石灰激发GGBS固化上海软土的试验研究

靳宏圆 施倩芸 邵 俐

(上海理工大学环境与建筑学院，上海 200093)

石灰激发GGBS固化上海软土的试验研究

靳宏圆 施倩芸 邵 俐

(上海理工大学环境与建筑学院，上海 200093)

通过室内试验，探讨了Lime-GGBS固化土无侧限抗压强度、pH值、龄期和Lime-GGBS配合比之间的关系，结果表明:Lime-GGBS能够有效提高固化土强度，用20%～30%的石灰替代GGBS能得到最优固化效果;在养护龄期90 d内，随着养护龄期的增加，固化土pH值逐渐减小至反应所需环境最低pH值，固化土强度不断提高。

Lime-GGBS固化剂，配合比，无侧限抗压强度，pH值

0 引言

上海软土具有含水量高、渗透性差、沉降变形大、承载力低等特点，不利于工程建设。目前工程中常用水泥作为固化剂与软土混合搅拌，通过水泥与软土间发生的物理化学反应，形成稳定性好、强度高的固化土［1］。以水泥为主要成分的水泥系软土固化剂能够有效固化软土［2，3］，但水泥生产过程中会消耗大量资源并排放有害气体，造成严重环境污染［4］。

以工业废料——高炉矿渣微粉(GGBS)作为主要原料的软土固化剂固化软土效果显著，并且具有低能耗、可持续的环保功效［5］，是国内外学者的研究热点［6］。由于GGBS本身水化非常慢，需要化学激发剂来加速其水化过程。碱性激发剂是目前最常用的激发剂之一［7］。张大捷等［8］采用矿渣胶凝材料固化软土，并且与水泥固化土进行比较，发现9%掺量的矿渣固化土无侧限抗压强度普遍高于15%的水泥固化土。易耀林等［9］通过试验发现Na2CO3，NaOH和Na2SO4作为碱性激发剂，能够提高固化土强度，以NaOH最优，Na2CO3最差。目前碱激发矿渣固化土的研究仅仅是关于强度，对于固化土酸碱度、强度和龄期之间关系的研究还较少。

本文采用CaO作为激发剂配合GGBS使用，通过无侧限抗压强度试验(UCS Test)和pH值测量，研究固化土无侧限抗压强度和pH随养护龄期的变化规律，在保持固化剂总掺量不变的前提下，改变石灰(Lime)和GGBS配比，分析得出最优配合比。

1 试验部分

1.1 试验材料

试验用土为上海地区软粘土，其物理性质指标如表1所示。试验用矿渣为标号S105矿渣微粉，石灰为分析纯CaO，土体含水率采用天然含水率(32%)。试验材料的化学成分如表2所示。

表1 软土的基本物理性质指标

表2 试验材料的化学组成 %

1.2 试验方案

固化剂总掺量为20%，分别按照不同配合比掺入Lime和GGBS，方案见表3。

1.3 试验方法

表3 试验方案 %

将土样晒干后敲碎，放入恒温干燥箱105℃烘干8 h，干燥后用粉碎机粉碎，过2 mm筛。采用三瓣模分三层击实制件，试件尺寸为φ39.1 mm×80 mm。试块养护环境温度为18℃～22℃，相对湿度不小于95%。养护龄期分别为7 d，14 d，28 d，60 d，90 d。无侧限抗压强度试验采用微机控制万能试验机，pH值采用上海某公司产pH仪测量。

2 结果与讨论

2.1 无侧限抗压强度变化规律

图1为不同配合比Lime-GGBS固化土无侧限抗压强度与养护龄期关系曲线。可以看出，固化土无侧限抗压强度随养护龄期的增大而增加。使用掺量低于8%的石灰代替GGBS，Lime-GGBS配合比小于2∶3，固化土强度在短龄期内(14 d)增长较缓慢，14 d后增长速度显著提高;用掺量不低于8%的石灰代替GGBS，Lime-GGBS配合比不小于2∶3，固化土在短龄期内(14 d)增长较快，14 d后增长速度变缓，并且强度提高幅度小于其他配合比。

图2为Lime-GGBS固化土无侧限抗压强度与配合比关系曲线。由图2可知，矿渣掺量较高，石灰掺量较低时，固化土短龄期内随矿渣掺量的增加而减小。养护28 d后，固化土强度显著提高，并且在一定范围内，矿渣掺量越高，石灰掺量越少，固化土强度增长越快。

图1 Lime-GGBS固化土无侧限抗压强度与养护龄期关系曲线

图2 Lime-GGBS固化土无侧限抗压强度与配合比关系曲线

图1和图2说明，使用较低掺量石灰替代GGBS时，大部分石灰参与到GGBS的水化反应中，固化土早期强度增长缓慢，但随着GGBS水化反应的进行，养护后期固化土强度显著提高，并且增长速度较快。若使用较高掺量石灰替代GGBS，短期内GGBS对固化土强度的提高贡献不大，石灰对固化土有一定固化效果，体现出固化土强度增长较快;后期石灰激发GGBS潜在活性，表现出强度继续增长的趋势，但由于GGBS被替换太多，能够发生水化反应的GGBS量较其他配合比明显减少，导致其强度增长幅度较小。由此可以看出，采用Lime-GGBS固化剂时，石灰掺量应小于矿渣，两者配合比宜介于1∶4～1∶2.5之间。

2.2 酸碱度变化规律

图3为Lime-GGBS固化土pH值与养护龄期关系曲线。可以看出，初期由于石灰的加入，CaO水解生成大量OH－，固化土pH值较高。随着GGBS水化反应的进行，矿渣和软土中的Si，Al等溶解到孔隙水中，并与Ca2+和OH－离子反应，OH－被大量消耗，生成水化硅酸钙(CSH)、水化铝酸钙(CAH)和水化硅铝酸钙(CASH)等水化产物［10］，固化土pH值随龄期逐渐减小［11］，60 d 后OH－被大量消耗，固化土pH主要靠反应生成的碱性物质维持［1］，逐渐趋于稳定。

图4为Lime-GGBS固化土pH值与配合比关系曲线。由图4可知，总掺量不变，固化土pH值随着矿渣掺量的增加和石灰掺量的减少而减少，最小值为10.6，这与高炉矿渣发生火山灰反应的环境最低pH值为10.5一致［12］。

图3 Lime-GGBS固化土酸碱度与养护龄期关系曲线

图4 Lime-GGBS固化土酸碱度与配合比关系曲线

图5为Lime-GGBS固化土无侧限抗压强度与pH值关系曲线。可以看出，在保证GGBS反应所需要的pH值前提下，短龄期(7 d和14 d)内，Lime-GGBS固化土无侧限抗压强度随pH值的增加而增大，增幅较缓;较长龄期(28 d，60 d和90 d)固化土强度随pH值增长而下降。这主要是由于初期CaO水解产生大量OH－，固化土pH较高，强度较低;随着火山灰反应的进行，大量OH－被消耗，固化土pH值下降，强度提高明显。

图5 Lime-GGBS固化土酸碱度与无侧限抗压强度关系曲线

3 结语

1)GGBS固化剂需要在碱性环境下才能发挥出其潜在活性，石灰提供的碱性环境能够促进GGBS水解，保证固化土中火山灰反应的正常进行，提高固化土强度。

2)Lime-GGBS固化剂能够有效提高固化土强度，在固化剂总掺量不变的前提下，20%～30%的GGBS用石灰代替能够达到最好的固化效果。

3)龄期对Lime-GGBS固化土强度影响较大，短龄期内固化土强度增长缓慢，较长龄期下固化土强度提高显著。对固化土早期强度要求较高时，应考虑是否添加其他辅助激发剂，并做相关研究。

4)Lime-GGBS固化土pH值随龄期的增加而减小，为保证固化土更长龄期下仍保持较高强度，应控制固化土pH值在环境最低pH值以上。

［1］ 宁建国，黄 新.利用工业废渣配制水泥系软土固化剂探讨［J］.工业建筑，2005，35(sup):432-437.

［2］ 杨爱武，杜东菊，赵瑞斌，等.水泥及其外加剂固化天津海积软土的试验研究［J］.岩土力学，2007，28(9):1823-1827.

［3］ 孟庆山，杨 超，雷学文，等.武汉东湖淤泥早强固化试验研究［J］.岩土力学，2010，31(3):707-712.

［4］ HIGGINS D D.GGBS and sustainability［J］.Construction Materials，2007，160(3):99-101.

［5］ S Jegandan，M Liska，AA Osman，et al.Sustainable binders for soil stabilization［J］.Ground Improvement，2010，163(1):53-61.

［6］ R M Nidzam，J M Kinuthia.Sustainable soil stabilization with blast furnace slag-a review［J］.Construction Materials，2010，163(3):157-165.

［7］ 吴达华，吴永革，林 蓉.高炉水淬矿渣结构特性及水化机理［J］.石油钻探技术，1997，25(1):31-33.

［8］ 张大捷，田晓峰，侯浩波，等.矿渣胶凝材料固化软土的力学性状及机制［J］.岩土力学，2007，28(9):1989-1991.

［9］ 易耀林，李 晨，孙 川，等.碱激发矿粉固化连云港软土试验研究［J］.岩土力学与工程学报，2013，32(9):1820-1826.

［10］ 易耀林，卿学文，庄 焱，等.粒化高炉矿渣微粉在软土固化中的应用及其加固机理［J］.岩土工程学报，2013，35 (S2):829-833.

［11］ 章定文，曹智国.工业废渣加固土强度特性［J］.岩土力学，2013，34(S1):54-59.

［12］ L K Davidson，T Demirel，R I Handy.Soil pulverization and lime migration in soil lime stabilization［J］.Highway Research Record，1965，92(3):103-126.

Experimental research on Shanghai soft clay stabilized by lime activated GGBS

Jin Hongyuan Shi Qianyun Shao Li
(School of Environment and Architecture，University of Shanghai for Science and Technology，Shanghai 200093，China)

The relationship among Unconfined Compressive Strength(UCS)，pH value，curing time and mixing ratio of Lime-GGBS was investigated through laboratory test.The results show that the UCS of Lime-GGBS stabilized soil can be improved significantly.20%～30%of GGBS replaced by lime has the highest unconfined compressive strength.The pH value of Lime-GGBS stabilized soil decrease to the minimum pH value that pozzolanic reaction need with the increase of curing age，and the UCS of stabilized soil keep increasing within 90 days.

Lime-GGBS curing agent，mixing ratio，unconfined compressive strength，pH value

TU447

A

1009-6825(2016)35-0076-02

2016-09-30

靳宏圆(1993-)，男，在读硕士