矿渣稳定黄土的微细观结构研究*

2022-09-15李俊

甘肃科技纵横 2022年7期

李俊

（甘肃新发展城市开发建设运营集团有限公司，甘肃兰州 730000）

黄土在我国主要分布在黄河中上游，其中典型黄土的分布面积63万km2［1］。黄土主要由黏粒、粉粒和石英颗粒等组成，黄土具有孔隙结构特征显著、颗粒间连接弱、对水敏感等特点［2］。黄土在自然状态下颗粒之间的黏结较好，表现出有一定的强度和较好的稳定性，然而，黄土浸水后土颗粒之间的连接迅速降低，出现边坡滑塌、路基沉陷、地基失稳等工程事故［3］，因此，采用无机结合材料稳定黄土的技术、材料选择受到了工程界广泛关注［4-5］。其中，普通硅酸盐水泥稳定黄土早期强度高，但黄土的塑性指数较高，水泥稳定黄土的温缩干缩大，工程中往往掺加其他无机结合材料来综合稳定黄土；石灰稳定黄土成本低、施工简单，但初期强度较低；工业废渣稳定黄土强度高、稳定性好及收缩小［6］，并且做到了废物的重复利用，因而矿渣稳定黄土技术在土建工程中应用越来越广泛。本论述采用的矿渣是冶炼生铁后经淬冷磨细后质地疏松、多孔粒状结构物，具有较好的水硬性。因此，矿渣稳定黄土经常用作土木工程的建筑材料。本论述对矿渣稳定黄土的微细观结构开展了研究，探索矿渣稳定黄土的强度形成机理，对稳定黄土材料的选择提供参考。

1 试验原材料及配合比

1.1 试验材料

黄土取自兰州城关区南山路一6 m深度的基坑处，取样中保证未混入其他杂质，将黄土自然风干碾碎后过标准筛。取大约150 g左右的土样，测试黄土的含水量和重度；土样中加水调匀后密闭放置一段时间，等水分均匀后用液塑限联合测试黄土的液限和塑限，并计算土体的塑性指数，黄土的具体物理参数见表1所列。矿渣购自山东某有限公司，比重为2.91，利用X 衍射测得黄土、矿渣的化学成分见表2、3所列，矿渣的基本物理参数见表4所列。

表1 黄土的物理性质

表2 黄土的化学组成

表4 矿渣的物理性质

表3 矿渣的化学组成

1.2 配合比及试样制作

根据公路工程无机结合稳定材料试验规程稳定黄土中工业废渣掺量的推荐值［7］，本试验方案拟定中矿渣的掺量（质量比）选为15%，则黄土的含量为85%。通过标准击室试验得出矿渣稳定黄土的最佳含水量为19.87%、最大干密度为1.59 g/cm3。制作矿渣稳定黄土试样时用内径61.8 mm、高125 mm的模具，采用静压法压实试样［8］。先计算制作1 个试样时所需矿渣、黄土、水的质量并称量，将所称量的矿渣和黄土倒入搅拌锅中并搅拌均匀，接着加水继续搅拌均匀为止，然后把矿渣稳定黄土均匀的分为5份，依次往模具中倒入每份混合物、压实每层混合物。最后，将压实的试样脱模后放入护箱中养护28 d。

2 SEM -EDS 试验方法

扫描电镜（SEM）是一种真空下扫描试样表面激发电子信号，根据信号强度组成形貌照片，用来观察试样表面外观形貌的仪器。能谱仪（EDS）常与SEM 联用，是用来分析物质组成元素的最常用仪器之一。从标准养护箱中取出养护28 d 的试样，用锤子敲开试样从中部取出1 cm3左右的样品，接着清理试样表面的浮渣，然后在试样表面喷金用作SEM-EDS测试的样品，最后使用Model JSM-5600LV 扫描电子显微镜测试矿渣稳定黄土试样的微观形貌和元素组成。

3 试验结果与分析

3.1 SEM 测试结果

图1 给出了黄土试样的SEM 图，图2～5 给出了矿渣稳定黄土养护龄期分别为7 d、28 d、90 d、180 d 时的外观形貌。比较黄土（图1）和矿渣稳定黄土（图2～5）的外观形貌，发现黄土颗粒之间孔隙较大、土颗粒之间连接弱，添加矿渣后土体中出现了大量的颗粒状物质，包裹和填塞在黄土颗粒空隙中，这是因为矿渣发生了水化反应生成的胶凝性物质胶结黄土颗粒，使得黄土力学强度大大提高，提高程度取决于矿渣对黄土颗粒的胶结程度。从图2～5可以看出养护龄期对稳定黄土外观形貌产生较大影响，养护初期（7 d）稳定黄土中主要出现一些颗粒状物质填塞在黄土颗粒的间隙中（图2），且这些颗粒的排列比较松散，没有出现结团现象。随着养护龄期的延长，在黄土颗粒表面出现一些棒状和针棒状物质（图3），这主要是矿渣在水化初期发生了阳离子交换，导致在土颗粒表面形成少量的胶凝物质，这些针棒状和棒状颗粒以边-面接触为主、边-边接触为辅。养护90 d时，颗粒状物质大大减少，出现了大量团聚物质（图4），这是矿渣进一步发生水化反应的产物，从而加强了黄土颗粒之间的胶结。随着养护龄期的延长，养护180 d 时，土体表面上的凹坑和大孔隙数量大大减少，出现了大量的絮状和堆叠颗粒团聚体，这些胶凝物质的连接力较强大大加强黄土颗粒之间的连接，使稳定黄土结构更加密实。从图4 和图5 可知，从养护早期的颗粒状到养护后期的絮状、体积较大的层状结构，说明矿渣对黄土发生了团聚作用，养护时间越长，稳定黄土的密实程度越高。

图1 黄土的SEM图像

图2 矿渣稳定黄土养护7 d的SEM图像

图3 矿渣稳定黄土养护28 d的SEM图像

图4 矿渣稳定黄土养护90 d的SEM图像

图5 矿渣稳定黄土养护180 d的SEM图像

3.2 EDS 测试结果

黄土试样的元素组成测试结果如图6所示，养护龄期分别为7 d、28 d、90 d、180 d 的矿渣稳定黄土的元素组成测试结果如图7～10 所示。比较黄土（图6）和矿渣稳定黄土（图7～10）的EDS测试结果，发现矿渣稳定黄土中Ca元素的含量显著增加，这主要是由于矿渣中含有大量CaO导致的。从图7～10可以看出，养护初期矿渣稳定黄土主要发生了离子交换和水化反应，养护后期矿渣稳定黄土发生了火山灰、碳酸化作用，这些一系列的水化反应提高了矿渣稳定黄土的强度和稳定性。