固废基固化材料稳定低液限黏土试验研究

2023-09-05李玉耀马春锋赵亚婷褚付克

新型建筑材料 2023年8期

李玉耀，马春锋，赵亚婷，褚付克

（1.河南安罗高速公路有限公司，河南郑州 450000；2.河南省濮卫高速公路有限公司，河南郑州 450000；3.河南省交通规划设计研究院股份有限公司，河南郑州 450000；4.交通运输行业公路建设与养护技术、材料及装备研发中心，河南郑州 450000）

0 引言

公路建设中要求路基具有足够的强度和稳定性，路基质量较差是造成公路早期损坏的重要原因之一，易引发不均匀沉降、翻浆、开裂等危害[1]。但公路建设往往线路较长、沿线路段地质情况复杂，遇到土质较差地区，全段换填成本巨大，因此一般对不良土质进行固化改性，使其满足路基填筑工程要求。传统路网建设工程采用水泥、石灰等作为土壤固化剂，但存在收缩大、水稳定性差等各种问题[2-5]，另一方面，随着近年来国家对生态环保、资源浪费等问题愈加重视，亟需寻找绿色建材资源。基于此，利用工业固废作为新型土壤固化剂的研究逐渐兴起。孟建伟[6]将水泥与工业废渣复掺制备土壤固化剂，同时评价了其对砂质土、粉质土等固化强度和水稳性能等的影响。Yu 等[7]研究发现，将煅烧煤矸石、钢渣等冶金废渣与硅酸盐水泥复配，在废渣掺量高于80%时，固化土样的无侧限抗压强度（UCS）比单独使用水泥固化土的UCS 值增大4~5 倍。乔子秦[8]通过研究得出粉煤灰-脱硫石膏-水泥三元凝胶体系加固黄土的最佳配比，并对固化土体系的强度产生机理进行了深入探究。Salimi 和Ghorbani[9]则以高炉矿渣复掺CaO 等活化剂或NaOH 等碱激发剂固化软土，从而提升加固土体的强度和刚度，避免沉降问题。Sharma 和Kumar[10]综述了工业废渣地聚物替代水泥、石灰用于土壤固化的混合料配比、激发剂摩尔浓度及掺量、温度和龄期等参数变化对固化性能的影响规律，指出工业废渣地聚物的最佳参数范围为激发剂掺量5%~20%、摩尔浓度8~12 mol/L、温度25~45 ℃、水胶比0.35~0.85 等。

工业废渣中硅、铝矿物组分在碱性环境中与水和土壤颗粒中的活性组分反应，生成絮状C-S-H 凝胶、针棒状钙矾石、微晶态或非晶态的硅铝酸盐网络聚合体等水化产物，从而将土壤颗粒紧密胶结在一起，提高加固土体的整体强度和刚度，同时增强固化土体系对重金属和碱性离子的固化能力[11-13]。本文利用矿渣、赤泥、电石渣、尾矿等工业废渣和其他添加剂复配了一种固废基固化材料，通过室内试验对比分析其与水泥稳定低液限黏土的物理、力学性能和耐久性，并研究了固化材料掺量及养护龄期对固化土路用性能的影响规律，从而为工业固废复合材料处治黏性路基土在实际工程中的应用提供科学合理的技术依据。

1 试验

1.1 原材料

（1）土料：河南境内某高速公路沿线路基填筑土，检测得知该土为低液限黏土，其基本物理性能如表1 所示。

表1 试验土样的基本物理性能

（2）固化材料：将工业废渣按m（矿渣）∶m（赤泥）∶m（电石渣）∶m（尾矿）=20∶10∶55∶15 的比例复配成的工业固废复合材料（ISW）作为固化材料改良土样，其中矿渣来源于舞钢钢铁厂，赤泥和尾矿取自新乡中州铝业股份有限公司，电石渣取自平顶山中悦环保股份有限公司。选用P·F32.5 级粉煤灰硅酸盐水泥固化土样为参照组。通过X 射线荧光光谱分析（XRF）测试工业固废复合材料和水泥的化学成分，结果见表2。

表2 固化材料的化学组成 %

1.2 试验方法

试验选择0、3%、4%、5%和6%共5 个固化材料掺量，按照相关试验规程中给定的操作步骤进行性能测试。

1.2.1 物理力学性能测试

击实试验：采用沧州虹磊公路仪器有限公司生产的CSK-VI 型多功能电动击实仪对固化土样进行击实试验，操作步骤参照JTG 3430—2020《公路土工试验规程》，得到固化土样的最佳含水率和最大干密度。

承载比（CBR）试验：根据JTG 3430—2020 中规定的步骤，采用多功能路面材料强度试验机进行CBR 测试。分别测试不同压实度下（K=93%、94%、96%）固化土样的CBR 值。按照击实试验确定的最佳含水率和最大干密度，每组制备3 个试件。将击实试验完成后的试件浸于水中4 个昼夜，浸水龄期结束后计算膨胀量并测试CBR 值。

无侧限抗压强度试验：测试步骤参照JTG E51—2009《公路工程无机结合料稳定材料试验规程》进行。根据击实试验所得土的最佳含水率和最大干密度，按98%的压实度采用静力压实法制备直径50 mm、高50 mm 的试件。试件成型后，在温度为（20±2）℃、相对湿度为95%的条件下养护6 d，再放入清水中浸泡24 h，然后用压力机测试其7 d 无侧限抗压强度（UCS）值。由于标准中没有28 d 无侧限抗压强度的要求，本试验按照以下方式进行：固化土试件成型后，在温度为（20±2）℃、相对湿度为95%的条件下养护6 d，在清水中浸泡22 d后，测试其28 dUCS 值。

1.2.2 耐久性试验

水稳定性试验：按照CJT 486—2015《土壤固化外加剂》中试验方法测试固化土样的水稳系数，标准养护7 d 后浸水1 d 的稳定土试件UCS 值与不经过浸泡的同龄期试件的UCS 值之比。

干湿循环试验：研究固化材料掺量变化对固化土试件养护28、90 d 时抗干湿循环能力的影响。每组6 个试件（50 mm×50 mm 圆柱体），最终结果取平均值。试验过程为：将试件在恒温恒湿标准养护条件下养护至规定龄期，养护期最后1 d 将试件置于（20±2）℃的水中浸泡24 h，而后放入（50±2）℃恒温干燥箱中烘干24 h，以此为1 次干湿循环，5 次干湿循环后测试试件的UCS 值。干湿循环系数按式（1）计算：

2 结果与讨论

2.1 最大干密度与最佳含水率

水泥和工业固废复合材料固化土样的击实试验结果如表3 所示。

表3 固化土样的最佳含水率和最大干密度

由表3 可以看出，当固化材料的掺量为3%时，ISW 和P·F32.5 水泥固化土样的最佳含水率较素土均有所增大，且ISW固化土样的最佳含水率更大，为13.5%；而2 种固化土样的最大干密度较素土相比则有所减小，且ISW 固化土样的最大干密度更小。随着2 种固化材料掺量的增加，固化土样的最佳含水率基本均呈线性增大；相应地，最大干密度则逐渐减小。且与P·F32.5 水泥固化土样相比，ISW 固化土样的最佳含水率和最大干密度随ISW 掺量增加的变化幅度更大。当固化材料掺量为6%时，P·F32.5 水泥固化土样的最佳含水率为13.6%，相比素土增大了2.3%左右；而ISW 固化土样的最佳含水率为14.0%，相比素土增大了约5.3%。该掺量下，P·F32.5 水泥和ISW 固化土样的最大干密度相比素土分别降低了约2.1%和3.1%。这主要是因为利用工业固废制备得到的固化材料为多孔材料，比表面积较大，能吸附更多的自由水，且超早期水化反应较为迅速，从而易于快速和土壤颗粒黏结成块，一方面影响压实效果，使得最大干密度减小，另一方面阻碍自由水在拌和土样孔隙中的流通，导致最佳含水率增大[14]。

2.2 承载比

不同固化材料固化土样的CBR 值如图1 所示。

图1 不同固化材料固化土样的CBR 值

由图1 可以看出，ISW 和P·F32.5 水泥2 种固化材料的掺入，均使得素土的CBR 值迅速增大。所有固化土样在不同压实度下的CBR 值均在30%以上，远远超过JTG D30—2015《公路路基设计规范》中规定的上路床CBR 值大于8%的要求。且ISW 和P·F32.5 水泥固化土样的CBR 值均随着固化材料掺量的增加而不断增大，相比之下，ISW 固化土样的CBR值增幅更大。

进一步对比ISW 和P·F32.5 水泥固化土样的CBR 值可知，当ISW 掺量为3%时，其固化土样在93%、94%、96%压实度下的CBR 值均略低于水泥稳定土，但随着ISW 掺量的增加，其固化土样在不同压实度下的CBR 值均逐渐增大，且在4%掺量时超过水泥固化土样同压实度下的CBR 值。当ISW掺量继续增加至6%时，其固化土样在93%、94%、96%压实度下的CBR 值分别为49.6%、50.5%、52.3%，比水泥固化土同压实度下的CBR 值高20%左右。整体来看，低掺量ISW 固化土的CBR 值已经满足高速公路路基施工技术要求，且ISW 相比水泥更具价格优势，有利于在实际工程中推广使用。

2.3 无侧限抗压强度

不同固化材料固化土样的无侧限抗压强度如图2 所示。

图2 不同固化材料固化土样的无侧限抗压强度

由图2 可以看出，素土几乎无强度，7 d 和28 d 龄期的UCS 值均低于0.2 MPa。而相同龄期下，所有固化土样的UCS值均随着ISW 或水泥掺量的增加而增大；相同固化材料掺量下所有试样的UCS 值均随龄期延长逐渐增大。当固化材料掺量为3%时，ISW 固化土样的各龄期强度均略低于水泥固化土。这是因为掺量较低时ISW 颗粒在固化土体系中较为分散，又因为ISW 比表面积大，反应活性较高，其水化生成的C-S-H 凝胶、钙矾石等产物在迅速胶结周围土壤颗粒的同时，也容易将未水化的颗粒或未反应完全的水分包覆起来，从而在一定程度上阻碍了反应产物空间网状结构的延伸，使得宏观强度略有降低。但掺加3%ISW 固化土样的7 dUCS 值已达到1.0 MPa 以上，结合CBR 测试结果（见图1）可知，3%掺量的ISW 用于处治路基土效果良好。4%~6%掺量的ISW 固化土样的各龄期UCS 值均高于水泥固化土，且同一掺量下ISW固化土样的无侧限强度随龄期延长的增长幅度同样大于水泥固化土；整体来看，ISW 固化土样的7 d 强度比水泥固化土高0.5~1.0 MPa，28 d 无侧限强度相比水泥固化土样增加了30%~40%。UCS 测试结果表明，固废基固化材料较水泥更适宜用于低液限黏土的稳定处治。这是由于ISW 是根据待处治土的理化性质进行针对性配方设计，通过工业废渣之间的协同水化或与土壤中活性组分反应形成结构骨架、生成胶凝性产物填充结构孔隙，进而提高固化土的宏观力学性能。

2.4 水稳定性

不同固化材料固化土样的水稳系数如表4 所示。

表4 不同固化材料固化土样的水稳系数

素土试件在泡水后24 h 内即溃散，水稳定性极差。由表4可知，所有固化土试件的水稳系数均小于100%，介于85%~98%，说明饱水固化土试件的UCS 值较标准养护试件均有所减小。这是因为浸水使得固化体系颗粒之间的粘聚力及内摩擦力减弱，从而导致结构整体强度降低。随着固化材料掺量的增加，所有固化土样的水稳系数逐渐增大，说明固化材料掺量增加使得固化土体系的孔隙结构更为致密，水稳定性增强，这主要得益于固化材料反应形成的胶凝性产物及空间网状结构。

对比来看，相同固化材料掺量下，ISW 固化土样的水稳系数均高于水泥固化土。当固化材料掺量为3%时，ISW 和水泥固化土样的水稳系数差别很小。这是由于低掺量下固化材料作用程度较小，固化土样强度在较大程度上仍依靠颗粒之间的粘聚力和内摩擦力，故不同固化材料固化土的水稳系数差别不大。当固化材料掺量增加至4%时，2 种固化材料固化土样的水稳系数差别最大，此时ISW 固化土样的水稳系数达到89.4%，而水泥固化土样的水稳系数为87.2%。随着固化材料掺量的进一步增加，ISW 和水泥固化土样的水稳系数均稳步提升，但整体来看，ISW 对低液限黏土的水稳性能提升作用优于水泥。

2.5 抗干湿循环性能

不同固化材料固化土样的干湿循环系数如表5 所示。

表5 不同固化材料固化土样的干湿循环系数

由表5 可知，相同龄期下，固化土样的干湿循环系数随固化材料掺量增加而增大，说明固化材料掺量增加有利于提高固化土样经干湿循环后的UCS 值，这与固化土样的无侧限抗压强度（见图2）及水稳定性（见表4）的变化规律相符。28 d 龄期时，当固化材料掺量从3%增加至6%，ISW 固化土样和水泥固化土样的干湿循环系数分别增大了24%和13%。

相同固化材料掺量下，固化土样的干湿循环系数随龄期延长而增大，这表明固化土样经干湿循环后，无侧限抗压强度随龄期延长依然持续提高，没有出现强度倒缩现象。这是因为随着养护龄期的延长，固化土样内部的空间网状结构逐渐扩展、颗粒之间粘聚力增大、整体结构更加致密，因此强度和耐久性提高。对比来看，较低掺量（3%～4%）下，ISW 固化土样的干湿循环系数随龄期延长增幅更大；而较高掺量（5%～6%）下，水泥固化土样的干湿循环系数随龄期延长增幅更大。这可能是由于水化后期水泥中活性混合材的火山灰反应得以激发[15]，从而使得固化土样的结构进一步致密化。

总体来看，相同固化材料掺量下，ISW 固化土样的28 d和90 d 干湿循环系数基本均大于水泥固化土，说明ISW 对低液限黏土的抗干湿循环性能改善效果更佳。