水泥基流态土固化剂的试验研究

高强

（山东中岩建材科技有限公司，山东 枣庄 277100）

建筑业发展的同时，无可避免地带来了一系列问题。施工所需的砂、石、水泥越来越多，这既加重了施工的成本，也加重了自然环境的负担，不利于可持续发展[1]。针对这些问题，各国的解决方案之一是土壤固化剂及其相关技术。土壤固化剂的研究兴起于20世纪40年代[2]，到了20世纪70年代[3]，已在欧美等发达国家取得了较为广泛的应用，取得了不俗的成果。在道路工程[4]、地下工程[5]、水利工程、环境保护、港口和机场、石油工程等各工程领域，有效利用基坑土或渣土，通过土壤固化剂制备预拌固化土，改善土体性，可满足复杂的施工要求，从而保护环境，节约成本，提高施工质量。

预拌固化土可用于临时地坪硬化、临时或低等级道路、路基工程等，也可用作地基材料，形成新的地基处理技术体系。

预拌固化土作为一种质量可控的低强度岩土工程材料，可用于填筑工程，包括市政管廊的基槽回填、市政管网埋设的回填、建筑物深基坑的回填、市政工程对质量要求较高部位的回填、狭窄或异形空间的回填等，也包括矿山工程中的矿山充填，改变大部分岩土矿山采空区、深基坑、肥槽固化“只能用水泥”的局面，提供了更高性价比材料的解决方案。对于填筑工程，往往采用大流态的预拌固化土，可泵送或溜槽浇筑，无需振捣成型，减少了传统素土、灰土回填的压实（碾压、夯实）工序，有利于淤泥质土、高含水率状态下的土质，污泥等特殊土壤的处理[6]，特别是对狭窄空间的填筑工程，更有无可替代的技术优势，为填方材料问题、土方处置、工业固废的高附加值利用提供了一种思路。

2.1 试验思路

传统胶凝材料混凝土是通过水泥胶结砂石材料制成，该胶凝材料固结表面性质为惰性的石、砂。固化土则是通过水泥“固结”土粒制成，该胶凝材料可以特殊胶凝组合固化细粒土和活化土界面。与传统胶凝材料混凝土相比，原材料从单一水泥材料变成水泥、矿粉、脱硫石膏、钢渣等工业固废组成的复合材料，包含多组分无机材料，也包含高分子类的改性材料[7]。

传统胶凝材料应用于高含水率或特殊土壤时存在一定的缺陷，因此需开发特殊的胶凝材料体系用于流态土固化，需制备专用的流态土固化剂在常温下加入高含水率或特殊土壤中胶结土壤颗粒[8]，或与粘土矿物发生离子结合、水化反应、生物作用等从而大幅提高土壤密实度、强度、弹性和耐水性。

土壤固化剂作为一种新型建筑材料，可将总量丰富、成本低廉的自然土壤进行固化改性之后用作各类地基、路基及工程填筑用料，就地取材，减少砂石用量和运输成本，形成流动性可控、施工速度快、固化强度高、匀质性好、成本低、适用范围广的绿色环保工程材料。

2.2 原材料及设备

2.2.1 原材料

水泥：42.5快硬硫铝酸盐水泥；
矿粉、钢渣：市面采购工业品；
外加剂：常见外加剂；
试验用水：自来水。

土样：山东东营粉质土，其采样深度为100～200cm。土样风干并过孔径2mm的筛，测定其物理性质，结果见表1。从表1可看出，供试土样的颗粒密度为1.26，含水率为29.4%，孔隙比为0.8，液限为29.4%，塑限为15.88%，塑性指数为15.88；
颗粒组成以粉粒为主，按照界限含水率分类，此土样属于低液限黏土（CL）。

表1 土样性质指标Tab.1 Soil sample property index

2.2.2 主要设备

液压式万能试验机：型号WE-300，最大试验力300kN，济南实验机厂制造；
电子液压式压力试验机：型号WAY-300，北京海智科技开发中心制造；
蒸养箱；
冻融循环机；
模具：50mm×50mm×50mm的土块试件模具；
土壤性能测试仪器：GYS-2型光电式液塑限测定仪，北京恒奥德仪器仪表有限公司制造。

2.3 试样制备和养护

根据CJ/T 3073-1998《土壤固化剂》、JTJ 057-94《公路工程无机结合料稳定料试验规程》的规定方法进行试验。将土壤与固化剂按照设计掺量拌和均匀，置于50mm×50mm×50mm试模中，使固化土流态密实填充试模，试样固化后体积稳定。试件制备完毕后立即用塑料薄膜封装，放入标准养护室（温度为（20±2）℃，湿度为95%以上）养护至规定龄期，备用待测。

2.4 试验方法

通过调整拌合用水与回填土的比例、固化剂掺量与回填土质量的比例和水泥基流态土固化剂的组成，包括固化组分、激发组分、分散组分及体积稳定组分、功能组分等。

2.4.1 调整胶凝组分含量

水泥掺量为固化剂的40%，粉煤灰、矿粉、石灰掺量之和为固化剂的40%。根据混料设计中单纯型重心设计法（见图1），粉煤灰掺量按照设计掺量分别选择0、33%、50%、100%，矿粉掺量按照设计掺量分别选择0、33%、50%、100%，石灰掺量按照设计掺量分别选择0、33%、50%、100%，设计7组不同粉煤灰、矿粉、石灰掺量的试验，见表2。

图1 单纯形重心试验设计法图例Fig.1 Legend of simplex center of gravity experimental design method

表2 胶凝材料原材料配比Tab.2 Proportion of cementitious materials

2.4.2 调整碱激发剂的种类及掺量

使用4种常用碱激发材料氢氧化钠、硅酸钠、硫酸钠、碳酸钠，掺入量分别选择3g、6g、9g，见表3。

表3 碱激发剂原材料配比Tab.3 Material ratio of alkali activator

2.4.3 调整强度组分

通过对矿粉、粉煤灰、Ca(OH)2不同比例的试样的3d、7d、28d抗压强度的分析得出，矿粉是试样提高强度的主要组成部分，粉煤灰对试样的早期强度和后期强度的提高作用不明显，Ca(OH)2对试样早期强度影响不大，对试样后期强度略有帮助。

综合上述试验结果，在新调整的配比中取消了粉煤灰和Ca(OH)2的掺入，改为更经济的钢渣粉作为新的组成。在此基础上，调整水泥按照设计掺量分别选择0、16%、33%、50%、100%，矿粉按照设计掺量分别选择0、16%、33%、50%、100%、钢渣按照设计掺量分别选择0、16%、33%、50%、100%，设计11组试验，见表4。

表4 胶凝材料原材料配比Tab.4 Proportion of cementitious materials

2.4.4 固化土的微观结构分析

采用扫描电镜-能谱仪对水化产物进行形貌观察和元素分析.扫描电镜型号为J-5800，分辨率为3.5nm，放大倍数为20～30万倍，图像模式为二次电子像和背散射电子像，加速电压为0.3～30kV.固化土试件采用直径50mm、高50mm的圆柱体，在(20±2)℃、相对湿度＞95%的标准条件下养护至规定龄期。

3.1 调整胶凝组分含量结果

表5、图2表明，通过对石灰、粉煤灰、矿粉三组分不同比例的试样的3d、7d抗压强度的分析得出，试样中矿粉占比增加有利于固化土的早期强度，而粉煤灰和石灰的区别不大，石灰相比粉煤灰作用大些。由此可知，土壤固化剂的强度主要来自矿粉碱激发的强度，可根据需求和原材料价格调整石灰、粉煤灰、矿粉三组分掺量，以控制固化土强度。

图2 抗压强度Fig.2 Sample compressive strength

表5 试样3d、7d、28d强度Tab.5 Strength of samples at 3d, 7d and 28d

3.2 调整碱激发剂的种类及掺量结果

表6结果表明，氢氧化钠作为碱激发剂的效果最好，包含氢氧化钠的试样3d、7d、28d强度较高，包含硅酸钠的试样的流动性稍有提高，但激发效果稍差。作为土壤固化剂的碱激发组分，综合考虑价格和激发效果，硫酸钠掺量4%的试样的性价比最高。因此，选择硫酸钠掺量4%作为碱激发剂材料。

表6 试样3d、7d、28d强度Tab.6 Strength of samples at 3d, 7d and 28d

3.3 调整强度组分组结果

表7、图3的结果表明：1）第二、三、四组固化土在没有加入水泥的情况下，只添加钢渣粉或矿渣在3d、7d、28d龄期内基本没有强度或强度增长；
2）在固化土试样中单纯提高水泥组分比例，固化土强度在3d、7d、28d龄期内有所提高，但增强效果变弱。

表7 试样3d、7d、28d强度Tab.7 Strength of samples at 3d, 7d and 28d

图3 固化土强度Fig.3 Compressive strength of solidif ied soil

从图4可以看出，在存在一定钢渣的情况下，固化土强度在3d、7d、28d龄期内增加显著，水泥/废渣存在协同作用。

图4 20%固定钢渣粉试样强度Fig.4 Strength of 20% steel slag powder sample

图5的结果表明：1）水泥与工业废渣的合理比例可减少固化剂本身水泥用量，节约成本，实际上也是提升固化土品质的手段；
2）使用流态土固化剂形成的固化土，在一些应用场景中可替代完全使用水泥的情况，从而提升质量，降低成本，改善环境。

图5 水泥与工业废渣的比例Fig.5 Ratio of cement to industrial waste residue

表8的结果表明，由于土中可溶盐、离子交换、物理吸附、凝硬反应等作用，试样大量吸收Ca2+和OH-离子。在Ca(OH)2不饱和的情况下，土样对Ca2+和OH-的离子进一步吸收，必然消耗原本用以生成C-S-H的Ca2+和OH-，导致固化土中水化物生成量减少，影响固化土抗压强度的增长。当水泥-矿粉掺入比例合适时，产生的Ca(OH)2充分满足土样的吸收，可保证试样强度。

表8 试样水泥-矿粉掺杂比例变化所含离子Tab.8 Ion contained in sample under change of cement-mineral powder doping ratio

3.4 固化土的微观结构分析结果

采用扫描电子显微镜（SEM）对7d、28d、56d标准条件下养护的试样的形貌特征进行分析，结果见图6。

由图6可见：1）凝胶已将土颗粒黏结起来，但仍可见土颗粒之间的缝隙，土颗粒的外貌清晰可辨；
2）7d龄期时，水化产物C-S-H凝胶进一步增多，其将土颗粒包裹起来，并有效进行黏结；
3）28d龄期时，已分辨不出土颗粒的形貌，土颗粒外部被水化产物包裹起来；
4）56d龄期时，C-S-H凝胶将土颗粒黏结起来，形成较大的颗粒。

图6 水泥矿粉掺杂试样7d、28d、56d的扫描电镜观察Fig.6 SEM observation of cement mineral powder doped samples for 7d, 28d and 56d

颗粒之间形成纤维状和网状的水化硅酸钙凝胶（C-S-H）、六方棱柱型的三硫型水化硫铝酸钙晶体（钙矾石，AFt）及片状或叠片状的氢氧化钙晶体（CH）。固化剂中含有硫酸钠、硅酸钠、氢氧化钠、碳酸钠等成分，这些成分可有效激发水泥基中的硅酸二钙、硅酸三钙、铝酸三钙、铁铝酸钙等物质的反应，更重要的是可促使黏土矿物中的硅氧四面体和铝氧八面体在强碱性条件下发生分解，分别形成可溶性氧化硅和氧化铝，再和水泥中的可溶性钙发生反应，生成水化硅酸钙凝胶及硫酸铝钙等。在各种水化产物中，C-S-H与Aft构成了固化土的强度主体[9]。在Ca(OH)2不饱和情况下，将消耗原本用以生成C-S-H的Ca2+和OH-，影响固化土抗压强度增长。合适比例的水泥-矿粉产生饱和Ca(OH)2，可保证强度有效增长。钙矾石膨胀填充固化土中的孔隙是提高固化土强度的主要因素[10]。

1）水泥基流态土固化剂。由单一的水泥材料变成水泥与工业固废组成的复合材料，包含多组分无机材料和高分子类改性材料。经过组成之间的物理作用和化学反应、激发效应，形成流动性可控、施工速度快、固化强度高、匀质性好、成本低、适用范围广的一种绿色环保的工程材料。

2）流态土主要应用领域。①边坡固化。边坡稳定性是水利工程中的一个重要问题。滑坡往往发生在起伏不定的道路边坡上。土壤固化剂应用于边坡固结可解决边坡稳定性差、投资高、处理方法单调等问题，有良好的社会效益[11]。②渠道防渗。渠道系统用水系数是灌溉渠道系统净流量与总流量的比率。研究表明，我国灌溉渠道系统用水系数仅为0.5左右，这意味着40%以上的水在运河供水过程中无效流失，造成大量浪费。因此，加强过滤控制防渗[12]和灌溉渠道抗冻性意义重大。③道路工程。土壤固化剂在此领域主要用于加固松软的地下土壤。劈裂试验证明固化碎石土的劈裂强度较高，有利于减少路面结构面层裂缝的产生[13]。水稳定性试验和冻融循环试验也表明固化碎石土有良好的水稳定性和显著的抗冻效果[14]。

3）流态土固化机理。无机类土壤固化剂为粉体固化剂，大多通过水泥、粉煤灰、工业废料等无机材料和某些酸、碱、盐类激发剂(如氯盐、硫酸盐、氢氧化钠等)或含有表面活性剂的激发剂制备而成[15-16]。无机土壤固化剂中的C2S等物质在激发剂的作用下能迅速与土壤中的水反应生成Ca(OH)2和水化硅酸钙(C-S-H)凝胶，同时，其内部活性SiO2和Al2O3在碱性激发剂和新生成的Ca(OH)2等碱性物质的作用下进一步生成C-S-H与水化铝酸钙(C-A-H)，C-A-H与硫酸盐类激发剂生成AFt。在制备的水泥基流态土固化剂中水泥与工业废渣协调作用，当掺入一定比例的水泥-工业固废组分时，在Ca(OH)2饱和的情况下，有利于固化土中水化物生成，这些产物填充了土壤内部空隙，提高了土壤的密实度，加强了土壤颗粒之间的连接，同时附着在土壤颗粒表面，相互交叉形成空间骨架，并将其黏结成一个整体，从而提高了固化土的强度，其中C-S-H凝胶、AFt是构成固化土强度的主体，起到土壤固化的作用[17]。

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