矿渣-粉煤灰基地质聚合物稳定地基软土的试验研究.pdf

第41 卷第1 1 期2023年1 1 月文章编号：1 0 0 9-7 7 6 7（2 0 2 3)1 1-0 2 1 3-0 6Vol.41,No.11Journal of Municipal TechnologyNov.2023D0I:10.19922/j.1009-7767.2023.11.213矿渣-粉煤灰基地质聚合物稳定地基软土的试验研究赖军(中铁十二局集团第一工程有限公司,陕西西安7 1 0 0 0 0)摘要：为解决水泥固化土早期强度不足、材料成本高、环境污染严重等问题，制备了一种矿渣-粉煤灰基地质聚合物，用于软土地基的加固。因此，主要研究了地质聚合物掺量、碱性激发剂掺量和矿渣与粉煤灰质量比对固化土强度的影响；通过无侧限抗压强度试验、SEM和EDS微观分析，对比分析了水泥固化剂和地质聚合物固化剂稳定珠三角流域软土的力学性能和微观结构。研究结果表明：地质聚合物加固软土的最佳配合比为地质聚合物掺量1 6%、矿渣与粉煤灰质量比为7 0:3 0、碱性激发剂掺量1 0%；微观分析证明，在地质聚合物固化土中形成了均匀分布的凝胶状产物，从而使土颗粒紧密结合。该研究成果可为后续软土地基的处治提供参考。关键词：矿渣；粉煤灰；地质聚合物；抗压强度；微观分析；软土处理Lai Jun中图分类号：U416.1Experimental Study on Stabilizing Soft Soil with Slag-Fly Ash Based GeopolymerAbstract:In order to solve the problems of insufficient strength of cement stabilized soil at early stage,high materialcost and serious environmental pollution,a slag-fly ash based geopolymer was prepared to strengthen soft soil foun-dation.The influence of geopolymer content,alkaline activator content and slag fly ash ratio on the strength of solid-ified soil were mainly studied in this paper.Through unconfined compressive strength test,SEM and EDS microscopiccharacterization means,the mechanical properties and microstructure of cement solidified agent and geopolymer so-lidified agent stabilized soft soil were compared and analyzed in Pearl River Delta Basin.The results show that theoptimal ratio of geopolymer to strengthen soft soil is 16%geopolymer,70:30 mass ratio of slag to fly ash and 10%alkaline activator;Micro analysis shows that evenly distributed gel like products are formed in the geopolymer stabi-lized soil to tightly combine the soil particles.The research provides reference for the subsequent treatment of softsoil foundation.Key words:slag;fly ash;geopolymer;compressive strength;micro analysis;soft soil treatment文献标志码：A(China Railway 12th Bureau Group First Engineering Co.,Ltd.,Xi an 710000,China)我国珠三角流域的软土具有高含水率、高压缩性和低强度的物理特性,且软土中含有一定量的有机质，极易造成地基失稳或不均匀沉降，给基础设施的建设、运营和维护带来了严峻的挑战。软土固化技术主要指固化剂与软土之间的一系列化学和物理作用，可形成具有足够强度的固化土，是一种应用广泛的软土地基处理方法 1-2 。目前,处理软土地基最常用的固化剂是硅酸盐水泥，而水泥在生产过程中会消耗大量的资源和能源，并排放大量温室气体和污染物，从而给环境保护带来巨大负担 3 。此收稿日期：2 0 2 3-0 6-2 0作者简介：赖军，男，工程师，学士，主要从事市政工程和地质基础方面的研究工作。引文格式：赖军.矿渣-粉煤灰基地质聚合物稳定地基软土的试验研究 J.市政技术，2 0 2 3,41（1 1)：2 1 3-2 1 8.（LAIJ.Experimental studyon sta-bilizing soft soil with slag-fly ash based geopolymer J.Journal of municipal technology,2023,41(11):213-218.)市放技术214Journal of Municipal Technology外,水泥固化土往往存在早期强度不足、耐久性差等缺点 4,这会影响工程加固质量和建设周期。因此，开发性能优异的环保型固化剂来替代水泥是十分必要的。地质聚合物是以天然或人造硅铝材料为原料，通过强碱作用和晶格重构等聚合反应制备的一种具有三维网络结构的新型胶凝材料。目前，已有学者利用低成本工业固废材料制备出了一系列地质聚合物。如：张厚记等 5 为促进工业固废磷石膏资源的可持续循环利用，介绍了一种大掺量磷石膏复合稳定碎石基层技术，且研究发现采用多元固化剂可满足公路使用要求；张新想等 6 采用干粉激发煤研石制备了地质聚合物混凝土，揭示了煤研石基地质聚合物混凝土梁在高温时的变形、承载能力等特性的变化规律;Abdullah等 7 研究了粉煤灰基地质聚合物稳定黏土的剪切模量、超孔隙水压力、应变响应等力学性能，证实了地质聚合物在处理黏土方面具有良好的潜力。目前，已经制备出了性能较好的地质聚合物，但对其在软土中的适用性、软土的处理效果和微观机理分析方面的研究仍处于初步阶段，且关于矿渣-粉煤灰地质聚合物固化土的强度和微观结构特征的相关报道很少。基于此，笔者选用粉煤灰和矿渣代替水泥作为固化剂，采用正交试验分析材料组成最优配合比，并结合无侧限抗压强度试验结果研究固化剂种类和掺量、矿渣和粉煤灰质量比、碱性激发剂掺量等对固化土抗压强度的影响，采用微观测试法分析水泥与地质聚合物固化土的微观形貌与微观物质组成。1试验部分1.1设试验材料水泥采用P.042.5普通硅酸盐水泥；粉煤灰为二级粉煤灰，勃氏比表面积为3 5 0 m/kg，密度为1.83g/cm；矿渣比表面积为49 0 m/kg，密度为2.8 8 g/cm。试验采用的原材料化学成分如表1 所示。表1 原材料化学成分Tab.1 Chemical composition of raw materials材料Al.0;水泥2.18矿渣24.81粉煤灰34.97第41 卷试验土为珠三角流域典型的淤泥质土，其基本物理力学性能如表2 所示。表2 土样基本物理力学性能Tab.2 Basic physical and mechanical properties of soil samples取样深度/m土层密度/（g/cm）含水率/%孔隙比塑性指数12淤泥硅酸钠溶液的初始模量(SiO,与Na2O的质量比)为3.2 5。1.2样品配合比为了研究地质聚合物掺量、碱性激发剂掺量和矿渣与粉煤灰质量比对固化土强度的影响,采用三因素三水平正交法进行试验。其中：地聚物掺量分别为14%、1 6%、1 8%；碱性激发剂掺量分别为5%、1 0%、15%；矿渣与粉煤灰质量比分别为6 0:40.7 0:3 0.8 0:2 0；水泥掺量分别为1 4%、1 6%、1 8%。共计1 8 组试件。正交试验配合比如表3 所示。表3 正交试验配合比Tab.3 Orthogonal test mix ratios编号水泥/%地质聚合物/%矿渣：粉煤灰碱性激发剂掺量/%C-114C-216C-318G-1G-2G-3G-4G-5G-6G-7G-8G-9G-10G-11G-12G-13G-14G-151.3样品制备通过磁力搅拌器将硅酸钠溶液和一定量的NaOH溶液混合均匀，以制备初始模量为3.2 5 的硅%酸钠溶液并作为碱性激发剂。同时考虑NaOH遇水SiO2Cao23.5067.8229.4337.2955.082.672.43141414141416161616161818181818MgoFe20,2.711.875.130.5247.880:2070:3070:3070:3060:4080:2070:3070:3070:3060:4080:2070:3070:3070:3060:40SO;快速放热的特性,提前1 2 h制备碱性激发剂,然后1.923.341.275.491.75151510551515105515151055掺人混合均匀的矿渣-粉煤灰中制备地聚合物浆体。为了获得均匀的土壤样品，参照JGJ/T233一2 0 1 1 水23.91第1 1 期泥土配合比设计规程进行试验。具体步骤为：1)按照表3 所述配合比制备固化剂（水泥和地质聚合物），试验水灰比均为0.5。2)将固化剂均匀地混合到现场所取土样中,搅拌至混合物达到均匀状态。搅拌过程如图1 所示。图1 浆液混合搅拌过程Fig.1 Slurry mixing and stirring process3)将土样混合物填充到尺寸为7 0.7 mmx70.7mmx70.7mm的立方体模具中。为消除气泡，可将模具振动1 3 min。4)将制备好的样品放人温度为-2 0 2、且湿度为9 4%9 6%的养护箱中养护1 d后脱模，然后再次将其放人标养箱中养护。2试验结果与分析2.1回固化剂种类和掺量对固化土无侧限抗压强度的影响不同固化剂对固化土无侧限抗压强度（以下简称“抗压强度”)的影响如图2 所示。从图2 a)可以看出，随着水泥掺量的增加，水泥固化土的抗压强度呈线性增加的趋势，即：当水泥掺量为1 4%、1 6%、1 8%时，水泥固化土养护7 d的抗压强度分别为0.42 0.47、0.5 6 MPa，增幅分别为1 0.6%和1 6.1%。与养护7 d的抗压强度相比，水泥固化土养护2 8 d的抗压强度显著增加，且养护7 d与养护28d的抗压强度比为5 5%6 0%。从图2 b)可以看出，地质聚合物固化土的抗压强度整体高于水泥固化土，其抗压强度随着固化剂掺量的增加而增加，这可归因于地质聚合物在固化土的过程中会产生火山灰反应。地质聚合物的掺人增加了稳定土壤中的硅相和钙相,碱性活化剂溶解矿渣和粉煤灰中的无定形硅、铝和钙，形成大量单赖军：矿渣-粉煤灰基地质聚合物稳定地基软土的试验研究0.76 MPa 和 1.2 1 MPa。从图3 b)可以看出，碱性激发剂掺量为5%时，G-9养护7 d和2 8 d的抗压强度分别为0.9 8 MPa2151.0r17d28d0.80.60.40.20.02.01.81.61.41.21.00.80.60.40.20.0图2 不同固化剂对固化土抗压强度的影响Fig.2 The effect of different dosages of solidifying agents on thecompressive strength of solidified soil体，由此在体系中构建了缩聚凝胶网，并包裹软土颗粒且填充颗粒之间的间隙，从而提高稳定土的整体强度。此外,软土中还存在一些硅相,也可能有助于在碱性激发剂条件下形成地质聚合物网络结构。值得注意的是,随着固化剂掺量的增加,抗压强度增加的速率有所下降,原因是固化土中存在一些未反应的矿渣和粉煤灰颗粒,阻碍了强度的进一步增加。因此,从强度和经济性角度考虑,地质聚合物最佳掺量为1 6%。2.2矿渣与粉煤灰质量比对固化土抗压强度的影响不同矿渣与粉煤灰质量比对地质聚合物固化土抗压强度的影响如图3 所示。从图3 a)可以看出，碱性激发剂掺量为1 5%时，G-1养护7 d和2 8 d的抗压强度分别为0.8 0 MPa和1.24MPa,G-2养护7 d和2 8 d的抗压强度分别为C-1a)水泥固化剂17d28dG-1b）地质聚合物固化剂C-2G-6C-3G-11市放技木216Journal of Municipal Technology2.07d28d1.61.20.80.40.0G-11.67d28d1.20.80.40.0G-4图3 不同矿渣与粉煤灰质量比对地质聚合物固化土抗压强度的影响Fig.3 The effect of different mass ratios of slag-fly ash on thecompressive strength of geopolymer solidified soil和1.5 6 MPa,G-10养护7 d和2 8 d的抗压强度分别为0.8 5 MPa和1.49 MPa。当矿渣与粉煤灰质量比从80:20变为7 0:3 0 时，地质聚合物固化土的抗压强度仅略微降低。从图3 还可以看出，矿渣掺量较多时，地质聚合物固化土抗压强度的增速较快，矿渣与粉煤灰质量比为8 0:2 0 时,SiO32-和 A1(OH)4-在碱性激发剂的作用下快速产出，然后与Ca2+聚合形成大量重叠的凝胶产物，从而有利于增加固化土的抗压强度。此外，当矿渣与粉煤灰质量比由8 0:2 0 变为7 0:3 0 时，7 d和2 8 d的抗压强度均略微降低，主要原因是体系中Si-O键和Al-O键在碱性激发剂的作用下断裂，然后通过缩聚反应形成三维硅铝酸盐网络结构（N-A-S-H凝胶），其中含有SiO4和A1O4四面体，该四面体结构稳定，阻碍了与矿渣水合物的二次反应，从而削弱了地质聚合物的黏附力。第41 卷综上所述，从经济性角度考虑，矿渣与粉煤灰质量比宜为7 0:3 0。2.3碱性激发剂掺量对地质聚合物稳定土抗压强度的影响不同碱性激发剂掺量对地质聚合物固化土抗压强度的影响如图4所示。1.41.2G-2G-6a)15%激发剂G-5G-9G-10G-14G-15b)5%激发剂7dA28dG-7G-11G-121.00.80.60.40.20.01.81.61.41.21.00.80.60.40.20.02.01.81.61.41.21.00.80.60.40.20.0图4不同碱性激发剂掺量对地质聚合物固化土抗压强度的Fig.4 The effect of different alkaline activator dosages on thecompressive strength of geopolymer solidified soilG-2a)14%地质聚合物G-7G-8b)16%地质聚合物G-12G-13c)18%地质聚合物影响G-3G-47d28dG-917d28dG-14第1 1 期从图4可以看出，随着碱性激发剂掺量的增加，地质聚合物固化土的强度整体呈下降趋势，但不显著。这是由于较高掺量的激发剂导致矿物聚合物浆体中的A13+、Si 4+和Ca2+快速释放，从而有效地减少其初凝时间。同时在制样过程中发现地质聚合物浆体与土样混合后有凝固现象，这对稳定土结构的形成有不利影响。因此，对于矿渣与粉煤灰质量比为7 0:3 0的地质聚合物土，碱性激发剂的最佳掺量为1 0%。2.4固化土微观表征研究采用扫描电子显微镜（以下简称“SEM）和X射线能谱仪（以下简称“EDS)对样品分别进行表征，以分析其微观形貌状态和化学组成。2.4.1 SEM分析掺人不同固化剂后固化土的SEM图如图5 所示。a)水泥固化土b)地质聚合物固化土图5 不同固化土的SEM图Fig.5 SEM images of different solidified soils从图5 a)可以看出，水泥水化产生的凝胶状水化产物被包裹在土壤颗粒的表面，该类物质为水化硅酸钙(C-S-H)。随着水化反应的进行,凝胶状水化产物相互重叠，使得结构更加致密，从而增加了固化土的抗压强度。从图5 b)可以看出,在碱性激发剂作用下，矿渣和粉煤灰迅速水化，产生大量均匀分布的凝胶状产物,并将土壤颗粒紧紧粘合在一起。与赖军：矿渣-粉煤灰基地质聚合物稳定地基软土的试验研究合比，主要结论如下：1)增加固化剂的掺量，可以有效提高固化土的抗压强度，2 种固化土的抗压强度均表现出线性增加的趋势，其中地质聚合物固化土的抗压强度整体高于水泥固化土，从经济性角度考虑，地质聚合物最佳掺量为1 6%。217水泥固化土相比,水泥固化土土壤颗粒之间的空隙没有被完全有效地填充，导致土壤颗粒相对分散，而地质聚合物固化土形成了更致密的微观结构，宏观上表现为抗压强度增加。此外，在SEM图中几乎没有观察到球形粉煤灰颗粒，表明粉煤灰的活性在碱性激发剂产生的碱性环境中被激活,因此粉煤灰颗粒逐渐被产生的水化产物所覆盖。2.4.2 EDS 分析掺入不同固化剂后固化土元素与占比如表4所示。表4不同固化土元素与占比Tab.4 Different solidified soil elements and their proportions固化土种类水泥固化土地质聚合物固化土从表4可以看出，水泥固化土中Ca和Si分别占比9.5 5%和1 8.42%，表明该类水化产物是水化硅酸钙(C-S-H),与SEM中观察到的凝胶状水化产物相对应。地质聚合物固化土中Na、Si和Al分别占比7.51%、1 0.3 8%和7.8 5%，表明该物质是水化硅酸钙(C-S-H)和钠基铝硅酸盐(N-A-S-H)。N-A-S-H 凝胶主要是由碱-粉煤灰体系中Si、A l等活性物质的“溶解-聚合”反应形成，从而使地质聚合物固化土内部颗粒充分粘结固结成一个整体,提高了固化土的强度。3结论采用无侧限抗压强度试验、SEM、ED S微观表征，对比分析了水泥固化剂和地质聚合物固化剂稳定珠三角流域软土的力学性能和微观结构，并以实际工程为背景，提出了地质聚合物稳定土的最佳配元素NaAISiCa0NaA1SiCa0占比/%3.724.9318.429.5559.267.517.8510.383.6763.082182)随着矿渣和碱性激发剂掺量的增加,地质聚合物固化土的抗压强度呈现出略微下降的趋势，对于矿渣-粉煤灰质量比为7 0:3 0 的地质聚合物固化土，碱性激发剂的最佳掺量为1 0%。3)与水泥固化土机理不同,SEM结果表明地质聚合物固化土在碱性激发剂的作用下会迅速产生大量均匀分布的凝胶状产物，使土壤颗粒紧密结合。EDS结果表明凝胶状产物由水化硅酸钙(C-S-H)和钠基硅铝酸盐(N-A-S-H)组成。4)建议采用地质聚合物掺量为1 6%、矿渣与粉煤灰质量比为7 0:3 0、碱性激发剂掺量为1 0%的配合比方案进行现场软土地基处理。参考文献【1 王安辉，黄展魏,詹其伟，等.再生骨料-工业废渣协同固化软土的力学特性及机理分析 J.材料导报,2 0 2 2,3 6(Sup2):1-5.(WANG A H,HUANG Z W,ZHAN Q W,et al.Mechanical prop-erties and mechanism of soft soil solidified by recycled aggregateand industrial waste residueJJ.Materials reports,2022,36(Sup2):1-5.)【2 徐亮，唐彤芝，白兰兰，等.就地固化技术处理浅层软土的应用及机理研究 J.水利水运工程学报,2 0 2 1(2)：1 0 9-1 1 6.（XUL,TANG T Z,BAI L L,et al.Application and mechanism of in-(上接第1 9 3 页)fication for construction of highway asphalt 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