多源固废协同制备土壤固化剂及固化机理

Study on the Synergistic Preparation of Soil Curing Agent and Curing Mechanism by Multi-source Solid Waste

摘要

为实现冶金固废材料的高值化、规模化利用，采用冶金固废材料（高炉矿渣、粉煤灰、电石渣、石膏）协同制备土壤固化剂，通过正交配比优化试验研究不同固废材料对固化土力学性能的影响并获取最优的参数配方。系统研究固废基固化剂（SWC）固化土的力学性能（无侧限抗压强度、劈裂强度、延迟成型）和耐候性能（水稳定性、冻融循环），并与PO 42.5硅酸盐水泥（OPC）进行对比。结果表明，电石渣对固化剂体系起到重要作用，合理的石膏掺量对强度增长有积极作用；固化土的强度随SWC掺量和养护龄期的增加而增大，4%掺量下的固化土7 d无侧限抗压强度大于1 MPa，劈裂强度与OPC固化土基本相当；SWC固化土表现出更久的施工容许延迟时间，拌和后12 h内强度无下降趋势；掺量大于5%时水稳定系数大于90%，同掺量下抗冻系数与水泥相比提高3%～5%，具备良好的水稳定性与抗冻性；X射线衍射（XRD）和扫描电子显微镜（SEM）分析表明，SWC固化土在水化过程中会生成膨胀性水化产物钙矾石（AFt）和硅酸钙（C-S-H），钙矾石晶体对改善固化土的劈裂强度和抵抗开裂变形能力提高作用显著。

Abstract

In order to realize the high-value and large-scale utilization of metallurgical solid waste materials， the soil curing agent was synergistically prepared by using metallurgical solid waste materials （blast furnace slag， fly ash， calcium carbide slag and gypsum）， and the effects of different solid waste materials on the mechanical properties of the cured soil were investigated by orthogonal ratio optimization experiments and the optimal parameter formulations were obtained. The mechanical properties （unconfined compressive strength， splitting strength， delayed molding） and weathering properties （water stability， freeze-thaw cycle） of the solidified soil with solid waste-based curing agent （SWC） were systematically studied and compared with PO 42.5 silicate cement （OPC）. The results showed that： calcium carbide slag played an important role in the curing agent system， and the appropriate gypsum dosage had a positive effect on the strength growth； the strength of cured soil increased with the increase of SWC dosage and the age of curing， and the 7 day unconfined compressive strength of the cured soil at 4% dosage was more than 1 MPa， and the splitting strength was basically comparable to that of the OPC cured soil； the SWC cured soil showed a longer allowable delay in construction， and there was no trend of decreasing strength within 12 h after mixing； the water stability coefficient was more than 90% when the dosage was more than 5%， and the anti-freezing coefficient under the same dosage was increased by 3%-5% compared with that of cement， so it had good water stability and anti-freezing property； X-ray Diffraction （XRD） and Scanning Electron Microscope （SEM） analyses showed that SWC cured soils generate expansionary hydration products， calcite alumina （AFt） and hydrated calcium silicate （C-S-H）， during the hydration process， and that calcite crystals played a significant role in improving the cleavage strength of cured soils and increasing the resistance to cracking and deformation.

Graphical abstract

关键词

道路工程 / 固化剂 / 力学性能 / 固化土 / 工业固废

Key words

Road engineering / mechanical property / curing agent / cured soil / industrial solid waste

0 引言

伴随着冶金行业的发展，产生了大量的如钢渣、矿渣和赤泥等冶金固废，大量积存的固体废物不仅占用土地污染环境，而且浪费资源。因此，研发大宗固废的高效利用方法的任务十分紧迫，固废处理不仅关系到钢铁企业的降本增效和清洁文明生产，还关系到我国经济和社会的可持续发展。与此同时，随着交通行业的蓬勃发展，行业所需的水泥、石灰等土壤固化剂材料开始供不应求，且每生产1 t 水泥就要向空气中排放约0.8 t CO₂^［1］，过高的生产成本以及生产过程中环境污染的问题使得许多研究人员将土壤固化剂研究方向转向大宗类固废材料^［2-3］。

近年来，研究人员利用固废材料制备具有水硬性特点的固废基胶凝材料，并将其应用于路基固化土，同时开展了大量科学研究和工程应用工作^［4-6］。包益鋆等^［7］使用同掺量的电石渣和粉煤灰替代分析纯Ca（OH）₂和CaSO₄，结果表明使用电石渣和脱硫灰单掺或复掺制备的流态固化土能满足大部分应用场景抗压强度要求。针对软土抗拉强度不足的问题，张金秋叶等^［8］采用矿渣和粉煤灰为主要材料制备了地质聚合物代替水泥用于固化软土，并通过建立预测模型系统分析了矿渣、粉煤灰对固化软土劈裂抗拉强度的影响。对于黏质土而言，Turan等^［9］利用不同等级的粉煤灰对黏土进行固化，土质的强度性能和渗透性能均有较大程度提高。电石渣与石灰主要成分相似，杜延军等^［10-11］通过对比两者性质的异同，用电石渣取代石灰，固化黏土作为路基填料，研究结果表明电石渣固化黏土效果显著。为探究固废基材料对低液限粉土的固化规律和效果，宫经伟等^［12］利用宏观及微观分析，研究了硫酸盐含量对全固废材料固化盐渍粉土抗压强度及微观结构的影响，为全固废材料固化硫酸盐渍土的工程应用奠定了基础。吕昭元等^［13］研究了复掺不同比例硫铝酸盐水泥和普通硅酸盐水泥的固化剂对固化土力学性能的影响及其微观机理，固化土抗压强度和劈裂强度随掺量增加逐渐增加，膨胀量逐渐降低。孙仁娟等^［14］基于粉煤灰、矿渣、脱硫石膏、普通硅酸盐水泥和固废基硫铝酸盐水泥制备了粉土固化剂，固化剂掺量大于8%时可应用于高速及一级公路。Liu等^［15-17］系统分析了不同种类的石膏、矿渣及原材料细度对固废基胶凝材料的影响，提出了其具备应用于公路路基及基层的可行性。邵俐等^［18］以高炉矿渣微粉为原料，利用石灰为碱激发剂、石膏和硫酸钠为外掺剂进行加固处理，石膏和硫酸钠的加入均能加快高炉矿渣的水化反应，且石膏能起到强度增强剂的作用。

综上，将高炉矿渣、脱硫石膏、电石渣和粉煤灰等工业废渣用于稳定路基土，路基的力学性能以及耐久性能较好，是废渣资源化利用的一条可行路径。但目前固废基土壤固化剂的固废利用率大多在50%~70%，纯工业固废作为固化剂对土的研究相对较少，从而限制了固废材料在道路工程中的大规模应用。为此，本研究采用电石渣、粉煤灰、脱硫石膏和矿渣制备全固废土壤固化剂（SWC），以某高速公路路基土为研究对象，并与目前工程施工普遍应用的PO42.5普通硅酸盐水泥（OPC）作为对比，研究不同掺量下其固化土的强度、延迟成型、水稳定性和冻融循环等性能，以评价工业废弃物固化剂改善土的力学性能和施工耐候性，为工业废弃物固化剂改善土的施工和推广应用提供参考。

1 材料与方法

1.1 原材料

试验用土取自山东地区某高速公路施工时填筑路基的黏性土，按照《公路土工试验规程》（JTG 3430—2020）测试其基本物理指标数据见表1，其塑性指数21.2%为低液限黏土（CL），比重为2.661，密度为1.65 g/cm³。由表2可知，该土的0.5 mm的通过率为77.5%，0.075 mm的通过率为43.5%，土颗粒级配连续并且整体偏细。试验所用的电石渣为德州某一乙炔生产厂家提供，粉煤灰、脱硫石膏及矿渣为德州某一炼钢生产厂家提供，原材料经烘干处理后进行粒度与成分分析，材料的颗粒级配及主要成分如图1所示。电石渣的主要成分为Ca（OH）₂，粉煤灰主要成分为SiO₂，脱硫石膏的主要成分为二水Ca₂SO₄，矿渣主要成分为Fe₂O₃、Al₂O₃和SiO₂。由图1可以发现，原材料的颗粒较细且级配良好，除电石渣外，原材料的粒径分布均小于10 μm。激发剂选择工业级无水硫酸钠，密度为2.7 g/cm³，室温下溶解度不小于15%，熔点为884 ℃。

1.2 固化剂制备

为得出电石渣、石膏、粉煤灰和矿渣的最佳配合比，采用正交试验设计的三因素三水平正交试验表，见表3，控制激发剂硫酸钠的含量为1，粉煤灰活性较弱，选其作为掺和料补充体系剩余所需的质量分数。首先进行击实试验，控制固化剂的掺量为干土质量的4%，获得最大干密度和最佳含水率后计算试样质量及原材掺量，成型细粒土的无侧限抗压强度试件，尺寸为Φ100 mm×100 mm。

1.3 试验方法

击实试验按照《公路工程无机结合料稳定材料试验规程》（JTG 3441—2024）中的无机结合料稳定材料击实试验方法进行击实试验，将试验结果绘制成曲线，选择最大干密度时对应的含水率为最佳含水率，后进行强度与耐候性能评价。其中SWC和OPC固化土强度检测指标为无侧限抗压强度（R_c）和劈裂强度（R_i），试件尺寸为Φ100 mm×100 mm，强度检测前泡水24 h。耐候性能采用水稳定性和冻融循环来评价，水稳定性试验中试样尺寸为Φ100 mm×100 mm，在标准养护环境下对比最后1 d浸水养护与未浸水养护的试样强度。冻融循环试验的试件标准养护龄期为28 d，最后1 d饱水养护，低温温度为-18 ℃，冻结时间为16 h，融化温度为20 ℃，融化时间为8 h，冻结和融化后均需对试样进行量高称重，总循环5次，质量损失不满足规范要求时及时停止试验。

微观性能主要利用X射线衍射（XRD）和扫描电镜（SEM）分析其水化产物。将样品破碎后浸于无水乙醇，后将试样研磨至符合设备要求后进行XRD测试。小块样品用于SEM分析观察样品的形貌，放大倍数10 k倍。

2 结果与讨论

2.1 正交试验

正交试验7 d和28 d抗压强度和极差分析结果见表4和表5。由表4可知，因素A（电石渣质量分数）、因素B（石膏质量分数）、因素C（矿渣质量分数）的7 d极差（7 d-R₁）分别为0.394、0.143和0.216。固化7 d的因素影响作用从大到小依次为电石渣掺量、矿渣掺量和石膏掺量，电石渣的掺量多少直接影响固化土的7 d抗压强度。通过28 d的抗压强度分析可知，电石渣依然起到主要影响因素，石膏和矿渣对强度性能影响较小。石膏对固化土的强度激发有积极作用，但过少的掺量不能发挥其激发作用，过多的掺量则会造成较大的强度损失。

根据7 d和28 d抗压强度正交试验结果，因素A（电石渣质量分数）K₃、因素B（石膏质量分数）K₂、因素C（矿渣质量分数）K₃均为最大，说明电石渣在各龄期强度提升中起到主要作用，矿渣在前期的影响作用略大于石膏，合适的石膏掺量在强度增长后期发挥了一定作用。通过正交试验得出最优参数配比为：电石渣掺量为40%、石膏为15%、矿渣为30%、粉煤灰为14%、硫酸钠为1%。各原材料的合成级配如图1所示，级配整体连续较好，90%颗粒粒径集中在0.1~10 μm。对最优配比进行复核，其7 d和28 d抗压强度为1.261 MPa和1.641 MPa，固化剂终凝时间为15 h，与水泥相比凝结时间较长。

2.2 力学强度

结合工程需要，固化剂材料的掺量范围控制在3%~7%，不同掺量下的最佳含水率和最大干密度结果见表6。由表6可以发现，随着固化剂材料掺量的增加，固化土的最佳含水率和最大干密度逐渐增加。其中不掺固化剂的最佳含水率和最大干密度为13.3%和1.906 g/cm³，在3%~7%掺量范围内，SWC固化土的最佳含水率在14.4%~16.4%，最大干密度在1.917~1.940 g/cm³；OPC固化土的最佳含水率为14.8%~16.6%，最大干密度为1.923~1.945 g/cm³。由于SWC的需水量和密度小于水泥，相同固化剂掺量条件下，SWC固化土的最大干密度和最佳含水率均小于OPC固化土。

不同掺量下的SWC和OPC固化土无侧限抗压强度和劈裂强度的影响规律如图２所示。由图2可以发现，固化土强度随龄期的增加而不断增加，强度增长速度随龄期逐渐变缓。对于2种固化剂材料，随着掺量比例的增加，固化土的无侧限抗压强度整体呈增长趋势，在180 d时SWC和OPC的抗压强度分别为1.67~2.92 MPa和1.71~2.93 MPa，其同掺量下的抗压强度基本相当。固化土的强度主要由固化剂的胶结作用和填充作用共同决定，SWC水化生成的钙矾石主要作为膨胀性组分，用于填充土粒间的缝隙，增加密实度。普通硅酸盐水泥水化生成的水化硅酸钙在固化土中主要作为胶结性组分，用于加强土粒之间的连接强度。随着固化剂掺量比例的增加，水化生成的胶结物质越多，对土颗粒的胶结作用就越强，固化土的强度不断增加^［19-20］。

2种固化剂固化土的劈裂强度均呈现前期增

长迅速，后期缓慢增长的趋势，在180 d时SWC和OPC的劈裂强度分别为0.52~0.91 MPa和0.49~0.84 MPa。相比于OPC固化土，掺加SWC的固化土前期强度增长速度慢于OPC固化土，在28 d时劈裂强度与OPC基本相当，并在后期强度增长方面取得了明显优势，体系中生成的AFt可以在体系中起到纤维增强作用，在受力过程中承担部分抗拉应力，减少稳定材料开裂现象，从而改善混合料的间接抗拉强度和抗弯拉变形的能力。这表明将SWC应用于路基改善土时，固化土整体结构防止层底张裂和路面反射裂缝的抵抗能力更强。

通过无侧限抗压强度和劈裂强度可以明显发现，同龄期下早期SWC固化土的无侧限抗压强度均低于水泥固化土，与OPC相比SWC的水化反应更慢，随着龄期的增长2种固化剂材料的强度基本相当。这是由于水泥能在水化反应前期依靠自身较好的水化活性和水硬性使土体获得较高的强度，但由于黏土的塑性较大、分散度高，其中的黏土矿物能强烈地与水泥的水化物发生反应，从而破坏后期水泥正常水化与硬化，致使水泥不能充分发挥自身的作用^［21］。与之相对的是SWC固化剂和黏土混合后，电石渣中的钙离子可以与黏土矿物发生离子交换反应，使黏土颗粒表面的双扩散层厚度减小，促使土壤颗粒的絮凝和团聚，改变了黏土的塑性和分散性。电石渣中的Ca（OH）₂一方面与矿渣、脱硫石膏里的SiO₂、Al₂O₃进行火山灰反应生成C-S-H， C-S-H和钙矾石填充着土颗粒间的微空隙，另一方面让土体保持较高的pH，利于水化产物形成稳定的三维网格结构，保证固化土的长期力学性能与体积稳定性^［22-23］。为进一步研究固化效果，采用OPC作为对照试验研究延迟成型的影响，相关数据见表7，通过数据可以发现随延迟时间的延长2种固化剂的强度均出现一定程度降低，延迟时间越长，影响越大，固化土强度越低。对于OPC而言，由于其终凝时间一般小于10 h，延迟6 h后成型的时间泡水均出现松散现象，这也表明OPC延迟施工时间大于 6 h以上时其强度已不能满足工程应用需要。SWC固化土壤过程中水化时间较长，在延迟6 h内无 强度降低现象出现，24 h内强度略微降低，进而允 许施工时间远超过OPC，为工程施工争取了更多时间。

2.3 耐候性能

水稳定性试验的结果见表8，随着固化剂用量的增加，2种固化土的水稳定系数均逐渐增大。从试验结果中可以看到，无论是标准环境下养护7 d还是养护6 d浸水1 d后的2种固化剂固化土的水稳定系数均大于84%，当掺量大于5%时水稳定系数大于90%，表现出优异的水稳定性。由于SWC前期强度较水泥低，反映在试验数据上也可以发现3%和4%掺量下的水稳定性略低于水泥，而随着掺量的增加2种固化剂的稳定性系数基本相当。

固化土冻融循环的试验结果见表9。由表9可以发现，随着固化剂掺量的增加，试件的抗压强度逐步升高，冻融循环后试件的抗冻系数（BDR）逐渐增大，这是由于温度的骤然变化，水分积聚导致试件内外受力不平衡，有的试件逐渐出现小纵向的裂缝，水分进入后表面颗粒会逐渐剥落从而导致试件的抗冻性能下降，而随着固化剂掺量的增加颗粒间联结能力逐渐增加，出现了强度以及质量损失逐渐减小的现象。

值得注意的是同掺量下SWC固化土的强度损失均小于OPC固化土，试件内部存在的自由水遇冷结冰发生体积膨胀，引起混合料内部抗拉和抗压结构的破坏。当处于饱和状态的试件持续经受一定次数的冻融循环后，膨胀压力超过材料整体的抗拉强度时，结构开始形成疲劳损伤，从而造成强度损失，相比于水泥，加入石膏和硫酸钠的SWC能降低冻融循环对固化土的影响，使其强度相对较大且对冷冻造成病害的抵抗性更强^［18］。

2.4 微观机理分析

采用SEM和XRD分析2种固化剂水化产物的微观形貌和矿物组成，固化剂材料的掺量为5%，图3分别为不同龄期试样的SEM照片和XRD图谱。在水化反应初期，由于电石渣的存在，体系呈碱性，在碱性环境下矿渣的玻璃体结构被破坏，释放出富硅相与富铝相，无水硫酸钠与石膏中的硫酸根离子与其反应逐渐生成钙铝硫酸盐矿物和水化硅酸钙，经历过高温过程产生的球形粉煤灰活性较低，对体系的固化影响微乎其微。通过XRD可以发现OPC水泥随着水化龄期的延长，硅酸盐矿物衍射峰减弱，钙矾石（AFt）的衍射峰不断增强，水化程度不断增加。水化7 d的SWC试样中主要为AFt和大量的未参与水化反应的石膏（G），水化至28 d龄期的SWC试样AFt衍射峰增强，石膏衍射峰减弱，说明随着水化反应的进行，矿渣粉在碱性环境下溶解，大量的石膏被消耗用以生成AFt，针棒状的AFt相互交织改善了SWC的抗拉强度。这也印证了上述SWC固化土的劈裂强度高于OPC。

由SEM扫描电镜图可以发现，水化7 d后的SWC和OPC试样表面均有较多明显的坑洞以及空隙，反应生成了六方板状的氢氧化钙（CH）和针棒状的AFt，整体结构松散不致密，同时未发现有C-S-H凝胶的存在。随着龄期的增长，水化产物的生成量明显增加，早期存在的空隙已被水化产物填充，水化28 d后的试样表面非常致密，同时大量AFt和 C-S-H凝胶与土相互堆叠胶结在一起，如图4所示，而且SWC水化至28 d的表面密实程度也明显高于OPC，与XRD分析结果相吻合。

3 结 论

1）正交试验结果表明，电石渣的掺量对固化土的强度增长起到主要作用，合适掺量下的石膏对于力学性能有一定促进作用。最优材料配比为：电石渣掺量为40%、石膏为15%、矿渣为30%、粉煤灰为14%、硫酸钠为1%。

2）随着固化剂用量和龄期的增加，固化土的无侧限抗压强度和劈裂强度逐渐增加，在固化剂用量相同的条件下，SWC固化土的抗压强度与OPC相当，劈裂强度在28 d后明显优于水泥，同掺量下劈裂强度较OPC高6%~8%。相同条件下SWC固化土的施工容许延迟时间更长，为工程施工争取了更多时间。

3）冻融循环试验表明，相同条件下冻融循环后OPC固化土的强度衰减大于SWC固化土，同掺量下SWC的抗冻系数可比OPC提高3%~5%。相比于OPC，加入石膏和硫酸钠的SWC能显著降低冻融循环对固化土的影响，可减弱强度衰减趋势且对冷冻造成病害的抵抗性更强。

4）微观分析表明，SWC固化土的水化产物中生成了大量的膨胀性水化物AFt晶体和胶凝性水化物C-S-H凝胶，水化反应生成的产物交织形成骨架，使固化土的结构更为密实且空隙减少，增强了土体的力学性能。

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基金资助

山东省重点研发计划(重大科技创新工程2020CXGC011405)