碱激发矿渣粉煤灰复合体系固化土的强度研究

吴东东 , 乔 伟, 贾 羽

(1.中交第三公路工程局有限公司，北京 101399； 2.中南大学 土木工程学院，湖南 长沙 410083)

0 引言

人口的增长、城市化进程的加快，会导致资源消费模式变化，与此同时，固体废弃物的种类和数量迅速增加。在我国，每年会产生大量的工业废弃物，这些废弃物除了对环境造成严重威胁外，由于需要占用更多的堆存空间，其对土地资源也有着很大的影响[1]。利用这些工业固废代替传统材料不仅可以解决其带来的环境问题，更可以有效地节约材料、减少对土地的占用，获得良好的成本效益。

近年来，建筑行业对工业固体废弃物的使用明显增加。粉煤灰(FA)与矿渣(GGBS)都是非常具有应用前景的材料。在混凝土制造业中，FA被用作水泥的部分替代品[2]。在岩土工程中，FA被直接应用于土壤稳定与公路路基建设。同样，GGBS也被应用于制造混凝土[3]。事实上，GGBS替代部分水泥使其耐久性和抗侵蚀能力均得到了提升，并提供了更低的水化热，因此，开发基于这两种工业固废的固化体系会具有良好的强度效应。

FA、GGBS等具有火山灰胶凝活性的潜力。通常粉煤灰中二氧化硅含量充足，氧化钙含量较少，而矿渣中的氧化钙含量相对高于粉煤灰。当这两种材料混合时，它们可以通过提供充足的石灰或二氧化硅来增强类似火山灰的反应活性。这种方法可以显著减少石灰或水泥等化学激活剂的用量[4]。

本文以云南怒江某公路段项目为依托，对3种不同比例FA与GGBS混合物在碱激发下固化路基素填土进行了研究，以期对利用固废材料固化路基填土应用提供理论指导。

1 工程概况

依托项目所在地隶属福贡县，项目跨越怒江，附近有地方道路，交通便利。主要地貌为冲洪积地貌，地形起伏不大。

由于第四系地层对工程影响较大，故在此主要介绍第四系地层的岩性，情况如下：

1)素填土①(Q4me)：灰黄色，松散，主要由粉质黏土、块石、碎石及混凝土弃渣组成，该层广泛分布，层厚3.0～4.0 m。

2)含碎石粉质黏土②(Q4al)：浅黄色、浅灰色，可塑，含约15%的碎石，土质不均匀，表层0.4m为种植土，该层厚1.5～4.3 m。承载力基本容许值[fa0]=200 kPa，摩阻力标准值qik=50 kPa。

3)碎石(Q4al)③：浅灰色，松散，稍密，多呈棱角形，母岩成分为强风化片麻岩，泥砂质充填，颗粒级配一般，层厚3.2 m。承载力基本容许值[fa0]=350 kPa，摩阻力标准值qik=100 kPa。

4)细砂(Q4al)④：深灰色，松散，饱和，主要矿物成分为石英、长石及云母，含少量黏粒，层厚0.8～3.2 m。承载力基本容许值[fa0]=150 kPa，摩阻力标准值qik=-40 kPa。

5)漂石(Q4al)⑤：灰白、灰黄色，松散-稍密，母岩成分为强风化、中风化片麻岩，泥砂质及卵石充填。该层厚0.8～13.5 m，承载力基本容许值[fa0]=-600 kPa，摩阻力标准值qik=200 kPa。

6)砾砂(Q4al)⑥：浅黄色，稍密，饱和，主要矿物成分为石英、云母，层厚2.0 m。承载力基本容许值[fa0]=250 kPa，摩阻力标准值qik=60 kPa。

7)卵石(Q4al)⑦：浅灰色，稍密，母岩成分主要为强风化砂岩、片麻岩等，泥、砂质充填，该层厚2.7～11.3m。承载力基本容许值[fa0]=400 kPa，摩阻力标准值qik=160 kPa。

8)圆砾(Q4al)⑧：浅灰色，稍密，母岩成分主要为强风化砂岩、片麻岩，该层厚1.5 m。承载力基本容许值[fa0]=350kPa，摩阻力标准值qik=10 kPa。

在工程应用中采用粉质黏土作为路基填料时，遇水易湿陷，故选取其为固化对象。

2 试验材料与方法

2.1 试验材料

1)素填土。将素填土经烘箱烘干12 h，经颚式破碎机破碎后，过2 mm筛备用。

2)GGBS。试验所用GGBS为S95级矿渣，其化学组成成分见表1。

表1 GGBS、FA的化学组成%组成成分SiO2Al2O3Fe2O3CaOMgOSO3K2O烧失量GGBS36.6218.832.0935.111.930.481.303.64FA50.5138.422.522.210.540.423.072.31

3)FA。FA为低钙粉煤灰，取自云南某电厂，化学组成成分见表1。

4)碱激发剂。碱激发剂由为mNa2O·nSiO2∶mNaOH=3∶1混合配制而成，2种试剂纯度均大于95%。

2.2 试验方法

配制3种比例的固化剂，分别为100%GGBS(GFO)、90%GGBS+10%FA(GF10)、80%GGBS+20%FA(GF20)，将其以干土质量的10%、15%、20%添加入素填土中。取碱激发剂为固化剂质量的5%，最后按照干土质量的20%加入去离子水。制样方法为静压压实法，每组设置平行试样3个，经压实后的试样放入湿度为95%、温度为20 ℃的养护箱中养护，养护7、14、28 d后进行无侧限抗压强度测试。

由于工程所处环境较为湿热，雨水较多，故对经28 d标准养护的试样进行干湿循环试验。试验方案为：将样品浸没在装满去离子水的试验箱中24 h，随后取出放入60 ℃烘箱中烘干24 h，此过程即为1次干湿循环，干湿循环次数设置为1、3、5次，经历干湿循环后立即进行无侧限抗压强度测试。观察其干湿循环作用下的强度变化，探究其耐久性。

3 试验结果与分析

3.1 固化材料龄期强度发展

图1(a)～(c)分别为10%、15%、20%固化剂掺量下固化土强度随龄期变化曲线图。由图可见，在各个龄期下，固化土强度均随固化剂掺量的增加而增加，这是由于固化剂经过碱激发后，反生水化反应生成了C-S-H、C-A-S-H、N-A-S-H等水化产物，增加了土体颗粒之间的连接力，并填充了土体颗粒间的孔隙[5]。在不同固化剂配比下，GF10即FA替代10%GGBS后的强度效果最佳，这是由于掺入粉煤灰改变了固化土的粒径级配，填充了体系中的大孔隙，使得固化土的结构变得非常致密[6]。当FA替代20%GGBS后，固化土7 d强度减弱，这是由于FA的活性较GGBS低，过量掺加后不但不能起到填充孔隙的作用，反而会减弱替代部分GGBS的胶结效果，导致其7 d强度减弱，但随着反应继续进行，体系内游离的OH-离子逐渐破坏FA的原始结构，生成新的水化胶凝产物N-A-S-H，所以当试样达到28d时，其强度超过了激发100%GGBS固化土。

(a)10%固化剂掺量

(b)15%固化剂掺量

(c)20%固化剂掺量图1 不同固化剂掺量下固化土强度发展

3.2 固化材料干湿循环强度发展

图2(a)～(c)分别为10%、15%、20%固化剂掺量下固化土强度随干湿循环次数变化曲线。由图可知，当固化剂掺量为10%时，各组在经过5次干湿循环后，其强度下降明显。当固化剂掺量为15%与20%时，各组固化剂不同配比下均具有良好的抵抗干湿循环能力。这是由于10%固化剂掺量下虽然固化土具备了一定的胶结能力，但依然具有一定的连通性孔隙，在经历一定的干湿循环后，表面试样逐渐开始剥落，孔隙与裂隙进一步加大，促进了试样强度劣化[7]。

(a)GF0

(b)GF10

(b)GF20图2 不同配比固化剂下固土的干湿循环强度

对比不同掺量FA替代GGBS材料，掺入FA后，碱激发体系的抗干湿循环能力增强，这是由于FA体系本身具有致密的结构，生成的产物不易吸水，且相较于单一的碱激发GGBS体系，具有更好的弹性，故干湿循环过程中的膨胀与收缩对其表面的剥蚀作用较弱，因此FA与GGBS复合体系的干湿循环耐久性更好。

4 结论

本文以碱激发GGBS与掺加FA的复合体系固化路基粉质黏土，并进行了耐久性试验研究，得出如下结论：

1)GGBS与FA在经过碱激发并固化粉质黏土后具有良好的强度效果，但在10%固化剂掺量下其抗干湿循环耐久性能较弱。

2)通过对比单一GGBS与FA部分替代GGBS的碱激发体系，发现FA在替代一定的GGBS后增强了体系的后期强度与抗干湿循环能力。

3)由于碱激发GGBS与FA使用了大量的固体废弃物材料，因此具有良好的经济、环境效益，适合固化地基土时推广应用。