碱矿渣胶凝材料的固砂特性及抗硫酸盐侵蚀性能

王国军(山东鼎安检测技术有限公司，山东 济南 250000)

0 引言

交通运输网络是经济发展的动脉，俗语“要想富先修路”就是对交通运输业在经济发展中的重要性的确切描述，古人也有兵马未动粮草先行，如果不能控制和建设良好的交通要道，就不能对各种经济项目进行建设。在新的道路建设过程中，自然状态下的路基常常因为填料松散等原因造成稳定性和强度较差，需要对其进行改良加固，常用的加固方法有排水固结、碾压密实、土壤替换和化学固结等方法，并且在对老路进行维修的过程中，也常常需要对路面不均匀沉降带来的开裂进行路基加固，化学固结法是常用的方法。但是由于环境污染和能源浪费等原因需要探讨和研究新的路基加固方法。

1 碱矿渣凝胶材料的固砂特性和优势

常用的路基加固化学加固方法为水泥注浆，但是生产水泥需要消耗大量的煤炭资源，不仅不利于煤炭的清洁高效利用，而且排放大量二氧化碳导致温室效应，浪费资源污染环境。并且传统的水泥固化剂效率低下不稳定，容易遭受硫酸盐腐蚀从而膨胀、开裂。粒化高炉矿渣(GGBS)是一种活性玻璃体结构材料，并且具有潜在活性。在碱性物质作用下可以激发活性获得水硬性。因此在实际路基固化过程中可以使用价格更为低廉的矿渣替代部分水泥，并且使用工业氧化镁和氧化钙对其进行激发不仅可以做到废弃物循环利用、降低工程成本而且可以减少环境污染。因此，本文以水泥固化剂(PC)作为对照组，氧化镁进行活性激发的粒化高炉矿渣(MgO-GGBS)和氧化钙进行活性激发的粒化高炉矿渣(CaO-GGBS)作为实验组，分析其物理力学特性和在硫酸盐腐蚀作用下的质量损失率和无侧限抗压强度。

2 实验

2.1 实验材料

本文对细砂进行固结，细度模数为1.68且含水率为6.25%，水泥为矿渣硅酸盐水泥，粒状高炉矿渣为首钢集团生产，氧化镁和氧化钙均为工业生产，配置硫酸盐溶液的硫酸钠为化学纯。通过X射线荧光光谱分析分别对水泥、矿渣、氧化镁和氧化钙化学组成进行分析。

2.2 不同路基固化剂实验材料制备

2.2.1 配比设计和试样制备

根据大量文献查阅以及调研，确定粒化矿渣和碱性激发剂质量配比为9:1时可以最大化激发其潜在活性，其具体配比如表1所示。因为实验分析主要针对其无侧限抗压强度和抗腐蚀性，因此试验样品需要两种。首先将砂浆分为三层依次装入Φ40mm×80mm的PVC模具，并且每层振荡1min排除试样中气泡，成型后进行封顶覆盖置于室温下进行1d养护后拆除模具，再次在养护室进行3d、7d和28d养护进而进行无侧限抗压强度测定。同时将剩余样品进行28d养护使用5%硫酸钠溶液进行浸泡，每30d更换一次溶液。

表1 固化剂的配比数据

2.2.2 试验测试方法

试验测试主要是测定其流动性、无侧限抗压强度、pH值测试和质量变化率。必要的话会采用XRD、SEM和LF-NMR等仪器分析方法从微观上对其结构变化进行观察，从而探讨碱性激发剂在提高固化剂效果方面的具体作用机理。

3 结果分析

3.1 固结砂的固结特性

3.1.1 流动性

PC、GGBS-MgO组和GGBS-CaO组的流动度分别为118mm、145mm和150mm，与PC组相比，GGBS-MgO组和GGBS-CaO组的流动度分别提高了23%和27%。

3.1.2 无侧限抗压强度

不同结砂样品在3d、7d和28d养护期的无侧限抗压强度，发现随着养护龄期天数的增加，不同种类结砂样品无线侧抗压强度均增加，并且随着养护龄期的增长多抗压强度增加越多。对于相同的养护龄期，氧化钙碱性激发的粒化高炉矿渣呈现最较好的无侧限抗压强度，相比于PC组在养护龄期分别为3d、7d和28d时抗压强度分别增加了270.9%、263.6%和101.2%，氧化镁作为碱性激发剂时的粒化高炉矿渣也呈现了较好的抗压强度，虽然在养护龄期为3d时抗压强度最小，但是随着养护龄期时间的增加相比于PC组分别在7d和28d养护龄期时抗压强度分别增加了52.5%和42.2%，说明工业MgO和CaO作为碱性激发剂具有很好的无侧限抗压强度。

3.1.3 pH值测量

通过养护龄期分别为3d、7d和28d时不同试验样品pH值，可以看出PC组pH值没有什么变化，并且主要集中在12.6～12.7附近，这是因为水泥水化形成的高碱性氢氧化钙溶液达到饱和而导致的，而GGBS-MgO组和GGBS-GaO组pH值先增加后减小。

3.2 试验样品抗硫酸盐腐蚀性分析

3.2.1 外观分析

对照组和实验组固结砂分别在5%硫酸钠溶液中浸泡150d，PC组在浸泡150d后试样上下端出现非常明显的裂纹，而实验组试样经过150d的硫酸钠溶液浸泡后仍没有出现裂纹，表面非常光滑。这说明工业化的氧化镁和氧化钙作为碱性激发剂，粒化高炉矿渣呈现很好的抗腐蚀性能。

3.2.2 无侧限抗压强度分析

当样品在5%硫酸钠溶液中进行浸泡不同龄期的的结砂剂时，对其进行无侧限抗压强度分析，PC组在侵蚀5周后无侧限抗压强度从3.97MPa增加到4.93MPa，强度提高了24.1%，此后随着侵蚀龄期的延长，其抗压强度快速下降，侵蚀150d后抗压强度降低了97%，但是当用5%硫酸钠溶液对GGBS-MgO组和GGBS-CaO组进行侵蚀时，其抗压强度随着侵蚀时间的增加而增加，当侵蚀时间为150d时，其强度分别从提高了45%和19%。总体而言使用工业碱性激发剂的粒化高炉矿渣具有更好的耐腐蚀强度，原因可能是工业碱性激发剂中的氧化钙和氧化镁等活性组分与硫酸根进行结合从而具有很好的抗硫酸盐侵蚀性能，并且具有更加致密的构造从而提高了无侧限抗压强度。

3.2.3 质量变化

使用5%硫酸钠溶液对不同种类固结砂进行不同时间侵蚀得到的质量变化率，固结砂经过侵蚀后主要以表现为外观破裂并未出现脱落，所以质量并未减少。因此三种类型的固结砂经过硫酸钠溶液侵蚀后质量均出现增加，但是结果却差异很大，对于PC组而言，经过硫酸钠溶液侵蚀质量明显增加，侵蚀60d后增重将近6%，随后随着侵蚀质量持续增加，这可能是因为试样在开裂状态下硫酸根离子更容易进入试样内部进行结合，与水泥水化产物氢氧化钙形成石膏以及钙矾石，并且随着此类物质的继续生成，试样产生更多的裂纹从而吸收更多水分导致试样质量明显增长。实验组的GGBS-MgO和GGBS-CaO经过硫酸钠溶液侵蚀60d质量基本保持不变，这是因为试样中没有产生氢氧化钙，从而不会产生膨胀性产物和裂纹，也不会产生因为吸水导致的质量增加。

4 机理探究

各组固结砂在使用5%硫酸钠溶液经过150d侵蚀后其XRD谱图，侵蚀150d后与未侵蚀试样相比，PC组氢氧化钙衍射峰消失，并且生成水滑石衍射峰，石膏和钙矾石衍射峰也比较明显，这可能是水泥化产物如氧化钙与硫酸根反应生成石膏和钙矾石。而对于使用工业碱性激剂的试样，在硫酸钠溶液下出现明显的类水滑石衍射峰和强度较弱的钙矾石衍射峰，未见石膏衍射峰，这主要是其可以形成水滑石一种层状双氢氧化物，碳酸根具有阴离子交换功能可以对硫酸根进行吸附和置换从而阻止其进一步与矿渣中的碱性金属发生反应从而提高了抗压强度和耐腐蚀性[1]。

5 结语

本次试验主要是对碱矿渣胶凝材料的固砂特性及抗硫酸盐侵蚀性能进行了研究，相较于传统水泥固化剂，使用工业氧化镁和氧化钙作为粒化高炉矿渣激发剂制成的碱矿渣胶凝材料不仅可以做到废物循环利用，降低生产成本，而且可以减少二氧化碳排放、保护环境，最重要的是可以表现出更好的抗压强度和耐腐蚀性。本文首先对碱矿渣凝胶材料的固砂特性和优势进行了说明，然后对实验材料制备和实验方法进行了说明，主要是制取两种试验样品分别用来进行抗压强度和耐腐蚀性分析，接下来对试验样品组成进行了X射线荧光光谱分析和试样配比进行了说明。其次经过试样的流动性、pH值和无限侧抗压强度分析表明工业碱性激发剂和粒化高炉矿渣拥有更好的流动性和抗压强度，通过5%硫酸钠溶液侵蚀分析，实验组也是随着侵蚀时间的增加抗压强度增加、质量增长率较小，最后通过硫酸钠溶液侵蚀试样XRD谱图进行了物相分析对其变化机理进行了研究。