碱激发钢渣粉淤泥固化土性能研究

舒本安，杨腾宇，李永铃，任彦飞，郑礼尚，陈剑刚

（佛山市交通科技有限公司，广东 佛山 528000）

0 引言

佛山市位于珠江三角洲平原，分布有较多饱和松散砂土、粘性土、淤泥质土等，通常采用水泥搅拌桩进行软基加固处理。但是水泥用于软土特别是淤泥质土中，由于淤泥质软土孔隙比大、变形大、含水量高等特点，水泥在淤泥土中水化物不稳定，固化土强度低等导致成桩效果差[1-2]。工程上通常采用增大水泥用量的方式提高成桩质量，明显增加了工程造价，且水泥生产属于高污染高排放行业，每生产1 t 普通硅酸盐水泥，约排放1 tCO2、0.75 kgSO2、30 kg 粉尘，水泥的大量消耗会显著加重环境污染[3-4]。因此，采用固体废弃物替代水泥研发新型绿色高性能软土固化材料近些年受到了广泛关注[5-7]。

钢铁尾渣是炼钢过程中的副产品，2019 年我国因炼钢产生的钢渣超过30 亿t[8]，我国钢渣的利用率低于20%，因此大量钢渣的堆放造成了严重的土地占用、环境污染与资源浪费，提高钢渣资源化利用效率迫在眉睫[9-10]。

邓永锋等[11-13]研究了钢渣粉替代水泥，以氧化钙等作为激发剂，复合偏高岭土等的新型固化剂对软土性能的影响，研究发现，激发剂及偏高岭土的合理掺入可以有效提高钢渣固化土的无侧限抗压强度。郭小亮等[14]研究了氢氧化钠激发钢渣粉及偏高岭土的固化材料对黏土固化效果的影响，结果表明，偏高岭土和氢氧化钠的复合掺入显著提高了对黏土的固化效果。冯兴国等[15]研究发现，钢渣粉在固化土中由于发生了火山灰反应生成了硅酸钙，填充土颗粒孔隙，从而达到提高固化土强度的效果。

本文研究了水泥及钢渣粉掺量对固化土抗压强度的影响规律，在此基础上研究了不同激发材料及其复合对钢渣粉固化土抗压强度影响，并从微观上进行了分析，为高有机质含量的淤泥土的固化提供了新的思路，为提高钢渣的固废资源化利用，淤泥质土固化领域环境友好和资源节约的工程建设提供了借鉴和参考。

1 试 验

1.1 原材料

（1）淤泥质土：由地质勘探队在地下15 m 左右的位置取芯得到（如图1 所示），对现场淤泥质土芯样进行了土工物理力学性能试验，得到淤泥质土的土工参数如表1 所示。

图1 淤泥质土

表1 淤泥质土的基本性能

（2）胶凝材料：海螺牌P·O42.5R 水泥，广东清新生产。

（3）碱激发材料：工业级氢氧化钠、碳酸钠，均购自广州德洛化工有限公司。

（4）钢渣粉：广东省韶关市某钢铁厂，钢渣粉的颗粒分布如图2 所示，大部分颗粒粒径分布在20 μm 左右，90%的颗粒粒径小于32 μm，28 d 活性指数为90.5%。钢渣粉中CaO 含量最高，达到38.19%；SiO2次之，为23.64%，Fe2O3、Al2O3、MgO 含量分别为12.17%、10.97%、7.96%。

图2 钢渣粉的粒径分布

1.2 试验方法

（1）固化土成型、养护及抗压强度测试

参考JGJ/T 233—2011《水泥土配合比设计规程》进行测试：将称取好的固化剂原材料加入搅拌锅中，加入一定质量水和淤泥质土，先慢搅2 min，再快搅3 min，之后倒入70.7 mm×70.7 mm×70.7 mm 的三联模中，振捣2 min，覆盖保鲜膜，放在（20±5）℃的环境温度中静置48 h 后脱模，将试块放入标准养护箱中继续养护至规定龄期得到测试用固化土。测试固化土的抗压抗压强度时，力的加载速率设置为80 N/s。

（2）微观测试

对养护28 d 后不同激发剂固化土开展SEM 测试分析，SEM 测试在TESCAN MIRA4 型扫描电镜上开展，测试前对样品喷金处理。

2 结果与讨论

2.1 钢渣粉的影响

淤泥固化土抗压强度随水泥掺量（占淤泥土质量百分比）的变化如表2 所示。

表2 水泥掺量对淤泥固化土抗压强度的影响

由表2 可知，当水泥掺量低于10%时，固化土基本不具备抗压强度，并且很难脱模。当水泥掺量达到10%时，固化土抗压强度迅速提高，7、28 d 抗压强度分别为0.41、0.58 MPa。随着水泥掺量的继续增加，固化土的抗压强度逐渐提高。当水泥掺量达到25%时，固化土的7、28 d 抗压强度分别达到0.71、0.95 MPa。结果表明，水泥掺量较低时，由于水化物有限以及有机质等影响，导致淤泥固化效果较差；但当水泥掺量足够时，水泥固化淤泥可以具备较好的固化效果，但是会显著增加搅拌桩等的工程造价以及水泥生产导致的环境污染，因此过多的增加水泥用量是不可取的。

选定水泥10%，钢渣粉掺量（占淤泥土质量百分比）对淤泥固化土抗压强度的影响如表3 所示。

表3 钢渣粉掺量对淤泥固化土抗压强度的影响

由表3 可知，当钢渣粉掺量小于10%时，钢渣粉的掺入对固化土7 d 抗压强度影响不大，28 d 抗压强度轻微提高。继续增大钢渣粉掺量，固化土7 d 抗压强度降低明显，但28 d 抗压强度逐渐提高。20%掺量时淤泥固化土7 d 抗压强度降低至0.22 MPa，28 d 抗压强度提高至0.85 MPa。结果可能是钢渣粉的掺入削弱了水泥颗粒和水的接触，同时阻碍了水泥颗粒之间水化交联，在掺量较小时（＜10%），该影响较小，水泥的水化占主导，所以7 d 抗压强度影响不大；但是继续增大钢渣粉掺量，该影响将逐渐占主导，且钢渣粉前期水化较慢，二者导致了固化土7 d 抗压强度明显降低。随着养护龄期的延长，钢渣粉水化程度逐渐提高，所以28 d 龄期固化土抗压强度呈逐渐提高的趋势。

综合表2 和表3 的实验结果，可确定水泥掺量10%、钢渣粉掺量10%的复合（水泥、钢渣粉分别占淤泥土质量百分比，后续研究均以此比例胶凝材料为准）作为新型固化剂的胶凝材料，此时对固化土力学性能影响小，同时可大幅度减少水泥用量。

2.2 碱激发材料的影响

碱激发剂氢氧化钠的掺入（占淤泥土质量百分比）对固化土抗压强度的影响如表4 所示。

表4 氢氧化钠掺量对淤泥固化土抗压强度的影响

由表4 可知，在氢氧化钠掺量小于5%时对固化土抗压强度贡献不大。当掺量超过5%时，固化土抗压强度迅速提高，10%掺量时固化土的7、28 d 抗压强度分别为0.86、1.14 MPa。继续增大掺量，固化土抗压强度继续提高，当掺量达到20%时，固化土7、28 d 抗压强度分别为1.10、1.33 MPa，增长趋势逐渐减小。主要原因可能是当氢氧化钠掺量合适时可以激发钢渣粉的火山灰活性，提升水化程度，但是继续增大掺量，氢氧化钠将溶解钢渣粉中的玻璃体，破坏了钢渣粉的颗粒结构，从而造成新的孔洞，因此固化土抗压强度的提高趋势逐渐减小。

碳酸钠作为一种弱碱对淤泥固化土抗压强度的影响如表5 所示（占淤泥土质量百分比）。

表5 碳酸钠掺量对淤泥固化土抗压强度的影响

由表5 可知，同氢氧化钠类似，在掺量小于5%时，碳酸钠的掺入对淤泥固化土抗压强度的提升贡献较小。当掺量超过5%时，淤泥固化土的抗压强度迅速提高，当掺量达到10%时，淤泥固化土的7、28 d 抗压强度分别为0.79、1.09 MPa。继续增加碳酸钠掺量，固化土的抗压强度继续提高。当掺量达到20%，淤泥固化土的7、28 d 抗压强度分别为1.20、1.67 MPa。

综合考虑表4 和表5 可知，当氢氧化钠和碳酸钠超过5%的掺量时对淤泥固化土的抗压强度提高明显。为此研究了碳酸钠和氢氧化钠复合对淤泥固化土抗压强度的影响，结果如表6 所示。

表6 氢氧化钠和碳酸钠复合掺量对淤泥固化土抗压强度的影响

由表6 可知，相比单独掺加，氢氧化钠和碳酸钠复合明显提高了淤泥固化土的抗压强度。10%氢氧化钠和10%碳酸钠复合淤泥固化土7、28 d 抗压强度分别为1.46、2.37 MPa，相较单独掺加20%氢氧化钠，固化土7、28 d 抗压强度分别提高了33%、78%；相较单独掺加20%碳酸钠，固化土7、28 d 抗压强度分别提高了22%、42%。并且固化土抗压强度提高明显，没有呈现降低趋势。

2.3 SEM 分析

为了分析不同碱激发材料（占淤泥土质量百分比）对淤泥固化土微观结构的影响，开展了SEM 测试。复合激发淤泥固化土的SEM 形貌如图3 所示（胶凝材料总量占淤泥土质量20%，其中包含10%水泥和10%钢渣粉）。

分析图3（a）可知，20%水泥的掺入使固化土微观表面粗糙不平，出现更多大的凸起松散颗粒，存在较多孔隙；当5%氢氧化钠和5%碳酸钠复合掺入后[如图3（b）]，固化土微观表面更密实，但仍然有较多凸出的松散颗粒；当10%氢氧化钠和10%碳酸钠复合掺入后[如图3（c）]，固化土微观表面进一步密实，整体性较强，表面凸出的松散颗粒较少。局部放大后分析图3（d）可知，20%水泥的掺入固化土生成了薄片状的水化硅铝酸钙，以及针柱状的钙矾石，表面分布少量的硅酸钙凝胶。同时存在较多孔洞和大的裂纹，主要原因是随着水泥掺量的增加，胶凝材料收缩特性逐渐增大，逐渐出现收缩裂纹。因此尽管增加水泥掺量可以提高固化土抗压强度，但是有一个阈值。当5%氢氧化钠和5%碳酸钠复合掺入后[如图3（e）]，固化土生成了薄片状的水化硅铝酸钙，同时表面分布有更多数量的硅酸钙，同时孔洞的数量和体积明显减小，没有出现明显的裂纹，固化土密实性进一步提高。当10%氢氧化钠和10%碳酸钠复合掺入后[如图3（f）]，固化土微观表面可观察到少量薄片状水化硅铝酸钙，以及覆盖了大面积的硅酸钙凝胶，硅酸钙凝胶将土颗粒、水化物等连接成一个整体，整体密实性明显得到进一步提高，因此该配比固化土表现出了最好的力学性能。

图3 不同激发剂作用下固化土的微观形貌照片

3 结论

（1）水泥掺量较小时（＜10%）对固化土抗压强度提高较小，继续增加水泥掺量，固化土抗压强度逐渐提高。钢渣粉掺量较小时（＜10%）对固化土抗压强度影响较小，继续增大掺量，固化土7 d 抗压强度降低明显，28 d 抗压强度逐渐提高。

（2）氢氧化钠和碳酸钠对固化土抗压强度影响类似，在掺量较小时（＜5%）对激发效果不明显，继续增加掺量，固化土抗压强度迅速提高，之后提高趋势逐渐减小，掺量＞10%时，氢氧化钠组抗压强度提高趋势明显小于碳酸钠组。氢氧化钠和碳酸钠复合掺入对固化土性能提升优于单一材料激发，10%氢氧化钠和10%碳酸钠复合组28 d 抗压强度达到2.37 MPa，相较20%氢氧化钠组、20%碳酸钠组分别提高了78%、42%。

（3）纯水泥固化土需要增大掺量才能有较好的固化效果，微观结构水化产物颗粒较大，硅酸钙胶凝材料较少，孔洞较多，且增大掺量会导致微观结构由于胶凝材料的收缩产生大的裂纹，因此水泥掺量存在阈值。氢氧化钠和碳酸钠复合激发钢渣粉基固化剂，随着掺量增大，硅酸钙胶凝材料数量逐渐增多，并将薄片状水化硅铝酸钙、土颗粒等组分连接成一个整体，微观结构的整体性及密实性逐渐提高，从而固化土抗压强度提高明显。