使用水泥、赤泥与钢渣综合处治软土的试验研究

骆峻伟

(南京市江北新区公共工程建设中心，南京 211899)

赤泥是氧化铝工业生产排放的高碱性固体废弃物，我国每年因工业炼铝排放的赤泥多达数百万吨。赤泥通常被就地堆存或以泥浆形式排入海洋，不仅占用了大量土地，也对生态环境造成了严重的威胁。赤泥的主要化学成分包括SiO2、Na2O、Fe2O3、CaO、Al2O3等，因含有强碱性废水而具有高碱性。烧结法赤泥中含有约5%的碱，拜耳法赤泥的碱含量则高达10%以上，pH值为12～13[1]。赤泥中一般含有少量As、Cr、Cd、V、Mo等重金属离子，在酸性条件下重金属离子会溶出，对生态环境造成破坏，而赤泥基固化剂具有稳定重金属离子的作用[2]。

钢渣是炼钢产生的固体废弃物，主要化学成分包括SiO2、CaO、Al2O3等，具有潜在的胶凝特性[3]。钢渣在碱性环境下被激发活性并与偏高岭土反应可形成—O—Si—O—Al—O—无机聚合物网络结构胶凝材料，即地聚合物[4]。在这类反应中，偏高岭土的主要作用是提供活性铝酸盐成分(Al2O3· 2SiO2)。在碱性环境下，钢渣中的硅氧四面体[SiO4]4-反应生成H3SiO4-，[AlO4]的网络结构解聚，生成H3SiO4-和H3AlO42-，生成物与Ca2+和Na+反应生成沸石类水化物，增强了水泥石的网络结构，提升了其强度与水稳性[5-6]。

钢渣的激发剂包括石灰、石膏、氢氧化物、碱金属的硅酸盐等。赤泥不仅含有大量强碱性化学物质，还含有一定量的活性铝酸盐成分，不仅提供了激发钢渣所需要的pH环境，还提供了生成地聚物所需要的化学成分[7]。

尽管钢渣-赤泥激发体系在水泥工业中已经有应用[8-10]，但是由于天然地层成分复杂，该激发体系用于地基处理的效果尚不明了。有学者发现，采用水泥激发钢渣活性也具有良好的效果[11]，而将水泥应用于地基加固已有成熟的经验[12-14]。因此，本文提出一种以水泥、赤泥的碱性激发钢渣活性，利用赤泥含有活性铝酸盐、钢渣含有活性硅酸盐、水泥含有活性铝酸盐和硅酸盐的特性，将两种废弃物特性互补形成的复合胶凝材料用于软土加固的方法，并通过无侧限抗压强度试验、压汞试验和XRD试验探究了经不同材料配比的固化剂固化后的软土的力学性能和微观孔隙分布情况，揭示了固化剂的加固原理。

1 试验方案

1.1 试验材料

试验用土为高液限黏土，其天然含水率为50.2%，塑性图如图1所示，试验用土基本物理性质指标如表1所示。试验用水泥为普通硅酸盐水泥(P.O. 42.5)。钢渣取自安徽省马鞍山市某钢厂，为使用湿式磁选法进行预处理的二次钢渣，其中含有具备胶凝活性的γ-Ca2SiO4、β-Ca2SiO4和Ca3SiO5。赤泥取自山东省某铝业公司，是拜耳法炼铝产生的尾渣，含有具备胶凝活性的铝酸盐成分。钢渣和赤泥的化学组成及质量百分比如表2所示。

图1 塑性图

表1 试验用土基本物理性质指标

表2 钢渣和赤泥的化学组成及质量百分比 (%)

1.2 试验方法

1.2.1 水泥土试样的制备

在水泥土搅拌桩的现场施工中，水泥的掺量一般为12%～20%[4]。本文拟将所述材料在工程应用中代替水泥浆液作为固化剂，为对比固化材料的效果，复合固化剂掺量取为20%，复合固化剂配比如表3所示(试样编号中，C表示水泥，S表示钢渣，RM表示赤泥，下同)。试验用土含水率取50%。

表3 复合固化剂配比 (%)

首先将试验用土在60 ℃恒温烘箱中烘干 48 h，再撵散并用粉土机粉碎，过2 mm土工筛。制样时，先把固体(干土、赤泥、钢渣、水泥)放入容器中，用搅拌机充分搅匀，再加入蒸馏水，继续搅拌至均匀。将配置好的混合物分层倒入高为100 mm、内径为46 mm的PVC(聚氯乙烯)圆柱管中，每层振捣密实且振出气泡。每个试样制作3个平行样。养护室温度为20±2 ℃，湿度为95%。养护24 h后脱模并把试样装入自封袋，然后放入养护室养护至相应龄期(7～28 d)。

1.2.2 无侧限抗压强度试验

取出养护至龄期的试样，脱模并削平上下表面，然后进行无侧限抗压强度试验。试验采用南京土壤仪器厂生产的CBR-2承载比试验仪，加载速度为1 mm/min，出现峰值后停止试验。

1.2.3 压汞试验

采用压汞法测量土体孔隙大小及分布。从无侧限抗压强度试验得到的试样中选取典型碎块，在液氮中进行冷冻，然后把样品放入冷阱温度为 -80 ℃ 的冻干机中，保持24 h不间断抽真空。最后取出样品，密封保存待测。压汞试验采用美国麦克仪器公司生产的Autopore IV 9500型全自动压汞仪。

假设土体中的孔隙为圆柱形，则孔隙直径d与施加压力p的关系[15]为

(1)

式中，θ为汞与土颗粒的接触角，取为130°;τ为汞的表面张力，取为0.485 N/m。压汞试验施加的压力范围为10.5～206.8 MPa，对应测试孔隙直径为0.006～119 μm。

1.2.4 XRD试验

试验采用EMPYREAN型X射线衍射仪，扫描范围2θ为5°～100°，扫描速率为5°/min。

2 复合胶凝材料固化土强度特征

复合胶凝材料固化土7 d无侧限抗压强度如图2 所示，复合胶凝材料固化土28 d无侧限抗压强度如图3所示。从图2和图3中可以看出，当复合固化剂中的水泥掺量为0时，固化土强度最低，这是由于此时固化剂的胶凝性能完全由赤泥或钢渣提供，而赤泥和钢渣中具有活性的胶凝物质比较少，且没有适合的pH环境激发其活性。

图2 复合胶凝材料固化土7 d无侧限抗压强度

图3 复合胶凝材料固化土28 d无侧限抗压强度

固化土的无侧限抗压强度基本遵循随固化剂中水泥掺量增加而增加的规律，强度的增量主要来自两个方面：随着水泥掺量的增加，来自水泥的活性硅酸钙和铝酸钙含量增加，增加了水泥的水化产物；随着水泥含量的增加，水泥水化过程中产生的碱性环境激发了钢渣和赤泥中的硅酸钙、铝酸钙的水化活性，这部分反应产物也提高了固化土的强度。值得关注的是，固化土的无侧限抗压强度并不是随固化剂中水泥掺量的增加而单调提升。当水泥掺量为75%时，C75S25RM0试样和C75S0RM25试样的无侧限抗压强度均比水泥掺量为50%的C50S15RM35试样和C50S25RM25试样低，这充分说明了水泥水化并不是固化土强度的唯一来源，赤泥、钢渣的反应产物也提供了一部分强度，且由赤泥、钢渣水化胶凝提供的强度比25%的水泥增量提供的强度大。这可能是由于赤泥、钢渣中的活性铝酸盐和硅酸盐成分在水泥水化以及赤泥自身的碱性条件下，生成了地聚物材料，从而提高了固化土的强度。C50S25RM25试样比C50S15RM35试样强度高，这是由于钢渣中活性铝酸钙含量较少，固化剂中铝酸钙成分除水泥外主要由赤泥提供，赤泥含量的提升相当于改善了活性成分的配比，且提高了反应材料的pH值，因此产生了更好的加固效果。

当固化剂为纯水泥时，固化土无侧限抗压强度最高，这说明利用钢渣和赤泥提供活性胶凝物质的方法具有一定局限性。但是，当固化剂中水泥掺量为50%，赤泥、钢渣各占25%时，固化土的7 d无侧限抗压强度已经达到水泥固化土的89.1%，28 d无侧限抗压强度也达到1.03 MPa，为水泥固化土的88.8%，已经基本达到实际工程中固化软土所需的强度。

3 压汞试验结果及分析

为进一步研究不同配比固化剂加固效果产生差异的原因，选取3种配比(C50S15RM35、C50S25RM25和C100S0RM0)28 d龄期的典型试样，通过压汞试验测量试样中不同直径的孔隙分布，从微观层面揭示强度差异的原因。

Horpibulsuk[16]基于簇理论将水泥土的孔隙分为三类：孔隙直径d>10 μm的气泡；孔隙直径d在0.01～10 μm范围内的聚合体间的孔隙；孔隙直径d<0.01 μm的聚合体内部孔隙。为方便说明，本文在沿用上述孔隙分类标准的基础上，将聚合体间孔隙细分，新的划分标准如下：d≥10 μm为大孔隙、1 μm≤d<10 μm为中孔隙、0.1 μm≤d<1 μm为小孔隙、0.01 μm≤d<0.1 μm为微孔隙，d<0.01 μm 为超微孔隙。

三个试样的累计进汞曲线如图4所示，从图4可以看出，C50S15RM35试样、C50S25RM25试样和C100S0RM0试样的累计进汞量分别为0.281 mL/g、0.271 mL/g和0.304 mL/g，说明C100S0RM0试样中孔隙总体积最大，而C50S25RM25试样中孔隙总体积最小。

图4 三个试样的累计进汞曲线

28 d龄期试样归一化孔隙体积分布如图5所示。从图5可以看出，C50S25RM25试样中，超微孔隙的含量比另两个试样略高，这是由于水化过程中赤泥和钢渣中的活性铝酸钙、硅酸钙成分在碱性环境下形成了网状地聚合物，填充了固化土中的孔隙。钢渣、赤泥配比的变化实质上是活性硅酸钙、铝酸钙配比(即硅铝比[17])以及混合物pH值的变化。对比C50S25RM25和C50S15RM35两组试样的孔隙分布可以发现，当钢渣、赤泥比例为1∶1时，微孔隙、超微孔隙占比明显增加，而小孔隙占比降低。这表明，水泥激发钢渣-赤泥复合固化剂对固化土主要影响在小孔隙、微孔隙和超微孔隙的体积分布上。C50S25RM25试样中，小孔隙相比C50S15RM35试样更少，而微孔隙和超微孔隙的归一化体积含量多了9.4%，这是由于土体中产生了更多填充效果更好的地聚物材料，提高了固化土的强度。

图5 28 d龄期试样归一化孔隙体积分布

C100S0RM0试样中，大孔隙、中孔隙的含量最少，总占比为8.5%。C50S15RM35试样和C50S25RM25试样的大孔隙、中孔隙总占比相当。累计进汞体积无法直接与宏观强度建立定量关系，尽管C100S0RM0试样的孔隙总体积最大，但是大孔隙、中孔隙的相对含量对试样的整体强度具有决定性的影响，大孔隙、中孔隙相对含量少的C100S0RM0试样的强度比另两个试样的强度都高。

尽管C50S25RM25固化剂的效果不如C100S0RM0纯水泥固化剂的效果好，但是从微观角度看，将50%水泥替换成25%钢渣和25%赤泥，同样使得土体中的大孔隙、中孔隙减少，小孔隙、微孔隙、超微孔隙增加，有效地减少了软土内部的孔隙，宏观上固化土的28 d无侧限抗压强度也达到了纯水泥固化剂作用后的固化软土的88.8%，已经具备一定实用价值。

4 XRD衍射试验及水化产物分析

三种试样水化28 d后的XRD谱图如图6所示。从图6(a)中可以看出，C100S0RM0试样水化反应28 d后主峰为碳酸钙、氢氧化钙、水化硅酸钙及少量的硅酸二钙、铝酸三钙、钙矾石。从图6(b)、图6(c)中可以看出，C50S15RM35、C50S25RM25试样在28 d水化反应后出现了两个新的特征峰：赤铁矿和二氧化硅。由于赤泥在固化剂中提供了活性铝成分，引入赤泥后的固化剂的水化产物中，铝酸三钙特征峰强度显著增加，而其他水化产物的特征峰则各有增减。其中C50S25RM25水化产物特征峰强度显著高于C100S0RM0、C50S15RM35，说明C50S25RM25水化产物最多，水化反应进行得最为彻底，这与压汞试验所得出的结论是一致的。由于赤泥在固化剂中主要起提供碱性和活性铝的作用，其本身的水化活性不高，故固化剂中赤泥的掺量应控制在合理范围内。

(a) C100S0RM0试样水化28 d后的XRD谱图

(b) C50S25RM25试样水化28 d后的XRD谱图

(c) C50S15RM35试样水化28 d后的XRD谱图图6 三种试样水化28 d的XRD谱图1：碳酸钙(CaCO3)；2：氢氧化钙[Ca(OH)2]；3：水化硅酸钙(C—S—H)；4：硅酸二钙(2CaO·SiO2)；5：铝酸三钙(3CaO·Al2O3)；6：钙矾石(3CaO·Al2O3·3CaSO4·3H2O)；7：赤铁矿(Fe2O3)；8：二氧化硅(SiO2)

5 经济性分析

本文提出的复合固化剂由水泥、赤泥和钢渣组成。其中，赤泥和钢渣是冶金工业中大量产生的固体废弃物。近年来随着固体废弃物利用研究的发展，钢渣逐渐变废为宝，从需要处治的废弃物变为有用的资源，价格有所提高。根据2021年建筑材料市场价绘制的不同固化剂每延米浆喷桩物料成本如图7所示(按直径0.5 m，固化剂掺量20%计算)。

图7 不同固化剂每延米浆喷桩物料成本

从图7可以看出，采用赤泥和钢渣代替水泥会使浆喷桩的物料成本下降。结合图3的试验结果可以得出，当赤泥和钢渣的掺量均为25%时，C50S25RM25试样的强度达到纯水泥固化剂作用后的固化软土的88.8%，而成本为纯水泥固化剂的72.7%，具有明显的性价比优势。

6 结论

(1) 研究表明，采用水泥和赤泥可以激发钢渣的胶凝特性，在水泥、钢渣和赤泥掺量比为50∶25∶25时，采用该复合固化剂处理的软土的28 d无侧限抗压强度可以达到水泥固化土的88.8%，具有一定的实用价值。

(2) 压汞试验结果表明，C50S25RM25试样比C50S15RM35试样的结构更加致密，这是因为钢渣和赤泥比例的优化促进了水化产物的生成，更有效地填充了土体中的孔隙，增加了小孔隙、微孔隙和超微孔隙的比例，提高了固化土的强度。

(3) 通过XRD谱图可以得出，向固化剂材料中加入赤泥后，水化反应产物中铝酸钙的含量显著增加，且C50S25RM25试样的水化反应相比其他试样更为彻底，可知合理掺量的赤泥可以明显提高水化反应的程度。

(4) 将本文提出的复合固化剂用于软土加固中，不仅能高效地解决固体废弃物堆放的问题，还能一定程度上取代传统的水泥加固材料、减少水泥工业的能源消耗和碳排放，具有良好的经济效益和环境效益。