碱渣-矿渣-水玻璃对流态固化土的影响研究

摘 要：目前国内工业固废的碱渣和矿渣应用程度不高，多为填埋处理，导致资源浪费。本文根据现有的国内外研究成果，设计了不同成分掺量比例、不同龄期流态固化土的抗压强度试验方案，研究了碱渣-矿渣-水玻璃对疏浚淤泥的固化作用影响，分析了固化土强度随成分掺量比例的变化规律以及各成分对疏浚淤泥的固化机理，结果表明，碱渣-矿渣-水玻璃组分可应用于施工工程用流态固化土中，可有效使用工业固废，节约自然资源，是一种节能环保的新型绿色建筑材料。

关键词：水玻璃；碱渣-矿渣；流态固化土；抗压强度

中国分类号：TU 44" " " " " 文献标志码：A

我国工业进程不断加快，随之产生了大量无法处置的疏浚淤泥，对生态环境造成了破坏[1]。针对疏浚淤泥的特点，通常处理方式为堆积填埋，因此存在一定程度的危险性以及环境污染[2]。目前用于固化疏浚淤泥的固化剂主要成分多为水泥，为了降低成本也使用粉煤灰、磷石膏等，目前效果很好。

激发碱渣中的活性成分可以强化土壤骨架效应，提高土壤的强度和土壤稳定性。目前，碱渣的利用率很低。而矿渣是一种活性、含钙量很高的矿物材料，掺入矿渣不仅使流态固化土具有良好的力学性能，还具有凝结速度快、早期强度高等优点，可以加快工程进度，降低工程成本[3]。

因此，本文是以矿渣为基础，将掺入碱渣作为固化剂，以水玻璃为激发剂，分析成分不同掺量比例、不同龄期的固化土抗压强度变化规律，探究这几种成分组成对疏浚淤泥的固化作用影响以及提高土壤强度与稳定性的效果，最终确定碱渣-矿渣-水玻璃组合固化淤泥的可行性，以期为工程用流态固化土推广与应用提供合理的理论依据。

1 试验材料与方法

1.1 试验材料

试验土样为沈阳浑河流域的疏浚淤泥，颜色为黑色，整体呈现流塑状。土样的液限为52%，塑性指数为27，属于高液限黏土。土体中含有大量的蒙脱石、伊利石和高岭石。

碱渣和矿渣均来源于巩义市某净水材料有限公司，碱渣细度为200；矿渣为S95级矿渣粉，粒径主要分布在1～35μm，比表面积为430㎡/kg～460㎡/kg。

水玻璃来源于某环境集团有限公司生产的硅酸钠水玻璃，呈无色透明黏稠状，当试验时将其模数调整到1.0。

上述试验材料具体矿物成分见表1。

1.2 试验方案

根据试验材料的具体矿物成分以及初期试配的固化剂掺量范围，本文流态固化土抗压强度试验采用多因素（碱渣、矿渣、水玻璃）、多掺量的试验方案，设定每种因素有3种不同掺量，共27个试验组，为避免人为原因或偶然性试验结果数据误差，每组制作3个尺寸为100mm的立方体试件，以3d、7d和28d抗压强度为检测指标，试验方案及流态固化土试件不同龄期的抗压强度结果见表2（其中，掺量为碱渣、矿渣和水玻璃质量与淤泥干质量的百分比）。

2 试验结果分析

根据表2的流态固化土试件不同龄期的抗压强度测试数据结果，对数据进行整合处理，绘制试件的抗压强度随龄期的变化曲线，如图1所示。

结合表2和图1可以看出，随着流态固化土掺量比例增加，不同龄期试件的抗压强度都会提升，但提升的幅度有很大的区别。其中，碱渣的掺量比例对3d抗压强度的影响最大，碱渣掺量比例越大，其试件前期的抗压强度就越高。碱渣是化工工业生产纯碱的过程中产生的伴生物，一般来说，碱渣的处理方式也多为堆积填埋，这种方式很容易对土地造成污染，形成盐渍化土壤。为避免资源浪费，可以将碱渣制成新型的固化剂，用来固化淤泥质土。当碱渣掺量从20%增至25%时，试件3d抗压强度值平均提升4.56%。当碱渣掺量从25%增至30%时，试件3d抗压强度值平均提升3.72%，而水玻璃和矿渣对试件抗压强度的提升效果却不太明显。碱渣的化学组成成分主要为一些含钙盐和水不溶物，具有一定的胶凝性[4]，其团聚体颗粒之间以点接触的方式堆积在一起，从而形成了一种松散聚集体，其结构疏松，孔隙繁多，比表面积较大，因此导致其具有很高的吸水性，在相同固液比条件下，有助于提高液相离子浓度，使纳米级颗粒能够填充到其水化产物中，促进水化反应[5]，进而可大幅度提高流态固化土的早期抗压强度。

但从龄期较长方面（7d和28d抗压强度）来看，水玻璃掺量比例对提升试件抗压强度帮助更明显。从图1可以看出，水玻璃掺量比例每增加5%，试件的7d抗压强度和28d抗压强度就分别提高62.51%和27.02%，由此可见，7d时的抗压强度就已经达到了设计强度的70%以上，在碱激发反应过程中，水玻璃充当两个角色：一种激发剂，为碱激发反应提供一个碱性的、适宜的化学反应环境，使各成分之间可以更好地发生碱激发反应；一种反应物，直接参与化学反应，随着反应时间增加，产物也越来越多，且在整个反应过程中，大量的自由水结合成结晶水，逐渐失去流动性，最终逐渐凝结硬化结晶，将矿渣粉颗粒包裹其中形成冻结体[6-7]，因此水玻璃对矿渣的碱激发作用是需要一定反应时间的。

矿渣对提升试件抗压强度的影响并没有那么显著，但从表2和图1的数据分析来看，增加矿渣掺量的在一定程度上会减缓拌合物早期的水化速度，其生成的水化产物受限，使流态固化土试件早期强度不高或增长缓慢。在碱激发剂（水玻璃）的作用下，矿渣可以加速早期水化产物形成，对矿渣早期强度的发展起到了非常重要的作用，且矿渣粉颗粒比水泥颗粒更加细小，可以更好地填充到其水化产物的孔隙中，使流态固化土具有更加密实的内部结构，从而提高其抗压强度。当矿渣粉中Al2O3含量较低时，矿渣粉溶解放热会加速水化反应早期阶段的矿渣粉溶解，或者在超硫酸盐矿渣以及硅酸盐矿渣中会产生钙矾石，使第二水化反应峰峰值强度增加，但Al2O3过量会减缓无定型二氧化硅、石英等成分溶解，延迟水化过程[8-9]。因此，适量的矿渣粉对整个反应过程可以起到积极促进的作用，量过多或者过少都会减缓碱激发反应进程。

综上所述，碱渣-矿渣复合胶凝材料可以应用于流态固化土中，水玻璃可作为碱激发剂，用来激发碱渣和矿渣的水化反应，且具有很好的固化效果，其生成的流态固化土抗压强度完全可以满足施工规范要求。利用固化剂使疏浚淤泥中的水与土发生化学反应，降低土体含水率，提高土体抗压强度，以此可将疏浚淤泥转变为极好的工程用土，可用于回填、市政工程及道路工程等，不仅可以起到废材再利用，保护生态环境的作用，减少自然资源开采，而且还可以发挥很好的经济效益，降低施工成本，减少施工工序和缩短施工工期。

3 结论

碱渣具有一定胶凝性，可有效提升流态固化土早期抗压强度，在流态固化土中应用碱渣-矿渣复合胶凝材料已经取得了初步的研究成果，结果表明可将其用于淤泥治理。

矿渣可作为主要胶凝材料用于固化淤泥质土，但Al2O3含量不易过高，否则会延迟水化反应，降低早期强度。

当水玻璃与矿渣中溶出的活性物质相遇时会发生固结，水玻璃包裹矿渣颗粒形成冻结体，周围冻结体与矿渣粉体颗粒紧密黏结，在碱激发浆体中，矿渣颗粒结构完整，未出现解体现象。

参考文献

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