩散层的Na+、K+发生离子交换，由于Ca2+半径较小，使双电层中的扩散层厚度减小，结合水减少，从而增强了土颗粒之间的结合力，使大量的土颗粒形成较大的颗粒团，即发生离子交换团粒化作用。土颗粒的内摩擦角变大，土体的强度也随之提高。

图6 20%GGBS固化土和淤泥质土的EDS能谱Fig.6 EDS patterns of 20% GGBS solidified clay and muddy clay

4 结 论

(1)不同掺量的GGBS固化土的动强度明显大于淤泥质土，随着GGBS掺量的增加，固化土的动强度增大，当掺量为20%时，固化土动强度呈台阶式增大，20%为最优的GGBS掺量。

(2)随围压的增加，20%掺量的GGBS固化土和淤泥质土的动强度都增大，淤泥质土动强度增幅基本保持不变，固化土动强度增幅变大。相同围压下，20%掺量的GGBS固化土动强度约是淤泥质土的2～4倍，增大45～60 kPa。动弹性模量随动应变的增加而减小，随固结围压的增加而增大。基于试验数据进行回归分析，计算最大动弹性模量。相同围压下，20%掺量的GGBS固化土动弹性模量最大值是淤泥质土的3～4倍。动阻尼比随着轴向应变的增加而增大，随围压的增大而减小。相同围压下，与淤泥质土相比，20%掺量的GGBS固化土的动阻尼比减小，100 kPa和150 kPa围压下动阻尼比的减小尤为明显。

(3)SEM照片显示，20%掺量的GGBS固化土颗粒成团聚状，颗粒表面附着絮状物质为水化硅酸钙，大量水化产物包裹在土颗粒周围，起到粘结作用，形成较大的颗粒团簇，颗粒间的孔隙大大降低，土体变得相对致密，强度得以提高。EDS能谱显示，土体中Ca2+含量大大提高，大量的Ca2+与黏土颗粒扩散层的Na+、K+发生离子交换团粒化作用，从而增强了土颗粒之间的结合力，土颗粒的内摩擦角变大，土体的强度也随之提高。