稻壳灰-高炉矿渣固化膨胀土工程特性及机理

李丽华，李孜健，肖衡林，黄少平，刘一鸣

(1.湖北工业大学 土木建筑与环境学院，湖北 武汉 430068；2.湖北工业大学 河湖健康智慧感知与生态修复教育部重点实验室，湖北 武汉 430068)

膨胀土是在自然地质作用下形成的黏土，富含如蒙脱石、伊利石等亲水性黏土矿物[1].蒙脱石的水力作用会使土体胀缩变形、裂隙发育和强度降低，导致膨胀土分布区地质弱化，对道路结构性能造成严重危害，因此膨胀土的处理技术与方法一直备受关注[2-4].随着生态文明建设的推进，固体废弃物资源化是必然趋势[5-6]，利用固废处理膨胀土已逐渐成为节能环保的新途径[7].

我国各类固废产量大，利用率低[8].稻壳灰（rice husk ash, RHA）是生物质能发电厂产生的废弃物，具有孔隙丰富、相对密度小、比表面积大的特点.内含的高活性SiO2使RHA表现出类似硅灰的性质[9]，因此备受路基材料、固化剂相关研究学者的青睐[10].Ma等[11]将稻壳灰用于改性华北膨胀土，通过一系列室内试验，从压实性能、剪切参数和固结性能等方面研究稻壳灰对膨胀土改良效果，得出稻壳灰在提升膨胀土整体性能方面有积极作用的结论.Hassan等[12]将粒化高炉矿渣（ground granulated blast slag, GGBS）以不同质量分数加入膨胀土，发现在当矿渣的质量分数超过30%时，养护28 d的无侧限抗压强度与素土相比提升了35%.这表明采用高炉矿渣改良膨胀土不仅能够显著提高膨胀土工程性能，还是有效且环保的钢铁工业废物处理方法.高炉矿渣早期强度不高，通过碱性激发剂（如水玻璃[13]、NaOH[14]）激发活性的方法成本过高，并且存在安全隐患.粉煤灰和矿渣在混凝土和固化土方面应用较为成熟，Sharma等[15]向土中加入粉煤灰和GGBS组成的黏合剂，发现这种组合材料的黏合剂会增强火山灰活性，并导致膨胀土无侧限抗压强度增加和膨胀势降低.粉煤灰的热稳定差，为此Patel等[16]提出用RHA替代粉煤灰，联合GGBS制备环境温度固化的地聚合物混凝土，结果常温下制备的地聚合物混凝土比粉煤灰地聚合物混凝土的抗压强度更高.

工业固废资源化利用研究在土木工程领域应用较多，RHA-GGBS是固废研究中的热门材料，但稻壳灰基胶凝材料研究多在新型混凝土制备领域，在固化土方面的研究鲜见.考虑到工业固废具有水硬性，在膨胀土治理领域的应用，将实现降低碳排放、以废治废和改善土体性能的多方面共赢.本文通过无侧限抗压试验、自由膨胀率试验、扫描电镜试验及X射线衍射试验，开展以工业固废稻壳灰和矿渣为材料环保固化剂的膨胀土固化效果及固化机理研究.

1 试验材料与方法

1.1 试验材料

1.1.2 固化剂 试验所用固化剂：武汉某生物质发电厂600～800 ℃燃烧后稻壳灰、河南某环保公司生产S95级粒化高炉矿渣微粉.试样的原材料如图1所示.使用X射线荧光光谱仪（XRF）和X射线衍射仪（XRD）对稻壳灰和高炉矿渣进行化学成分分析，结果如表1、图2所示，其中wB为物质的质量分数，I为衍射强度.

表1 稻壳灰、高炉矿渣的主要化学成分Tab.1 Main chemical composition of rice husk ash and ground granulated blast slag

图1 试样原材料Fig.1 Materials of sample

图2 稻壳灰、高炉矿渣的X射线衍射图谱Fig.2 X-ray diffractograms of rice husk ash and ground granulated blast slag

1.2 试验方法

1.2.1 试验设计 将土样分3类：1）素膨胀土；2）同一质量分数稻壳灰、矿渣和膨胀土的混合土（不同配比），以确定稻壳灰和矿渣的最佳配比；3）同一配比稻壳灰、矿渣和膨胀土的混合土（不同RHA-GGBS质量分数），以确定稻壳灰和矿渣的最佳质量分数.定义λ为稻壳灰与矿渣干重质量比，wRHA-GGBS为RHA-GGBS质量与混合土（不含水）质量比，ν为养护龄期.根据现有研究[13]及预试验，试验配合比设计如表2所示.

表2 试样的配合比设计Tab.2 Design of mixing proportion for sample

1.2.2 试样制备 取一定量自然风干膨胀土样，经碾碎后过2 mm筛置于105 ℃烘箱中烘干至质量不再变化.按设计配合比将固化剂（粉剂）与膨胀土称重后混合均匀，混合时间为3 min，按击实试验所得土样最佳水质量分数称取纯水加入混合土，继续搅拌20 min视为搅拌完成，随后装入密封袋静置闷料12 h，确保水分在膨胀土中均匀分布.本试验固化土试样为直径50 mm、高度100 mm的圆柱状试样.试样按制备流程如下：按压实度为最大干密度的96 %称取固化土，将固化土三等分后依次加入圆柱形模具，每层击实到指定高度后刮毛分层，以避免发生断层现象；依次击实，直到完成试样制备；将制备完成的试样用千斤顶脱模并用保鲜膜密封包裹，在标准养护箱（养护温度为23±1 ℃，相对湿度为98%）中养护至指定龄期；为了保证数据的可靠性，每组试样取3个平行样，取平均值分析结果.

1.2.3 无侧限抗压强度试验 待试样养护完成，参照文献[17]进行无侧限抗压强度试验.试验采用WDW-10E型微机控制电子万能试验机，允许极限荷载为20 kN，试验恒定加载速率为1 mm/min.若应力应变曲线出现峰值，应力值趋于稳定时停止试验；若无明显峰值，轴向应变达20%时停止试验.

1.2.4 自由膨胀率试验 取无侧限抗压试块中心区域（30 mm×80 mm）代表性土样，置于50 ℃烘箱低温烘干，将烘干后试样置于研钵研磨，过0.5 mm筛取样装袋密封备用.参照文献[17]进行自由膨胀率试验.

1.2.5 扫描电镜试验及X射线衍射试验 取无侧限抗压试块中心区域（30 mm×80 mm）代表性土样，置于50 ℃烘箱低温烘干，参照文献[18]采用粉末样品，将烘干后试样置于研钵研磨，过0.075 mm筛后取样装袋密封备用.将粉末状样品贴片置于光谱标样，真空冻干后喷金处理，以减弱试验中样品充放电的干扰.试验采用HITACHI公司SU8010高分辨场发射扫描电镜，分辨率为1.0 nm (15 kV)/1.3 nm (1 kV)，加速电压为0.1～30 kV.X 射线衍射仪分析线性度≤0.030，分辨率≤0.130，重复性≤0.0020.扫描角度10°～80°（2θ），扫描步长0.02，扫描速度5°/min.

2 试验结果与分析

2.1 无侧限抗压强度

如图3(a)所示为质量分数为15%的RHAGGBS在不同配比、不同养护龄期下的无侧限抗压强度峰值qu.可以看出，在60 d的养护过程中，所有不同配比固化土试样的抗压强度均有所增加，若考虑养护时间影响，7～14 d的强度增长速率为8.9 kPa/d，14～28、28～60 d的强度增长速率分别为8、8.3 kPa/d.这说明固化剂与膨胀土的化学反应在7～14 d最快，14 d之后由于稻壳灰和矿渣之间还未完全反应，化学反应将会持续进行.还可以看出，在同一养护龄期，不同配比固化剂对膨胀土的固化作用影响很大，随着固化剂中稻壳灰所占比例增大，固化土单轴抗压强度峰值出现先增大后减小的趋势，当λ=6∶4时，有最大的峰值抗压强度.以60 d抗压强度为例，试样L3的抗压强度为803.3 kPa，其他λ赋值的固化土试样均低于这一强度，当λ＞6∶4时，稻壳灰所占比例越大，抗压强度总体呈下降趋势.这说明λ存在最优值，为6∶4，稻壳灰中的活性SiO2会与矿渣中的Ca(OH)2发生化学反应，二者存在平衡点，稻壳灰过剩会使活性SiO2不能完全发挥作用，对土体的强度增长影响不大.如图3（b）所示为最优配比在RHA-GGBS不同质量分数、不同养护龄期下的无侧限抗压强度峰值.可以看出，随固化剂质量分数的增加，不同龄期固化土试样无侧限抗压强度均出现先增大后减小的规律.以60 d养护条件为例，素膨胀土的抗压强度与249 kPa，试样L8的强度达到最大值为967.5 kPa，是素膨胀土的3.9倍，其他组的抗压强度虽都有所增加，但与L8均存在差距.原因是固化剂加入膨胀土之后，RHA-GGBS质量分数并非越多越好，而是存在最佳值，这与文献[6]的研究结果一致.强度增加的主要原因是随稻壳灰质量分数增大，固化剂与膨胀土间反应加剧，水化产物增多，固化土孔隙率降低，骨架强度增高；随着反应持续进行，固化土体内部反应减缓，若继续提高RHA-GGBS质量分数，受产物总量限制，存在过剩稻壳灰无法参与水化反应，土体胶结程度无法进一步提高，最终导致强度劣化.

图3 试样的无侧限抗压强度试验结果Fig.3 Test results of unconfined compressive strength for sample

2.2 应力-应变曲线

如图4所示为不同组别无侧限抗压强度应力σ-应变ε曲线.试样应力-应变全过程按曲线斜率变化大致可分为压密阶段、弹性变形阶段、非线性长阶段及破坏后阶段[6,19].压密阶段的曲线呈上凸型，固化土中孔隙比减小，各组分间相对挤密，刚度增大.在弹性变形阶段，应力随应变近似呈线性增长，大致符合胡克定律.在非线性增长阶段，应力随应变仍继续增大，但斜率逐渐减小，当曲线出现峰值时，峰值点为试样峰值抗压强度，其对应的应变称为破坏应变.在破坏后阶段，随应变增加，应力不断减小，出现典型应变软化现象，土体损伤积累至破坏，此时曲线代表试样破坏后抵抗外力的残余变形阶段.图中标出竖向虚线以区分各个阶段.由图4(a)可知，在最优RHAGGBS质量分数下，随龄期增长，曲线峰值应力变大，在峰值点前后上升和下降速率明显增加，达峰值点的应变有前移的趋势，试样破坏应变减小趋势愈发明显，固化土表现出由塑性向脆性发展的趋势，这与绝大多数固化土性质类似[20].原因是试样经长时间养护，内部固化作用持续进行，试样凝硬导致脆性进一步增大.从图4(b)可以看出，曲线在到达峰值应力前，曲线增长的速率随RHAGGBS质量分数的增加呈先增加后减小的趋势，超过峰值应力点后，曲线下降的速率随RHAGGBS质量分数的增加呈先增加后减小的趋势，该组试样破坏后阶段曲线陡降明显，呈现出应变硬化型的脆性破坏状态.这是由于RHA-GGBS质量分数超过10%时固化土中过量的稻壳灰和矿渣未反应，导致胶凝产物结构内部劣化，在宏观上表现为强度降低，导致固化作用没有RHAGGBS质量分数为10% 的明显.还可以看出，在wRHA-GGBS=10%时，应力-应变曲线包围更多的面积，说明试样开裂后仍具有一定抵抗变形的能力和塑性，残余强度也相应增加，表明固化剂的掺入量此时最佳，试样在wRHA-GGBS=10%时达到峰值应力，同时具有适宜的延性性能，这与易富等[21]的研究一致.易富等[21]的研究表明，当稻壳灰质量分数在0～10%时，固化效果明显，强度提升迅速，RHA-GGBS质量分数超过10%，质量分数对强度增加的影响极低，强度提升呈逐渐减缓趋势，这也证明过多的稻壳灰会抑制水化反应，导致强度降低.

并发症包括肺部感染、静脉血栓、发热、压疮、颅内感染,对比2组患者生活质量以及身体功能评分,采用我院自制评分表,总分为60分,分数越高表明患者恢复情况越好。

图4 试样的无侧限抗压应力-应变曲线Fig.4 Stress-strain curve of unconfined compression for sample

出现上述现象的主要原因是RHA-GGBS固化剂中含有矿渣，在没有强碱性激发剂的作用时，其强度提升速率缓慢，导致早期固化土强度不高，但仍能满足欧洲固化软土规范[22]要求的300 kPa（28 d），在长期养护下，强度会持续提升.在掺入不同质量分数的RHA-GGBS后，固化剂起到填充孔隙和胶结土体的作用，当土体发生变形破坏时，土体抵抗变形的能力提升，裂缝发展趋势也被抑制，进而改变了破坏模式.

2.3 破坏应变与变形模量分析

2.3.1 破坏应变 破坏应变εf为应力-应变关系曲线上与峰值抗压强度对应的应变值，是衡量材料脆性或韧性的重要指标[23].如图5(a)所示为RHAGGBS质量分数为15%时不同配合比固化土试样破坏应变变化规律曲线.由图可知：1）在养护期为0～60 d时，同一配试样破坏应变总是随龄期增大逐渐减小，这是试样中固化剂的一系列反应所致，养护时间越长，反应越充分，试样的脆性就越高，破坏应变发生前移.2）当稻壳灰与矿渣配合比从5∶5变为9∶1时，破坏应变总体上呈增大趋势，但在6∶4处出现突降.一般来说，随着稻壳灰的增加，固化土试样的塑性会增加，但6∶4处的突降点说明此时固化土试样呈现一定脆性，此时2种材料反应较佳.如图5(b)所示为不同组别固化土试样破坏应变变化规律曲线.可以看出：掺入固化剂后，破坏应变较素土呈现出不同幅度减小，在相同质量分数时，随着龄期的增加，破坏应变均呈减小趋势.以28 d养护龄期为例，当RHAGGBS质量分数分别为5%、10%、15%、20%时，试样对应的破坏应变分别为3.0%、2.8%、2.7%、4.0%，说明当RHA-GGBS质量分数在0～15%时，试样破坏应变随RHA-GGBS质量分数增加持续减小，一旦RHA-GGBS质量分数达到20%，破坏应变反而增大.对比试样L1可以发现，不管固化剂掺入量多少，破坏应变均发生不同程度减小.

图5 试样的破坏应变试验结果Fig.5 Failure strain test results of sample

2.3.2 变形模量 变形模量E50是岩土工程中评价材料抵抗变形性能的重要指标，在数值上表现为应力-应变曲线上弹性压密段处对应的割线模量[24]，计算式为

式中：εf为破坏应变；σ0.5为破坏应变达到一半时的应力值，E50视为此时的割线模量.如图6所示为不同组别变形模量变化关系.由图可知固化剂配比和RHA-GGBS质量分数对试样变形影响均存在临界值，配比临界值为6∶4，RHA-GGBS质量分数临界值为10 %，超过这一界限试样抵抗变形能力不升反降.

图6 试样的变形模量试验结果Fig.6 Test results of deformation modulus for sample

如图7所示为E50与无侧限抗压强度的关系.变形模量与无侧限抗压强度之间存在一定线性关系[6，19]，李丽华等[6]研究稻壳灰-水泥固化土的应力-应变曲线，发现E50是抗压强度的85.6～142.5倍.陈瑞敏等[19]通过无侧限抗压强度试验研究不同因素对水泥-矿渣-粉煤灰-石膏-纤维加筋(CSFGFR)固化淤泥土强度的影响，发现CSFG-FR协同改良试样的变形模量是抗压强度的54.3～112.9倍.由图7可以发现，变形模量与抗压强度的线性关系相较于其他研究偏小，RHA-GGBS固化土试样变形模量是抗压强度的27.2～62.3倍，反映出不同配比、RHA-GGBS质量分数及龄期对固化土变形模量的影响.

图7 变形模量与抗压强度的关系Fig.7 Relationship between deformation modulus and compressive strength

2.4 膨胀变形分析

自由膨胀率δef是反映膨胀土膨胀性的指标，自由膨胀率可以体现在无结构力下的松散土粒在水中的膨胀特性，判断土体膨胀潜势.如图8(a)所示为养护前各RHA-GGBS质量分数自由膨胀率变化关系曲线.养护前膨胀土自由膨胀率随RHAGGBS质量分数增加迅速降低，由于RHAGGBS的加入，膨胀土逐渐向非膨胀土发生转化，当wRHA-GGBS=10%时，自由膨胀率为40.3%，接近膨胀土与非膨胀土区分界限，继续加入RHAGGBS，土样已转变为非膨胀土.出现上述现象的原因是试样未养护，可以认为自由膨胀率的变化由RHA-GGBS的替换作用所引起[25].稻壳灰无膨胀性，矿渣具有微膨胀性，因此当二者加入膨胀土中且未经养护时，土中矿物成分发生改变，具有膨胀潜势的黏土矿物减少，自由膨胀率自然减小.如图8(b)所示为养护后各RHA-GGBS质量分数及龄期自由膨胀率变化关系曲线.由图可知：1）养护后膨胀土自由膨胀率随RHA-GGBS质量分数逐渐降低，且wRHA-GGBS=5%时，相较于素膨胀土变化最大，随着RHA-GGBS质量分数增大，自由膨胀率缓慢降低.原因是养护后RHA-GGBS固化剂与膨胀土中矿物成分发生水化反应、团粒化作用及凝硬反应，使膨胀土中蒙脱石、伊利石等膨胀组分减少，产生无膨胀性水化硅酸钙C-S-H和团聚体，这一点可以在微观结构部分给出证明.2）养护后自由膨胀率随养护龄期变化明显，养护龄期越久，自由膨胀率降幅越大.这是由于在养护过程中，固化剂与膨胀土中亲水矿物持续作用，固化剂中矿渣属于缓凝材料，作用周期较长，在长时间养护后，自由膨胀率仍会缓慢减小.

图8 试样的自由膨胀率试验结果Fig.8 Test results of free swelling ratio for samples

通过对比分析养护前后自由膨胀率可知，不论养护与否，试样的自由膨胀率均明显降低，不同的是，养护前自由膨胀率下降的原因是稻壳灰和矿渣的替换作用，养护后为化学反应.从改良效果来看，以wRHA-GGBS=10%为例，养护前自由膨胀率降幅为22.5%，养护后不同龄期由短至长分别为53.5%、65.8%、75.6%和81.2%，养护60 d后RHA-GGBS质量分数临界值试样自由膨胀率由52%降至9.8%.这表示养护带来的改良效果不仅优越，且养护组自由膨胀率较未养护组降幅最高为3.6倍.在改良膨胀土膨胀性能方面，RHAGGBS的掺入较好地改善了膨胀土的膨胀性，膨胀土可以转化为非膨胀土且效果显著.

2.5 微观结构

如图9所示为试样L8（配合比6∶4，RHA-GGBS质量分数为10%）养护28 d不同倍数微观结构图像.从图9(a)中可以看出，经复杂化学反应后生成的水化物主要存在形式为絮凝状、针棒状和团聚体形态.水化物在土中三维杂序堆叠分布，主要存在于土颗粒间及表面，起到填充、胶结及骨架支撑等作用[26].从图9(b)中可以看出，土颗粒表面附着少量针棒状水化物、少量未参与反应的稻壳灰及大量絮凝状水化物.这表示生成的水化物在胶结土颗粒方面起主要作用，少量未参与反应的稻壳灰在填充孔隙方面也具有一定作用.一方面，固化剂充分反应后，生成的大量水化物错落分布，填充于土颗粒之间及孔隙形成胶结体，形成空间网状结构从而使土体凝硬.另一方面，未参与反应的稻壳灰比表面积大、细度高，起填充土孔隙作用，有助于进一步提高固化土密实度，使骨架强度提高，从而提高整体强度.

图9 典型固化土试样的扫描电镜图Fig.9 SEM images of typical solidified soil sample

固化土在宏观上的改良体现为无侧限抗压强度提升，而抗压强度提升则解释为固化剂的加固作用.加固作用源自固化剂中2种成分发生水化反应、火山灰反应.针棒状矿物为矿渣在碱性环境水化反应生成的钙矾石（AFt）[27]，簇状、片状及絮凝状凝胶为稻壳灰与矿渣生成的水化物，类似于粉煤灰与矿渣生成的无定形水化物C-(A)-S-H[28].水化物裹挟土颗粒，共同组成空间网状结构，土颗粒间胶结、咬合作用与无侧限抗压强度密切相关.稻壳灰比矿渣更细，产生致密的颗粒填充，孔隙尺寸细化，因此微观结构致密[29].Patel等[16]研究发现，稻壳灰通过填充孔隙和微裂纹能够改善矿渣基地聚物的微观结构，使它的微观组织均匀致密，气孔和裂纹很少，因此在常温下具有更高的强度，稻壳灰包含的SiO2形成硅氧桥(Si-O-Si)链，减少了C-S-H凝胶的间隙，使颗粒牢固地结合在一起，这也表明稻壳灰基固化剂的优越性.

为了进一步探究稻壳灰-矿渣固化膨胀土的水化产物组成，采用 X 射线衍射仪对养护60 d固化土进行物相检测，XRD 图谱如图10所示.结合图2、10可以看出，稻壳灰主要成分为石英，矿渣主要成分为硅铝酸钙，存在潜在的水硬胶凝性.未固化土中黏土矿物主要存在石英、蒙脱石和伊利石，膨胀土固化前后XRD图谱中峰形变化不大，没有出现新峰，表明没有新矿物生成.固化60 d后，膨胀土中的蒙脱石和伊利石消失，由于取样的局限性，不能得出蒙脱石和伊利石完全消失的结论，但试验结果表明，固化60 d后膨胀土中这2种成分大幅减少.

图10 稻壳灰-高炉矿渣固化膨胀土的X射线衍射图谱Fig.10 X-ray diffractograms of rice husk ash-ground granulated blast slag cured expansive soil

对比不同RHA-GGBS质量分数组试样，固化土石英峰的衍射强度随RHA-GGBS质量分数增加而先降低后增高，说明稻壳灰中的活性SiO2在较低RHA-GGBS质量分数下反应完全.这也证实存在最优RHA-GGBS质量分数使固化土抗压强度最佳，当RHA-GGBS质量分数超过最优值时，存在过量SiO2无法反应，受生成物总量限制，固化作用不同程度受抑制.发现新生成的水化物，主要包含水化铝酸钙（C-A-H）、水化硅酸钙（C-S-H）和水化硅铝酸盐（C-A-S-H），并未发现钙矾石.未检测到钙矾石不代表没有这一物质，可能有微量钙矾石，且RHA-GGBS作为固化剂使用，只会产生极少量钙矾石，甚至不产生，这一点在文献[30]中已有研究.结合SEM分析，RHA-GGBS固化膨胀土可明显减少土中蒙脱石和伊利石亲水矿物成分，生成大量无定型水化物，起到降低土体膨胀、加固土体的作用.

3 结 论

（1）改良后固化土试样的无侧限抗压强度均有不同程度提升，且随龄期增长强度持续上升，固化周期较长，最高增幅为3.9倍，随配合比及RHA-GGBS质量分数增加，破坏应变先减小后增大，变形模量先增大后减小，力学及变形性能改良效果显著，且变形模量处于27.2～62.3倍抗压强度线性范围内.

（2）固化土试样存在临界配合比（6∶4）及临界RHA-GGBS质量分数（10%），当配合比超过6∶4或RHA-GGBS质量分数超过10%，力学性能不升反降.

（3）改良后固化土膨胀潜势显著降低，养护前后自由膨胀率差距明显，RHA-GGBS质量分数为10%时，养护组较未养护组降幅最高为3.6倍，养护前自由膨胀率下降的原因是替换作用，养护后则是化学反应.

（4）RHA-GGBS能够明显减少土中蒙脱石和伊利石亲水矿物成分，固化土试样在临界值条件生成团聚体、少量针棒状水化物及大量无定形凝胶，分布在土体表面及填充孔隙，可以提高土体强度，降低土体膨胀.RHA-GGBS质量分数超过临界值时，存在过量SiO2无法反应，生成物总量限制，使得固化反应受到不同程度的抑制作用的影响.

（5）RHA-GGBS固化膨胀土的耐久性直接关系路基或边坡使用年限，因此固化土耐久性在工程中极为重要.未来计划对固化土进行干湿循环试验和冻融循环试验，研究RHA-GGBS固化土的耐久性.